1 Нейтринная астрофизика

1 Нейтринная астрофизика
1.1 Генератор сильных взаимодействий адронов при энергиях 1011 – 1020 эВ
На основе расчетов по семи моделям взаимодействий адронов сверхвысоких энергий
впервые
были
рассмотрены
корреляции
поперечного
импульса
pt
адрон-ядерных
взаимодействий при энергии Е0 = 1016 эВ со средним расстоянием частиц от центров гаммасемейств R (наиболее энергичных гамма-квнтов, элктронов и позитронов в стволах
молодых ШАЛ, регистрируемых в высокогорных исследованиях космических лучей с
помощью рентгеноэмульсионных камер – РЭК). Впервые рассматривались параметры,
представляющие собой величины среднего поперечного импульса pt, рассчитанные в
различных кинематических областях хLab=pz/ptot, а именно хmin < хLab < хmax. Рассчитывались
xLab-независимые, а также взвешенные по xLab и x2Lab значения. Была найдена кинематическая
область хLab, в которой имеет место линейная корреляция используемых параметров с
размерами семейств. Показано, что такие модели, входящие в пакет CORSIKA, как QGSJET
II и SYBILL 2.1, не могут объяснить экспериментальные результаты [1,2].
Совместное рассмотрение результатов по гамма-адронным семействам, полученных с
помощью РЭК при энергиях E0 < 1015 эВ и E0 > 1016 эВ в стратосферных и высокогорных
исследованиях космических лучей с помощью РЭК, ещё раз показало важнейшую роль
характеристик
фрагментационной
области
в
h-А
взаимодействиях
и
позволило
сформулировать параметры модели в широком диапазоне энергий [3,4]. Начата разработка
программы FANSY 2.0 для компьютерного моделирования методом Монте-Карло сильных
взаимодействий адронов в широком диапазоне энергий (1011 – 1020 эВ) с протонами и
ядрами, учитывающая генерацию чармированных частиц и описывающая как компланарную
генерацию наиболее энергичных вторичных частиц при энергиях взаимодействий выше
~1016 эВ с большими поперечными импульсами в плоскости компланарности, так и
результаты LHCf.
1.2 Тёмная материя и тёмная энергия в астрофизике космических лучей
Выполнены численные расчёты спектра космических лучей сверхвысоких энергий с
учетом фрагментации тяжелых ядер в составе первичных частиц. Произведено сравнение
спектров с данными крупнейших детекторов космических лучей сверхвысоких энергий. В
том числе, выполнено сравнение распространения ядер и протонов. Протоны имеют характерные особенности в виде дипа и обрезания спектра (эффект Грейзена-Зацепина-Кузьмина),
который проявляется, в частности, в интегральном спектре. Ядра не имеют специфических
особенностей, но зато они могут быть зарегистрированы с помощью флуоресцентного
излучения.
Спектры
космических
лучей
сверхвысоких
19
энергий
вычислены
тремя
различными аналитическими методами: траекторным методом, аналитическим решением
кинетических уравнений (комбинированным с траекторными вычислениями) и методом
сцепленных кинетических уравнений. Первые два метода основаны на вычислении
траектории в обратном времени. В расчёте учитываются энергетические потери на
образование электрон-позитронных пар.
Исследовано обратное влияние аккрецируемого вещества на гравитационное поле
заряженной чёрной дыры. Детально рассмотрены частные примеры (аккреция идеальной
жидкости, канонического скалярного поля и галилеона). Поправки расходятся в случае приближения чёрной дыры к экстремальному состоянию, что может свидетельствовать о
барьере
для
прохождения
экстремального
состояния.
Выполнено
теоретические
исследования периодических орбит планетарного типа для пробных частиц в поле чёрной
дыры Керра и Рейснера-Нордстрема. Найдены условия, при которых эти орбиты
действительно существуют и устойчивы. Найдены асимптотические решения для частот
квазипериодов в излучении, которое может возникать при аккреции газа на чёрные дыры. Из
сравнения с данными по квапериодам для центральной сверхмассивной чёрной дыры в
нашей Галактике найден модельно независимым методом угловой момент центральной
черной дыры. Изучена возможность объяснения необычного сверхдлинного гамма-всплеска
Swift J164449.3+573451 в модели коллапсирующего ядра галактики. Источниками
энерговыделения и генерации гамма-излучения в этой модели служат столкновения
нейтронных звезд и чёрных дыр, а также аккреция вещества на формирующуюся чёрную
дыру.
