Открытие нейтринных осцилляций (стр. 4 )

5. Регистрация совокупного потока антинейтрино от всех имеющихся на Земле промышленных ядерных реакторов. Подтверждение параметров осцилляций электронных антинейтрино;

6. Исследование спектра солнечных нейтрино.

7. Регистрация пучков мюонных и электронных нейтрино от ускорителя для поиска ?-фазы СР-нарушения.

8. Поиск стерильных нейтрино при помощи искусственных источников нейтрино.

Исследование природных потоков нейтрино давно привлекает к себе пристальное внимание. Реальное их измерение ограничивалось тем, что собственный фон детектора обычно значительно превышал исследуемые потоки. После начала работы сцинтилляционного детектора KamLand в Японии [4] и затем BOREXINO в Италии [5] стало ясно, что произошел качественный скачок в экспериментальной физике нейтрино низких энергий. Собственный фон детектора удалось уменьшить в сотни, а то и тысячи раз. При низком фоне можно одновременно мерить несколько потоков, разделяя их энергетическими и временными окнами. Таким образом, детектор большого объема, заполненный жидким сцинтиллятором, является многоцелевым прибором. Кроме внутреннего фона детектора, обусловленного естественной радиоактивностью, существует фон, обусловленный космическими лучами. Поэтому детекторы, предназначенные для измерения малых нейтринных потоков, располагают глубоко под землей.

В настоящее время в мировом сообществе активно обсуждается проблема регистрации геонейтрино. Это связано с тем, что нет других методов исследования внутренних частей Земли, кроме нейтринных потоков. Акустические методы дают информацию только о распределении плотности внутри Земли [6], а регистрация нейтрино может дать информацию о распределении радиоактивных элементов во внутренних слоях и подтвердить или уточнить различные гипотезы о формировании планет и поведении элементов при больших давлениях и температурах. Также оценка потока геонейтрино может уточнить вклад в общее тепловыделение Земли радиогенных источников. Полный тепловой поток Земли оценивается сегодня в 44±1 ТВт. А расчетное значение потока, образованного радиоактивными изотопами, дает около половины этого значения.

Тесно связана с геонейтрино и гипотеза о существовании в центре или на стыке ядра и мантии природного ядерного реактора [7]. Эта гипотеза дает возможность объяснить недостающее количество тепла, источник магнитного поля Земли и периодическую смену магнитных полюсов Земли. К настоящему времени измерениями детекторов BOREXINO и KamLand было поставлено ограничение на мощность гипотетического реактора в центре Земли Wgr < 3 ТВт. Предлагаемый детектор позволит за несколько лет измерений подтвердить или опровергнуть эту гипотезу.

Проектирование и создание подобного детектора в Баксанской нейтринной обсерватории будет являться неотъемлемым звеном всемирной проектируемой в настоящее время мировой сети подобных детекторов.

Другой фундаментальной задачей является регистрация нейтрино от вспышки сверхновой и фона от предыдущих коллапсов за всю историю существования Вселенной. Регистрация этого фона позволит оценить частоту вспышек сверхновых и определить количество скрытой для прямого наблюдения материи. В 1987 году на Земле была зарегистрирована вспышка сверхновой, которая получила название SN1987А. Вспышка произошла в Большом Магеллановом облаке и расстояние до нее составляло ~50 кпс. Нейтринное излучение было зарегистрировано четырьмя работавшими в тот момент установками: Kamiokande, IMB, LSD и БНПТ (Баксанский нейтринный подземный телескоп). Суммарная статистика этого события составляет всего 24 импульса, зарегистрированных в течение короткого времени во всех установках. Подробный анализ этого события был дан в ряде работ, см., например, [8, 9].

Сейчас в мире работает несколько установок, входящих в мировую сеть слежения за вспышками сверхновых. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки.

Предлагаемый детектор дает гораздо бoльшие возможности в регистрации потоков от сверхновых. По нашим оценкам в таком детекторе при аналогичной SN1987А вспышке было бы зарегистрировано около 200 событий. А при расстояниях до 10 кпс можно проводить и спектральный анализ, который дает возможность определить иерархию нейтринных масс и уточнить параметры осцилляций [3]. Так, при расстоянии 10 кпс до вспышки детектор с массой 10 кт сможет зарегистрировать около 3000 антинейтринных событий за короткое время. Кроме того, предлагаемый детектор сможет регистрировать и другие нейтринные реакции (взаимодействие нейтрино с ядрами углерода и рассеяние нейтрино на электронах и углероде), что существенно увеличивает надежность результатов.

Детектор сможет регистрировать и нейтрино от Солнца, если будет достигнута высокая радиационная чистота сцинтиллятора (не хуже, чем у детектора BOREXINO [5] ~10-18 г/г). Для регистрации будет использоваться реакция рассеяния нейтрино на электронах. При массе мишени в 20 раз больше, чем у детектора BOREXINO может быть достигнута большая точность при регистрации нейтрино от 7Ве и цикла CNO.

