Отчет лабораторий РХМДН ОЛВЭНА и ГГНТ БНО 2009 Отчет лабораторий РХМДН ОЛВЭНА и ГГНТ БНО 2009 «Галлий-германиевый нейтринный телескоп» «Галлий-германиевый. - презентация

1 Отчет лабораторий РХМДН ОЛВЭНА и ГГНТ БНО 2009 Отчет лабораторий РХМДН ОЛВЭНА и ГГНТ БНО 2009 «Галлий-германиевый нейтринный телескоп» «Галлий-германиевый нейтринный телескоп» (Эксперимент SAGE) (Эксперимент SAGE) Номер государственной регистрации 1.7.4, Руководитель темы:В. Н. Гаврин Исполнители: Д.Н.Абдурашитов, н.с., к.ф.м.н.; Л.И.Белоус, инж.; Е.П.Веретенкин, с.н.с.; В.В.Горбачёв, с.н.с., к.ф.м.н.; П.П.Гуркина, вед. инж.; Ю.Н.Евдокимов, нач. сл.; С.М.Ештокин, гл. инж. уст. ГГНТ; О.А.Жорова, ст. инж.-технолог; Т.В.Ибрагимова, н.с.; А.В.Калихов, н.с.; Т.В.Кнодель, н.с., к.х.н.; Б.А.Комаров, вед. инж.; И.Н.Мирмов, с.н.с., к.т.н.; Н.А.Тимофеевская, ст. инж.-технолог; Н.Г.Хайрнасов, вед.инж.-технолог; А.А. Шихин, н.с.; В.Э. Янц, н.с.

2 Gallium solar neutrino experiments SAGE, GALLEX/GNO SAGE, GALLEX/GNO 71 Ga(v e, e - ) 71 Ge The feature that distinguishes the Ga experiment from all other past or present solar neutrino detectors is its sensitivity to the pp fusion reaction, p + p d + e + + ν e p + p d + e + + ν e, which generates most of the Sun s energy. Ga experiments have provided the only direct measurement of the current rate of this reaction.

3 Галлий-германиевый нейтринный телескоп Исследование нейтринного излучения Солнца Исследование нейтринного излучения Солнца За 18 лет с января 1990 по декабрь 2007 выполнено измерений скорости захвата солнечных нейтрино (310 отдельных наборов данных); 854 в энергетических диапазонах K, L – пиков 71 Ge отобрано 3138 событий, из которых 854 отнесено временным анализом к 71 Ge Для сравнения другие радиохимические эксперименты Cl-эксперимент (APJ, 496: , 1998 ) : набор данных в течение 24 лет с 1970 по 1994, 108 измерений (с дискриминацией по времени нарастания импульса), 875 событий отнесено временным анализом к 37 Ar GALLEX (W. Hampel et al., Physics Letters B 447(1999) 127–133) набор данных в течение 5.6 лет с мая 1991 по январь 1997, 65 измерений 300 событий отнесено временным анализом к 71 Ge GNO ( GNO Collaboration M. Altmann et al., Physics Letters B 616(2005) 174–190) набор данных в течение 5 лет с мая 1998 по апрель 2003, 58 измерений; 258 событий отнесено временным анализом к 71 Ge

4 Галлий-германиевый нейтринный телескоп Использование с апреля 2001 года счетчиков новой конструкции, обладающих высокой стабильностью, высокой объемной и счетной эффективностью (на 18% выше старых), позволило снизить систематическую неопределенность связанную с эффективностью счета 11.5 ± 0.9 (стат.) дня Полученный из аппроксимации период полураспада для всех отобранных в L- и K-пиках событий ± 0.9 (стат.) дня, что хорошо согласуется с измеренной в (W. Hampel and L. Remsberg, Phys. Rev. C ) величиной ± 0.03 дня. 66.1±3.1 SNU, Средневзвешенный результат скорости захвата в Ga экспериментах SAGE, GALLEX and GNO: 66.1±3.1 SNU, находится в хорошем соответствии с предсказаниями для Ga экспериментов двух существующих ССМ с различным содержанием тяжелых элементов: 66.3 (± 4%) SNU (GS98) - высокое содержание (± 4%) SNU 63.2 (± 4%) SNU (AGS05) - низкое содержание (± 4%) SNU

