«Нейтринная Физика» программа фундаментальных исследований президиума ран
Скачать 0.89 Mb.
|
1 Введение Поиск кинематической массы нейтрино является важнейшей задачей экспериментов, связанных с физикой нейтрино. В настоящее время наилучшие результаты (ограничение на массу нейтрино) получены в экспериментах в Институте ядерных исследований (установка «Троицк ню-масс», фото 1) и группой «Нейтрино Майнц» в Университете г. Майнц, Германия. Ограничение на величину массы составляет mν<2.05 эВ. в Троицке и mν<2.2 эВ. в Майнце. Эти результаты показали правильность направления, определяемую применением нового типа спектрометра и безоконного источника электронов трития. Дальнейшее развитие и ориентиры диктуются, в основном, космологическими требованиями, связанными с такими фундаментальными проблемами, как происхождение крупных структур и галактик в процессе расширения вселенной, проблемой темной материи и т.д. Решение этих проблем требует продвижения по точности измерения массы нейтрино как минимум на порядок, т.е. 0.2 – 0.3 эВ. Достижение такой точности осуществляется путем создания новой установки, осуществляемой в Исследовательском центре Карлсруэ в Германии. Размеры установки, например, диаметр спектрометра равный 10 м. и источник трития длинной 70 м. обещают достижение указанной точности. Группа «Троицк ню-масс» является участником этой коллаборации и берет на себя ответственность за выполнение тестовых и поисковых исследований систематических эффектов, связанных с измерением бета спектра трития вблизи граничной  Рис. 1. Установка «Троицк ню-масс», спектрометр на переднем плане. энергии. К числу возможных эффектов принадлежит размытие граничной энергии бета спектра, или то же самое для формы граничной точки конверсионной линии 83mKr. Исследование включает измерения только линии криптона без трития в источнике и смеси трития и криптона в режиме циркуляции. Установка «Троицк ню-масс» была создана в конце 80-х годов и в ходе выполнения эксперимента все более усовершенствовалась. Но, в настоящее время, на установке «Троицк ню-масс» достигнут предел точности установки. Было предложено провести модернизацию установки путем замены старого спектрометра на новый, большего размера. Предложенная модернизация установки должна дать улучшение энергетического разрешения спектрометра до 1.2 эВ и увеличение светосилы в 1.5 – 2 раза. Особенно важно улучшение разрешения для исследования спектра конверсионных электронов криптона 83 с целью поиска плазменных флюктуаций в источнике трития и исследования аномальной структуры типа ступенчатого всплеска интенсивности вблизи конца бета спектра трития. Для решения этой задачи на Подольском механическом заводе был изготовлен новый корпус спектрометра с диаметром центральной части 2.8 м., длиной 8 м. Эту «проставку» предполагается вставить между концевыми «чашками», содержащими криостаты сверхпроводящих магнитов, так чтобы максимально сохранить криогенную систему в объеме спектрометра. Новый электрод должен находиться внутри «проставки». Для изготовления электрода был произведен полный расчет электромагнитных полей внутри спектрометра для оптимизации геометрии электрода в плане максимальной однородности электрического поля и выбраны оптимальные параметры для магнитного поля. В настоящее время изготовленный корпус полностью готов к установке на штатное место в зале. Разработана проектная документация по результатам расчетов электрода.
