Исследование методов регистрации нейтрино низких энергий с помощью металлосодержащих жидких органических сцинтилляторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Янович, Евгений Александрович

• Янович, Евгений Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Янович, Евгений Александрович

Выводы. п

1. Для регистрации солнечных нейтрино низких энергий (рр, Be), проект LENS, разработаны Yb- и In- содержащие жидкие органические сцинтилляторы на основе соединений УЬ(1УА)з и 1п(2МУА)з в РС, с содержанием металла вплоть до 10%. Технология получения позволила достичь стабильных характеристик (более 1 года) сцинтиллятора.

2. Измерено влияние концентраций УЬ и 1п на оптические характеристики сцинтиллятора. Для концентрации 10% металла характеристики сцинтиллятора составили: световыход

• УЬ-сцинтиллятор (10% УЬ): световыход ~ 4000 фотон/МэВ.

• 1п-сцинтиллятор (10 % 1п): световыход ~ 7000 фотон/МэВ. прозрачность (без сцинтилляционных добавок)

• УЬ-сцинтиллятор (10% УЬ): ~ 2.5 м (430 нм).

• 1п-сцинтиллятор (10 % 1п): ~ 2.2 м (430 нм).

3. Исследован фон УЬ детектора нейтрино. Продемонстрирована возможность очистки до необходимого уровня (10"15 г/г) от наиболее опасной примеси Ьи-176, которая может полностью имитировать нейтринный сигнал.

4. На модуле с кварцевой ячейкой 5 х 5 х 100см3 с помощью источника 137Сз измерены характеристики 1п-сцинтиллятора. Для ячейки с РС(1п-55 г/л, ВРО-4 г/л, ЫбМБВ-ЗО мг/л) энергетическое и пространственное разрешения составили: аЕ(477 кэВ) = 6.5% ах(477 кэВ) = 4 см. Полученные характеристики удовлетворяют требованиям, необходимым для создания полномасштабного детектора солнечных нейтрино.

5. Разработан и создан низкофоновый прототип 1п детектора солнечных нейтрино (сборка из 9 кварцевых ячеек, заполненных сцинтиллятором) в подземном помещении Гран Сассо. Используемая пассивная защита детектора обеспечила —106 кратное подавление от окружаещего гамма фона.

6. На прототипе 1п детектора были измерены:

• Фон сцинтилляционных ячеек, заполненных сцинтиллятором РХЕ (р-Тр 2 г/л, ЫбМБВ 20 мг/л). Средняя скорость счёта (Е> 35 кэВ) ~ 3x10"3 расп/сек кг.

• Концентрация 14С/ 12С в РХЕ. R(14C/ 12С) ~ 12.6 ± 10"18

• Сцинтилляционные характеристики In ячеек. Световыход In(IVA) ~ 500 фэ/МэВ, In(acac) ~ 220 фэ/МэВ. Эффективная прозрачность ~ 1.5 м.

• Бета спектр от распада In-115.

• Фон в In ячейках в области ( 0.7 МэВ - 4.0 МэВ): ~ 300 расп/день кг In(2IVA), ~ 80 расп./день кг In(acac), ~ 40 расп./день кг РХЕ.

• Стабильность In сцинтиллятора (4 месяца).

7. В рамках проекта Double Chooz разработан новый сцинтиллятор на основе смеси РХЕ(20%)-додекан(80%) с добавкой Gd(0.1%) для измерения ©i3 в эксперименте с реакторными антинейтрино. Были измерены характеристики сцинтиллятора и продемонстрирована их стабильность в течение ~ 400 дней.

8. Разработаны две модификации Gd-содержащего сцинтиллятора (Gd 0.1%) на основе уайтспирита. В течение 2-х лет на двух счётчиках LVD (общая масса 2.4 тонн) продемонстрирована стабильность их оптических характеристик. С помощью нейтронного источника Cf-252 измерены эффективность регистрации (96%) и время захвата нейтрона (28 не).

