Учреждение Российской академии наук
Институт ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН)
Сотрудники
>> Эксперименты
    В общем
> LVD
    LSD
    АНС
    OPERA
История
Статьи
Фото
Ссылки
Гранты
Темп


LARGE VOLUME DETECTOR

Поиск нейтринного излучения
Мюоны в LVD
Нейтроны, генерируемые мюонами

Установка LVD в Гран Сассо

   Подземная лаборатория Гран Сассо является самой большой подземной лабораторией в мире. Она предназначена для проведения экспериментов в области физики частиц и ядерной астрофизики.
    Установка LVD Лаборатория Гран Сассо расположена в 120 км от Рима в десятикилометровом туннеле, проходящем под массивом Гран Сассо, на высоте 963 м над уровнем моря и под толщей горных пород около 1400 м. Горный массив, расположенный над подземной лабораторией, ослабляет поток мюонов космических лучей - основной фон для проводимых исследований - в миллион раз. Другой источник фона - нейтроны - также очень мал благодаря низкому содержанию урана и тория в скальных породах. Экспериментальные установки размещены в трех больших залах высотой около 20 м, шириной 20 м и длиной 100 м.       Эксперимент по регистрации нейтринного излучения от сверхновых проводится в Лаборатории Гран Сассо на установке LVD (Large Volume Detector - детектор большого объема). Она была создана в рамках российско-итальянской коллаборации с участием ученых из США, Китая, Бразилии и Японии. Установка LVD предназначена для исследований в области нейтринной физики, астрофизики, физики космических лучей и поиска редких процессов, предсказываемых теорией, но, как было обнаружено в последние годы, может быть использована и в ядерной геофизике для предсказания землетрясений.

Установка LVD - самый крупный в мире сцинтилляционно-трековый телескоп. Она состоит из трех башен, имеющих модульную структуру (по 35 модулей в каждой башне). Модуль содержит 8 сцинтилляционных счетчиков, разработанных и изготовленных в Институте ядерных исследований Российской Академии наук, и трековый детектор, производимый Национальным Институтом ядерной физики Италии. LVD состоит из 840 сцинтилляционных счетчиков, содержащих 1010 тонн сцинтиллятора, и 105 трековых детекторов. Трековая система позволяет измерять направление прихода заряженных частиц с точностью 0.5 градуса. Каждый счетчик, изготовленный из нержавеющей стали, содержит 1.2 тонны жидкого сцинтиллятора на основе уайт-спирита и просматривается тремя фотоумножителями российского производства. Информация с каждого счетчика считывается независимо. Модульная структура установки позволяет проводить регламентные работы по поддержанию установки в рабочем состоянии без остановки системы сбора информации, что обеспечивает непрерывный набор статистического материала по программам в области физики нейтрино, нейтринной физики и астрофизики. В 2000 году эффективное время работы установки составило 99% .
   Основная задача LVD - регистрация нейтринных вспышек от коллапсирующих звезд. Преимущество LVD перед большими водяными детекторами заключается в наличии углерода в сцинтилляторе, что позволяет разделять разные типы нейтрино. Детектор способен зарегистрировать как электронные антинейтрино (реакция на водороде), так и мюонные и тау-нейтрино и а нтинейтрино (реакция на углероде сцинтиллятора). Для первого процесса при взрыве сверхновой в центре Галактики (8,5 килопарсек) ожидается от 300 до 600 событий. Другие процессы дадут гораздо меньше событий. Например, в отсутствие осцилляций будут регистрироваться всего 6 событий от взаимодействий электронных нейтрино с углеродом сцинтиллятора. Выход мал в основном из-за того, что слишком малы энергии электронных нейтрино. Но осцилляции преобразуют мюонные и тау-нейтрино, которые генерируются с более высокими энергиями (примерно в два раза выше), в электронные нейтрино. Выход увеличится до нескольких десятков событий. Таким образом, регистрация нейтрино от сверхновых может дать полезную информацию о физике нейтрино, в основном о смешивании, и, кроме того, об астрофизике коллапса. Весьма важным будет сравнение данных, полученных на различных детекторах, которые имеют разную чувствительность к энергии и ароматам. Сейчас создана глобальная международная сеть из различных детекторов для слежения за коллапсами звезд. В нее входят подземные детекторы LVD, Суперкамиоканде (Япония), SNO (Канада) и несколько гравитационных антенн. За время наблюдения с 1992 г. по 2000 г. на установке LVD коллапсов не обнаружено.