Поиск плазменных флюктуаций с помощью 83Kr основан на возможности наблюдать форму конверсионных линий криптона, испускаемых в смеси с тритием. Наличие плазменных флюктуаций пространственного потенциала приводит к тому, что энергия конверсионных электронов будет флюктуировать, что можно будет заметить по размытию формы линии криптона. Особое значение на сегодня имеет обнаружение размытия на уровне ~ 3 – 4 эв., т.к. этим эффектом можно было бы объяснить ранее наблюдавшийся эффект «отрицательного квадрата массы» при поиске массы нейтрино. Спектр конверсионных линий криптона содержит 3 наиболее интенсивных линии с энергией 17830 эВ. (К – линия), 30425 эВ. (L2 – линия) и 30477 эВ. (L3 – линия). К – линия должна наблюдаться на фоне бета спектра трития с интенсивностью до 10 КГц., что требует источник криптона с эквивалентной интенсивностью. К сожалению, изготовление такого источника требует решения ряда технических проблем, и выход был найден в измерении L3 – линии, которая по энергии далеко отстоит (выше) от тритиевого бета спектра и имеет меньшую собственную ширину по сравнению с линией 17830 эВ. Измерению формы конверсионной линии 83mKr было посвящено несколько сеансов.  Рис. 2 На рис. 2 приведены некоторые измеренные спектры. Изучение этих спектров посредством фитирования спектра конверсионной линии и размытия показало, что величина размытия существенно меньше 1 эВ., тогда как для объяснения эффекта отрицательного квадрата массы должно быть Δm2 ~ 2 σ2, т.е. при Δm2~ -(15 – 20 эв.) σ должно быть больше 3 эВ. Таким образом, отсутствие такого объяснения еще раз ставит вопрос о природе аномалии в спектре трития, наблюдавшейся ранее. Следует отметить, что 83mKr может использоваться в эксперименте по поиску массы нейтрино для диагностирования систематических эффектов, связанных не только с плазменными флюктуациями, но и любыми искажениями формы бета спектра трития типа смещений. Величина уширения линии криптона определялась фитированием экспериментально измеренной формы линии по отношению к теоретической с введением свободных параметров. Вариация разрешающей способности производилась как изменением входного поля так и величиной поля теплого соленоида. Сканирование энергии электронов производилось в пределах 45 эв. при разрешающей способности спектрометра 6.5 – 8эв. в зависимости от величины магнитных полей в сверхпроводящих соленоидах и теплом соленоиде. Основные результаты Фитирование спектров конверсионных электронов криптона выявило следующее: Величина размытия конверсионной линии, измеренная в виде разности данных со смесью 83mKr – T2 и только 83mKr для трех групп измерений показана в таблице 1. Таблица 1. Результаты фитирования экспериментальных данных, полученных последних сеансах.
Как видно из таблицы, величина уширения конверсионной линии находится в пределах ошибки, суммарно равной 0.22 эв2, учитывающей как статистическую, так и систематическую ошибки. Таким образом, возможность объяснения этим эффектом аномальной структуры ступеньки 15 – 20 эв2 у конца спектра исключается достаточно надежно. Неожиданным оказался другой эффект. Положение линии (сдвиг) оказался явно отличным от нуля и при этом, направление сдвига соответствует ситуации, как если бы потенциал источника трития был отрицательным. Этот факт противоречит обычному представлению о происхождении заряда плазменного облака в магнитной ловушке. Принято считать, что электроны покидают ловушку первыми и оставшиеся ионы определяют положительный заряд облака. Обнаруженное явление, по-видимому, указывает на значительно более сложный характер динамики зарядов в плазме магнитной ловушки. Эти результаты были доложены на собрании коллаборации КАТРИН и подготавливаются к публикации. Поскольку конверсионные линии L2 и L3 наблюдаются без существенного фона трития, то проведение измерений не ограничивается интенсивностью материнского радиоактивного изотопа Rb83. Оба результата имеют чрезвычайно важное значение для эксперимента КАТРИН и должны быть тщательно изучены. Модернизация спектрометра, позволит по завершении его внести в эту проблему необходимую ясность.
