БНО ИЯИ РАН В.Н. Гаврин

БНО ИЯИ РАНБНО ИЯИ РАН В.Н. ГавринВ.Н. Гаврин


21 - 25 ноября

Вклад Ga экспериментов

в понимание физики Солнца

и физики нейтрино

Вклад Ga экспериментов

в понимание физики Солнца

и физики нейтрино

В.Н. ГавринВ.Н. ГавринИнститут ядерных исследованийИнститут ядерных исследований

РАНРАН

В.Н. ГавринВ.Н. ГавринИнститут ядерных исследованийИнститут ядерных исследований

РАНРАН

“Ga experiments have given a great impact upon a view of neutrino oscillation” John Bahcall

• Немного истории

• Ga солнечные нейтринные измерения

• Ga измерения с нейтринными источниками

• Возможности SAGE для исследования перехода в стерильные состояния

• Немного истории

• Ga солнечные нейтринные измерения

• Ga измерения с нейтринными источниками

• Возможности SAGE для исследования перехода в стерильные состояния

Содержание докладаСодержание доклада




71Ga(ν,e-)71GeEth = 233 keV

((1 SNU = 1 SNU = 1 1 захват нейтринозахват нейтрино//сексек в в мишени, содержащей мишени, содержащей 101036 36 атомов атомов изотопа, захватывающего нейтриноизотопа, захватывающего нейтрино).).

Особенность, отличающая GaGa эксперименты от всех других прошедших и настоя-щих солнечных нейтринных экспериментов, состоит в его чувствительности к протон-протонной реакции,

p + p → d + e+ + νe,

в которой генерируется подавляющая часть солнеч-ной энергии




болеболе 40 40 лет мистериилет мистерии солнечных нейтриносолнечных нейтрино (+ νs )

1990 - 2011, действующий211 ранов (январь 1990 – август 2011) результат: 6655..11+3.7+3.7

-3.-3.88SNUSNU

1991 – 2003 завершенный123 ранов (май 1991 – апрель 2003) результат: 6767..6 6 ± 5.1 SNU ± 5.1 SNU

GALLEX/GNOGALLEX/GNO Gran Sasso, Italy, Gran Sasso, Italy, 3500m.w.e.3500m.w.e.

SAGESAGEБаксанБаксан, , РоссияРоссия, , 4700 м.в.э.4700 м.в.э.

Средневзвешенная величина результатов всех Ga экспериментов составляет в настоящее время

66.1±3.1 SNU66.1±3.1 SNU




Хорошее согласие между результатами Ga экспериментовGa экспериментов увеличивает достоверность получаемых результатов. Это была замечательная ситуация, что в течение нескольких лет существовали два GaGa эксперимента, SAGESAGE и GALLEXGALLEX/GNOGNO, которые вели набор данных в одно и то же время и действительно заслуживает большого сожаления тот факт, что эксперимент GNOGNO был остановлен.

Поток Поток pp pp нейтринонейтрино[pp+7Be+CNO+pep+8B|Ga] = 6666..11 ± 3. ± 3.11 SNU SNU

( из 323 солнечных нейтринных извлечений SAGE и GALLEX/GNO экспериментов)

[7Be|BorexinoBorexino] = (5.18 ± 0.51) ×109 e/(см2 с) → [7Be|Ga] = 19.1 +2.3 -2.1 SNU

[8B|SNOSNO] = (1.67 ± 0.08) ×106 e/(см2 с) → [8B|Ga] = 3.6 +1.2 -0.6 SNU

→ [pp+CNO+pep|Ga] = 43.3 +3.8 -4.1 SNU

[7Be+CNO+pep+8B|Cl] = 2.56 ± 0.23 SNU → [7Be|Cl] = 0.67 ± 0.07 SNU → [8B|Cl] = 1.73 ± 0.12 SNU→ [CNO+pep|Cl] = 0.16 +0.26 -0.16 SNU

