Отчет о научно-исследовательской работе Разработка литиевого метода регистрации солнечных нейтрино. Руководитель темы:А.В.Копылов Исполнители:С.Н.Даньшин Г.Я.Новикова И.В.Орехов Е.П.Петров В.В.Петухов А.Е.Соломатин В.И.Череховский

Литиевый детектор 7 Li + e > 7 Be + e - Both initial and final states are mirror nuclei. The transition is super-allowed. The cross-section is high and can be calculated with very good accuracy, better than 1%. The abundance of 7 Li in natural lithium is high (93%), the mass of the target is small (~10 tons). The threshold is 0.86 MeV, I.e. very high sensitivity to neutrinos of medium energy ( 7 Be, pep, CNO) V.A.Kuzmin and G.Zatsepin On the neutrino spectroscopy of the Sun, in Proceedings of 9 th International Cosmic Ray Conference, London, 1965, p.1024 J.N.Bahcall Phys.Lett. 13 (1964) 332 J.N.Bahcall Phys.Rev.Lett. 23 (1969) 251 Fig.1 from : A.Kopylov, V.Petukhov, Physics Letters, B 544(2002)11-15

Современное состояние с учетом последних результатов КамЛАНД (G.L.Fogli et al., arXiv:hep-ph/ )

Зависимость от энергии

Measurement by SNO and SK SNO pure D 2 O SNO salt phase SK spectrum No spectrum distortion so far. Is it due to systematic error ? Is it due to low statistics ? Larger mixing angle and/or smaller m 2 ? 13 effect ? Need more statistics and lower systematic errors to test spectrum distortion. Total energy kinetic energy sin 2 =0.28, m 2 =8.3×10 -5 eV 2

На реакторе: измерить эффект в минимуме осцилляционной кривой (Y.Minakata et al. hep-ph/ )

Важная задача – измерить поток нейтрино от CNO цикла

The abundances of 12 C and 14 N along the profile of the Sun suggested by Standard Solar Model. J.N.Bahcall, 1989, Neutrino Astrophysics But so far – no experimental evidence that CNO does exist, no information on such peculiar distribution of abundances of 12 C and 14 N The energy produced in CNOI and CNOII are very close while the effect in a lithium detector is very different: 1/5 for neutrinos from 13 N to 15 O If all the effect due to 13 N neutrinos this will increase the energy produced in CNOI by a factor of 6, what will decrease the energy produced in pp-chain and will give theta solar conflicting with the present result. Depends upon the result of measurements in Li exp.

Important! Here the solar model N14 (Bahcall nomenclature) is used as reference, i.e. the unity on the Y axis take already into account the reduced flux due to new S 0 ( 14 N) measurement best fit 3 limit luminosity constraint

The solar fluxes Bahcall and Pinsonneault hep-ph/

The production rates. Table 1. Standard Model Predictions (BP2000): solar neutrino fluxes and neutrino capture rates, with 1 uncertainties from all sources (combined quadratically ). The expected rate from solar neutrinos is 25 SNU, of this 8 SNU – from CNO neutrinos, i.e. approx. 30% while the energy produced in CNO cycle is only 1.5% SourceFlux (10 10 cm -2 s -1 ) Cl (SNU) Ga (SNU) Li (SNU) Pp5.95( ) Pep ( ) Hep Be ( ) B8B ( ) N ( ) O ( ) F ( ) Total

