Поиск массы нейтрино в бета-распаде трития. Система сбора данных и первичная обработка результатов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Задорожный, Сергей Викторович

• Задорожный, Сергей Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Задорожный, Сергей Викторович

Введение.

Глава 1. Эксперименты по поиску массы нейтрино.

1.1 Осцилляции нейтрино.

1.2 Двойной бета-распад.

1.3 Наблюдение нейтрино от сверхновых звезд.

1.4 Исследования бета-спектра.

1.4.1. Определение массы нейтрино из бета-спектра трития вблизи граничной энергии.

1.4.2 История исследований бета-спектра трития.

1.4.3 Эксперимент в Майнце.

Глава 2. Установка «Троицк ню-масс».

2.1 Состав установки.

2.2 Принцип работы спектрометра.

2.3 Конструкция спектрометра.

2.4 Вакуумная система спектрометра.

2.5 Криогенная система установки.

2.6 Тритиевый источник электронов.

2.7 Контроль состава газовой смеси в источнике.

2.8 Искусственный источник электронов (электронная пушка).

Глава 3. Система сбора данных.

3.1 Особенности регистрации.

3.2 Структура системы сбора данных.

3.3 Контроль за температурами элементов спектрометра.

3.4 Канал регистрации электронов.

3.4.1 Детектор.

3.4.2 Предварительный усилитель.

3.4.3 Усиление и оцифровка сигнала.

3.4.5 Мониторный детектор.

3.5 Форма амплитудного спектра.

3.6 Проверка линейности канала сбора данных.

3.7 Контроль за давлениями в источнике и спектрометре.

3.8 Высоковольтная система.

3.9 Программное обеспечение системы сбора данных.

3.9.1 Выбор рабочих точек.

3.9.2 Алгоритм сбора данных.

3.9.3. Отображение результатов во время набора данных.

3.9.4 Хранение данных.

3.10 Предварительная обработка полученных экспериментальных данных.

3.10.1 Источники фона.

3.10.2 Временной анализ сигналов с детектора.

3.10.3 Отбор данных для обработки.

3.10.4 Выбор эффективности регистрации.

3.10.5 Фильтрация «пачек» импульсов.

3.10.6 Коррекция на необнаруженные пачки импульсов.

3.10.7 Коррекция на мёртвое время АЦП.

3.10.8 Коррекция на наложения импульсов.

3.10.9 Вычисление темпа счёта.

3.11 Сравнение теоретического и экспериментального спектров.

3.12 Зависимость результатов фитирования данных от параметров предварительной обработки.

3.13 Результаты измерений.

3.14 Аномалия бета-спектра.

3.15 Развитие установки. Проект «КАТРИН».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Поиск массы нейтрино в бета-распаде трития. Система сбора данных и первичная обработка результатов»

Экспериментальная проверка возможности существования ненулевой массы нейтрино является одной из интереснейших задач современной физики элементарных частиц и космологии. Открытие такой массы могло бы изменить наши представления об эволюции Вселенной и помогло бы решить задачу поиска темной материи во Вселенной. Вопрос о том, имеет ли нейтрино массу, играет ключевую роль и при построении современных теорий элементарных частиц - таких как Теория Великого Объединения и Теория Суперсимметрии.

В последнее время физика нейтрино приобретает всё большую актуальность в связи с некоторыми указаниями на существование процессов за рамками Стандартной Модели физики элементарных частиц - осцилляции нейтрино, а так же дефицит солнечных электронных и атмосферных мюонных нейтрино могут быть объяснены существованием конечной массы у нейтрино. Хотя Стандартная модель и описывает поведение электрослабых и сильных взаимодействий в хорошем соответствии с экспериментальными результатами, она требует многих входных параметров, таких, как массы элементарных частиц и константы взаимодействий. Они не могут быть выведены из теории и нуждаются в экспериментальном определении. Тот факт, что Теория Великого Объединения будет существовать с большей симметрией, указывает на то, что Стандартная модель является не более чем приблизительной теорией в диапазоне низких энергий.

Современные модели Великого Объединения могут объяснить данные наблюдения и допускают существование массы у нейтрино в диапазоне 1-2 эВ [1]. Другие модели, также используемые для объяснения недостатка солнечных нейтрино, при использовании механизма see-saw приводят к существованию у нейтрино масс порядка 0.1-1 эВ [2], [3].

Существуют веские указания на отклонения от Стандартной модели и на наличие у нейтрино ненулевой массы в неускорительных экспериментах последних лет - Super-Kamiokande [4], Sudbury Neutrino Observatory (SNO) [5], CAMLAND, SAGE, GALLEX.

На сегодняшний день проводится несколько десятков различных экспериментов, которые могли бы обнаружить ненулевую массу нейтрино.