Выполнены исследования процессов образования и эволюции сверхплотных сгустков
темной материи (субгало) на космологической стадии доминирования излучения из
адиабатических возмущений плотности, а также вокруг замкнутых петель космических
струн. В том числе, исследован случай несферического сжатия сгустка и найдены
ограничения на плотность на основе теоремы Лиувилля. Сгустки могут иметь плотность,
значительно превышающую плотность Вселенной в момент перехода к пылевидной стадии.
Найдено возможное усиление аннигиляционного сигнала от гало Галактики за счет
существования сгустков. Из сравнения с данными космического гамма-телескопа Fermi-LAT
найдены новые ограничения на параметры моделей.
Исследован
вопрос
о
коллапсирующих
сверхновых,
которые
могли
бы
предшествовать коротким гамма-всплескам. Взрыв сверхновой приводит к завершению
образования пары компактных объектов (черная дыра и нейтронная звезда, либо две
нейтронных звезды), которые при дальнейшем слиянии производят гамма-всплеск. Оценена
20
вероятность таких парных событий на интервале времени в несколько лет. В каталогах
сверхновых и гамма-всплесков найден один возможный кандидат.
1.3 Нейтринные эксперименты ИЯИ РАН во ФНАЛ: эксперименты E938
(MINERvA) и E929 (NOvA)
(Тема относится также к тематическому направлению «Участие в глобальных проектах
фундаментальной физики»)
1.3.1 Сечения квазиупругого рассеяния нейтрино на ядрах: эксперимент Е939
(МИНЕРВА)
Целью эксперимента МИНЕРВА является изучение сечений рассеяния нейтрино на
ядрах. Программа эксперимента включает измерение сечений взаимодействия нейтрино с
различными ядерными мишенями в области энергий 1-20 ГэВ. Эксперимент находится в
стадии набора данных и их анализа. Наибольший интерес представляют ядра углерода
(пластик) и кислорода (вода), которые являются основной компонентой вещества из которых
состоят полностью активные нейтринные детекторы (эти материалы являются и мишенью, и
регистрирующей средой). Весьма перспективными представляются и детекторы с жидким
аргоном. Они имеют низкие энергетические пороги регистрации частиц и позволяют с
хорошей точностью идентифицировать типы рожденных частиц. Как уже отмечалось,
сечения квазиупругого рассеяния (анти) нейтрино на этих ядрах измерены с большими
неопределенностями, т.е. аксиальный форм-фактор нуклона, который необходимо знать при
вычислениях этих сечений, также определен с большими погрешностями. В частности,
значение аксиальной массы нуклона находится в пределах 1-1.4 ГэВ.
Процессы квазиупругого рассеяния лептонов на свободных нуклонах в настоящее
время хорошо изучены. Описание процесса взаимодействия нейтрино с ядрами значительно
усложняется. Необходимо учитывать различные ядерные эффекты, которые изменяют форму
дифференциальных сечений и уменьшают полные сечения на нуклон. Для описания этих эффектов нами используется релятивистская модель искаженных волн в импульсном приближении, которая хорошо описывает данные о квазиупругом рассеянии электронов на ядрах.
В рамках этой модели в 2012 году были вычислены сечения рассеяния нейтрино
заряженным током на ядрах хлора, аргона и кальция. Определена зависимость полных сечений (на нуклон) этого процесса от массы ядра [15]. В рамках коллаборации МИНЕРВА продолжается анализ данных об эксклюзивном процессе квазиупругого рассеяния нейтрино на
ядрах углерода с рождением мюона и протона в конечном состоянии. Определена система
критериев, их эффективность и мощность, позволяющая отбирать квазиупругие события,
которые являются хорошей сигнатурой квазиупругого рассеяния нейтрино заряженным
21
током.
