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 гамма-семейств ⟨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 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 +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 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 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 и13 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.

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 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-2сек-1 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.

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. » и им. » 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 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 13N 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.