Проект литий - бериллиевого телескопа

Отчет
о научно-исследовательской работе
Разработка литиевого метода регистрации солнечных нейтрино.
Руководитель темы: А.В.Копылов
Исполнители:
С.Н.Даньшин
Г.Я.Новикова
И.В.Орехов
Е.П.Петров
В.В.Петухов
А.Е.Соломатин
В.И.Череховский
Литиевый детектор
+ ne > 7Be + eBoth initial and final states are mirror nuclei. The
transition is super-allowed. The cross-section is
high and can be calculated with very good
accuracy, better than 1%.
The abundance of 7Li in natural lithium is high (93%),
the mass of the target is small (~10 tons).
The threshold is 0.86 MeV, I.e. very high sensitivity to
neutrinos of medium energy
(7Be, pep, CNO)
7Li
V.A.Kuzmin and G.Zatsepin
On the neutrino spectroscopy of the Sun, in
Proceedings of 9th International Cosmic Ray
Conference, London, 1965, p.1024
J.N.Bahcall Phys.Lett. 13 (1964) 332
J.N.Bahcall Phys.Rev.Lett. 23 (1969) 251
Fig.1 from : A.Kopylov, V.Petukhov,
Physics Letters, B 544(2002)11-15
Современное состояние с учетом последних результатов КамЛАНД
(G.L.Fogli et al., arXiv:hep-ph/0506307)
Зависимость от энергии
Measurement by SNO and SK
SNO salt phase
SNO pure D2O
kinetic energy
No spectrum distortion so far.
SK spectrum
sin2q=0.28, Dm2 =8.3×10-5 eV2
Is it due to systematic error ?
Is it due to low statistics ?
Larger mixing angle and/or smaller Dm2 ?
q13 effect ?
Total energy
Need more statistics and lower
systematic errors to test spectrum
distortion.
На реакторе: измерить эффект в минимуме осцилляционной
кривой (Y.Minakata et al. hep-ph/0407326)
Важная задача – измерить поток нейтрино
от CNO цикла
The abundances of 12C and 14N along the
profile of the Sun suggested by Standard Solar
Model.
•
•
•
•
J.N.Bahcall, 1989, Neutrino
Astrophysics
But so far – no experimental
evidence that CNO does exist, no
information on such peculiar
distribution of abundances of 12C
and 14N
The energy produced in CNOI and
CNOII are very close while the
effect in a lithium detector is very
different: 1/5 for neutrinos from
13N to 15O
If all the effect due to 13N
neutrinos this will increase the
energy produced in CNOI by a
factor of 6, what will decrease the
energy produced in pp-chain and
will give theta solar conflicting
with the present result. Depends
upon the result of measurements
in Li exp.
Important! Here the solar model N14 (Bahcall nomenclature) is used as
reference, i.e. the unity on the Y axis take already into account the reduced flux
due to new S0(14N) measurement
3  limit
3 
best fit
2 
1 
luminosity
constraint
•
Bahcall and Pinsonneault hep-ph/0402114
The solar n fluxes
The production rates.
Table 1. Standard Model Predictions (BP2000): solar neutrino fluxes and neutrino capture rates,
with 1 uncertainties from all sources (combined quadratically).
Source
Flux
(1010 cm-2s-1)
Cl
(SNU)
0.0
Ga
(SNU)
69.7
Li
(SNU)
0.0
Pp
5.95(1.00+0.01-0.01)
Pep
1.4010-2(1.00+0.015-0.015)
0.22
2.8
9.2
Hep
9.310-7
0.04
0.1
0.1
7Be
4.7710-1(1.00+0.10-0.10)
1.15
34.2
9.1
8B
5.0510-4(1.00+0.20-0.16)
5.76
12.1
19.7
13N
5.4810-2(1.00+0.21-0.17)
0.09
3.4
2.3
15O
4.8010-2(1.00+0.25-0.19)
0.33
5.5
11.8
17F
5.6310-4(1.00+0.25-0.25)
0.0
0.1
0.1
7.6+1.3-1.1
128+9-7
52.3+6.5-6.0
Total
The expected rate from solar neutrinos is 25 SNU, of
this 8 SNU – from CNO neutrinos, i.e. approx. 30%
while the energy produced in CNO cycle is only 1.5%
Общая формулировка задачи
•
•
•
•
•
•
•
Результаты экспериментов с солнечными нейтрино дают фундаментальный
результат m2>m1 (Dm122 >0) (но это требует подтверждения в прямом эксперименте).