Результаты экспериментов с солнечными нейтрино дают фундаментальный результат m 2 >m 1 ( m 12 2 >0) (но это требует подтверждения в прямом эксперименте). Эксперимент КамЛАНД допускает оба знака для m 12 2, хотя сама величина измерена с высокой точностью ( /-0.5) eV 2. Сейчас принципиально важно с прецизионной точностью (~3%) измерить угол смешивания 12 для реакторных антинейтрино ( H. Minakata et al. hep-ph/ ) и для солнечных нейтрино (M.Nakahata Report on Future Solar Neutrino Experiments at NOW-2004, September 2004). Если углы смешивания различны, это может быть интерпретировано как: 1. Новое в рассмотрении зффекта вещества; 2. Новая Физика (Нестандартное взаимодействие (O.G.Miranda, M.A.Tortola and J.W.F.Valle hep-ph/ ) и т. д.); 3. Нарушение CPT инвариантности; 4. Новое в механизме генерации солнечной энергии; ( A.Kopylov About the sign of m 12 2 hep-ph/ v2) Проблема солнечных нейтрино в принципе решена – осцилляции нейтрино, однако предлагаемое решение (параметры нейтринных осцилляций) может существенно отличаться от реальности. Основные задачи будущих экспериментов по солнечным нейтрино: Измерить энергетический спектр рр-нейтрино; Измерить потоки нейтрино промежуточных энергий ( 7 Be- и CNO-нейтрино). Общая формулировка задачи

Научная задача литиевого эксперимента Данные, полученные с помощью литиевого детектора, позволят: измерить вклад CNO-цикла в солнечную энергетику и тем самым проверить правильность нашего представления о звездной эволюции. Измерить фактор ослабления потока электронных нейтрино в области промежуточных энергий и тем самым удостовериться в правильности принятого положения о разделении вакуумных осцилляций и эффекта МСВ в области промежуточных энергий. Измерить прецизионно угол смешивания и, сравнивая эту величину с полученной в экспериментах с антинейтрино от реакторов проверить правильность принятого механизма осцилляций нейтрино в веществе. Если определить вклад CNO цикла с погрешностью 30% (и бериллиевых нейтрино – 10%), погрешность в определении потока pp-нейтрино в источнике составит величину менее 1% [A.Kopylov, V.Petukhov hep-ph/ , hep- ph/ , hep-ph/ ; A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov, A.Solomatin, A.Arnoldov hep-ph/ ] 0.913f pp f pep f Be f CNO = 1 Значение солнечной постоянной не меняется в пределах несколько десятых долей процента.

Стенд для отработки методики (без теплоизолирующего слоя и нагревателей) 1. Заправка лития в аргоне в плавильный бак. 2. Фильтрующий элемент 3. Плавильный бак 4. Введение активной порции бериллия в литий. 5. Приемный бак 2 6. Приемный бак 1 7. Фильтрующий элемент 8. Приемный бак 3. Далее: приемный бак 3 и плавильный бак меняются местами

Схема установки

Алюминий ( 30 мг) в качестве носителя 7 Be. 27 Al(p,X) 7 Be 27 Al(p,X) 22 Na E p 100 MeV t exp =1200 A h рисунок слева – гамма спектр образца алюминия (t=1 min) после облучения, справа – то же после отгонки натрия в течение двух часов при температуре 800 ºK на графитовом тигле и последующего травления в кислоте.