→ [CNO+pep|Ga] = 3.44+3.4 -3.4 SNU

Половина верхнего предела ( CNO|Ga + pep|Ga) скоростей with uncertainty 100%

[pp|Ga] = [pp+CNO+pep|Ga] - [CNO+pep|Ga] = 3939..99 ± ± 5.25.2 SNU SNU

измеренная измеренная pp pp скорость захвата в скорость захвата в Ga Ga экспериментахэкспериментах






21 - 25 ноября GAGA экспериментыэксперименты::

• показали наличие дефицита солнечных нейтрино во всем диапазоне энергиипоказали наличие дефицита солнечных нейтрино во всем диапазоне энергии нейтрино:нейтрино:

SAGE/GALLEX&GNO : [pp+7Be+CNO+pep+8B|Ga] = 6611..11± 3.± 3.11 SNU SNU

BPS08(GS)BPS08(GS) BPS08(AGS)BPS08(AGS)

SSMSSM::(Ga)(Ga) 127.9127.9+8.1+8.1−8.2−8.2 120.5120.5+6.9+6.9

−7.1−7.1

• дали прямое экспериментальное доказательство существования протон-дали прямое экспериментальное доказательство существования протон- протонной цепочки в реакциях термоядерного синтеза в Солнце :протонной цепочки в реакциях термоядерного синтеза в Солнце :

[pp|Ga] = 39.9 ± 5.2 SNUпоток электронных pp нейтрино на Земле:

(39.9 ± 5.2) / / cross. sect. = cross. sect. = (3.(3.4040 +0.+0.4444-0.-0.4646) × 10) × 1010 10 e

/(cm/(cm22 s)s)

- поток pp нейтрино на Земле: (3.40 +0.44

-0.46) × 1010/( Pee = 0.560(1+0.030-0.045)) = ((66..1 1 ± 0.± 0.8484) × 10) × 1010 10 e

/(c/(cмм22 сс))

(5.97±0.05) × 10(5.97±0.05) × 1010 10 e /(cm/(cm22 s) s) (BPS08(GS)) (high metallicity)(BPS08(GS)) (high metallicity)

(6.04±0.05) × 10(6.04±0.05) × 1010 10 e /(cm/(cm22 s) s) (BPS08(AGS05)) (low metallicity)(BPS08(AGS05)) (low metallicity)

•Предполагая, MSW-LMA решение солнечных нейтринных осцилляций, это Предполагая, MSW-LMA решение солнечных нейтринных осцилляций, это значение соответствует ожидаемому потоку pp нейтрино, предсказываемому значение соответствует ожидаемому потоку pp нейтрино, предсказываемому двумя современными SSM двумя современными SSM ::

(1)(1)

(2)(2)

(3)(3)

•показали хорошее согласие теории с экспериментом: показали хорошее согласие теории с экспериментом: SSMSSM, , MSWMSW, , LMALMA

•в настоящее время обеспечивают единственное прямое измерение скорости в настоящее время обеспечивают единственное прямое измерение скорости pppp реакцииреакции

Кроме этого:Кроме этого:

• развили технологию изготовления интенсивных развили технологию изготовления интенсивных искусственных источников искусственных источников нейтринонейтрино –инструмента для калибровки детекторов солнечных нейтрино низких –инструмента для калибровки детекторов солнечных нейтрино низких энергий, и которые также могут быть использованы для исследования свойств энергий, и которые также могут быть использованы для исследования свойств нейтринонейтрино




Таким образомТаким образом GAGA экспериментыэксперименты::

Галлиевые эксперименты с искусственными источникамиГаллиевые эксперименты с искусственными источникамиОблучения галлиевой мишени искусственными источниками нейтрино в Облучения галлиевой мишени искусственными источниками нейтрино в

экспериментах SAGE и Gallex были проверкой экспериментальных процедур,экспериментах SAGE и Gallex были проверкой экспериментальных процедур, включая включая химическое извлечение, счет химическое извлечение, счет 7171Ge Ge и технику анализаи технику анализа

Gallex has twice used 51Cr

SAGE has used 51Cr and 37Ar

GALLEXGALLEX

r=200cm

r =25cm

h=50

0cm

SAGESAGE37Ar (35.4 days)

37Cl (stable)

813 keV (9.8%)

811 keV(90.2%)