Эксперимент КамЛАНД допускает оба знака для Dm122, хотя сама величина измерена
с высокой точностью (7.9 + 0.6/-0.5)10-5 eV2.
Сейчас принципиально важно с прецизионной точностью (~3%) измерить угол
смешивания q12 для реакторных антинейтрино ( H. Minakata et al. hep-ph/0407326) и
для солнечных нейтрино (M.Nakahata Report on Future Solar Neutrino Experiments at
NOW-2004, September 2004).
Если углы смешивания различны, это может быть интерпретировано как:
1. Новое в рассмотрении зффекта вещества;
2. Новая Физика (Нестандартное взаимодействие (O.G.Miranda, M.A.Tortola and
J.W.F.Valle hep-ph/0406280) и т. д.);
3. Нарушение CPT инвариантности;
4. Новое в механизме генерации солнечной энергии;
( A.Kopylov “About the sign of Dm122” hep-ph/0411031v2)
Проблема солнечных нейтрино в принципе решена – осцилляции нейтрино, однако
предлагаемое решение (параметры нейтринных осцилляций) может существенно
отличаться от реальности.
Основные задачи будущих экспериментов по солнечным нейтрино:
Измерить энергетический спектр рр-нейтрино;
Измерить потоки нейтрино промежуточных энергий (7Be- и CNO-нейтрино).
Научная задача литиевого
эксперимента
•
•
•
Данные, полученные с помощью литиевого детектора, позволят:
измерить вклад CNO-цикла в солнечную энергетику и тем самым проверить
правильность нашего представления о звездной эволюции.
Измерить фактор ослабления потока электронных нейтрино в области
промежуточных энергий и тем самым удостовериться в правильности
принятого положения о разделении вакуумных осцилляций и эффекта МСВ в
области промежуточных энергий.
Измерить прецизионно угол смешивания и, сравнивая эту величину с
полученной в экспериментах с антинейтрино от реакторов проверить
правильность принятого механизма осцилляций нейтрино в веществе.
•
Если определить вклад CNO цикла с погрешностью 30% (и бериллиевых
нейтрино – 10%), погрешность в определении потока pp-нейтрино в источнике
составит величину менее 1% [A.Kopylov, V.Petukhov hep-ph/0301016, hepph/0306148, hep-ph/0308004; A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov, A.Solomatin,
A.Arnoldov hep-ph/0310163]
0.913fpp + 0.002fpep + 0.07fBe + 0.015fCNO = 1
•
Значение солнечной постоянной не меняется в пределах несколько десятых долей процента.
Стенд для отработки методики
(без теплоизолирующего слоя и нагревателей)
1. Заправка лития в аргоне в
плавильный бак.
2. Фильтрующий элемент
3. Плавильный бак
4. Введение активной порции
бериллия в литий.
5. Приемный бак 2
6. Приемный бак 1
7. Фильтрующий элемент
8. Приемный бак 3.
Далее: приемный бак 3 и
плавильный бак меняются
местами
1
2
3
4
5
6
7
8
Схема установки
Алюминий ( 30 мг) в качестве носителя 7Be.
27Al(p,X)7Be 27Al(p,X)22Na
Ep≈100 MeV texp=1200 mAh
рисунок слева – гамма спектр образца алюминия (t=1 min)
после облучения, справа – то же после отгонки натрия в
течение двух часов при температуре 800 ºK на графитовом
тигле и последующего травления в кислоте.
В результате проведенных измерений было установлено:
•
•
Изотоп 22Na практически полностью находился в литии в баке №4.
Никаких следов от активности 7Be в литии в баке №4 не наблюдалось, т.е. бериллий
полностью извлекался из лития.
Никаких следов от активности 7Be на стенках бака №3 и на фильтрах №1 и №2 не
наблюдалось, проскок бериллия через сливной бак составил менее 1%.
Практически вся активность 7Be высадилась на окисной пленке, удержанной стенками
бака №2 (сливной бак). Это было обеспечено малым диаметром сливной трубки на
выходе бака №2.