В результате проведенных измерений было установлено: Изотоп 22 Na практически полностью находился в литии в баке 4. Никаких следов от активности 7 Be в литии в баке 4 не наблюдалось, т.е. бериллий полностью извлекался из лития. Никаких следов от активности 7 Be на стенках бака 3 и на фильтрах 1 и 2 не наблюдалось, проскок бериллия через сливной бак составил менее 1%. Практически вся активность 7 Be высадилась на окисной пленке, удержанной стенками бака 2 (сливной бак). Это было обеспечено малым диаметром сливной трубки на выходе бака 2. Тот факт, что активность 7Be высадилось на поверхности, облегчает дальнейшую процедуру извлечения, т.к. задача сбора активности с поверхности значительно проще, чем из объемного фильтра и, кроме того, приводит к минимальной потере лития в результате процедуры извлечения. Активность 7 Be собиралась с поверхности путем последовательного орошения поверхности бака 2 мерными порциями дистиллированной воды. Каждая порция воды после смыва пропускалась через бумажный фильтр, и на выходе получали часть активности 7 Be в нерастворимом осадке на фильтре и часть - в растворе после фильтра. Всего было проведено 5 орошений по 100 мл каждое. Измерение активностей после каждого орошения показало, что за первые 4 орошения было смыто 96.4% исходной активности 7 Be. Из них 61.4% содержится в нерастворимой фазе и остальные 35% - в растворимой фазе. Величина 96.4% является вполне приемлемой для постановки литиевого эксперимента. Далее, путем сжигания беззольных фильтров и измерения активности до и после сжигания было доказано, что активность 7Be при этом не теряется. Это объясняется тем, что литий не имеет летучих соединений. Таким образом, была показана эффективность использования этого метода концентрирования бериллия. Концентрирование бериллия из раствора и перевод его в твердую фазу проводилось с использованием методики, разработанной ранее [30]. При этом практически не наблюдалась потеря активности 7Be. Анализ содержания лития в растворе показал, что во время извлечения бериллия потери лития составили менее 1%, что вполне приемлемо для постановки эксперимента.

По результатам работы получены следующие технические решения: 1. При извлечении бериллия из лития необходимо использовать термостатический режим. 2. Оптимальной является модульная структура детектора (20 модулей по 500 кг лития каждый). 3. Использовать проточную конструкцию баков модуля. Каждый модуль состоит из двух баков, теплоизолированных в общем корпусе. Литий из одного бака модуля перекачивается в другой бак и наоборот. 4. После перекачки лития бериллий извлекается со стенки бака орошением дистиллированной водой. 5. Фильтрация раствора со взвесью через бумажные или лавсановые фильтры с получением нерастворимого осадка и раствора. 6. Концентрирование раствора до получения твердого осадка. Эти технические решения являются основой для проектирования и разработки пилотной установки литиевого детектора на базе одного литиевого модуля.

Модуль на 500 кг лития (пилотная установка). 1400x2800 mm, h=2.5m

Преимущества модульной структуры. Each module after the exposure at the site on a surface will be brought to an underground chamber and 7 Be generated at the surface by a nucleonic component of CR will be extracted from lithium. This will provide statistics (20 measurements) adequate to determine the scattering of the points relative to a medium value and will enable to compare the results of measurements with the coefficients found from the ratio of the extracted to inserted beryllium sample as a carrier of 7 Be. The modular structure is useful also to extrapolate the yield of 7 Be by CR placing the modules at several shallow depths and measuring the depth curve of the yield as it has been done in a chlorine experiment. The work will be done with one module after another. Lithium (500 kg) will be melted, after this beryllium will be extracted and the activity of 7 Be will be counted by HPGe detector. For the power of electric heaters minus thermal loss 5 kW, the time needed for heating lithium from 20ºC till a melting point, for melting lithium and heating lithium till 200ºC will be approximately 2 days. The time needed to complete all procedures with one module including all chemistry and counting of 7 Be will take approximately a week. So in half a year starting from the beginning of transportation of lithium modules underground the full scale lithium installation on 10 tons of lithium will be ready for first exposure. The measured coefficients of extraction will show how many cycles of extractions are needed to remove all cosmogenic 7 Be from lithium.

Измерение содержания 232 Th (по 208 Ta) и 238 U (по 214 Bi) на гамма спектрометре NaI(Tl) Малая плотность лития (0.5 г/см 3 ) низкая эффективность регистрации длительное время измерения 40 суток – измерение с образцом (30 кг лития – 60 литров) 40 суток – измерение фона Предварительный результат: Предел на содержание: 232 Th (по 208 Tl)

The counting of 7 Be by the HPGe detectors. The line 478 KeV in 10% of 7 Be decay The background from 511 keV To discriminate background of 511 kev one needs very high resolution HPGe detectors The background from 65Zn (T1/2=244 d) produced by spallation on Ge70(20.5%),72(27.4%),73 (7.8%),74(36.5%),76(7.8%) 65 Ge 65 Ga 65 Zn 65 Cu ( - line 1124 keV) to remove cosmogenics