9. Для поиска 20(Ov) распада на изотопе 150Nd разработан неодим-содержащий жидкий органический сцинтиллятор на основе PC (неодим в виде соединения Nd(2MVA)) и измерены его характеристики.

10. На модуле с ячейкой длиной 1 метр с помощью источника 137Cs измерены оптические характеристики сцинтилляторов РС(РРО-1.5 г/л) и PC(Nd-0.65%, РРО-1.5 г/л, bisMSB-30 мг/л). Вычислена эффективная прозрачность Nd-сцинтиллятора -2.1м.

11. Измерено содержание радиоактивных примесей U-238, Th-232 в неодиме (ICP-MS). Сделана оценка внутреннего фона Nd-сцинтиллятора. Показан ожидаемый эффект для mv=100 мэВ в случае создания 12 т. сцинтилляционного детектора.

В заключение хочу выразить глубокую благодарность своему научному руководителю Л.Б.Безрукову за внимание, поддержку и помощь в работе, И.Р.Барабанову за постоянное большое внимание и плодотворное многолетнее сотрудничество, О.Г.Ряжской за многие ценные советы, замечания и поддержку. Я признателен ближайшим коллегам, сотрудникам отдела ЛВЭНА Абдурашитову Д.Н., Веретёнкину Е.П., Гуренцову В.И., Мальгину A.C., Новиковой Г .Я., Петухову

B.В., Петрову Е.П., Янцу В.Э. за дискуссии, советы и помощь, сотрудникам института Физической химии РАН Данилову H.A., Крылову

Ю.С., за многолетнее сотрудничество в исследованиях металлосодержащих жидких органических сцинтилляторов,

В.С.Березинскому, К.Катадори (C.Cattadori), Р.Рагавану (R.Raghavan),

C.Шонерту (S.Schonert), В.Фульджиони (W.Fulgione), А.Яни (A.Ianni), О.Смирнову и всем коллегам итальянской и немецкой групп коллабораций LENS, MetaLS за сотрудничество в области исследований метода регистрацации нейтрино с помощью металлосодержащих жидких органических сцинтилляторов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Янович, Евгений Александрович, 2010 год

1. Yao W М et al. (Particle Data Group) 2006 J.Phys.G33,l

2. Kraus Ch, Bornschein В, Bornschein L, Bonn J, Flatt B, Kovalik A, Ostrick В, Otten E W, Schall J P,Thümmler Th, Weinheimer С 2005 Eur. Phys. J. С 40, 447.

3. Lobashev V. M. et al. 1999 Phys. Lett. В 460 227

4. L. Wolfenstein, Phys. Rev. D 17 (1978) 2369

5. СЛ. Михеев, А.Ю. Смирнов, Ядерная Физика 42(1985) 1441

6. J.N. Bahcall, М.Н. Pinsonneaut, S. Basu, Astrophys.Journ. 555 (2001) 990

7. R. Davis, D.S. Harmer, K.C. Hoffman, Phys. Rev. Lett. 20(1968) 1205

8. B.T. Cleveland, T.Daily, R.Davis, Jr., J.R. Distel, K.Lande, C.K.Lee, P.S. Wildenhain and J. Ullman, Astrophys. J. 496 (1998) 505