Тот факт, что активность 7Be высадилось на поверхности, облегчает дальнейшую
процедуру извлечения, т.к. задача сбора активности с поверхности значительно проще,
чем из объемного фильтра и, кроме того, приводит к минимальной потере лития в
результате процедуры извлечения. Активность 7Be собиралась с поверхности путем
последовательного орошения поверхности бака №2 мерными порциями
дистиллированной воды. Каждая порция воды после смыва пропускалась через бумажный
фильтр, и на выходе получали часть активности 7Be в нерастворимом осадке на фильтре
и часть - в растворе после фильтра. Всего было проведено 5 орошений по 100 мл каждое.
Измерение активностей после каждого орошения показало, что за первые 4 орошения
было смыто 96.4% исходной активности 7Be. Из них 61.4% содержится в нерастворимой
фазе и остальные 35% - в растворимой фазе. Величина 96.4% является вполне
приемлемой для постановки литиевого эксперимента. Далее, путем сжигания беззольных
фильтров и измерения активности до и после сжигания было доказано, что активность
7Be при этом не теряется. Это объясняется тем, что литий не имеет летучих соединений.
Таким образом, была показана эффективность использования этого метода
концентрирования бериллия. Концентрирование бериллия из раствора и перевод его в
твердую фазу проводилось с использованием методики, разработанной ранее [30]. При
этом практически не наблюдалась потеря активности 7Be. Анализ содержания лития в
растворе показал, что во время извлечения бериллия потери лития составили менее 1%,
что вполне приемлемо для постановки эксперимента.
По результатам работы
получены следующие технические решения:
•
•
•
•
•
•
•
1. При извлечении бериллия из лития необходимо использовать
термостатический режим.
2. Оптимальной является модульная структура детектора (20
модулей по 500 кг лития каждый).
3. Использовать проточную конструкцию баков модуля.
Каждый модуль состоит из двух баков, теплоизолированных в
общем корпусе. Литий из одного бака модуля перекачивается
в другой бак и наоборот.
4. После перекачки лития бериллий извлекается со стенки бака
орошением дистиллированной водой.
5. Фильтрация раствора со взвесью через бумажные или
лавсановые фильтры с получением нерастворимого осадка и
раствора.
6. Концентрирование раствора до получения твердого осадка.
Эти технические решения являются основой для
проектирования и разработки пилотной установки литиевого
детектора на базе одного литиевого модуля.
Модуль на 500 кг лития (пилотная установка).
1400x2800 mm, h=2.5m
Преимущества модульной структуры.
•
•
Each module after the exposure at
the site on a surface will be brought
to an underground chamber and 7Be
generated at the surface by a
nucleonic component of CR will be
extracted from lithium. This will
provide statistics (20
measurements) adequate to
determine the scattering of the
points relative to a medium value and
will enable to compare the results of
measurements with the coefficients
found from the ratio of the
extracted to inserted beryllium
sample as a carrier of 7Be.
The modular structure is useful also
to extrapolate the yield of 7Be by
CR placing the modules at several
shallow depths and measuring the
depth curve of the yield as it has
been done in a chlorine experiment.
•
The work will be done with one module
after another. Lithium (500 kg) will be
melted, after this beryllium will be
extracted and the activity of 7Be will
be counted by HPGe detector. For the
power of electric heaters minus thermal
loss 5 kW, the time needed for heating
lithium from 20ºC till a melting point,
for melting lithium and heating lithium
till 200ºC will be approximately 2 days.
The time needed to complete all
procedures with one module including all
chemistry and counting of 7Be will take
approximately a week. So in half a year
starting from the beginning of
transportation of lithium modules
underground the full scale lithium
installation on 10 tons of lithium will be
ready for first exposure. The
measured coefficients of extraction will
show how many cycles of extractions
are needed to remove all cosmogenic
7Be from lithium.
Измерение содержания 232Th (по 208Ta) и 238U (по 214Bi)
на гамма спектрометре NaI(Tl)
Малая плотность лития (0.5 г/см3)
низкая эффективность
регистрации
длительное
время измерения
40 суток – измерение с образцом
(30 кг лития – 60 литров)
40 суток – измерение фона
Предварительный результат:
Предел на содержание:
232Th (по 208Tl)
<10-8 г/г (+/-20%)
238U (по 214Bi)
<810-9 г/г
The counting of 7Be by the HPGe
detectors.
• The line 478 KeV in 10% of
7Be decay
• The background from 511
keV
• To discriminate background
of 511 kev one needs very
high resolution  HPGe
detectors
• The background from 65Zn
(T1/2=244 d) produced by
spallation on
Ge70(20.5%),72(27.4%),73
(7.8%),74(36.5%),76(7.8%)
65Ge65Ga65Zn65Cu (gline 1124 keV)  to remove
cosmogenics
Техническая осуществимость
проекта
•
•
Вариант с малой камерой (методом конвейера).
