Электронные методы детектирования нейтрино

5  Электронные методы детектирования нейтрино

5.1 Поиск нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд на сцинтилляционных детекторах LVD и АСД

Для регистрации нейтринного излучения от гравитационного коллапса звезд необходима длительная непрерывная работа специализированных экспериментальных установок. Основная задача состоит в том, чтобы зарегистрировать кратковременную нейтринную вспышку и определить типы зарегистрированных нейтрино. Такими установками являются детектор LVD, в состав которого входит примерно 1 кт железа и 1 кт жидкого сцинтиллятора, и установка «Коллапс» АСД, Артемовской Научной Станции ИЯИ РАН.

Цель эксперимента и описание детектора LVD.

Детектор LVD (Large Volume Detector), расположенный в подземной лаборатории Гран Сассо (Италия) на глубине H> = 3650 м. в.э., состоит из 840 сцинтилляционных счетчиков, которые представляют собой контейнеры из нержавеющей стали размерами 100×100×150 см3, заполненные жидким сцинтиллятором на основе уайт-спирита. Они размещены по 8 штук в стальных несущих модулях, которые сгруппированы в 7 горизонтальных слоёв и образуют вертикальные колонны. Детектор LVD состоит из 3 башен, разделенных коридорами шириной 2 м, по 5 колонн в каждой (Рис.1). Общая масса сцинтиллятора ~ 1000 т.

Рисунок 1 - Установка LVD

Масса железа, распределенного равномерно по объему LVD в модулях, структуре и контейнерах счетчика, составляет примерно 1000 тонн. Установка LVD является железно-сцинтилляционным калориметром с общей массой мишени 2 кт. Это позволяет эффективно регистрировать как антинейтрино от коллапса Сверхновых (реакция обратного β-распада + p → n + e+), так и электронные нейтрино, особенно в области низких энергий (≤ 40 МэВ) (реакция νe + 56Fe → 56Co* + e-).

Каждый счетчик имеет два энергетических порога: триггерный 5 МэВ, после которого открываются ворота длительностью 1 мс с порогом 0.6 МэВ, предназначенные для регистрации импульсов от захвата нейтрона, образующегося в реакции обратного β-распада, как водородом n + p → d + γ, Eγ = 2.2 МэВ так и железом 56Fe +n →57Fe +Σγ, Eγ = 7.8 МэВ.

Основная цель LVD – поиски нейтринного излучения от коллапсов звезд. По этой программе LVD проработал 20 лет. С 2002 года эффективное время работы установки превышает 99%. Кроме этого, одной из важных экспериментальных задач, решаемых на LVD, является изучение проникающей компоненты космических лучей, в основном мюонов и продуктов их взаимодействий. Изучение атмосферных мюонов на больших глубинах под землей позволяет получить информацию о первичном спектре космических лучей и взаимодействиях элементарных частиц при высоких энергиях. Исследование проникающей компоненты также очень важно, так как она является фоном для экспериментов по поиску редких событий, проводимых глубоко под землей.

“Коллапс” АСД-cтотонный сцинтилляционный детектор АНС.

Детектор «Коллапс» АСД (Рис.2.2) - это большой жидкостной сцинтилляционный монодетектор с массой 105 тонн. АСД расположен в соляной шахте вблизи г. Артемовска. Сцинтиллятор на основе уайт-спирита, применяемый в АСД, был разработан в лаборатории нейтрино ФИАН в конце 60-х годов. Он использовался и используется в подземном (БПСТ) и наземном (Ковер) детекторах Баксанской научной обсерватории (БНО), в российско-итальянских детекторах LSD (Монблан), LVD (Гран Сассо). Его состав: СnН2n+2, <n>≈9,6 + РРО (0.7 г/л) и + РОРОР (0.03г/л). По образующей поверхности цилиндра были равномерно вырезаны 144 окна для 128 ФЭУ-49Б, 16-ти ФЭУ-110 (с диаметром фотокатода 7,5 см) и для 16-ти быстрых ФЭУ-30 (ф. к. 6 см.). ФЭУ просматривают весь внутренний объем цилиндра.

