Наблюдение потока нейтрино от всех термоядерных реакций, протекающих в Солнце на Галлий-германиевом нейтринном телескопе Баксанской нейтринной обсерватории

БНО ИЯИ РАН - Лаборатория Галлий-германиевого нейтринного телескопа.

Галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ) размещен в специально построенной подземной лаборатории глубокого заложения в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН и предназначен для проведения измерений потока солнечных нейтрино. Измерения потока солнечных нейтрино позволяют получить уникальную информацию как о протекании термоядерных реакций в центральных областях Солнца, так и о новых свойствах нейтрино. ГГНТ - одна из наиболее глубоких подземных лабораторий в мире.

С 1986 года на Галлий-германиевом нейтринном телескопе БНО ИЯИ РАН проводятся исследования в рамках Российско-Американского эксперимента SAGE.

Подземный комплекс лаборатории ГГНТ расположен на расстоянии 3.5 км от входа горизонтального тоннеля, ведущего внутрь горы Андырчи. Основное помещение лаборатории представляет собой экспериментальный зал, длиной 60 м, шириной 10 м и высотой 12 метров.

Горные породы над лабораторией создают защиту от мюонов космических лучей, соответствующую 4700 м водного эквивалента, и дают ослабление потока мюонов в 10⁷ раз. Измеренный поток мюонов составляет (3.03 ± 0.10) x 10^-9 (см² x с)^-1. Для снижения нейтронного и гамма фона от окружающих горных пород зал облицован низкорадиоактивным бетоном толщиной 600 мм и стальным листом толщиной 6 мм. Поток нейтронов с энергией > 1 МэВ в лаборатории не превышает 1.40 × 10^-7 нейтрон × (см² × сек)^-1.

В подземном комплексе расположены также помещения для аналитической химии, системы регистрации распадов ⁷¹Ge, низкофонового полупроводникового Gе детектора.

Ряд помещений для вспомогательных измерений находится в лабораторных зданиях, расположенных на поверхности.

Галлий-Германиевый Нейтринный Телескоп

Принцип работы телескопа основан на реакции захвата нейтрино (v_e) ядром ⁷¹Ga с образованием ядра ⁷¹Ge и электрона (e^-):

В телескопе в качестве мишени используется около 50 тонн расплавленного металлического галлия, который находится в 7 химических реакторах. Галлий в реакторах содержится при температуре ~31⁰C (температура плавления галлия составляет 29.8⁰C). Естественная распространенность изотопа галлия ⁷¹Ga равна 39.9%.

При ожидаемом потоке нейтрино от Солнца (6 × 10¹⁰ нейтрино см^-2 с^-1) в 50 тоннах металлического галлия образуется в течение месяца около 30 атомов ⁷¹Ge. Для извлечения единичных атомов ⁷¹Ge из 50 тонн металлического галлия была разработана уникальная технология, которая является одним из основных технологических процессов телескопа.

Полная эффективность извлечения атомов ⁷¹Ge из галлиевой мишени, содержащей 5 × 10²⁹ атомов ⁷¹Ga, составляет ~90%.

Из извлеченного ⁷¹Ge синтезируется газ GeH₄ (моногерман), являющийся основной компонентой рабочей газовой смеси. Смесь помещается в пропорциональный счетчик (ПС), с помощью которого осуществляется регистрация распадов атомов ⁷¹Ge в системе регистрации ГГНТ.

Достоинством данного метода детектирования, предложенного в 1965 году советским ученым В.А. Кузьминым, является низкий энергетический порог реакции (1), который составляет 0.233 МэВ, что существенно ниже максимальной энергии нейтрино от pp-реакции - 0.423 МэВ. Благодаря этому галлиевый нейтринный телескоп имеет возможность детектировать нейтрино, рождаемых в этой реакции, которая дает наибольший вклад в поток солнечных нейтрино.

Система регистрации ГГНТ

Система регистрации расположена в комнате специальной конструкции в подземной выработке комплекса ГГНТ. Внешние стены ее облицованы низкорадиоактивным бетоном толщиной 700 мм и стальным листом толщиной 10 мм. Внутренние стены комнаты облицованы оцинкованным железом толщиной 1 мм с целью экранирования от радиопомех.

Система регистрации ГГНТ имеет 8 счетных каналов и единую для всех ПС комбинированную защиту, состоящую из внутренней и наружной частей. Внутренняя часть защиты включает в себя кристалл NaI(Tl), заключенный в медную оболочку. Сверху кристалл просматривается четырьмя ФЭУ. В нижней части внутренней защиты в центре по окружности равномерно распределены медные конусные крепления для фиксации восьми ПС в вертикальном положении. Внешняя пассивная защита состоит из трех слоев низкорадиоактивных материалов. В состав системы входит 1 ГГц- цифровой осциллограф, с помощью которого производится запись формы импульсов с ПС.