Спектрометр установки «Троицк ню-масс» размещается в вакуумном кожухе (Рис. 1), состоящем из центральной обечайки длиной 5 м и диаметром 1.6 м и двух полусферических днищ, уплотняемых к обечайке с помощью прокладки из термостойкой резины типа «витон». Днища могут откатываться от центральной обечайки по рельсам, а также устанавливаться в горизонтальном положении путём вращения, обеспечивая возможность монтажа всех деталей спектрометра. Внутри вакуумного кожуха размещены три электростатических электрода (фото 3), на которые подаётся анализирующее электрическое поле величиной до 31 кВ. Электроды обеспечивают однородность электрического поля в медианной плоскости с точностью до 10-5. Магнитное поле спектрометра формируется системой сверхпроводящих соленоидов и обычным тёплым соленоидом, размещённым на центральной обечайке. Магнитное поле в центре соленоида, расположенного ближе к источнику, составляет 6 - 8 Тл, а в центре соленоида, расположенного у детектора – 2 - 2.7 Тл. В центральной части спектрометра поле составляет 7.512 э. Сверхпроводящие соленоиды спектрометра соединены последовательно в две линейки, каждая линейка имеет источник электропитания до 200 А. М  Рис. 3. Электростатический электрод. Внешний вид. аксимальная разрешающая способность данной установки ~ 6.6 эВ. Основными составляющими модернизации являются замена корпуса спектрометра и электрода на новые, большего размера. Это позволит получить разрешение 1.2 эВ и улучшить чувствительность к массе нейтрино. Изготовленный на Подольском механическом заводе корпус спектрометра с диаметром центральной части 2.8 м., длиной 8 м. («проставка») предполагается вставить между концевыми «чашками», содержащими криостаты сверхпроводящих магнитов, так чтобы максимально сохранить криогенную систему в объеме спектрометра. Новый электрод должен находиться внутри «проставки». Для изготовления электрода был произведен полный расчет электромагнитных полей внутри спектрометра для оптимизации геометрии электрода в плане максимальной однородности электрического поля и оптимальные параметры для магнитного поля. В плане модернизации установки были выполнены следующие работы: - установлен новый мощный ожижитель гелия TCF – 50; - закуплен и установлен ресивер высокого давления объемом 10 м3; - проведены теоретические расчеты новой геометрии спектрометра; - изготовлен и привезен новый корпус спектрометра; - проведена обработка внутренней поверхности спектрометра (проведена электрополировка внутренних стенок сосуда); - приобретены (специально заказаны) новые особо прочные изоляторы из стеклокерамики; В настоящее время новый корпус планируется установить на штатное место в зале. Только после этого можно будет начинать монтаж электрода внутри корпуса.
Исследования аномальной структуры типа ступенчатого всплеска интенсивности вблизи конца бета спектра трития является наиболее сложной проблемой. Остается вопрос о природе обнаруженной аномалии. И первое, на что нужно ответить - является ли данный эффект аппаратурным или это физический феномен, имеющий глобальный характер. Эффект также очень чувствителен к спектру конечных состояний и его заселенности. К сожалению, это до сих пор не поддается экспериментальной проверке, так что приходится целиком полагаться на теоретические вычисления. Влияние этого эффекта на точность измерения массы нейтрино очень важно. В этом отношении еще одной из наиболее важных проблем является возможность образования плазмы в спектрометре. Ее существование может поддерживаться за счет эффектов, которые могут сопровождаться вылетом ионов Н- из центра спектрометра. В принципе, зарядово скомпенсированная статическая плазма не может влиять на поведение электронов в спектрометре. Последнее время серьезным кандидатом на объяснение эффекта отрицательного квадрата массы нейтрино и аномалии был эффект от флюктуации пространственного заряда в плазме, образуемой ионизацией трития в источнике. Как видно из результатов последних сеансов, величина уширения конверсионной линии находится в пределах ошибки, суммарно равной 0.22 эв2, учитывающей как статистическую, так и систематическую ошибки. Таким образом, возможность объяснения этим эффектом аномальной структуры ступеньки 15 – 20 эв2 у конца спектра исключается достаточно надежно. Неожиданным оказался другой эффект. Положение линии (сдвиг) оказался явно отличным от нуля и при этом, направление сдвига соответствует ситуации, как если бы потенциал источника трития был отрицательным. Этот факт противоречит обычному представлению о происхождении заряда плазменного облака в магнитной ловушке. Принято считать, что электроны покидают ловушку первыми и оставшиеся ионы определяют положительный заряд облака. Обнаруженное явление, по-видимому, указывает на значительно более сложный характер динамики зарядов в плазме магнитной