9. J.N.Bahcall, M.H.Pinsonneaut, S.Basu, J. Christensen-Dalsgaard, Phys. Rev. Lett, 78 (1997) 171

10. GALLEX Collaboration, Phys.Lett. В 447(1999) 127

11. GNO Collaboration, Phys.Lett. В 490 (2000) 16

12. SAGE Collaboration, Nucl.Phys.B (Proc.Suppl.) 118 (2003) 3946

13. Kamiokande Collaboration, Phys.Rev.Lett. 77 (1996) 1683

14. Super-Kamiokande Collaboration, Phys.Rev.Lett. 86 (2001) 5651

15. Super-Kamiokande Collaboration, Phys.Rev.Lett. 85 (2000) 3999

16. SNO Collaboration Nucl.Phys.B (Proc. Suppl.) 118 (2003) 3-14.

17. B. Aharmim et al. Phys. Rev. С 75, 045502 (2007)

18. BOREXINO Collaboration, Astroparticle Physics, 16 (2002) 205-234

19. BOREXINO Collaboration, Phys.Rev.Lett. 101 (2008) 091302

20. M.H.Ahn et al. (K2K), Phys.Rev. D 74, 072003 (2006) ; K.Abe et al. (Super-Kamiorande), Phys.Rev.Lett. 97, 171801 (2006).

21. P. Adamson et al. (MINOS), Phys. Rev. Lett. 101, 131802 (2008).

22. K.Abe (for the XMASS Collaboration) 2008 J.Phys.: Conf.Ser. 120 042022

23. M.G.Boulay, A.Hime, J.Lidgard, arXiv: nucl.ex/0410025vl

24. Y.H.Huang, R.E.Lanou et al., Astropart.Phys., 30, 1-11 (2008)

25. R.S.Raghavan, Phys.Rev.Lett. 37 (1976) 259

26. R.S.Raghavan, Phys.Rev.Lett. 78 (1997) 3618

27. LENS Collaboration: Letter of Intent to the LNGS (01/1999)

28. MOON Collaboration, Phys.Rev.Lett. 85 (2000) 2917

29. KamLAND Collaboration, Phys.Rev.Lett. 90 (2003) 021802

30. M.Fujiwara et al., Phys. Rev. Lett., 85 (2000), 4442

31. M.Bhattacharya et al., Phys.Rev.Lett., 85 (2000), 4446

32. Dapnia CEA/Saclay LENS group (M. Cribier et al.), LENS internal report

33. J. Rappaport et al., Phys.Rev.Lett., 54 (1985), 2325

34. F. Reines, C.L. Cowan Jr., Phys. Rev. 113, (1959) 852

35. F.Reines, C.L. Cowan Jr., Phys. Rev. 92, (1953) 830.

36. B. Achkar et al., Nucl.Phys. B424, 503 (1995)

37. CHOOZ-Collaboration, Phys.Lett. B 466 (1999) 415-430.

38. PALO VERDE-Collaboration, Phys.Rev. D 64 (2001) 112001.

39. KamLAND-Collaboration, Phys.Rev.Lett. 90 (2003) 021802.

40. M Apollonio et al. Eur. Phys. J. C27, 331 (2003)

41. F.Ardellier et al., Double Chooz proposal, arXiv: hep-ex/0606025v4.

42. Day Bay proposal, arXiv: hep-ex/0701029vl

43. RENO proposal, arXiv: hep-ex/1003.139lvl

44. L.A.Mikaelian, Proc. Int. Conference Neutrino-77, v. 2, p. 383.

45. Yu. V. Klimov, et al., Atomic Energy, 76 (1994) 123

46. Y. Declais, et. al., Nucl. Phys. B434 (1995) 503

47. B.chheb http://www.apc.univ-paris7.fr/AAP2007/Talks/Sinev.ppt

48. N. S. Bowden, et al., Nucl. Instr. and Meth. A. 572 (2007) 985

49. A. G. Piepke, et al., Nucl. Instr. and Meth. A. 432 (1999) 392

50. A. Bernstein, et. al., J. Appl. Phys. 103 (2008) 074905

51. A. Porta, et. al., "Reactor antineutrino detection for thermal power measurement and non-proliferation purposes" in Proc. Int. Conf. Physics of Reactors: "Nuclear Power: A Sustainable Resource" (2008)

52. J. C. Anjos, et al., Nucl. Phys. Proc. Suppl. 155 (2006) 231

53. F. Suekane, http://www.apc.univ-paris7.fr/AAP2007/Talks/Suekane.pdf

54. K. Zuber, arXiv:nucl-ex/0004010vl 28 Apr 2000

55. M.J. Hwang, Y .J. Kwon et al Development of tin-loaded liquid scintillator for the double beta decay experiment. NIM A570(2007) 454-458