5 Галлий-германиевый нейтринный телескоп Поток солнечных pp нейтрино Поток солнечных pp нейтрино pp ( ) × /(cм 2 с), Используя результат скорости захвата, полученный в Ga экспериментах и результаты других солнечных нейтринных экспериментов была вычислена величина потока электронных нейтрино от pp реакции, приходящих на Землю – ( ) × /(cм 2 с), pp (6.0 ± 0.80) × /(cм 2 с), а также полный поток pp нейтрино (без учета осцилляций), образующихся в Солнце – (6.0 ± 0.80) × /(cм 2 с), полученное значение находится в хорошем согласии с предсказаниями двух существующих ССМ : (5.97 ± 0.05)× /(cm 2 s) (GS98) (5.97 ± 0.05)× /(cm 2 s) (GS98) (6.04 ± 0.05 × /(cm 2 s) (AGS05) (6.04 ± 0.05 × /(cm 2 s) (AGS05)

6 Галлий-германиевый нейтринный телескоп Результаты SAGE с января 1990 по ноябрь 2009 Результаты SAGE с января 1990 по ноябрь измерений, 346 наборов данных 186 измерений, 346 наборов данных Результаты анализа данных объединенных по годам 6 мес 2009 Предварительный результат: / -2.8(стат.) (SNU) L–пик: / -4.3(стат.) (SNU) K–пик: / -3.7(стат.) (SNU) 186 измерений в зависимости от среднего времени экспозиции

7 Галлий-германиевый нейтринный телескоп Применялся критерий χ 2 к годичным данным SAGE и ожидаемой постоянной скорости захвата 65.4 SNU, получено χ 2 /dof = 12.0/17 с вероятностью 80%. Т. е., данные находятся в хорошем соответствии с гипотезой о постоянной величине скорости захвата. Проверка положений о постоянстве скорости захвата во времени C(p), Проверялось постоянство величины скорости образования, используя кумулятивную функцию распределения скорости образования C(p), определяемую как относительное количество наборов данных, в которых скорость образования меньше p. Распределение данных (измеренная скорость образования для всех данных SAGE) и ожидаемое распределение, полученное из 100 Monte Carlo симуляций всех 168 ранов в предположении, что скорость образования постоянна и имеет величину 65.4 SNU. Спектры подобны друг другу, это означает, что распределение данных такое же, как можно ожидать при постоянной скорости образования. Использовался метод периодограмм Lomb-Scargle - метод спектрального анализа для неравномерных данных- таких как SAGE. Был получен спектр мощности всех 168 ранов SAGE с максимальной мощностью 6.10 при частоте Для проверки значимости полученной мощности результаты SNU случайным образом приписывались к различным ранам («перетасовывались»), спектр мощности пересчитывался, и находилась максимальная мощность. 44% спектров мощности «перетасовок» имели максимальные мощности выше чем Т.е. наблюденный спектр мощности 168 ранов хорошо согласуется с гипотезой о постоянстве скорости захвата во времени. Nω 2 = (средняя величина для Nω 2 из 100 симуляций равна 0.513) Доля симуляционных данных с Nω 2 > %