Рисунок 2 - 100-тонный детектор АСД.

При создании детектора поиск регистрации нейтрино от коллапсирующих звезд основывался на стандартной модели коллапса [12]. Счетчик, в основном, был рассчитан на регистрацию электронных антинейтрино с энергией 5-50 МэВ по их взаимодействию с водородом: νe + p → e+ + n,  Еe+ = Eν – 1.3 МэВ,  n + p → d + γ, (Еγ = 2.2 МэВ), сечение реакции равно /{sigma} = 9.3Ен2x10-44 см2. Если нейтрон выходит за пределы детектора он захватывается Cl с испусканием гамма-квантов. В результате эффективность регистрации нейтронов равна 87 % и τ=170 мкс. Если коллапс происходит на расстоянии 10 Кпс, то количество событий от реакции с электронными антинейтрино в детекторе АСД в случае модели стандартного коллапса должно составлять примерно 57. Регистрация электронных нейтрино проводится по взаимодействию с солью NaCl, окружающей детектор. Эффективный объем NaCl составляет 1 кт. В случае модели вращающегося коллапсара (двухстадийного коллапса) количество событий в первой фазе от νe с ядрами соли должно быть около 44.

Поиск нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд в Галактике.

Установка LVD способна регистрировать нейтрино всех типов, используя реакции взаимодействия с ядрами веществ, входящих в её структуру – водородом, углеродом, железом.

Электронные антинейтрино возможно измерять благодаря реакции:

-νe+p→ n + e+.

Нейтрон может быть зарегистрирован в реакциях 

n + p → d + γ,  Eγ = 2.2 МэВ  и  n + 56Fe → 57Fe + γ , Eγ (max) = 10.16 МэВ

       Среднее время жизни нейтрона в детекторе фзах ~ 180 мкс. Гамма-квант детектируется сцинтилляционными счетчиками больших объемов, что помогает идентификации электронных антинейтрино. Эта реакция дает основной вклад в отклик детектора при реализации Стандартной модели коллапса.

Электронное нейтрино взаимодействует с ядрами железа. При осуществлении реакции по заряженному току νe + 56Fe → 56Co* + e - излучается электрон, а возбуждение кобальта снимается испусканием одного или нескольких гамма-квантов с общей энергией от 1.72 МэВ до 10.7 МэВ.

В реакции по нейтральному току νe + 56Fe → ν’e + 56Fe  снятие возбуждения железного ядра происходит путем испускания гамма-кванта с энергией ~7.6 МэВ. Эти реакции дают ощутимый вклад в отклик детектора, в основном, в высокоэнергичной части спектра, если коллапс происходит в соответствии с моделью вращающегося коллапсара.

Среди взаимодействий нейтрино с углеродом представляет особый интерес реакция по нейтральному току: νe,μ,τ (-νe,μ,τ) +12C→ νe,μ,τ (-νe,μ,τ) +12C* с последующим возвратом углерода в основное состояние с испусканием одного или двух гамма-квантов с суммарной энергией 15.1 МэВ.

LVD детектор наблюдает за всей Галлактикой (D < 20 кпс) с октября 1991 года с чувствительной массой 100 тонн, с мая 1992 с массой 330 тонн, с июня 2001 года в полном объеме. С 1991 по 2002 чистое время работы установки составляет примерно 92 %, с 2002 по 2013 более 99% (Рис.3). Поиск кандидатов на нейтринные вспышки выполняется, исследуя временную последовательность триггеров и находя в ней группы кластеров.

Рисунок 3 - Время работы и чувствительная масса LVD с 1991 по 2011 гг

Отбор кластеров-кандидатов на нейтринные всплески основан на поиске кластеров в течение временного окна фиксированной ширины, ∆t. Велся поиск кластеров из N одиночных триггерных импульсов во временном интервале ∆t = 3, 5, 10 и 20 сек  для каждого триггерного импульса. Выбор продолжительности временных интервалов определяется теоретическими предсказаниями о длительности нейтринного всплеска: 2.4 – 6 сек в модели вращающегося коллапсара, 10 – 20 сек в модели стандартного коллапса.