В последнее время бурно обсуждается возможность существования стерильных нейтрино. В  связи с этим возникло множество проектов, предлагающих методы их поиска. Одним из таких методов является исследование нейтринного излучения от искусственных нейтринных источников, расположенных вблизи больших сцинтилляционных детекторов типа KamLANDa или BOREXINO.

Продемонстрирована стабильность характеристик в течение 1 года.

Работы по теме  «Первичные чёрные дыры в ранней Вселенной и космологические следствия их рождения» имеют целью теоретическое исследование тех сценариев космологического расширения ранней Вселенной, которые предсказывают рождение достаточно больших концентраций первичных чёрных дыр (ПЧД). На характеристики таких космологических сценариев можно получить существенные ограничения, на основе астрофизических данных по поискам ПЧД, что и является главной целью исследования. Тема «Фотоядерные взаимодействия лептонов при сверхвысоких энергиях» связана с физикой космических лучей: мюоны очень высоких энергий, рождающиеся при прохождении космических лучей через атмосферу, тратят часть энергии на такие взаимодействия (неэлектромагнитные), которые не описываются методами теории возмущений квантовой хромодинамики (КХД). В работе по этой теме показывается, что такие взаимодействия можно описывать в рамках двухкомпонентной схемы (модель векторной доминантности плюс КХД).

Для выполнения проекта (НЕСТОР-САДКО-РАМАНД-РАМХАНД-МЛФД), целью которого является развитие новых экспериментальных методов нейтринной астрономии (астрофизики) сверхвысоких энергий и проведение прикладных исследований, :в 2010 – 2011 г. г. была создана коллаборация российских институтов – ИЯИ РАН (ведущая организация), Атлантическое отделение Института океанологии РАН, Институт прикладной физики РАН, ФИАН, К участию в проекте были также привлечены ученые Арктического и Антарктического НИИ и Российской антарктической экспедиции (С. Петербург),  МГУ, ОИЯИ (Дубна).

В 2011 – 2012 г. г. участники проекта разработали программу создания и применения новых оптических, гидроакустических, радио-физических детекторов и зондов для исследований, необходимых для разработки альтернативных детекторов космических нейтрино, а также для прикладных исследований - мониторинга состояний водной и ледовой сред на полигонах в Средиземном море и в Антарктиде [1-3].

1) Глубоководные детекторы и зонды.

Так для глубоководных исследований, связанных с созданием крупномасштабного глубоководного нейтринного телеско­па в Средиземном море (KM3 NeT), и для  мониторинга гидросферы (ядерно-физических, гидроакустических и гидрографии­ческих измерений параметров водной среды) были  предложены следующие новые разработки и новая техника [1]:

- Универсальный комплекс (АО ИО РАН) с использованием бескабельных зондов для проведения океанологических исследований в районе глубоководных оптических и гидроакустических экспериментов в Средиземном море;

- Гидроакустическая донная антенна (ИПФ РАН) на основе цифровых гидрофонов со встроенными микропроцессорами для приема и выделения слабых сигналов;

- Погружной сцинтилляционный спектро­метр (ИСПМ РАН) для определения состава и измерения концентрации растворенных в морской воде радионуклидов  (радий, радон и др.).

2) Радиоволновой метод детектирования нейтрино в Антарктиде [2]:

Выполнен обзор экспериментов в Антарктиде по поиску радио импульсов от электронно-фотонных каскадов, производимых космическими нейтрино сверхвысоких энергий в Антарктическом льду. Совместно с американскими коллегами предложена альтернативная возможность для радио волнового детектирования нейтрино в Антарктиде, а именно использовать для размещения антенн привязные аэростаты на высотах 1-2 км над ледовой поверхностью.

3) Радиоастрономический метод детектирования нейтрино [3]:

Разработан 16-элементный антенный модуль, который является  экспериментальным прототипом базового модуля не только для нового радиоастрономического детектора нейтрино экстремально высоких энергий, но и прототипом модуля радиотелескопа метровых волн нового поколения, использующего новейшие достижения компьютерных технологий (ПРАО ФИАН).

4) Разработка и создание действующих макетов координатно-чувствительных (матричных) детекторов элементарных частиц на основе новейших  мультипиксельных лавинных фотодиодов – МЛФД (совместно с ОИЯИ) [4,5].

За последние годы изучение электромагнитных взаимодействий ядер в ведущих научных центрах США, Японии, Германии и других стран характеризовалось существенным расширением тематики исследований и применением новых методов.  Это включало в себя прецизионное измерение амплитуд фоторождения мезонов на свободных и связанных нуклонах, изучение спиновых структурных функций и формфакторов нуклонов, исследование коллективных возбуждений ядер (гигантских резонансов), фото – и электроделения ядер. Эксперименты выполнялись на пучках реальных и виртуальных фотонов, релятивистских ионов и фемтосекундных лазеров с большой импульсной мощностью. На этой основе развивались прикладные исследования с использованием фотоядерных методов для создания систем безопасности, детектирования взрывчатых веществ и делящихся материалов, медицинской диагностики и др. В настоящем отчете приведены результаты исследований, выполненных в лаборатории фотоядерных реакции ИЯИ РАН в рамках указанной тематики.