8 План исследований на 2010 год Эксперимент SAGE продолжает набор данных по измерению скорости захвата нейтрино на галлиевой мишени. Эксперимент SAGE продолжает набор данных по измерению скорости захвата нейтрино на галлиевой мишени. До настоящего времени Ga эксперимент остается единственным экспериментом, который измерил низкоэнергетические До настоящего времени Ga эксперимент остается единственным экспериментом, который измерил низкоэнергетические солнечные рр нейтрино. Продолжение мониторинга потока солнечных нейтрино, увеличение статистической точность и снижение систематических неопределенностей Продолжение мониторинга потока солнечных нейтрино, увеличение статистической точность и снижение систематических неопределенностей Галлий-германиевый нейтринный телескоп Публикации 1. J.N.Abdurashitov, et al (SAGE Collaboration) arXiv: v1 [nucl-ex] 15 Jan J.N.Abdurashitov, et al (SAGE Collaboration), Measurement of the solar neutrino capture rate with gallium metal. III. Results for the data-taking period, Phys. Rev. C 80, (1-16), 2009 Участие в научных конференциях 1. V.N.Gavrin / Baksan Neutrino Observatory of INR RAS – Status and Plans (part 1) // ASPERA Meeting Russian National Day, 6 November, V.N.Gavrin / At the crossroads of gravitations physics and neutrino astrophysics / The 9 th British Gravity Meeting, Cardiff, Wales, Great Britain, April, V.N. Gavrin / Solar Neutrinos // Fourteenth Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics, Moscow, August, Cеминары в академических институтах В.Н.Гаврин / Баксанская нейтринная обсерватория и солнечные нейтринные эксперименты // Научный семинар по ядерной физике НИИЯФ МГУ, Москва, 31 марта 2009 г.

9 Галлий-германиевый нейтринный телескоп Программа поддержания массы Ga в мишени ГГНТ на уровне ~ 50 тонн Научный руководитель: Е.П.Веретенкин I этап и II этап) Регенерация: 2 этапа (I этап и II этап)

10 Программа поддержания массы галлия в мишени ГГНТ на уровне ~ 50 тонн I этап регенерация чернового металлического галлия из экстракционных растворов участок регенерации галлия, (кор. 115, г.Троицк) в 2009 году II этап глубокая очистка ООО «Юнимет», (Гиредмет, Москва) в 2009 году солянокислый раствор галлия щелочной электролит черновой металл солянокислый раствор галлия щелочной электролит черновой металл переработаны растворы с общим содержанием галлия 1912 кг переработаны растворы с общим содержанием галлия 1912 кг получено 1847 кг чернового галлия черновой металл металл 99,9999 галлий черновой металл металл 99,9999 галлий переработано 900 кг чернового галлия переработано 900 кг чернового галлия получено 850 кг галлия высокой чистоты Галлий-германиевый нейтринный телескоп В настоящее время находится в растворах ~ 4500 кг в растворах ~ 4500 кг в виде чернового металла ~ 1500 кг в виде чернового металла ~ 1500 кг металла 99,9999 ~ 3500 кг металла 99,9999 ~ 3500 кг в реакторах ГГНТ ~ кг в реакторах ГГНТ ~ кг Для осуществления Программы по поддержанию массы в мишени телескопа необходимо в ближайшие 2-3 года обеспечить скорость регенерации не менее 2000 кг галлия в год Для осуществления Программы по поддержанию массы в мишени телескопа необходимо в ближайшие 2-3 года обеспечить скорость регенерации не менее 2000 кг галлия в год

11 Галлий-германиевый нейтринный телескоп Создание искусственного источника нейтрино на основе изотопа хром-51 активностью 2 МКи и измерение скорости захвата нейтрино от источника на металлическом галлии в двухзонной мишени Ответственные исполнители (2009): Е. П. Веретенкин, В. В. Горбачев

12 Gallium source experiments The experimental procedures of the SAGE and Gallex experiments, including the chemical extraction, counting, and analysis techniques, have been checked by exposing the gallium target to reactor-produced neutrino sources Gallex has twice used 51 Cr SAGE has used 51 Cr and 37 ArGALLEX r=200cm r =25cm h=500cm SAGE R = p measured /p predict = 0.87±0.05 r = 5cm r = 76cm h = 128cm 813keV ν (9.8%) 813keV ν (90.2%) 37 Ar (35.4 days) 37 Cl (stable) GALLEXSAGE m(Ga)=30 tm(Ga)=13 t Source 51 Cr Cr Cr 37 Ar Activity, MCi Measured production rate ρ( 71 Ge/d) 11.9 ±1.1 ± ±1.2 ± ±1.5 ± ± 0.6 R = (p meas /p pred ) 0.95 ± ± ± ± 0.10 R comb 0.88 ± ± 0.08 SAGE The test of SAGE with the 37 Ar neutrino source indicates that SSM predicted rate may be overestimated or electron neutrinos disappear due to a real physical effect of unknown origin. (PHYSICAL REVIEW C 80, , 2009). We strongly encourage any new experiments that might shed light on this question.