Вероятность появления кластера фоновых импульсов может быть установлена применительно к длительным периодам сбора данных, что позволяет определить значимость события-кандидата на нейтринный всплеск в единицах частоты его имитации фоном. В течение 20 лет наблюдений (19 лет чистого времени) на LVD кластеров-кандидатов на регистрацию антинейтринного всплеска от Сверхновых обнаружено не было. Это позволяет установить верхний предел на частоту коллапсов Сверхновых, протекающих по Стандартной модели, равный 0.12 событий в год на 90% уровне достоверности.

По данным работы нейтринных телескопов в течение 35 лет (с 1977 г по 2012 г) получено самое сильное экспериментальное ограничение на частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звёзд в Галактике: менее 1 события за 15.2 года на 90% уровне достоверности.

5.2 Соль NaCl, как дополнительная мишень

Идентификации типа нейтрино при добавлении поваренной соли в структуру детектора LVD.

Стандартная модель коллапса сверхновой была разработана много лет назад, но она не способна объяснить сброс оболочки при взрыве звезды, а также сигнал, зарегистрированный детектором LSD во время взрыва СН 1987A 23 февраля 1987 года в 2:52 UT. Наиболее естественное объяснение эффекта, упомянутого выше, представлено в модели вращающегося коллапсара, разработанной . Модель предсказывает двухстадийный коллапс: в течение первой фазы испускаются электронные нейтрино со средними энергиями 30-40 МэВ, в течение второй - излучаются все типы нейтрино. Основной задачей сцинтилляционно-железного телескопа LVD является поиск нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд в Галактике. Для наилучшего понимания процессов, связанных с этими уникальными астрофизическими явлениями, необходимо различать типы зарегистрированных нейтрино.

В рамках Стандартной модели основной реакцией взаимодействия является реакция обратного бета-распада:

,

с последующим захватом нейтрона посредством реакций n + p → d + г или n + 56Fe → 57Fe + г. Позитроны сразу же дают триггерный импульс, в то время как сигналы от гамма-квантов (Eг =2.2 МэВ в реакции np и - Eг ~ 7 МэВ в реакции nFe) регистрируются во временном окне 1 мс. В существующей конфигурации (1000 тонн активной массы сцинтиллятора CnH2n, n =9.6, и аналогичного количества железа в несущей конструкции) эффективность регистрации нейтронов находится на уровне порядка 70%.

Добавление соли в структуру LVD позволяет увеличить число взаимодействий электронных нейтрино посредством следующих реакций:

νe + 23Na→e - + 23Mg

νe + Cl→e - + Ar

Необходимо также учитывать, что природный хлор состоит из 2 изотопов с массовыми числами 35 (75.5%) и 37 (24.5%), в то время как у натрия есть лишь один изотоп Na.

Энергетический порог в реакции на Na ~4 МэВ, в реакции на Cl ~800 кэВ для 37Cl и ~5 МэВ в случае 35Cl. В реакции на Na достаточно высока вероятность образования Mg в возбужденном состоянии, которое снимается посредством испускания ~7.5 МэВ гамма-кванта. Возбуждение аргона очень мало.

Эксперимент на 2-х портатанках установки LVD.

С целью улучшения разделения типов нейтрино ведется эксперимент с введением поваренной соли в часть детектора LVD. На поверхности одного из портатанков (№ 000) было размещено 544 кг NaCl (всего 544 упаковки, каждая размером 145Ч115Ч50 мм3). Источником нейтронов являлся 252Cf, находящийся на крыше танка с номером 1135 под слоем соли (Рис. 4).