R = R = ppmeasuredmeasured//pppredict predict = 0.87±0.05= 0.87±0.05

51V (stable)

320 keV γ

51Cr (27.7 days)

427 keV ν (9.0%)

432 keV ν (0.9%) 747 keV ν (81.6%)

752 keV ν (8.5%)

r = 5cm

r = 76cm

h =

128

cm

GALLEX SAGE

m(Ga)=30 t m(Ga)=13 t

Source 51Cr -1 51Cr -2 51Cr 37Ar Activity, MCi 1.714 1.868 0.517 0.409

Measured production rate ρ(71Ge/d)

11.9 ±1.1 ±0.7 10.7 ±1.2 ±0.7 14.0 ±1.5 ±0.8 11.0+1.0-0.9 ± 0.6

R = (pmeas

/ppred) 0.95±0.11 0.81±0.11 0.95±0.12 0.79±0.10

Rcomb 0.88 ± 0.08 0.86 ± 0.08

Результат с источниками указывает, что

(1) предсказанная ССМ скорость захвата может быть завышена, (2) возможна статистическая флуктуация (~5%), (3) исчезновение электронных нейтрино указывает на реальный физический эффект. Например, нейтринные осцилляции с переходом из активных нейтрино в стерильное с Δm2 ~ 1эВ2. Такая интерпретация согласуется с результатами ряда реакторных и ускорительных экспериментов.

g.s. (1/2

– )

g.s.

(5/2

– )

Область энергий ν pp, 51Cr и 37Ar

“Thus, the discrepancy observed in the SAGE and GALLEX calibration data is further confirmed and possibly even slightly amplified.” Phys. Let. B in Press, 26 October 2011.




ИзмеренияИзмеренияВ RCNP, Осака, Япония были выполнеВ RCNP, Осака, Япония были выполне--ны прецизионные измерения реакции ны прецизионные измерения реакции 7171Ga(Ga(33He, t) He, t) 7171GGee для оценки вклада для оценки вклада захвата нейтринозахвата нейтрино на ядре на ядре 7171Ga. Ga.

CCледовательно, дефицит нейтрино в ледовательно, дефицит нейтрино в калибровочных Ga экспериментах может калибровочных Ga экспериментах может быть реальным физическим эффектом.быть реальным физическим эффектом.

1. Предсказанная ССМ скорость захвата может быть завышена1. Предсказанная ССМ скорость захвата может быть завышена? ? ((Naoya Hata, Wick HaxtonNaoya Hata, Wick Haxton. Physics Letters B 353, 422-431 (1995) ). Physics Letters B 353, 422-431 (1995) )

Существуют ли стерильные нейтрино?




Указания на Осцилляции с большой величиной Δm2~1 eV2 ⇒ Стерильные нейтрино? или Что-нибудь другое?

• Положительные признаки:

– LSND/MiniBooNE νμ→ νe сигнал появления

– MiniBooNE превышение числа событий в низких энергиях (νμ→ νe ?)

– Аномалия исчезновения в реакторных экспериментах (νe→ νe)

– Gallex-Sage пониженная скорость от калибровочных источников (νe исчезновение ?)• Отрицательные признаки:

– CDHS и MiniBooNE ограничения на исчезновение νμ

– MiniBooNE ограничения на исчезновение νμ

– Karmen ограничение на появление νμ→ νe – Другие отрицательные результаты

«Несмотря на тот факт, что сегодня нет непротиворечивой феноменоло-«Несмотря на тот факт, что сегодня нет непротиворечивой феноменоло-

гической схемы для описания нарушения закона сохранения заряда гической схемы для описания нарушения закона сохранения заряда

и/или принципа Паули, было бы неправильно, если бы и/или принципа Паули, было бы неправильно, если бы

экспериментаторы прекратили проверку этих фундаментальных экспериментаторы прекратили проверку этих фундаментальных

положений современной физики. положений современной физики. В фундаментальной физике, если что-то В фундаментальной физике, если что-то

может быть проверено, оно обязательно должно быть провереноможет быть проверено, оно обязательно должно быть проверено.».» Л. Б. Окунь «О ПРОВЕРКЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА И ПРИНЦИПА ПАУЛИ», Июнь 1989 г. Том 158, вып.2, УФН