    Помимо этого ведется постоянный контроль темпа счета на LVD с целью изучения вариации концентрации радона, выходящего в атмосферу подземного помещения из горных пород перед землетрясениями. Радон образуется в грунте в результате деления и распадов элементов урановых и ториевого рядов и выходит в атмосферу подземного помещения через множественные микротрещины в породе или из воды, насыщающейся радоном (радон хорошо растворяется в воде) на пути через скальную породу до подземного зала. Поскольку количество микротрещин увеличивается при деформациях земной коры перед землетрясениями, то усиливается и испускание радона.

    На возможности установки LVD по изучению вариаций концентрации радона под землей было обращено внимание после обнаружения аномального повышения фонового темпа счета детектора в дни наиболее сильных сейсмических толчков в сентябре 1997 г. Эпицентр толчков находился в Центральной Италии, примерно в 300 км от установки. В течение 1997 года все сильные толчки были зарегистрированы. После похожего увеличения темпа счета в 1999 году, которое по времени появления было ассоциировано с разрушительным землетрясением в Турции, началось целевое изучение вариаций темпа счёта фоновых событий с низкими энергиями как отражающих временное поведение концентрации радона. С ним связывались надежды выделить предвестники сильных землетрясений. При измерениях используется регистрация гамма-излучения ядер радоновой группы. Большая (около 1000 квадратных метров) площадь установки, через которую гамма-кванты проникают в счетчики, обеспечивает высокую статистическую достоверность полученных результатов, то есть установка LVD является идеальным прибором для изучения вариаций концентрации радона под землёй. Она обладает высочайшими чувствительностью и быстродействием, большой регистрирующей поверхностью, за счёт чего усредняются локальные изменения концентрации радона в разных точках зала, непрерывно работает в режиме ''on-line''.

    Разработан алгоритм выделения радоновых выбросов. Они регистрируются установкой как пики на счетной характеристике фона, превышающие в максимуме средний темп счета до 2 раз. Микросейсмический фон, создаваемый технической деятельностью, оказывает существенное влияние на состояние подпочвенных радоновых полей. Техногенные вибрации грунта ежедневно приводят к инжекции радона из подпочвенного слоя. Готовящееся сейсмическое событие за счёт деформации земной коры и предшествующих микротолчков способствует насыщению подпочвенного слоя радоном, постоянно образующимся в грунте. Таким образом, информация о предстоящем землетрясении может содержаться в амплитуде и мощности техногенных радоновых пиков. В настоящее время проводится амплитудно-временной анализ радоновых данных.

    Одной из важных экспериментальных задач, решаемых на установке LVD, является изучение проникающей компоненты космических лучей, в основном мюонов. Изучение атмосферных мюонов на больших глубинах под землей позволяет получить информацию о первичном спектре космических лучей и взаимодействиях элементарных частиц при высоких энергиях. Кроме того, проникающая компонента является фоном для экспериментов по поиску редких событий, проводимых глубоко под землей. Проведенный анализ статистического материала позволяет сделать вывод об отсутствии аномалий в первичном спектре космических лучей в области энергий 1013- 3*1014 эВ, а также поставить ограничения на процесс прямой генерации мюонов. С помощью изучения групп мюонов исследуется спектр космического излучения в области энергий 1015 - 1016 эВ (область так называемого колена - область изменения показателя спектра космических лучей). LVD_prezentation.ppt