Регистрация редких распадов атомов ⁷¹Ge в ПС продолжается в течение ~5 месяцев: 10 периодов полураспада ⁷¹Ge (11.4 дня). Информация о событиях в ПС в режиме on-line по оптоволоконному каналу передается на сервер локальной вычислительной сети ЛГГНТ.

Результаты эксперимента SAGE

Эксперимент SAGE был создан для измерения величины скорости захвата солнечных нейтрино в реакции ⁷¹Ga + ν_e → ⁷¹Ge + e^- c целью получения информации для решения проблемы дефицита нейтрино, наблюденного в ³⁷Cl эксперименте, в котором было зарегистрировано лишь около одной трети величины скорости захвата, предсказываемой Стандартной Солнечной Моделью. Особенностью Ga эксперимента, отличающей его от всех других выполненных, либо ныне действующих солнечных нейтринных экспериментов, является его чувствительность к реакции протон-протонного синтеза, р + р → d + e⁺ + ν_e, в которой генерируется подавляющая часть солнечной энергии. Ga эксперименты обеспечили единственное прямое измерение нынешней скорости этой реакции. SAGE начал измерения с января 1990 года. Результаты SAGE впервые показали наличие дефицита солнечных нейтрино во всем диапазоне энергий нейтрино [Phys.Rev.Lett.67(1991), 3332; Phys Rev Lett 77 No.23 (1996) 4708; Phys.Rev.C.59 (1999) 2246; Phys.Rev.C60 (1999) 055801].

Результат измерений скорости захвата нейтрино на ядрах ⁷¹Ga в эксперименте SAGE за период с января 1990 года по август 2011 года составляет:

С использованием результатов других солнечных нейтринных экспериментов и теории нейтринных осцилляций с большим углом смешивания (LMA) в SAGE получены значения потока рр нейтрино (3.40 ± 0.46)*10¹⁰/(см²*с), имеющих при достижении ими Земли электронный аромат, и полного потока рр нейтрино (6.0 ± 0.8)*10¹⁰/(см²*с). Последнее значение находится в хорошем согласии с предсказаниями ССМ 5.97 ± 0.04 (с высоким содержанием тяжелых элементов) и 6.04 ± 0.03 (с низким содержанием тяжелых элементов), обе величины в единицах
10¹⁰V_е/(см²*с). Галлиевые солнечные нейтринные эксперименты, таким образом, дали прямое доказательство правильности Стандартной Солнечной Модели и LMA-решения для солнечных нейтринных осцилляций и показали, что подавляющая часть солнечных нейтрино, приходящих на Землю, это низкоэнергетические нейтрино от протон-протонной реакции.

Для выяснения причин неожиданно низкой скорости захвата нейтрино на Ga в экспериментах с искусственными источниками нами разработан проект нового эксперимента с источником нейтрино высокой интенсивности и оптимизированной геометрией Ga мишени.

Эксперимент SAGE продолжает измерения потока солнечных нейтрино на галлиевой мишени и до настоящего времени остается единственным экспериментом, который измеряет поток низкоэнергетических рр нейтрино. Продолжая мониторинг потока солнечных нейтрино, мы будем увеличивать статистическую точность и снижать систематические неопределенности.

В своих вычислениях мы предполагали, что сечение захвата нейтрино на два нижних возбужденных уровня ⁷¹Ge равно нулю. Данное предположение следует из результатов четырех экспериментов с искусственными источниками нейтрино ⁵¹Сr и ³⁷Ar на галлиевых детекторах SAGE и GALLEX, в которых средневзвешенное отношение измеренной и ожидаемой скоростей захвата нейтрино составляет 0.87±0.05 [Phys Rev C 73 (2006) 045805].

Предположение о нулевом вкладе двух нижних возбужденных уровней ⁷¹Ge в сечение захвата нейтрино противоречит стандартной интерпретации результатов измерения Gamow-Teller (GT) фактора для этих двух уровней ⁷¹Ge, полученного c использованием реакции (p, n)-рассеяния.

Нами инициирован в Исследовательском центре ядерной физики в Осаке, Япония (RCNP) эксперимент по измерению с высоким разрешением угловых распределений в реакциях ⁷¹Ga(³He, t)⁷¹Ge и ⁶⁹Ga(³He, t)⁶⁹Ge, на основании которых предполагается получить с хорошей точностью величину сечения захвата нейтрино на галлии.

Однако, неожиданно низкий результат в экспериментах с искусственными источниками нейтрино может иметь и другие объяснения. Одним из них, обсуждаемым сейчас в печати, является возможный переход активных электронных нейтрино в стерильные состояния.

Новые измерения на металлическом галлии с искусственным источником нейтрино высокой интенсивности (~2-3 МКи) и с оптимизированной геометрией галлиевой мишени (2 зоны облучения) могут дать объяснение неожиданно низкой скорости захвата нейтрино на галлии, полученной в экспериментах с искусственными источниками нейтрино [arXiv:1006:2103[nucl-ex]].

Публикации RuSsian American Gallium Experiment (SAGE)