• Эксперименты с искусственными источниками нейтрино в SAGE и Borexino обеспечивают уникальные возможности для поиска осцилляций на очень коротких расстояниях, связанных с:

– νe исчезновением

• Если указания на стерильные нейтрино принимаются всерьез , тогда осцилляции нейтрино должны быть количественно определены во всех каналах:

– νe и νe появление

– νμ и νμ исчезновение

– νe и νe исчезновение




Скорость образования Скорость образования 7171Ge : Ge : pp = = D D <<LL> A> A ((атомов атомов // день день)), , DD = ρ N0 f Mσ = 0.3906 (захватов нейтрино/см день 1MКи) – все физические факторы: сечение взаимодействия ν σ = 5.8×10-45(1+0.03

0.04) см2 [Bahcall PRC.56, 1997], ρ- плотность Ga, и т.д..

A A = = 3.2 × 103.2 × 102121 распадовраспадов 5151Cr /(Cr /(деньдень - M - MКиКи)) – – мощность источника<<LL>> – усредненная длина пробега ν в Ga : <L> ~55 ± 0.05 cm. Ожидаемая скорость образования 7171GeGe в начале первого облучения: pp = = 64.5 ± 0.09 64.5 ± 0.09 атомоватомов//деньдень , 3 , 3 MMКиКи

sin2(2= 0.3

))(

)()(27.1(sin2sin1

2222

MeVEmLeVm

Pee

))(

)()(27.1(sin2sin1

2222

MeVEmLeVm

Pee




СхемаСхема новогонового Ga Ga эксперимента с источником эксперимента с источником 5151CrCrСхемаСхема новогонового Ga Ga эксперимента с источником эксперимента с источником 5151CrCr

5151CrCr

71Ga(ν,e-)71Ge

Доказательства проявления нестандартных Доказательства проявления нестандартных свойств нейтрино:свойств нейтрино:

● ● наличие значительной разницы между наличие значительной разницы между скоростями захвата в зонахскоростями захвата в зонах

● ● средняя скорость в обеих зонах средняя скорость в обеих зонах значительно ниже ожидаемой скоростизначительно ниже ожидаемой скорости

• 541 meters downstream of target• 3 meter overburden• 12.2 meter diameter sphere (10 meter “fiducial” volume)• Filled with 800 t of pure mineral oil (CH2)

(Fiducial volume: 450 t)• 1280 inner phototubes (10% photocathode coverage), 240 veto phototubes• Simulated with a GEANT3 Monte Carlo

The MiniBooNE Detector (arXiv: 0806.4201)

• Энергия нейтрино распределена в широком энергетическом спектре• Размеры источников и детекторов имеют масштаб нескольких метров• Поток нейтрино, падающий на мишень, известен значительно хуже




SAGE – GALLEXSAGE – GALLEX

409 kCi 37Ar produced by irradiatin 330 kg of CaO in the fast neutron breeder reactor BN-600

517 kCi 51Cr produced by irradiatin 512.7 g of 92.4%-enriched 50Cr in high-flux fast neutron breeder reactor BN-350 44cm

h =

55c

m

(1) 1.17 MCi 1994 –1995 (2) 1.87 MCi 1995 –1996

1994 –1995 2004 201?

3 MCi 51Cr

Cu

W

W

SAGE–…?SAGE–…?




Vote forVote for thethe Ga Ga andand BOREXINOBOREXINO

source experimentssource experiments!!

51Cr




ПоддержитеПоддержите Ga Ga ии BOREXINOBOREXINO

эксперименты с эксперименты с источникомисточником!!

51Cr

arXiv:1110.4265v1 [hep-ex] 19 Oct 2011

arXiv:1101.2755v1 [hep-ex] 14 Jan 2011

Neutrinovillage

Установка ШАЛ “Андырчи”

Вход втоннель

? ?? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ?? ? ?

ПоселокНейтрино

“Ковер-2” Установка ШАЛ

Вход в тоннель

1

3

4

5

6

7

2

? ?? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ?? ? ?