Кроме того, в эксперименте МИНЕРВА была продемонстрирована возможность
передачи информации с помощью пучка нейтрино [16]. Используя модуляцию пучка
протонов (и тем самым пучка нейтрино) слово «нейтрино» было закодировано в ASCII
кодах. Приемником служил детектор МИНЕРВА, который с высокой достоверностью
зарегистрировал это послание. По версии издательства Physics World этот результат вошел в
десятку лучших результатов, полученных в 2012 году [17].
1.3.2 Измерение параметров нейтринных осцилляций: эксперимент Е929
(НОВА)
Целью эксперимента НОВА является изучение осцилляций мюонных нейтрино в
электронные. Программа эксперимента включает измерение числа событий, обусловленных
взаимодействием электронных (анти)нейтрино, которые появляются в пучках мюонных
(анти)нейтрино в результате осцилляций. Это дает возможность измерить угол смешивания
θ13 и фазу нарушения СР-инвариантности в лептонном секторе, а также определить иерархию масс нейтринных состояний. Эксперимент находится в процессе подготовки. Набор
данных планируется начать в конце 2013 года.
В 2012 г. сотрудниками ИЯИ РАН проделана большая работа по монтажу, настройке
и установке блоков электроники, включающих в себя лавинные фотодиоды, на прототипе
ближнего детектора, который войдет в состав ближнего детектора. Оценена геометрическая
точность установки регистрирующих модулей этого детектора и ее влияние на точность
восстановления траекторий частиц.
1.4 Топология магнитного поля, динамика Солнца и потоки нейтрино
При
изучении
связи
между
топологией
магнитного
поля,
гелиосферой
и
магнитосферой и сопоставлении скорости дифференциального вращения Солнца и скорость
вращения солнечной короны и их динамику во времени, удалось установить, что корона
вращается со скоростью, соответствующей вращению фотосферы на широтах 55-60
градусов, что совпадает со скорость вращения на дне конвективной оболочки, где
генерируется долготная структура.
При изучении долготной структуры фотосферного магнитного поля в период
аномально низкой солнечной активности последних лет, выявлено четко выраженное
присутствие долготной структуры, не закамуфлированной спорадическими возмущениями,
связанными с солнечной активностью.
22
Исследована скорость дифференциального вращения магнитного поля Солнца в годы
нарастающей солнечной активности 2011-2012. Выявлена закономерность, что вращение тем
быстрее, где и когда меньше магнитное поле.
Продолжено сопоставление результатов изучения топологии магнитного поля с
геофизическими явлениями: геомагнитными индексами, землетрясениями, цунами, и т.д.
Обнаруживается их корреляция, но уровень достоверности в силу неоднородности экспериментальных геофизических данных не высок.
Продолжалось
феноменологическое
моделированию
топологии
и
динамики
магнитного поля Солнца на протяжении 21, 22 и 23 циклов.
1.5 Разработка методики регистрации нейтрино промежуточных энергий
1.5.1 Пуск и наладка газового детектора с порогом менее 1 кэВ в низкофоновом
исполнении
Исследована скорость дифференциального вращения магнитного поля Солнца в годы
нарастающей солнечной активности 2011-2012. Выявлена закономерность, что вращение тем
быстрее, где и когда меньше магнитное поле.
Скорость счета при энергии ионизирующего излучения в области от десятков до
нескольких сотен эВ определяется величиной магнитного момента нейтрино и сечением
когерентного рассеяния на данном ядре. Из экспериментов по нейтринным осцилляциям
известно, что нейтрино имеет массу. Тогда, согласно Стандартной модели с минимальным
расширением у нейтрино должен быть ненулевой магнитный момент. Теоретическая оценка
для Дираковского нейтрино дает величину порядка 10-19 магнетона Бора,
практически
недостижимую в настоящее время для эксперимента. Однако в ряде расширений
Стандартной Модели нейтрино, независимо от величины его массы, имеет магнитный
момент порядка 10-12 – 10-11 магнетона Бора. Это уже доступно для эксперимента. В
эксперименте GEMMA установлен предел на магнитный момент 2.9х10-11 магнетона Бора.