Один из них проходит начиная с 1983 года на экспериментальной установке «Троицк ню-масс», созданной в Институте ядерных исследований РАН. На этой установке проводятся регулярные измерения бета-спектра трития вблизи граничной энергии с целью поиска массы покоя электронного антинейтрино.

Полученные результаты дают лучший в мире на данный момент верхний предел на массу электронного антинейтрино в прямых бета-распадных экспериментах и указывают на возможное существование аномалии в бета-спектре трития вблизи граничной энергии [6].

Данная работа состоит из трёх глав, в первой из которых дан исторический обзор экспериментов по поиску массы нейтрино, во второй более подробно описана установка «Троицк ню-масс», а в третьей рассматриваются основные принципы построения системы сбора данных этой установки. Так же обсуждаются вопросы, возникающие при первичной обработке полученных результатов эксперимента.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Задорожный, Сергей Викторович

Заключение.

В данной работе было дано описание составных частей установки «Троицк ню-масс», созданной в Институте ядерных исследований РАН. Особое внимание было уделено рассмотрению основных принципов построения системы сбора данных, алгоритму программы сбора данных и первичной обработке полученных результатов.

Для сбора данных в данном эксперименте была создана система с аппаратной реализацией считывания основного (быстрого) потока данных по внешней шине. Использование стандарта КАМАК для управления остальными модулями, не требующими высокого быстродействия и использование его при передаче медленных потоков данных позволило максимально удешевить всю систему, не потеряв при этом эффективности.

При всех своих недостатках, главным из которых является относительная негибкость, данная система обладает максимально возможным для своей элементной базы быстродействием, недостижимым в стандартных программно-аппаратных интерфейсах.

Данный подход достаточно легко применим и в других экспериментах - там, где нужно минимизировать и зафиксировать мёртвое время системы сбора. Использование более современной элементной базы, например, логических матриц, программируемых «на лету», даёт возможность создавать и более гибкие универсальные модули, работающие по тому же принципу.

В работе так же описаны основные принципы и особенности программной реализации первичной обработки полученных результатов эксперимента, рассмотрены возможные источники фона и подробно описан процесс отбраковки фоновых событий из сплошного потока данных.

Данный метод может быть применён во всех экспериментах, где есть необходимость отфильтровывать фоновые события, имеющие определённую временную структуру, отличную от основного пуассоновского потока данных. Например, аналогичная процедура отбраковки фоновых событий с 1998 года стала применяться при обработке результатов группы «Нейтрино-Майнц».

Результаты, полученные на установке «Троицк ню-масс», в настоящий момент дают лучший в мире верхний предел на массу антинейтрино в прямых бета-распадных экспериментах и указывают на возможное существование аномалии в бета-спектре трития вблизи граничной энергии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Задорожный, Сергей Викторович, 2004 год

1. Dae-Gyu Lee, R.N. Mohapatra "AN SO(IO) X S(4) SCENARIO FOR NATURALLY DEGENERATE NEUTRINOS" // Phys. Lett. B. -1994. Vol. 329. -p. 463-468.

2. R.N. Mohapatra, S.Nussinov, "ALMOST DEGENERATE NEUTRINOS WITH MAXIMAL MIXING" // Phys. Lett. B. 1995. -Vol. 346. -p.75-80.

3. S.T. Petcov, A. Yu. Smirnov, "NEUTRINOLESS DOUBLE BETA DECAY AND THE SOLAR NEUTRINO PROBLEM" // Phys. Lett B322 (1994) 109-118.

4. Y. Fukuda et al., "Solar Neutrino Data Covering Solar Cycle 22" // Phys. Rev. Lett. -1996. -Vol. 77. -p. 1683-1686.

5. Art McDonald, "SNO" (Sudbury Neutrino Observatory). // Proceedings of the XIX International Conference on Neutrino physics and Astrophysics (Neutrino-2000). -Sudbury, Canada. -2000.

6. V. M. Lobashev. "The search for the neutrino mass by direct method in the tritium beta-decay and perspectives of study it in the project KATRIN" // Nuclear Physics A. -2003. -Vol. 719. -p. 153-160.

7. A. Osipowicz et al., "KATRIN: A NEXT GENERATION TRITIUM BETA DECAY EXPERIMENT WITH SUB-EV SENSITIVITY FOR THE ELECTRON NEUTRINO MASS. LETTER OF INTENT" // электронный ресурс. e-Print Archive: hep-ex/0109033. - Sep 2001. -51pp.

8. Б. Понтекорво. «Нейтринные опыты и вопрос о сохранении лептонного заряда» // ЖЭТФ. -1967. -т.53, вып.5. -с. 1717-1725.

