Установка «Троицк ню-масс» для прецизионного измерения кинематической массы нейтрино из ?-распада трития: криогенная и сверхпроводящая часть

Одной из важнейших задач современной физики элементарных частиц являются исследования по физике нейтрино и, в частности, изучение возможности существования ненулевой массы нейтрино. История проблемы восходит к 1930 г., когда В. Паули впервые предположил существование новой частицы, названной нейтрино, для объяснения непрерывности [3-спектра при распаде ядер, а затем Э. Ферми в 1934 г. [1] создал теорию (3-распада, введя новую частицу нейтрино, которая образуется в результате превращения в ядре р—>-п и п—>р: п -> р + е~ + Vc р -> п + е+ + ve.

Сегодня известно существование трёх типов нейтрино ve v^ vT, и их антинейтрино, отличающихся лептонами с которыми они связаны. Нейтрино участвуют в процессах превращения атомных ядер: (3-распаде, захвате электронов (К-захват), захвате мюонов, и распадах элементарных частиц: яи К-мезонов, мюонов и др.

Экспериментально существование нейтрино было подтверждено в 1953 — 1956 гг. Ф. Райнесом и К. Коуэном [2] при обнаружении реакции обратного Р-распада: t? е+р->п + е+ (сечение реакции aVe = 9.4*10″ 44 см2) в потоке электронных антинейтрино образующихся в ядерном реакторе.

В последующие 50 лет было проведено огромное число экспериментов, исследующих взаимодействие нейтрино с веществом.

Нейтрино были включены в универсальную модель слабого взаимодействия Геллмана-Фейнмана, обобщенную теперь в Стандартную модель элементарных частиц.

В Стандартной модели элементарных частиц нейтрино предполагается безмассовым и сотни экспериментов по нескольким направлениям были предприняты с целью обнаружения эффектов связанных с массой нейтрино, как явления выходящего за рамки Стандартной модели. К ним относятся:

1. Поиск осцилляций нейтрино.

2. Поиск безнейтринного двойного {3-распада.

3. Наблюдение запаздывания нейтрино от вспышек сверхновых звёзд.

4. Прямое измерение массы нейтрино.

5. Исследование космологических следствий массивности нейтрино.

Возможность существования ненулевой массы покоя нейтрино является важнейшей проблемой не только физики элементарных частиц, но и космологии. Является ли нейтрино майорановской или дираковской частицей, и имеет ли массу, играет важную роль при построении таких современных теорий частиц, как Теория Великого объединения и Теории Суперсимметрии. В последнее время физика нейтрино приобрела ещё большую значимость в связи с наблюдением недостатка солнечных нейтрино, дефицита атмосферных vM, а также попыток создать космологические модели, включающие смешанную небарионную «тёмную» материю во Вселенной с привлечением конечной массы нейтрино. Также наличие массы у нейтрино может привлекаться к объяснению асимметрии между материей и антиматерией в ранней Вселенной.

В последние годы было сделано два ключевых открытия, существенно изменивших представления о физике нейтрино и его роли в природе: открытие осцилляций нейтрино [3] и наблюдение анизотропии реликтового излучения [4,5].

Нейтринные осцилляции были наблюдены в экспериментах с солнечными и атмосферными нейтрино на установках Суперкамиоканде [6], SAGE [7], GALEX [8] и SNO [9] и доказали, что нейтрино смешиваются и что они имеют ненулевую массу. По современным представлениям, нейтрино является суперпозицией трех массовых состояний, массы которых, по крайней мере, двух из них, не равны нулю.

Для описания нейтринных состояний вводится так называемая матрица смешивания U: ил ие2 и = и* и, 3.

UTX ит2 ит3 собственные состояния слабого взаимодействия описываются собственными состояниями для масс нейтрино Vi, v2, V3 в виде произведения:

УГ.

Vм = (и). V2.

S3,.

Задачей осцилляционных экспериментов является определение элементов матрицы смешивания U и определение квадратов массы состояний Vi, V2, V3, К сожалению, осцилляционные эксперименты чувствительны только к разности квадратов масс нейтрино: и вопрос об абсолютной величине массы нейтринных состояний остаётся открытым.

Следует отметить, что знак Ат] может быть извлечен при учете эффекта Михеева — Смирнова усиления осцилляций солнечных нейтрино в веществе [10].