13 Gallium source experiments The experimental procedures of the SAGE and Gallex experiments, including the chemical extraction, counting, and analysis techniques, have been checked by exposing the gallium target to reactor-produced neutrino sources Gallex has twice used 51 Cr SAGE has used 51 Cr and 37 ArGALLEX r=200cm r =25cm h=500cm SAGE R = p measured /p predict = 0.87±0.05 r = 5cm r = 76cm h = 128cm GALLEXSAGE m(Ga)=30 tm(Ga)=13 t Source 51 Cr Cr Cr 37 Ar Activity, MCi Measured production rate ρ( 71 Ge/d) 11.9 ±1.1 ± ±1.2 ± ±1.5 ± ± 0.6 R = (p meas /p pred ) 0.95 ± ± ± ± 0.10 R comb 0.88 ± ± 0.08 SAGE The test of SAGE with the 37 Ar neutrino source indicates that SSM predicted rate may be overestimated or electron neutrinos disappear due to a real physical effect of unknown origin. (PHYSICAL REVIEW C 80, , 2009). We strongly encourage any new experiments that might shed light on this question.

14 V.N. Gavrin INR RAS The physics of the Sun and the solar neutrinos: an update Lab. Naz. del. Gran Sasso October 16-17, 2008 The physics of the Sun and the solar neutrinos: an update Lab. Naz. del. Gran Sasso October 16-17, 2008 GALLEX Cr GALLEX Cr ± 0.10 SAGE Cr 0.95 ± 0.12 SAGE Ar

15 Сечения захвата нейтрино на два нижних возбужденных уровня 71 Ge могут быть завышены (W. Haxton). Mаксимальный вклад этих возбужденных уровней составляет 5%. Если бы вклад этих уровней был равен нулю, тогда R=0.92±0.06 и приближение к ожидаемому значению 1.0 представляется вполне разумным (χ 2 /dof = 4.58/3, GOF = 21%). Для выполнения этой задачи нами инициирован в Исследовательском центре ядерной физики в Осаке, Япония (RCNP) эксперимент E327. Два сеанса измерений с использованием пучка 3 Не с энергией 140 МэВ на нуклон запланированы на конец декабря этого года. Будут измерены с высоким разрешением угловые распределения в реакциях 71 Ga(3He, t) 71 Ge и 69 Ga( 3 He, t) 69 Ge, на основании которых предполагается получить с хорошей точностью величину сечения захвата нейтрино на галлии. Электронные нейтрино исчезают в результате реального физического эффекта неизвестного происхождения. Возможные гипотезы: - переход в стерильные нейтрино (VSBL, C.Guinti and M.Laveder, rXiv: и др.), - квантовая декогеренция в нейтринных осцилляциях (Y.Farzan, T.Shwetz, A.Yu.Smirnov, arXiv: ) Для проверки этих гипотез необходимы новые измерения с использованием 2MКи 51 Cr нейтринного источника и Ga мишени с оптимизированной геометрией.

16 Separation of the SAGE 50 tones Ga target on two independent spherical zones It gives: dependence on distance of the source (test of ν e disappearance) additional possibilities for statistical analysis For two zones of the Ga target with thickness of each is 60 cm, the total uncertainty for each zone will be 5-5.5%, and statistical error of combined result will be about 3% ( TAUP 2009, V.V. Gorbachev, B.T. Cleveland, V.N. Gavrin) Optimization of the Ga target geometry for the source experiment