ловушки. Радикальное улучшение точности измерения массы нейтрино предполагается достигнуть в международном проекте «КАТРИН» в исследовательском центре Карлсруэ в Германии, стартовавшем в 2001 году. Установка «КАТРИН» по своей идее является многократно увеличенной версией установки “Троицк ν-масс” и должна позволить получить верхний предел на массу нейтрино 0.2 эВ/с2. Группа ИЯИ РАН играет активную роль в качестве коллабораторов этого проекта, выполняя исследования, жизненно важные для успеха проекта. Публикации и доклады на рабочих совещаниях и конференциях за отчетный период (2003 – 2005 гг) V.M Lobashev, “The search for the neutrino mass by direct method in the tritium beta-decay and perspectives of study it in the project KATRIN”, Nuclear Physycs A719 (2003) 153c-160c N.A. Titov, “Sensitivity and Systematics of KATRIN Experiment”, Physycs of Atomic Nuclei, Vol. 67, No. 11, 2004, pp. 1953-1958 V.M Lobashev, The Search for the Neutrino Mass by Direct Method in the Tritium Beta-decay and Perspectives of Study it in the Project KATRIN, XI Intern. Workshop on "Neutrino Telescopes", февраль 2005 г., Венеция. O. V. Kazachenko, Windowless Gaseous Tritium Source for KATRIN Experiment, NANP-05, июнь 2005 г., Дубна. V.M Lobashev, Results of the Troitsk Krypton Measurements and study of background generated between two spectrometers, September 26-28, 2005, Karlsruhe, 9 KATRIN Collaboration Meeting N.A. Titov, 83mKr L3-line Broadening Analysis and KATRIN Specifications, September 26-28, 2005, Karlsruhe, 9 KATRIN Collaboration Meeting N.A. Titov, Ions Measurement at Troitsk, September 26-28, 2005, Karlsruhe, 9 KATRIN Collaboration Meeting Проект 1.8. «Садко-Нестер-Радикал» Руководитель: И.М.Железных со-исполнители: Акустический институт им. Н.Н. Андреева, Камчатский гидрофизический институт, Пущинская радиоастрономическая обсерватория ФИАН им. П.Н. Лебедева, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Арктический и Антарктический НИИ (Санкт-Петербург) |
Похожие:
 | Отчет за 2013 г. По программе фундаментальных исследований ... | | Об организации и проведении Второй международной научной школы для... «Прикладные математика и физика: от фундаментальных исследований к инновациям», и в её рамках Всероссийской молодёжной конференции... |
| Программа фундаментальных исследований Президиума ран №8 «разработка... «Разработка «безызносных» подшипников скольжения спутниковых антенн для работы в отсутствии смазки в открытом космосе» | | Отчет о научно-исследовательской работе по программе фундаментальных... Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского Отделения Российской академии наук |
| Программа фундаментальных исследований Президиума ран перспективы... России и Украины по приоритетным направлениям модернизации, инновационного и технологического развития | | Программа Второй международной научной школы для молодёжи «Прикладные... Вторая международная научная школы для молодёжи «Прикладные математика и физика: от фундаментальных исследований к инновациям» (Школа... |
| Программа Второй международной научной школы для молодёжи «Прикладные... Вторая международная научная школы для молодёжи «Прикладные математика и физика: от фундаментальных исследований к инновациям» (Школа... | | Омскийфилиал В отчете представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований и разработок, проведенных в 2006 г. Омским филиалом Института... |
| Омскийфилиа л В отчете представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований и разработок, проведенных в 2007 г. Омским филиалом Института... | | Омскийфилиа л В отчете представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований и разработок, проведенных в 2011 г. Омским филиалом Института... |
| Омскийфилиа л В отчете представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований и разработок, проведенных в 2008 г. Омским филиалом Института... | | Омскийфилиа л В отчете представлены результаты фундаментальных и прикладных исследований и разработок, проведенных в 2009 г. Омским филиалом Института... |
| Российской Академии Наук Институт проблем нефти и газа со ран министерство... Председатель – Александр Федотович Сафронов, чл корр. Ран, председатель Президиума Якутского научного центра со ран, директор ИПНГ... | | Мероприятия Вторая международная научная школа для молодёжи «Прикладные математика и физика: от фундаментальных исследований к инновациям» (Школа... |
| Мероприятия Вторая международная научная школа для молодёжи «Прикладные математика и физика: от фундаментальных исследований к инновациям» (Школа... | | 4 Основные результаты научно-исследовательских работ, выполненных в 2008 году ивэп дво ран В истекшем году были получены следующие основные результаты законченных работ по направлениям исследований Программы фундаментальных... |