Рисунок 4 - Экспериментальная установка. Нижние 8 счётчиков – портатанк № 000, верхние – портатанк № 000

При анализе рассматривались две конфигурации – конфигурация без соли и конфигурация с 5 см. соли. Триггером являлся распад 252Cf. Импульсы от захвата нейтронов от источника искались в верхнем и нижнем портатанках (114 и 113 соответственно) во временном окне от 5 мкс до 1 мс, а также дополнительно анализировались данные по танкам 1145 и 1135.

В ходе эксперимента были получены временные распределения регистрации гамма-квантов, рождающихся при нейтронных захватах. Исходя из полученных распределений, были определены постоянные времени захвата нейтрона в различных энергетических диапазонах регистрируемых гамма-квантов, а также эффективности регистрации нейтронов во временном диапазоне 50 - 500 мкс (табл. 1). В приведённых ниже таблицах представлены как экспериментальные результаты, так и результаты моделирования.

Представленные результаты позволяют заключить, что использование поваренной соли в качестве дополнительной мишени приводит к увеличению эффективности регистрации нейтронов примерно на 19% в счётчике № 000 и примерно на 10% в портатанке № 000 для заданного расположения нейтронного источника. Значения постоянных времени захвата нейтронов показывают, что добавление соли приводит к уменьшению времени захвата нейтронов в сцинтилляторе. Также следует отметить, что результаты моделирования согласуются с результатами эксперимента, и в дальнейшем будет возможен более детальный расчёт отклика детектора LVD на нейтринную вспышку.

Таблица 1 - Постоянная времени захвата нейтрона и эффективность регистрации

при различных энергетических порогах

Диапазон энерговыделений	счётчик № 000	портатанк № 000
наличие соли	отсутствие соли	наличие соли	отсутствие соли
Экспер.	расчёт	Экспер.	расчёт	Экспер.	расчёт	Экспер.	расчёт
1 – 4 МэВ	τ	163±6	165±4	176±5	170±4	150±9	154±7	168±8	165±10
ε	0.38	0.36	0.33	0.32	0.76	0.72	0.69	0.70
>4 МэВ	τ	101±7	103±6	115±8	114±5	109±9	115±8	126±14	120±13
ε	0.06	0.06	0.04	0.05	0.08	0.08	0.07	0.07

5.3 Измерение скорости нейтрино на установке LVD

Определение временного сдвига между LVD и OPERA с помощью горизонтальных мюонов проходящих через эти установки.

Рисунок 5 - Схема расположения установок LVD и OPERA в подземной лаборатории LNGS

Установки LVD и OPERA, находящиеся в Лаборатории LNGS, расположены на расстоянии 160 м друг от друга (рис. 5). Атмосферные горизонтальные мюоны, пересекающие обе установки, приходят в направлении, перпендикулярном пучку нейтрино из ЦЕРНа. С середины 2007 года по март 2012 было отобрано 306 мюонных событий, проходящих через LVD и OPERA. Определялась разность между временем регистрации событий в установке LVD и OPERA. Обнаружено, что с конца 2008 г по конец 2011 г время пролета мюонов между установками превышало расчетное на 73±9 нс (рис. 6). Это помогло найти систематическую ошибку, связанную с измерением абсолютного времени в эксперименте OPERA.

Рисунок 6 - Распределение δt=tOPERA-tLVD для коррелированных OPERA - LVD мюонных событий

Измерение скорости нейтрино на установке  LVD.

Измерение времени пролета нейтрино представляет собой измерение разности между абсолютным временем срабатывания триггеров в счетчиках LVD и абсолютным временем выхода пучка протонов из ЦЕРНа. Задачей эксперимента LVD являлось определение абсолютного времени регистрации событий.

Рисунок 7 - Схема установки LVD. Синим цветом обозначены счетчики третьей башни, в которых были установлены светодиоды

С 10 по 24 мая 2012 г пучок CNGS имел новую структуру: 4 серии по 16 групп (bunches), раздвинутыми на 300 нс друг от друга.  Ширина «банча»  3 нс, интервал между ними 100 нс.