Литиевые модули размещаются в готовых подземных выработках на БНО на
глубине примерно 3000 м.в.э., и транспортируются поочередно на
технологическую площадку (аппаратную), где производится извлечение
бериллия из лития.
Технологическая площадка (аппаратная) с отдельным входом размещается
на сбойке штолен (~ 4м х 5м в плане и высотой 3.5 м) и оборудуется всем
необходимым для технологии (электроэнергия, вентиляция с осушителем
воздуха, вакуумная линия, линия аргона и т.д.)
Основные требования к инфраструктуре
№ пункта
Требование
Глубина размещения
модулей и аппаратной
Аппаратная
На глубине 3300 м.в.э. Фон
от мюонов ~ 0.33 SNU
4m x 5 m h=3.5 м
Низкофоновая камера для
счета 7Be
3m x 5 m h=3.5 м
Потребляемая мощность
(10 дней в квартал)
Нагрузка на вентиляцию
~30 kW
~5 kW тепловыделения во
время извлечения
Требования к подземному помещению
Допустимые источники фона
Item
Comments/Details
Muons
Depth 3000 m.w.e. is OK
Gamma Rays
Not important
Neutrons (< 10 MeV)
Neutron flux =10-6 n/cm2sec
Surface of 20 lithium containers = 100
m2
Time - 1day (8.64E4 sec)
Yield of 7Be per fast neutron :
710-4x510-4=3.510-7
Background from neutrons:
0.03 atoms of 7Be/day (< 2% of CR)
< 10-6 n/cm2sec
(As a mean energy of fast neutrons it was taken
here 6.0 MeV, then a proton with energy 3.3
MeV is generated in (np) reaction on 6Li; the
yield of 7Be in a metallic lithium per one proton
of 3.3 MeV is 510-4)
Capture Rate @ 25 SNU:
107 x 0.93/7 x 61023 x 2510-36x 8.64104 = 1.7
atoms of 7Be/day
Neutrons (> 10 MeV)
Depth 3000 m.w.e. is OK
Radon
Not important (important for counting of 7Be)
Shielding Requirements
If the flux of fast neutrons in Hall A > 10-6
n/cm2sec some neutron shield will be required
Публикации:
A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov and A.Solomatin
“A Lithium Experiment in the Program of Solar Neutrino Research”
принят для публикации в журнале «Ядерная Физика»
по материалам доклада А.В.Копылова на Международной конференции NANP-2005
в г. Дубна
•
Доклад А.Соломатина на Баксанской школе «Частицы и космология»
•
A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov, A.Solomatin, G.Zatsepin, M.Arnoldov
•
Development
of the technology
of a radiochemical lithium detector of solar neutrinos.
1. Homestake Collaboration, B.T.Cleveland
et al., Astrophys.
J. 496, 505 (1998).
•
Доклад
А.Копылова
на
LowNu2003
2. SAGE Collaboration, J.N.Abdurashitov et al., J. Exp. Theor. Phys. 95, 181 (2002).
3. GALLEX Collaboration, W.Hampel
etA.Kopylov
al., Phys. Lett. B 447, 127 (1999).
•
4. GNO Collaboration, M.Altmann
Phys. Lett.
B 616,
(2005).
• et al.,
Lithium
detector
of174
solar
neutrinos as a stringent test of the theory of stellar evolution.
5. Kamiokande Collaboration, Y.Fukuda
et al., Phys.
Rev. Lett.на
77,NANP2003,
168, 3 (1996).
•
Доклад
А.Копылова
опубликован:
6. SK Collaboration, M.B.Smy et• al., Phys.
Rev. D 69,
011104 (2004).
A.Kopylov,
I.Orekhov,
V.Petukhov, A.Solomatin, A.Arnoldov
7. SNO Collaboration, S.N.Ahmed et al., Phys. Rev. Lett. 92, 181301 (2004).
•
Lithium experiment on solar neutrinos to weight the CNO cycle
8. SNO Collaboration, B.Aharmin et al., arXiv:nucl-ex/0502021.
•
Опубликована
в журнале
«Ядерная
9. KamLAND Collaboration, K.Eguchi et
al., Phys. Rev. Lett.