56. F. Piquemal, Phys. Atom. Nucl. 69, 2096 (2006).

57. K. Zuber, AIP Conf. Proc. 942, 101 (2007).

58. R. Arnold et al., Nucl. Instrum. Methods A 536, 79, (2005).

59. A. Huffman. Nuclear matrix elements in the double beta decay 130Te —>130Xe. Phys. Rev., C2:742, 1970.

60. V. A. Rodin et al. Assessment of uncertainties in QRPA Ovßß-decay nuclear matrix elements. Nucl. Phys., A766:107, 2006.

61. J. Argyriades et al., hep-ex/0810.0248

62. A.S.Barabash. arXiv:0908.4173vl

63. Y. Shitov. SuperNEMO: A next generation project to search for neutrinoless double beta decay. arXiv:nucl-ex/0807.3078, 2008.

64. M.C. Chen, SNO+ coll., 34th Conference on High Energy Physics, Philadelphia, 2008.; M. Chen. The SNO liquid scintillator project. Nucl. Phys. B, (Proc. Supp.), S154:65, 2005.

65. Proc. IV Solar Neutrino Conf. Heidelberg, Ed. W. Hampel, p.248 (1997)

66. G.V.Korpusov, ISEC'88, Moscow, July 18-24, 1988, Proceedings the Conf. Vol.III, Moscow,Nauka, 1988,120-126.

67. G.V.Korpusov, Y.S.Krylov, N.A.Danilov, N.K.Evseeva, ISEC'88, Moscow, July 18-24, 1988, Proceedings the Conf. Vol.III, Moscow,Nauka, 1988, 191-194.

68. V.Korpusov, Y.S.Krylov, N.A.Danilov, N.K.Evseeva, ISEC'74, Lyon, France, September,8-14,1974, Proceedings of the Conf. Vol.II, London, Society of chemical industry, 1974,1109-1128

69. Данилов H.A., Крылов Ю.С., Корпусов Г .В., Костикова Г.В., Барабанов И.Р., Безруков Л.Б., Корноухов В.Н., Нестерова Н.П., Янович Е.А., Якшин В.В., Царенко Н.А.Катадори К., Феррари Н., Фальджани А. Радиохимия, 2003, Т45, №2, с.128.

70. R.Barabanov, V.I.Beresnev, V.N.Kornoukhov, E.A.Yanovich, О.Т.2а18ер1п,У.У.Уак8Ып,К.А.Ват1оу,О.У.Кофи80У,О.У.Ко8йкоуа,У.8.ЬСгу1оу, preprint Rare-earth loaded liquid scintillator (for LENS experiment)

71. G.Dietze and Klein, Gamma-calibration of NE 213 scintillation counters, NIM 193 (1982) 549-556

72. G.Alimonti et al., Astrop. Phys., 8, 141 (1998) ; G.Alimonti et al., Nucl. Instr. Meth. A 406 (1998), 411 ; G.Alimonti et al., Phys.Lett. В, 422 (1998), 349

73. M. Cribier, LENS Internal note, 2001

74. R.Barabanov, E.A.Chuveleva, L.A. Firsova, V.M. Gelis, V.I.Gurentsov, V.N. Kornoukhov, E.A.Kozlitin, E.A.Yanovich " LENS: Purification of Ytterbium from Lutetium by sorption chromatographic technique", Preprint INR RAS 1042/2000.