Специально для этих коротких банчей была сконструирована новая система точного времени, сигнал от которой мог подаваться для всех экспериментов Лаборатории LNGS. Кроме этого на установке LVD была изменена электроника, измерены задержки в кабелях и узлах электроники, проведена временная синхронизация 58 сцинтилляционных счетчиков с помощью светодиодов.

Во время работы пучка с новой структурой установка LVD работала в полном объеме и зарегистрировала 190 событий. Для определения скорости нейтрино были отобраны 79 событий, в которых мюоны от нейтрино прошли через все три башни и через счетчики со светодиодами. 48 из них были отобраны визуально и для каждого события было определено значение δt (Рис. 8).

Рисунок 8 - Распределение δt разности времени-пролета нейтрино и времени-пролета световых фотонов

В результате для 48 зарегистрированных мюонных событий от нейтрино из ЦЕРНа со средней энергией 17 ГэВ была определена величина δt= - 0.3±0.6 (стат) ±3.2 (сист) нс.

Величина относительного отклонения скорости нейтрино от скорости света по данным пучка нейтрино из ЦЕРНа с короткими банчами составила 3.3⋅10-6 < (vн-c)/c < 3.5⋅10-6. Используя среднюю энергию нейтринного пучка (-Eν = 17 ГэВ), получено ограничение на массу мюонного нейтрино: mν < 44 МэВ/c2 на 99% уровне достоверности.

5.4 Определение эффективности регистрации нейтронов на LVD

Потоки нейтронов, образованных мюонами космических лучей под землей, являются основным источником фона в нейтринных экспериментах, проводимых в области нейтринной физики, и при поиске редких процессов, предсказываемых теорией. На установке LVD изучаются различные характеристики потока нейтронов, генерируемых мюонами в веществе детектора: жидком сцинтилляторе и железе. Одним из основных вопросов является величина эффективности регистрации нейтронов. Для ее определения моделировались процессы рождения, переноса и детектирования нейтронов с помощью программных пакетов SHIELD и GEANT4. Были определены эффективности регистрации гамма-квантов, испускаемых при захвате нейтронов ядрами вещества установки (сцинтиллятора и металлическими частями установки) с различными порогами регистрации (табл. 2 и 3). Для определения эффективности регистрации нейтронов в сцинтилляторе и железе установки LVD, проводилось моделирование распространения нейтронов фиксированной энергии (5, 10 и 80 МэВ) с последующей фиксацией энерговыделения захватных гамма-квантов в сцинтилляторе при различных порогах регистрации. Эффективность регистрации нейтронов необходима для вычисления нейтронного выхода в сцинтилляторе, определения потока нейтронов, образуемых мюонами в веществе детектора.

Таблица 2 - Эффективность регистрации гамма-квантов от захватов нейтронов в сцинтилляторе (np-захваты, Еγ=2.2 МэВ)

Порог, Ethr	Эффективность εγ
Счетчик 1334	Окружающие счётчики	total
0.1	0.737	0.147	0.884
0.5	0.670	0.123	0.794
0.7	0.649	0.117	0.766

Таблица 3 - Эффективность регистрации гамма-квантов от захватов нейтронов в железе (nFe-захваты, спектр гамма-квантов Еγ: 0-10 МэВ)

Порог, Ethr	Эффективность εγ
Счетчик 1334	Окружающие счетчики	total
1	0.1	0.353	0.475	0.828
2	0.5	0.235	0.387	0.622
3	0.7	0.207	0.353	0.559

Экспериментальным условиям наиболее соответствуют величины эффективности регистрации нейтронов εn(sc) = 0,66 и εn(Fe) = 0.31, εn(sc) = 0,57 и εn(Fe) = 0.29, εn(sc) = 0,34 и εn(Fe) = 0.24 полученные при пороге регистрации гамма-квантов 0.7 МэВ для нейтронов с энергиями En = 5, 10 и 80 МэВ, соответственно, характерными для подавляющей части нейтронов, рожденных мюонами.