94, 081801
(2005). физика» Vol. 67, No. 6, 2004, pp. 1204 -1209
•
A.Kopylov,
V.Petukhov
10.B.Pontecorvo, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 53, 1717 (1968) [Sov. Phys. JETP 26, 984 (1968)].
•
A lithium Experiment as the Stringent Test of the Theory of Stellar Evolution
11. G.L.Fogli et al., arXiv:hep-ph/0506307.
•
arXiv:hep-ph/0301016,
12. L. Wolfenstein, Phys.Rev. D 17, 2369
(1978).
13. S.P.Mikheev and A.Yu.Smirnov,
Yad.
Fiz. 42, 1441
(1985) [Sov. J. Nucl.Phys.42, 913 (1985)].
•
A.Kopylov,
V.Petukhov
14. J.N.Bahcall and C.Peňa-Garay,
• arXiv:hep-ph/0305159.
Lithium Experiment in the Interplay of Solar and Neutrino Physics
15. M.Nakahata, Report at International
Conference (NOON-2004, Japan).
•
arXiv:hep-ph/0306148,
16. R.Raghavan, Report at International
Conference
(TAUP-2005, Spain).
•
A.Kopylov,
V.Petukhov
17. A.V.Kopylov, Report at International Conference (NANP-2005, Russia).
•
The Sensitivity of a Lithium Experiment on Solar Neutrinos to the Mixing Angle q12.
18. V.A.Kuzmin and G.Zatsepin On the neutrino spectroscopy of the Sun, in Proceedings of 9th International Cosmic Ray Conference,
•
arXiv:hep-ph/0308004;
London, 1965, p.1024.
•
A.Kopylov
19. J.N.Bahcall Phys.Lett. 13 (1964) 332;
J.N.Bahcall Phys.Rev.Lett. 23 (1969) 251.
20. A.Kopylov, V.Petukhov, Physics
Letters,
B the
544 sign
(2002)11-15.
•
“About
of of Dm122.”
21. G.V.Domogatsky, Preprint of• Lebedev
Physical Institute (FIAN, Moscow) No.153, (1969).
arXiv:hep-ph/041103
22. J.N.Bahcall, Rev. Mod. Phys.
881.
• 50 (1978)
Популярная
статья в журнале «Природа»
23. J.K.Rowly, Proc. Conf. On Status
and
Future of Solar Neutrino Research, BNL, (1978) 265.
•
А.Копылов
24. E.Veretenkin, V.Gavrin, E.Yanovich, Russian J. “Atomic Energy” 88 (N1) (1985) 65.
•
«Солнечные нейтрино: новые результаты»
25. A.V.Kopylov, A.N.Likhovid, E.A.Yanovich, G.T.Zatsepin, in Proc. of Intern. School “Particles and Cosmology”, Baksan Valley,
•
Опубликована
февральском
(2004
г.) номере
журнала «Природа».
Russia; Editors: E.N.Alekseev, V.A.Matveev,
Kh.S.Nirov,вV.A.Rubakov,
(World
Scientific,
Singapore-New
Jersey-London-Hong Kong)
Источники:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
(1993) 63.
26. S.Danshin, G.Zatsepin, A.Kopylov et al., Part. Nucl. 28 (1997) 5.
27. M.Galeazzi, G.Gallinaro, F.Gatti et al., Physics Letters B 398 (1997) 187.
28. A.V.Kopylov, in Proc. Intern. Conf. NANP-2003, Russian J. “Yadernaya Fizika” 67 (2004) 1204-1209.
29. A.Kopylov and V.Petukhov, hep-ph/0301016, hep-ph/0306148.
30. Г.Я.Новикова «Исследование возможностей извлечения микроколичеств бериллия из лития с целью создания
радиохимического Li-Be детектора солнечных нейтрино.» диссертация на соискание ученой степени кандидата химических
наук. (2001).
Статус проекта
1. В принципиальных вопросах технология литиевого
метода разработана в рамках НИР 01.2.00305501
(завершен в 2005 г.) при поддержке гранта Ведущих
Научных Школ LSS-1786.2003.2 (Г.Т.Зацепин),
Президиума РАН «Нейтринная Астрофизика»
(В.А.Матвеев) и гранта РФФИ №04-02-16678 (окончание
в 2006 г.)
2. Следующий этап – создание пилотной установки на
500 кг лития. Подана заявка на продолжение работ в
рамках НИР на 2006-2010 г.г.