Техническая осуществимость проекта Вариант с малой камерой (методом конвейера). Литиевые модули размещаются в готовых подземных выработках на БНО на глубине примерно 3000 м.в.э., и транспортируются поочередно на технологическую площадку (аппаратную), где производится извлечение бериллия из лития. Технологическая площадка (аппаратная) с отдельным входом размещается на сбойке штолен (~ 4м х 5м в плане и высотой 3.5 м) и оборудуется всем необходимым для технологии (электроэнергия, вентиляция с осушителем воздуха, вакуумная линия, линия аргона и т.д.)

Основные требования к инфраструктуре пунктаТребование Глубина размещения модулей и аппаратной На глубине 3300 м.в.э. Фон от мюонов ~ 0.33 SNU Аппаратная4m x 5 m h=3.5 м Низкофоновая камера для счета 7 Be 3m x 5 m h=3.5 м Потребляемая мощность (10 дней в квартал) ~30 kW Нагрузка на вентиляцию~5 kW тепловыделения во время извлечения

Требования к подземному помещению Допустимые источники фона ItemComments/Details MuonsDepth 3000 m.w.e. is OK Gamma RaysNot important Neutrons (< 10 MeV) Neutron flux =10 -6 n/cm 2 sec Surface of 20 lithium containers = 100 m 2 Time - 1day (8.64E4 sec) Yield of 7 Be per fast neutron : x = Background from neutrons: 0.03 atoms of 7 Be/day (< 2% of CR) < n/cm 2 sec (As a mean energy of fast neutrons it was taken here 6.0 MeV, then a proton with energy 3.3 MeV is generated in (np) reaction on 6 Li; the yield of 7 Be in a metallic lithium per one proton of 3.3 MeV is ) Capture 25 SNU: 10 7 x 0.93/7 x x x = 1.7 atoms of 7 Be/day Neutrons (> 10 MeV)Depth 3000 m.w.e. is OK RadonNot important (important for counting of 7 Be) Shielding RequirementsIf the flux of fast neutrons in Hall A > n/cm 2 sec some neutron shield will be required