9. B.T. Cleveland et al., II Nucl. Phys. B. -1995. -Vol. 38. -p. 47.

10. GALLEX Collaboration (P. Anselmann et al.) "GALLEX SOLAR NEUTRINO OBSERVATIONS: COMPLETE RESULTS FOR GALLEX II". // Phys. Lett. B. -1995. -Vol. 357. -p. 237-247.

11. J.N. Abdurashitov et al., "RESULTS FROM SAGE". // Phys. Lett. B. -1994. -Vol. 328. -p. 234-248.

12. GALLEX Collaboration (P. Anselmann et al.). "IMPLICATIONS OF THE GALLEX DETERMINATION OF THE SOLAR NEUTRINO FLUX". // Phys. Lett. B. -1992. -Vol. 285. -p. 390-397.

13. V. Barger, R. J. N. Phillips, and K. Whisnant, "Long-wavelength oscillations and the new gallium solar neutrino signals" // Phys. Rev. Lett. -1992. -Vol. 69. -p. 3135-3138.

14. Kamiokande Collaboration (Y. Fukuda et al.) "ATMOSPHERIC MUON-NEUTRINO / ELECTRON-NEUTRINO RATIO IN THE MULTIGEV ENERGY RANGE" 11 Phys. Lett. B. -1994. -Vol. 335. p. 237-245.

15. R. Becker-Szendy et al., "NEUTRINO MEASUREMENTS WITH THE 1MB DETECTOR" //Nucl. Phys. B. Proc. Suppl.-1995. -Vol. 38. -p.331-336.

16. SOUDAN 2 Collaboration (E. A. Peterson for the collaboration), "ATMOSPHERIC NEUTRINOS IN SOUDAN 2". // Proceedings of the International conference "Neutrino' 96", Helsinki, Finland, -p. 223-230.

17. C. Athanassopoulos et al. "Candidate Events in a Search for ий->ие Oscillations" // Phys. Rev. Lett. -1995, -Vol. 75. -p. 2650-2653.

18. D. O. Caldwell, "LSND RESULTS AND THEIR IMPLICATIONS". // Proceedings of the International conference "Neutrino' 96", Helsinki, Finland, -p. 182-192.

19. S. M. Bilenky et al., "NEUTRINO OSCILLATION EXPERIMENTS AND THE NEUTRINO MASS SPECTRUM". // Proceedings of the International conference "Neutrino' 96", Helsinki, Finland, -p. 174-181.

20. HEIDELBERG-MOSCOW collab. // Phys. Lett. B. -1995, -Vol. 356. -p. 450.

21. Caltech-PSI-Neuchatel Collaboration (J. Farine for the collaboration), "SEARCH FOR BETA BETA DECAY IN XE-136: GOTTHARD RESULTS". // Proceedings of the International conference "Neutrino' 96", Helsinki, Finland, -p. 347-351.

22. H.V. Klapdor-Kleingrothaus, "DOUBLE BETA DECAY PHYSICS BEYOND THE STANDARD MODEL". // Proceedings of the International conference "Neutrino' 96", Helsinki, Finland, -p. 317-341.

23. W. Hillebrandt, // Proceedings of the International conference "Neutrino' 97", Heidelberg, -p. 280.

24. H. Meyer, // Proceedings of the International conference "Neutrino' 97", Heidelberg, -p. 306.

25. F. Gatti, "MICROCALORIMETER MEASUREMENTS" // Nucl. Phys. Proc. Suppl. -2001, -Vol. 91. -p. 293-296.

26. M. Sisti et al., "STATUS OF THE MILANO NEUTRINO MASS EXPERIMENT WITH ARRAYS OF AGREO-4 MICROCALORIMETERS". // Nucl. Phys. Proc. Suppl. -2002. -Vol. 110. -p. 369-371.

27. C. Longmire and H. Brown "Screening and Relativistic Effects on Beta-Spectra" // Phys. Rev. 1949, -Vol. 75. -p. 264-270.

28. D. A. Knapp, "Measurement of the Electron Antineutrino Mass from the Beta Spectrum of gaseous Tritium" // Los Alamos National Laboratory, LA-10877-t Thesis. -1986.

29. J. J. Simpson "Limits on the emission of heavy neutrinos in H decay" // Phys. Rev. D -1981, -Vol. 24 -p. 2971-2972.

30. R. J. Watts and D. Williams, "Beta-Rays from H3" // Phys. Rev. -1946, -Vol. 70. -p. 640-642.

31. E. J. Konopinski "H3 and the Mass of the Neutrino" // Phys. Rev. -1947. -Vol. 72.-p. 518-519.

32. G. С. Hanna and В. Pontecorvo, "The beta-Spectrum of H3" // Phys. Rev. -1949.-Vol. 75.-p. 983-984.

33. S. C. Curran, J. Angus, and A. L. Cockroft, "The Beta-Spectrum of Tritium". // Phys. Rev. -1949. -Vol. 76. -p. 853-854.