Чтобы улучшить этот предел, необходимо измерить эффект от рассеяния нейтрино на
электроне при энергиях рассеянного электрона менее 1 кэВ. С помощью газового детектора
можно снять спектр электронов отдачи вплоть до десятков эВ, что позволит существенно
продвинуться в решении этой задачи. При энергиях меньше 300 эВ скорость счета будет
определяться когерентным рассеянием нейтрино, сечение которого пропорционально
квадрату слабого заряда и формфактору ядра. Последний содержит неопределенность
примерно 5%. Отклонение слабого заряда за пределы неопределенности формфактора будет
означать наличие новой физики за пределами стандартной теории. В этом заключается
мотивация эксперимента по регистрации когерентного рассеяния нейтрино, не говоря уже о
23
том, что сам факт регистрации этого процесса станет крупным достижением современной
физики.
Газовый вариант детектора когерентного рассеяния наиболее простой и дешевый,
поскольку не требует дорогостоящего оборудования. Недостаток – трудно реализовать
детектор с массой более 1 кг, но при потоке антинейтрино от реактора на уровне 1013 см-2сек1
этого уже достаточно для получения значимого результата. Очень серьезное преимущество
– высокий коэффициент газового усиления (КГУ) – более 10000. Это решает проблему
шумов, которая на сегодняшний день для полупроводниковых и других детекторов является
весьма трудно преодолимой. Кроме того, газовые детекторы не страдают высоким
собственным темпом счета одноэлектронных импульсов, а это является критическим моментом при разработке детекторов когерентного рассеяния нейтрино.
Нами
разработана
концепция
низкопорогового
газового
детектора.
Здесь
принципиальным моментом является наличие трех объемов – центральный с малым (40мм)
диаметром и высоким (>10000) КГУ, периферийный с дрейфовым промежутком и большим
(140 мм) диаметром для обеспечения необходимой массы рабочего газа и третьего –
наружного, работающего в качестве активной и пассивной защиты от флуоресценции из
материала стенки детектора. Важно, что разработанная конструкция имеет один счетный
канал, что выглядит особенно привлекательным ввиду того, что здесь не просто измеряется
амплитуда сигнала, а исследуется форма импульса от ионизации в газе. Наличие многих
счетных каналов привело бы к весьма существенному усложнению и удорожанию детектора.
Следует особо отметить, что разработанная конструкция газового детектора позволяет
выделить центральный объем и работать в режиме «без стенки». Это обеспечивается
наличием внешнего газового промежутка, который служит в качестве активной и пассивной
защиты. На специально разработанной стендовой установке для смеси аргон-метан (Р10)
были записаны формы импульсов с амплитудой от 10 эВ до 8 кэВ и выполнена
дискриминация шумов, которая представляется весьма многообещающей в плане
дальнейшего развития этой методики. Следует отметить, что мы являемся пионерами в
проведении таких исследований. В 1997 году совместно с группой профессора С.Витале из
Генуэзского университета (Италия) был спланирован и успешно проведен эксперимент по
регистрации актов распада ядра 7Be по энергии, выделяемой при электронном захвате с K и
L оболочек [18]. В этом эксперименте впервые в мире были зарегистрированы линии с
энергией 57 эВ и 112 эВ от распада 7Be.
24
1.5.2. Разработка и создание прототипа литиевого детектора солнечных
нейтрино. Исследование коррозии конструкционных материалов в
жидкометаллических теплоносителях
Исследования проводятся совместными усилиями сотрудников ИЯИ РАН, «ГНЦ РФ ФЭИ им. А.И. Лейпунского» и ОАО «ВНИИНМ им. А.А. Бочвара» в рамках коррозионных
испытаний конструкционных материалов для модулей бланкета с жидкометаллическим
теплоносителем в ITER [19,20].
На предварительном этапе был произведен выбор методик исследования коррозии
конструкционных материалов в металлических теплоносителях, позволяющих произвести
долговременные ресурсные испытания при минимальных затратах,
- для статических испытаний выбраны « ампульные испытания в гомогенной среде»;
- для динамических испытаний
со сверхмалыми скоростями выбран «метод
двухфазного термосифона»;
- для динамических испытаний со скоростями до 1.5 м/с, близким к условиям работы
экспериментального модуля бланкета в ITER, выбран «метод вращающегося диска».