Публикации: Источники: 1. Homestake Collaboration, B.T.Cleveland et al., Astrophys. J. 496, 505 (1998). 2. SAGE Collaboration, J.N.Abdurashitov et al., J. Exp. Theor. Phys. 95, 181 (2002). 3. GALLEX Collaboration, W.Hampel et al., Phys. Lett. B 447, 127 (1999). 4. GNO Collaboration, M.Altmann et al., Phys. Lett. B 616, 174 (2005). 5. Kamiokande Collaboration, Y.Fukuda et al., Phys. Rev. Lett. 77, 168, 3 (1996). 6. SK Collaboration, M.B.Smy et al., Phys. Rev. D 69, (2004). 7. SNO Collaboration, S.N.Ahmed et al., Phys. Rev. Lett. 92, (2004). 8. SNO Collaboration, B.Aharmin et al., arXiv:nucl-ex/ KamLAND Collaboration, K.Eguchi et al., Phys. Rev. Lett. 94, (2005). 10.B.Pontecorvo, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 53, 1717 (1968) [Sov. Phys. JETP 26, 984 (1968)]. 11. G.L.Fogli et al., arXiv:hep-ph/ L. Wolfenstein, Phys.Rev. D 17, 2369 (1978). 13. S.P.Mikheev and A.Yu.Smirnov, Yad. Fiz. 42, 1441 (1985) [Sov. J. Nucl.Phys.42, 913 (1985)]. 14. J.N.Bahcall and C.Peňa-Garay, arXiv:hep-ph/ M.Nakahata, Report at International Conference (NOON-2004, Japan). 16. R.Raghavan, Report at International Conference (TAUP-2005, Spain). 17. A.V.Kopylov, Report at International Conference (NANP-2005, Russia). 18. V.A.Kuzmin and G.Zatsepin On the neutrino spectroscopy of the Sun, in Proceedings of 9th International Cosmic Ray Conference, London, 1965, p J.N.Bahcall Phys.Lett. 13 (1964) 332; J.N.Bahcall Phys.Rev.Lett. 23 (1969) A.Kopylov, V.Petukhov, Physics Letters, B 544 (2002) G.V.Domogatsky, Preprint of Lebedev Physical Institute (FIAN, Moscow) No.153, (1969). 22. J.N.Bahcall, Rev. Mod. Phys. 50 (1978) J.K.Rowly, Proc. Conf. On Status and Future of Solar Neutrino Research, BNL, (1978) E.Veretenkin, V.Gavrin, E.Yanovich, Russian J. Atomic Energy 88 (N1) (1985) A.V.Kopylov, A.N.Likhovid, E.A.Yanovich, G.T.Zatsepin, in Proc. of Intern. School Particles and Cosmology, Baksan Valley, Russia; Editors: E.N.Alekseev, V.A.Matveev, Kh.S.Nirov, V.A.Rubakov, (World Scientific, Singapore-New Jersey-London-Hong Kong) (1993) S.Danshin, G.Zatsepin, A.Kopylov et al., Part. Nucl. 28 (1997) M.Galeazzi, G.Gallinaro, F.Gatti et al., Physics Letters B 398 (1997) A.V.Kopylov, in Proc. Intern. Conf. NANP-2003, Russian J. Yadernaya Fizika 67 (2004) A.Kopylov and V.Petukhov, hep-ph/ , hep-ph/ Г.Я.Новикова «Исследование возможностей извлечения микроколичеств бериллия из лития с целью создания радиохимического Li-Be детектора солнечных нейтрино.» диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. (2001). A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov and A.Solomatin A Lithium Experiment in the Program of Solar Neutrino Research принят для публикации в журнале «Ядерная Физика» по материалам доклада А.В.Копылова на Международной конференции NANP-2005 в г. Дубна Доклад А.Соломатина на Баксанской школе «Частицы и космология» A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov, A.Solomatin, G.Zatsepin, M.Arnoldov Development of the technology of a radiochemical lithium detector of solar neutrinos. Доклад А.Копылова на LowNu2003 A.Kopylov Lithium detector of solar neutrinos as a stringent test of the theory of stellar evolution. Доклад А.Копылова на NANP2003, опубликован: A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov, A.Solomatin, A.Arnoldov Lithium experiment on solar neutrinos to weight the CNO cycle Опубликована в журнале «Ядерная физика» Vol. 67, No. 6, 2004, pp A.Kopylov, V.Petukhov A lithium Experiment as the Stringent Test of the Theory of Stellar Evolution arXiv:hep-ph/ , A.Kopylov, V.Petukhov Lithium Experiment in the Interplay of Solar and Neutrino Physics arXiv:hep-ph/ , A.Kopylov, V.Petukhov The Sensitivity of a Lithium Experiment on Solar Neutrinos to the Mixing Angle q12. arXiv:hep-ph/ ; A.Kopylov About the sign of of Dm122. arXiv:hep-ph/ Популярная статья в журнале «Природа» А.Копылов «Солнечные нейтрино: новые результаты» Опубликована в февральском (2004 г.) номере журнала «Природа».

Статус проекта 1. В принципиальных вопросах технология литиевого метода разработана в рамках НИР (завершен в 2005 г.) при поддержке гранта Ведущих Научных Школ LSS (Г.Т.Зацепин), Президиума РАН «Нейтринная Астрофизика» (В.А.Матвеев) и гранта РФФИ (окончание в 2006 г.) 2. Следующий этап – создание пилотной установки на 500 кг лития. Подана заявка на продолжение работ в рамках НИР на г.г.