1, 1, 77 – – Низкофоновая лабораторияНизкофоновая лаборатория 22 - - Баксанский подземный Баксанский подземный сцинтилляционный телескопсцинтилляционный телескоп (БПСТ ) (БПСТ ) 33 - - Лазерный интерферометрЛазерный интерферометр 44 - - Акустическая гравитационная антеннаАкустическая гравитационная антенна 55 - - Геофизическая лабораторияГеофизическая лаборатория 66 - - Галлий-германиевый нейтринный телескопГаллий-германиевый нейтринный телескоп (SAGE)(SAGE)

* * - - Для будущих проектовДля будущих проектов

- - УстановкаУстановка ШАЛ ШАЛ ““АндырчиАндырчи””

? ?? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ?? ? ?

*

Баксанская нейтринная обсерваторияБаксанская нейтринная обсерваторияБаксанская нейтринная обсерваторияБаксанская нейтринная обсерваторияГора Андырчи

ЛГГНТ- 3,5 км от входа 2100 м высота породы над лабораторией – 4700 м.в.э.

Нейтрино и содержание тяжелых элементов в Солнце

• Одним из фундаментальных вкладов Стандартной Солнечной Модели является возможность исследования содержания в Солнце всех элементов выше гелия.

• Стандартная Солнечная Модель, основанная на модели со старым (высоким) содержанием тяжелых элементов (Grevesse и Sauval), (Space Sci.Rev.85, 161(1998) хорошо согласуется, в пределах 0.5%, c величиной скорости звука на Солнце, измеренной в гелиосейсмологии.

• Новейшая работа Asplund, Grevese и Sauval (Nucl.Phys.A 777(2006) указывает на понижение содержания тяжелых элиментов примерно в

два раза. Этот результат разрушает согласие с гелиосейсмологией. Возможно прежнее согласие с высоким уровнем metallicity было

случайным?• Решению этой проблемы могут помочь измерения солнечных нейтрино

от 7Ве (несовпадение 12%) и от СNO цикла (несовпадение 50-60%).• Особенно прямое измерение нейтрино от CNO цикла могло бы

разрешить эту полемику вокруг Стандартной Солнечной Модели.




Он имеет самое длительное почти непрерывное время измерений среди действующих солнечных нейтринных экспериментов

21.6 лет (1990 – август 2011): 211 ранов, 396 наборов данных

В настоящее время В настоящее время SAGE SAGE – – единственный эксперимент, чувствительный единственный эксперимент, чувствительный к к рррр нейтрино. нейтрино.

Результаты измерений по годамРезультаты измерений по годам

SNU (сист.) (стат.) 65.1 :Результат 2.6.8

2.62.5

2 SNU (сист.) (стат.) 65.1 :Результат 2.6

.82.62.5

2

SAGE SAGE продолжает выполнятьпродолжает выполнять регулярные регулярные солнечные нейтринные солнечные нейтринные извлеченияизвлечения

из из ~50 ~50 тт Ga Ga каждые четыре неделикаждые четыре недели

Пре

двар

ител

ьно

Пре

двар

ител

ьно

SNU 65.1 или 3.73.8

SNU 65.1 или 3.7

3.8

SAGESAGE

GALLEX GNO

(77.5 ± 6.2 SNU -old value)

(69.3 ± 4.1 SNUPhysics Letters B 616 (2005))

62.9 62.9 ++5.55.5 –5.3–5.3 SNU SNU




GALLEX & GNOGALLEX & GNO

67.6 ± 4.0 SNU [arXiv:1001.2731v1]

73.473.4+7.1+7.1−7.3 −7.3 SNUSNU

GALLEX/GNO 30,3GALLEX/GNO 30,3т т GaGa SAGE 50SAGE 50тт Ga Ga

7 t of Ga7 t of Ga

Оба эксперимента основаны на технологии химического извлечения нескольких атомов 71Ge из десятков тонн Ga мишени и на технологии счета распадов 71Ge в миниатюрном пропорциональном счетчике (менее 1 см3)

71Ga(ν,e-)71Ge

Documents

БНО ИЯИ РАН В.Н. Гаврин