17 Максимальная чувствительность эксперимента приходится на область Δm 2 меньше 5-8 эВ2; при этом чувствительность сильно меняется в зависимости от возможных значений Δm 2 (на рисунке чувствительность определяется степенью отличия значений кривой от единицы Рис. Отношение скоростей захвата в двух сферических мишенях в зависимости от параметра Δm2. Отличие от единицы в первых минимуме и максимуме достигает примерно 2/3 от амплитуды осцилляций (величины sin 2 2θ): на рисунке параметр sin 2 2θ=0.30 и отличие составляет 0.20 (20 %) 1)Двухзонная галлиевая мишень m 2 2)Реакторные эксперименты sin 2 2θ 3)(Нарушение CPT-симметрии) Преимущества компактный монохроматический источник ν компактный монохроматический источник ν металлический галлий максимальная плотность взаимодействий металлический галлий максимальная плотность взаимодействий малые расстояния источник мишень (~1 м) малые расстояния источник мишень (~1 м) отсутствие фонов. отсутствие фонов. I Обоснование

18 II Что сделано Выбор реактора БН-600 Белоярской АЭС, г. Заречный БН-600 Белоярской АЭС, г. Заречный СМ-3 НИИАР, г. Дмитровград СМ-3 НИИАР, г. Дмитровград Картограмма реактора СМ – ловушка тепловых нейтронов с облучаемыми мишенями; 2 – специальные тепловыделяющая сборка (ТВС) с экспериментальными каналами (облучательные позиции активной зоны); 3 – экспериментальные каналы в бериллиевом отражателе; 4 – рабочие ТВС; 5 – компенсирующие органы с топливными подвесками

19 Оптимальный график работы ( Е. П. Веретенкин совместно с НИИАР) Кол-во ячеек Номера ячеекM, г r, см -2 с -1 Tng, КA, МКи A через 10сут, МКи E ,2, E ,6,8,10, E E ,15,17,19, 21,23,25, E E E все нечётные E и E , 5 в среднем ряду, E ,7,8,10,11, 13,15,17,21, E Таблица Результаты нейтронно-физических расчетов. Облучение планируется проводить в течение двух больших кампаний реактора: 10 суток на мощности +1 сут.останов на частичную перегрузку топлива +10 суток на мощности +5 сут.останов на полную перегрузку +10 суток на мощности +1 сут. останов на частичную перегрузку топлива +10 суток на мощности+1 сут. останов на частичную перегрузку топлива +10 суток на мощности

20 По результатам предварительных исследований для изготовления источника нейтрино активностью 2,4 МКи после окончания облучения необходимо примерно 2260г хрома. Облучать мишень из обогащенного хрома-50 планируется в виде стержней Облучать мишень из обогащенного хрома-50 планируется в виде стержней Диаметром 7мм и длиной 80мм Предполагается использовать хром следующего изотопного состава: 50 Cr – 97,5 % 52 Cr – 2,3% 53 Cr – 0,1% 54 Cr – 0,1% плотность – 6,91 г/cм 3 *Получен опытный образец хрома-50 с обогащением 97% массой 2г. *Выполнена разработка предварительного технико-экономического обоснования и задания на создание двухзонного реактора для облучения галлиевой мишени Участие в научных конференциях V.V.Gorbachev, V.N.Gavrin, B.T.Cleveland, The neutrino source experiment on SAGE two-zone gallium target, TAUP 2009 International Conference, Roma, Italy July 1-5, 2009