34. L. M. Langer and R. J. D. Moffat, "The Beta-Spectrum of Tritium and the Mass of the Neutrino" // Phys. Rev. -1952, -Vol. 88. -p. 689-694.

35. К. E. Bergkvist // Nucl. Phys. В 1972, -Vol. 39. -p. 317.

36. Козик B.C., Любимов B.A., Новиков Е.Г. и др. // Ядерная физика -1980. -т. 32. -стр. 309 .

37. V.A. Lubimov etal., II Phys. Lett. В 1980. -Vol. 94, -p. 266.

38. R. G. H. Robertson, T. J. Bowles, G. J. Stephenson, Jr., D. L. Wark, J. F. Wilkerson, D. A. Knapp "Limit on ue mass from observation of the beta decay of molecular tritium" //Phys. Rev. Lett. -1991. -Vol. 67. -p. 957-960.

39. E. Holzschuh , M. Fritschi, W. Kuendig. "MEASUREMENT OF THE ELECTRON-NEUTRINO MASS FROM TRITIUM BETA DECAY" // Phys. Lett. B. -1992. -Vol. 287. -p. 381-388.

40. H. Kawakami et al., "NEW UPPER BOUND ON THE ELECTRON ANTI-NEUTRINO MASS" // Phys. Lett. B. -1991. -Vol. 256. -p. 105-111.

41. E. Третьяков // Известия Академии Наук СССР, физ. сер. -1975. -т. 39. -стр. 583.

42. W. Stoeffl and D. J. Decman. "Anomalous Structure in the Beta Decay of Gaseous Molecular Tritium" // Phys. Rev. Lett. -1995. -Vol. 75. -p. 3237-3240.

43. В. M. Лобашев, П. E. Спивак. «К вопросу об измерении массы покоя антинейтрино» // Препринт ИЯИ АН СССР П-0291. -Москва. -1983.

44. Ф. Ф. Горячев, Л. П. Суханов «Теоретическое исследование бета-распада отрицательного иона трития» // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. -Ноябрь, 1997. -том 112. -выпуск 5 (11). -Москва, «Наука», -стр. 1537-1543.

45. Lubimov et al., Phys. Lett. -1985. -Vol. 159B. -p. 217.

46. C. Weinheimer, (2002), CLII Course of Int. School of Physics "Enrico Fermi" // Varenna/Italy 2002. Так же: // электронный ресурс. e-Print Archive: hhep-ex/0210050.

47. С. H. Балашов, А. И. Белесев, А. И. Блейле, Е. В. Гераскин и др. «Спектрометр для измерения массы нейтрино». // Отчёт ИЛИ АН СССР, -Москва. -1988. ВНТИЦ per. номер 01840069064 инв. номер 167990.

48. Каталог продукции «VAT Vakuumventile 2000» // VAT Deutscland GmbH.

49. Балашов C.H. и др. «Интегральный электростатический спектрометр электронов низкой энергии с магнитной адиабатической коллимацией дляизмерения массы покоя электронного антинейтрино» // Препринт ИЛИ АН СССР, П-0617. -Москва. -1989.

50. Балашов С.Н. и др. «Спектрометр для измерения массы нейтрино». Отчёт ИЯИ АН СССР. -Москва. -1988.

51. Петров Б.В. «Новый метод разделения изотопов циркуляционной диффузией» // Диссертация кандидата технических наук. ВНИИНМ. -Москва. -1951.

52. Ривкис Л.А., Лобашев В.М., Казаченко О.В., Тебус В.Н., Гущин В.В., Кравченко И.М., Малек М.П., Дмитриевская Е.В., Старшина Л.Н. «Метод разделения газов и изотопов противоточной масс-диффузией ~ ПМД». // Препринт ВНИИНМ. -Москва. -2000.

53. Р.П. Остроумов. «Исследование прохождения электронов низких энергий через газообразный тритий на установке "Троицк v-масс"» // Дипломный проект студента МФТИ. -Москва. -1998.

54. В. И. Дацков, JI. В. Петрова, Г. П. Цвинева. «Криогенные термометры на основе резисторов ТВО и их применение». Препринт ОИЯИ Р8-87-604-1987.

55. S. Jonsell and Н. J. Monkhorst "Effects from Changes in the Final State Spectrum on the Neutrino Mass Determination from T2 Beta Decay Experiments" // Phys. Rev. Lett. -1996. -Vol.76 -p. 4476-4479.

56. R.-D. Penzhorn, N. Bekris, P. Coud, L. Doerr, M. Friedrich, M. Glugla, A. Haigh, R. Laesser, A. Peacock, "Status and research progress at the Tritium laboratory Karlsruhe" // Fusion Engineering and Design. -2000. -Vol. 49-50. -p. 753-767.