Экспериментальный поиск редких низкоэнергетических процессов за пределами Стандартной модели с помощью сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов

• Автор: Дербин, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 194 с. : ил.

Глава I.

Изучение электромагнитных свойств нейтрино

1.1. Современные ограничения на электрический заряд, зарядовый радиус

и магнитный момент нейтрино

1.2. Рассеяние нейтрино на электроне в Стандартной теории

1.3. Ограничения на магнитный дипольный момент солнечных нейтрино

1.3.1. Проблема солнечных нейтрино и магнитный момент нейтрино

1.3.2. Ограничение на магнитный моментрр- и 7Ве- нейтрино, полученное на прототипе детектора Борексино

1.4. Ограничения на магнитный дипольный момент реакторных антинейтрино

1.4.1. Эксперименты по изучению ( уе ,е)-рассеяния на реакторах

1.4.2. Анализ результатов и перспективы достижения чувствительности к магнитному моменту ~10'п цв в экспериментах на реакторах
1.5. Ограничения на распады солнечных нейтрино
1.5.1. Радиационный распад нейтрино у
1.5.2. Распад Vн-> е+е++у£ и ограничение на вероятность излучения тяжелого нейтрино в р+- распаде 8В
Глава II.
Поиск несохранения электрического и барионного зарядов и 2(3~распада на возбужденные уровни
2.1. Поиск распада электрона по каналу е-эу+у
2.1.1. Эксперименты по проверке сохранения электрического заряда
2.1.2. Поиск распада электрона на прототипе детектора Борексино
2.2. Ограничения на нарушение принципа Паули в ядрах |2С и |60
2.3. Поиск распадов нуклонов и нуклонных пар в «невидимый» канал:
1У-*Зу, NN-*24
2.4. Чувствительность детектора Борексино к редким процессам
2.5. Поиск двойного (3-распада на возбужденные уровни дочерних ядер
2.5.1. Двойной бета-распад

2.5.2 Ограничения на период 2(}-распада ядер l54Sm, l60Gd, |70Ег и l76Yb на
уровень 2+ дочерних ядер
Глава III.
Измерение и анализ формы ß-спектра с целью поиска вклада
* от массивного нейтрино
3.1. Влияние массы и смешивания нейтрино на форму ß-спекгра
3.2. Измерение jff-спектров 63Ni и 45Са с целью поиска вклада от тяжелого нейтрино
Глава IV.
Поиск частиц - кандидатов на темную материю с помощью ионизационных детекторов
4.1. Темная материя во Вселенной
4.2. Поиск “невидимого” аксиона в ядерных магнитных переходах
* 4.2.1. “Стандартный” и “невидимый” аксион
4.2.2. Поиск аксиона в Ml-переходе |25тТе
4.3. Поиск сильновзаимодействующих массивных частиц
на поверхности Земли
Заключение
Литература

1. Введение
Поиск редких явлений в низкоэнергетической области является способом добраться, пусть даже косвенным образом, до энергий, при которых возможно происходит объединение взаимодействий и частиц и которые недостижимы на
• современных и будущих ускорителях. Область исследований под названием «неускорительная физика» включает в себя поиски двойного бета-распада, распадов нуклонов с несохранением барионного числа, темной материи, аномальных электромагнитных свойств нейтрино и многое другое. Физика нейтрино сыграла и продолжает играть особую роль в данных исследованиях. Первая теория слабого взаимодействия - теория (3-распада, была создана Ферми в 1934 году [’], вскоре после того, как Паули в 1930 г. высказал гипотезу о существовании нейтрино [2]. Лагранжиан Ферми, по нетривиальной аналогии с квантовой электродинамикой, соответствовал векторному взаимодействию четырех фермионных полей протона,
• нейтрона, электрона и нейтрино и имел вид:
/, (рГсП)(еГаУе) (1)
Первые эксперименты по измерению импульса ядер отдачи, испытавших 13-распад, выполненные Лейпунским в 1936 г. [3], и /Г-захват, проведенные Алленом в 1942 г. I4], косвенно подтвердили существование нейтрино. Используя фермиевский лагранжиан и экспериментально определенное значение константы Ферми Ср, Бете и Пайерлс предсказали исключительно малое (~10’44 см2) сечение взаимодействия нейтрино с энергией 1 МэВ с ядрами [5]. Впервые существование такого
• взаимодействия было доказано лишь 20 лет спустя. В 1953-1959 г.г. Райнес и Коуэн [6’7] обнаружили реакцию обратного р-распада на протоне в потоке реакторных антинейтрино.
Представление об антинейтрино появилось как чисто теоретическое, поскольку нейтрино, не имеющее электрического заряда, может являться истинно нейтральной частицей. Такое нейтрино впервые предложено Майорана в 1937 г. В 1946 году для разрешения этой проблемы Понтекорво предложил поискать реакцию обратного К-захвата на ядре 37С1 в реакторном потоке (анти)нейтрино. В эксперименте Дэвиса на реакторе в 1955 г. реакцию обратного йГ-захвата на хлоре действительно не удалось

обнаружить, что доказывало не тождественность нейтрино излучаемого в (3-распаде и в реакции /Г-захвата.

(0.62±0.05) соб/сут, ограничение на магнитный момент составляет - ^ 1-О Ю"10 рв
(90% у.д.) [195]. Данный результат опубликован в 2003 г. и является наиболее строгим ограничением на магнитный момент реакторных нейтрино.
* Эксперимент ТЕХОЫО на реакторе Кио-Бкет (Тайвань)
Нейтринная лаборатория располагалась на расстоянии 28 м от центра активной зоны реактора мощностью 2900 Мвт в потоке нейтрино 5.81012 у/(ст2.с) [|96,197]. Германиевый детектор массой 1.06 кг использовался для измерения фонового спектра начиная с энергии 5 кэВ. Детектор был окружен Ыа1(Т1)- и С5І(Т1)-детекторами с целью подавления фона от у-квантов и космического излучения. Пассивная защита состояла из 3.7 см слоя бескислородной меди и 10 см свинца Уровень фона в области 12-60 кэВ составил 1 отсчет/(кэВ кг сутки), что является выдающимся результатом для установки с Ое-детектором, расположенной на поверхности. Измерения проводились
* в течении 4712 часов (196 суток) при работающем реакторе и в течении 1250 часов (52
суток) при выключенном реакторе. Для поиска вклада в измеренный спектр от
магнитного момента использовалась область 12-60 кэВ. Ожидаемый эффект от
магнитного момента щ, = 2.010‘10 рв в этой области составляет 3 соб/сут. Изменения скорости счета детектора при включенном и выключенном реакторе обнаружено не было. В результате предел на магнитный момент нейтрино составил 1.3.Ю10 цв (90%
У-Д-)-
1.4.2. Анализ результатов и перспективы достижения чувствительности к магнитному моменту ~1(Гп рв в экспериментах на реакторах

К настоящему времени опубликованы результаты по измерению сечения рассеяния реакторных нейтрино на электроне, полученные на 5 различных детекторах. Как уже отмечалось, сложность экспериментов по изучению рассеяния реакторных антинейтрино на электроне состоит в том, что сечение реакции мало (~ 10'44см2), единственной регистрируемой частицей является электрон отдачи, а фон детектора, связанный с искусственной или естественной радиоактивностью, возрастает при уменьшении энергии. Поэтому приемлемое отношение эффект/фон удается получить лишь для широкого и, как правило, одного диапазона энергий электрона отдачи.
* Чтобы сравнить теоретические предсказания с результатами эксперимента и таким образом найти вклад в экспериментально измеренное сечение от магнитного момента