75. Raghavan R. // preprint. 2001. arXiv: hep-ep/0106054

76. Pfeiffer L., Mills A.P., Raghavan R., et al. // Phys. Rev. Lett. 1978.V.41.P. 63.

77. Payne A.G.D., Booth N.E. //Nucl. Instr. and Meth. 1990. V. A228. P. 632.

78. Suzuki Y., Inoue K., Nagashima Y. et al. // Nucl. Instr. and Meth. 1990. V. A293. P. 615

79. Cattadori C., Salvo C., di Vacri A., N.Danilov et al. //preprint. 2004. LNGS/EXP-06/04.

80. Cattadori C., Salvo C., di Vacri A., N.Danilov et al.//preprint. 2004. LNGS/EXP-07/04.

81. Данилов H.A., Крылов Ю. С., Цивадзе А.Ю. и др. // Радиохимия. 2008. Т. 50. № 3. С. 236.

82. С. Buck, I.Barabanov, O.Besida, L.Bezrukov, C.Cattadori, N.Danilov, A.diVacri, F.X.Hartmann, D.Motta,S.Schonert, U.Schwan, E.Yanovich Nucl. Physics B(Proc.SuppL) 143 (2005) 487

83. J.B.Birks, The Theory and Practice of Scintillation Counting, Pergamon Press, Oxford, 1964.

84. Motta D., Buck C., Hartmann F.X. et al. // Nucl. Instr. and Meth. 2005. V. A547. P. 368.

85. F.Elisei et al., Nucl. Instr. and Meth. A400(1997), P.53.

86. I. Barabanov, O.Besida, C.Buck, C.M.Cattadori, N.Danilov, A.diVacri, F.X.Hartmann, Th.Lasserre, D.Motta, L.Pandola, S.Schonert, U.Schwan, E.Yanovich Nucl.Phys.B(Proc.Suppl), 143 (2005) 559.

87. M. Ambrosio et al., Astr.Part.Phys., 10 (1999), 11.

88. Neder, Kupfer-Probe für LENS-"CuHD", Auswertung der ersten Messperiode, memo, 2002.

89. M. Laubenstein, частное сообщение, 2003.

90. LENS, MPIK, внутренний отчёт, 2002.

91. M. Cribier et al., DAPNIA/Saclay report, 1984

92. J-P. Meyer, LENS Internal note, 2002.

93. J-P. Meyer, LENS Internal note, 2003

94. Физические величины. Справочник. Под редакцией И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. Москва.Энергоатомиздат. 1991 г.

95. О.Г. Ряжская и др. Труды всесоюзной конференции по физике космических лучей. Ташкент, 4.1, в.З, стр.110, 1968г. О.Г.Ряжская и др. Монокристаллы, органические сцинтилляторы и люминофоры. Харьков, в.5, 4.1, стр. 140, 1969 г.

96. Ю.Я.Марков, О.Г.Ряжская, ПТЭ, 1970,№4,50;

97. Л.Б.Безруков, Р.Е.Еникеев, 97.В.Б.Корчагин, О.Г.Ряжская, ПТЭ, 1975,№3, 66

98. H.O.Back et al., arXiv:physics/0408032v2100. SNO collaboration.

99. A.G.Piepke, S.W.Moser, V.M.Novikov, Nucl. Inst, and Meth. A432 (1999) 392-398.

100. C.Buck. (Double Chooz).2008.

101. G.Bari et al., Nucl.Inst and Meth. A277 (1989) 11-16

102. LRJBarabanov, L.B.Bezrukov, C.Cattadori et al., J.Phys.:Conf.Ser. 120 052035, 20081051.R.Barabanov, L.B.Bezrukov, C.Cattadori et al., Journal of Instrumentation, 2010, 5, P04001.

103. GeMPI at LNGS, M.Laubenstein.

104. A.Faessler et al., J.Phys. G35: 075104,2008.

105. H.Klapdor-Kleingrothaus and L.V.Krivosheina, Mod.Phys.Lett.A21:1547-1566, 2006.

106. S.Elliott and P.Vogel. Double Beta Decay. Annu.Rev.Nucl.Part.Sci.52 (2002)

107. A.P.Babichev et al., Quantum Electronics, 35, 10,(2005), 879-890.