21 План исследований на 2010 год 1. Искусственный источник нейтрино и двухзонный галлиевый реактор 1. Искусственный источник нейтрино и двухзонный галлиевый реактор (ответственный Е.П. Веретенкин) 1.1. Обоснование реакторной технологии получения источника нейтрино на 1.1. Обоснование реакторной технологии получения источника нейтрино на основе хрома-51 активностью 2 МКи и проведение тестовых облучений основе хрома-51 активностью 2 МКи и проведение тестовых облучений хромовой мишени на реакторе СМ-3 хромовой мишени на реакторе СМ Разработка методики изготовления хромовой мишени для облучения 1.2. Разработка методики изготовления хромовой мишени для облучения нейтронами в реакторе СМ Разработка калориметра для прецизионного измерения интенсивности нейтронами в реакторе СМ Разработка калориметра для прецизионного измерения интенсивности источника 51 Сr источника 51 Сr 1.4. Разработка рабочего проекта и изготовление двухзонного реактора для 50-ти тонной галлиевой мишени тонной галлиевой мишени 1.5. Разработка проекта манипулятора для работы с источником 51 Сr активностью ~2 МКи 2. Дополнительные каналы системы регистрации распадов 71 Ge ГГНТ 2. Дополнительные каналы системы регистрации распадов 71 Ge ГГНТ (ответственный Д.Н. Абдурашитов) 2.1. Изготовление 20-ти низкофоновых счетчиков модели Y из высокочистого кварца 2.1. Изготовление 20-ти низкофоновых счетчиков модели Y из высокочистого кварца 2.2. Разработка проекта дополнительных 10 счетных каналов системы регистрации данных ГГНТ 2.3. Разработка программ сбора данных и калибровки 10-ти дополнительных 2.2. Разработка проекта дополнительных 10 счетных каналов системы регистрации данных ГГНТ 2.3. Разработка программ сбора данных и калибровки 10-ти дополнительных счетных каналов 2.4. Разработка проекта пассивной и активной защит дополнительных 10-ти счетных каналов 2.4. Разработка проекта пассивной и активной защит дополнительных 10-ти счетных каналов ГГНТ счетных каналов ГГНТ 3. Компьютерное моделирование калибровочного эксперимента с искусственным источником нейтрино 51 Cr активностью 2 МКи на двухзонной галлиевой мишени 3. Компьютерное моделирование калибровочного эксперимента с искусственным источником нейтрино 51 Cr активностью 2 МКи на двухзонной галлиевой мишени (ответственный В.В. Горбачев)

22 Стерильные нейтрино: 1. LSND: Δm 2 ~1 эВ 2 >> (Δm 2 сол + Δm 2 атм ) из Г(Z 0 ) 3 типа нейтрино в LSND наблюдались ν 4, соответствующие ν s (hep-ex/ ) 2. Поиск переходов в ν s : эксперименты при ядерных реакторах – Bugey, Gosgen, Красноярск, … эксперименты на ускорителях – KARMEN2, MiniBooNE Ga эксперименты с источниками – SAGE, GALLEX Безусловное указание на ν s есть только в LSND О совместном анализе данных LSND с другими экспериментами: [hep-ex], MiniBooNe Collaboration [hep-ph], M.Maltoni, T.Schwetz [hep-ph], C.Giunti, M.Laveder... Совместимость всех данных в рамках гипотезы ν s в схеме (3+1) или (3+2) не достигается; необходимо привлечение дополнительных гипотез (например, о нарушении CPT-симметрии)

23 The cross sections for neutrino capture to the two lowest excited states in 71 Ge have been overestimated (W. Haxton). Maximum contribution of these excited states – 5%. If the contribution of these states to the predicted rate were to be zero then R=0.92±0.06 and the fit to the expected value of 1.0 becomes quite reasonable (χ 2 /dof = 4.58/3, GOF = 21%). For measurement of cross section of neutrino capture on Ga a high resolution study of the 69, 71 Ga( 3 He, t) reactions at 0.42 GeV is underway at the RCNP, Japan (H. Ejiri). Electron neutrinos disappear due to a real physical effect of unknown origin. Some possibilities: - transition to sterile neutrinos (VSBL, C.Guinti and M.Laveder, arXiv: ), - quantum decoherence in neutrino oscillations (Y.Farzan, T.Shwetz, A.Yu.Smirnov, arXiv: ) To check this hypothesis new measurement that will use 2MCi 51 Cr neutrino source and Ga target with optimized geometry is planned.

24 30 Irradiation Cells 28 Fuel Assemblies Special Fuel Assembly 4 Shim Rods with Additional Fuel Assembly Central Neutron Trap 2 Automatic Shim Rods Beryllium Reflector Reactor SM Cross-section Thermal neutron flux – 1.66 x сm -2 sec -1 Thermal neutron flux – ( ) x сm -2 sec -1 Research Institute of Atomic Reactors