Для испытаний образцов по каждой методике были изготовлены три экспериментальных стенда: «СТАТИКА», «ТТ», «ВД» и установка «СПЛАВ», на которой приготовлены
пять образцов сплава Pb-15,7Li для испытаний стали EUROFER 97 с одинаковым
стехиометрическим составом. Для наработки статистических данных, каждая установка
комплектовалась
несколькими
образцами,
а
режимы
испытаний
предусматривали
промежуточные исследования. На настоящий момент стенды наработали следующую
статистику:
«СТАТИКА» - 2000 часов, 550 оС, EUROFER 97 в Pb-15,7Li. Осталось 1000 часов ;
«ТТ (тепловая труба)» - 1000 часов, 900 оС, V-4Ti-4Cr в литии. Испытания
завершены;
«ВД (вращающийся диск)»: «ВД1»- 2000 часов, 550 оС, EUROFER 97 в Pb-15,7Li.
Испытания завершены, «ВД2»- 1500 часов, 550 оС, EUROFER 97 в Pb-15,7Li. Осталось 1500
часов, «ВД3»- 1500 часов, 550 оС, EUROFER 97 в Pb-15,7Li. Осталось 2000 часов.
Проведены металлографические исследования образцов материалов (ванадиевый
сплав V-4Ti-4Cr, сталь EUROFER 97), как до испытаний, так и после отдельных этапов. А
также химический анализ состава теплоносителей (Pb-15,7Li, Li), с целью контроля его
изменения.
Данная работа является частью цикла исследований коррозионного взаимодействия
малоактивируемых сталей (ванадиевого сплава V-4Ti-4Cr и ферритно-мартенситной стали
25
EUROFER 97 (Fe-9Cr-W-V)) с жидкометаллическими теплоносителями (литий, натрий,
эвтектический сплав свинец-литий) в статических и динамических условиях при высокой
температуре (550-900 оС). С другой стороны эта работа являются преддверием планируемых
коррозионных
исследований
в
движущемся
теплоносителе
в
изотермических
и
неизотермических циркуляционных контурах. Длительные (ресурсные) испытания в
циркуляционных контурах стоят дорого из-за необходимости непрерывного круглосуточного
обслуживания достаточно сложных и опасных экспериментальных стендов. Особенно это
относится к высокотемпературным стендам (500-1000 оС). Экспериментальные данные,
полученные в статических условиях, и некоторые технологические приёмы, приборы и
методики контроля могут быть полезными при создании установок с движущимся
теплоносителем.
Применительно
же
к
тепловым
трубам
с
жидкометаллическими
теплоносителями эти результаты (исследования методом двухфазного термосифона) имеют
прямое отношение.
1.5.3 Динамика Солнца и потоки нейтрино. Исследование CNO нейтрино,
генерируемых на Солнце
Расчёт был проведён в предположении, что масса, плотность и температура меняются
незначительно в результате перемешивания. Процесс очень медленный, так что есть время
для восстановления исходных параметров. Изменение профиля концентраций элементов
определялось несколькими параметрами: положением и толщиной оболочки, интенсивности
перемешивания, его длительностью. Принималось, что интенсивность перемешивания в
центре оболочки больше, чем на краях оболочки. Интересен вариант, при котором в области
от 0.17 до 0.3 радиуса Солнца эффект перемешивания приводит к лучшему согласию с
данными гелиосейсмологии по скорости звука, в то время как в области от 0.1 до 0.17
радиуса
увеличение расхождения с данными гелиосейсмологии остается в приемлемых
пределах по c/c (< 0.01). При этом поток нейтрино от
13
N увеличивается почти в два раза, а
потоки бериллиевых нейтрино и нейтрино от 15O меняются незначительно. Такое изменение
потоков нейтрино составляет сигнатуру перемешивания вещества в центре Солнца.
Полученные результаты представлены в [38], и в настоящее время готовится публикация.
26