Поиск нейтринного излучения

С целью поиска различных типов нейтрино от гравитационных коллапсов были проанализированы данные экспериментов “Коллапс” и LVD за последние 10 лет их работы. В эксперименте “Коллапс” регистрация антинейтрино от коллапсирующей звезды основывается на реакции взаимодействия антинейтрино с протоном (ядро водорода), входящим в состав сцинтиллятора: n + p -> e + n. Установкой фиксируется появление обеих частиц - позитрона и нейтрона, при этом определяется энергия позитрона. Импульс от ионизационных потерь позитрона является стартовым для регистрации нейтронов по гамма -квантам захвата на водороде с характерным временем захватав t = 170 мксек. n + p -> d* -> d+g, E=2.23 МэВ. В эксперименте LVD – а) регистрация электронного нейтрино: порог 5 МэВ позволяет детектировать не только нейтринный всплеск от гравитационного коллапса звезды, протекающего по стандартной модели, но и гамма-кванты от снятия возбуждения кобальта и железа; б) регистрации мюонного и тау нейтрино: порог 10 МэВ позволяет зарегистрировать гамма-кванты от снятия возбуждения ядра углерода, при отсутствии сигнала в области 5 – 10 МэВ. Алгоритм отбора кандидатов на нейтринные всплески основан на поиске кластеров в течение временного окна фиксированной ширины, ?t. Вероятность появления кластера фоновых импульсов может быть установлена применительно к длительным периодам сбора данных, что позволяет определить значимость события-кандидата на нейтринный всплеск в единицах частоты его имитации фоном. В течение 5618 дней наблюдений на LVD кластеров-кандидатов на регистрацию антинейтринного всплеска от Сверхновых обнаружено не было, что позволяет установить верхний предел на частоту коллапсов Сверхновых, протекающих по Стандартной модели, равный 1/6,7 событий в год на 90% уровне достоверности.

Мюоны в LVD

1/ Мюоны, регистрируемые под землей, образуются главным образом при распаде p- и K-мезонов, являющихся продуктами взаимодействий первичных космических лучей с ядрами атмосферы. Существует положительная корреляция между интенсивностью мюонов и температурой атмосферы: чем выше температура, тем выше поток мюонов под землей. Этот эффект ранее был измерен в таких подземных экспериментах, как MACRO, AMANDA и MINOS. Однако их данные были получены только за 4, 1 и 3 года соответственно. Данные AMANDA подтверждают, что зависимость является только температурной, т.к. максимум интенсивности мюонов приходится на январь, а минимум – на июль (установка находится в южном полушарии). В ходе данного проекта были изучены сезонные вариации не только мюонов за большой промежуток времени – 8 лет работы LVD с 2001 по 2008 гг., а также и вариации нейтронов, генерированных мюонами, за период с 2003 по 2010 гг. Мюон в детекторе LVD пересекает несколько счетчиков и выделяет от 10 до нескольких сотен МэВ в каждом из них (наиболее вероятное энерговыделение в каждом счетчике 170 МэВ), разница во времени срабатывания счетчиков не более 250 нс. Каждое событие, отобранное как «кандидат на мюон», имеет не менее 2 сработавших счетчиков с энерговыделением Ei > 10 МэВ и разницей во времени dt< 250 нс. Отобранные события, помимо одиночных мюонов, включают в себя также и множественные мюоны, и мюоны, сопровождающиеся электро-магнитным или адронным каскадом. Число нейтронов от мюонов определялось по запаздывающим гамма – квантам, испускаемым после радиационного захвата тепловых нейтронов, в основном, протонами сцинтиллятора np>D*>Dg , Eg =2.2 МэВ, t= 180 мкс, а также ядрами железа и хлора в структуре LVD: nFe>Fe*>Fe(kg), nCl>Cl*>Cl(kg), Eg =7 МэВ, t= 100 мкс. Число нейтронов определялось по внутренним счетчикам установки за каждые 2 месяца работы. Получен темп счета нейтронов в расчете на один счетчик за период с апреля 2003 по апрель 2010 г. При фитировании распределения функцией вида N=A+Bcos(2*p*(t-t0)/T), наилучшее согласие было достигнуто при параметрах A=65+/- 2.2, B=-9.3 +/- 3.9, периоде T=1 год и t0=185+/- 18 дней. Фаза вариации нейтронов совпадает с фазой для вариации мюонов, полученной в ходе выполнения этого проекта в прошлом году. Температурные вариации представлены за период с января 2001 года по июнь 2010 года по данным ближайшей к Гран Сассо станции Monte Terminillo, L’Aquila, 42°28’N 12°59’E, 1875 м н.у.м. Распределение было также профитировано функцией вида N=A+Bcos(2*p*(t-t0)/T), наилучшее согласие достигается при параметрах А=5.3 +/- 0.2, B=-8.8 +/- 0.3, периоде T=1 год и t0=202 +/- 19. Фазы мюонных вариаций и вариаций нейтронов от мюонов совпадают в пределах погрешности с фазой температуры.
2/ По данным первой башни LVD методом выделения распадов положительных мюонов, останавливающихся в железе, определена величина отношения числа положительных мюонов к отрицательным R=1.26 с методической ошибкой 0.11 и статистической 0.04. Полученная величина R соответствует диапазону энергий 0.9 – 3.0 ТэВ и средней энергии 1.8 ТэВ потока мюонов на поверхности горы.
3/ Большой геометрический фактор и хорошее пространственное разрешение детектора LVD обеспечили значительную статистику и высокую точность в измерении траектории мюонов и в определении кратности мюонных групп. Разработанный алгоритм позволил реконструировать 2x106 мюонных событий (одиночных мюонов и мюонных групп). В результате получены характеристики мюонных групп и найден удельный выход нейтронов, генерируемых одиночными мюонами, мюонными группами и ливнями.

Нейтроны, генерируемые мюонами

Знание энергетического спектра нейтронов, генерируемых мюонами космических лучей под землей очень важно при регистрации редких событий.
Измерение энергетического спектра нейтронов непосредственно в ливне, созданным мюоном, практически невозможно, однако благодаря большим пробегам, нейтроны выходят из ствола ливня и становятся "изолированными". Поток и спектр таких частиц хорошо измеряется. Впервые эти характеристики были исследованы в 80-х годах прошлого века с помощью детектора АСД и установки Бартона. Такие эксперименты важны также для того, чтобы понять, с какими спектрами в источнике рождались нейтроны и как они проходят через различные материалы.
Измерение спектра нейтронов в области 20–150 МэВ и, особенно, при энергиях более 150 МэВ, представляет собой довольно сложную экспериментальную задачу. Энергия нейтрона Tn определяется по энерговыделению протонов отдачи, а также вторичных частиц, рождаемых при взаимодействии нейтрона с ядром углерода. Поэтому для Tn до ~ 150 МэВ на измерения влияет процесс концентрационного тушения светового выхода от протонов и a-частиц, при Tn выше 150 МэВ основной проблемой становится эффективность регистрации полной энергии нейтрона.
Был определен дифференциальный энергетический спектр изолированных нейтронов в диапазоне 20 – 450 МэВ, генерируемых как непосредственно мюонами, так и в em- и h- каскадах, производимых мюонами в веществе детектора LVD. При анализе данных счетчики башни разбивались на две группы: мишень (t) и детектор (d). Критерии отбора позволяют выделять события прохождения через t-колонну околовертикальных мюонов и вызываемых ими em- или h-каскадов, содержащих нейтроны в счетчиках d-объема.

       LVD
Сотрудники | Экспериметы | История | Статьи | Фото  | Ссылки | Гранты | Темп |
Главная страница
E-mail: agafonova@vaxmw.tower.ras.ru
Тел.: +7(495)954-40-38