Таким образом, если одна масса нейтрино измеряется абсолютно, полный спектр масс нейтрино может быть вычислен с использованием величины Amfj, полученной из осцилляционных экспериментов.

Теории за рамками Стандартной модели пытаются объяснить малость массы нейтрино в сравнении с массивными заряженными фермионами. Одним популярным объяснением является «see-saw I» механизм [11], привлекающий тяжелые Майорановские нейтрино, приводит к иерархической картине нейтринной массы (рис. 1). Альтернативная «seesaw II» модель (механизм), использующая Хиггсовский триплет, приводит к сценарию с квази-вырожденными массами нейтрино. Здесь все массы равны 0.1 эВ/с" или выше, с незначительной разностью масс между разными типами нейтрино для объяснения осцилляций. В пользу последнего сценария может свидетельствовать почти максимальное смешивание, наблюдаемое в процессе осцилляций.

101i Q).

10″ 1:

Am.

23 atmos дт12 V solar.

LMA.

10″ .

10″ «.

———- —| 1 Г 1111]—I— i 1 1 1 1 11 j < i i 1 l I i 11 Mainz & Troitsk 1 — 1——-1—1 1 1 !'TT|——- '.

J KATRIN J: тз 55 meV) quasi-degenerate 1 т2 (~ 8 meV) v-masses: т hierarchical v-masses i—I—I 111 111−1—i—i 111 111−1—i—i 111 111−1—i—i 111 111−1—i—i 11 и.

— 4.

— 3.

10 10″ m, [eV].

Рисунок 1. Иерархический (прямая иерархия) и квази-вырожденный сценарии распределения величин массовых состояний нейтрино исходя из данных осцилляционных экспериментов. Наложены существующие и предполагаемые ограничения на массы из экспериментов по (3-распаду трития.

В кинематических экспериментах, к которым относится и исследование конца (3-спектра трития, форма спектра определяется «эффективной» массой нейтрино, которая даётся формулой [12]: ^.

3 2 m2(ve) =? |ив<| •mfiv,) (1).

Существующие и планируемые эксперименты чувствительны только к квази-вырожденному сценарию, в котором все массы равны, и с этой оговоркой по-прежнему можно говорить о массе электронного, мюонного или хнейтрино.

В квази-вырожденном сценарии, вследствие большого количества реликтовых нейтрино во Вселенной исходящего из Большого взрыва, нейтрино будут выступать не главным, но значительным компонентом «горячей темной материи» [13]. Поэтому открытый вопрос о величине массы нейтрино является не только критическим для физики частиц, но и очень важен для астрофизики и космологии.

В космологии данные об абсолютном масштабе для масс нейтрино могут быть получены из астрофизических наблюдений распределения вещества и энергии во Вселенной для различных масштабов. Обычно в этих анализах используют комбинации данных о микроволновом реликтовом излучении (например, результатов от спутника WMAP [14]), распределении галактик в нашей Вселенной (так называемая «Large Scale Structure» [15]), форме распределений так называемого «Lyman a-Forest» [16] или Х-гау кластеров, чтобы описать распределение материи на крупных, средних и малых масштабах. Считается достоверным вывод о несовместимости большой массы нейтрино с наблюдаемой крупномасштабной структурой Вселенной. В большинстве случаев они дают верхние пределы на массу Л нейтрино масштаба нескольких ОД эВ/с. В некоторых случаях анализ даёт ненулевые массы нейтрино, но по мере уточнения данных наблюдается тенденция к снижению предела ниже ОД эВ/с .

Нельзя забывать, что космологические модели описывают 95% материи и энергии во Вселенной пользуясь такими до конца неопределёнными понятиями как «космологическая константа» и холодная тёмная материя", и предполагают существование ещё не обнаруженных реликтовых нейтрино.

Одним из немногих лабораторных методов обнаружения массы нейтрино является поиск безнейтринного двойного p-распада (0v2|3). Процесс заключается в превращении двух нейтронов (протонов) в два протона (нейтрона) внутри ядра. Обычно испускаются два электрона (позитрона) и два нейтрино (антинейтрино) и спектр испускаемых электронов представляется сплошным [17]. В случае же, если нейтрино является Майорановской частицей (частица является собственной античастицей), распад (0v2P) может произойти и без испускания каких-либо нейтрино. Этот переход прямо пропорционален массе нейтрино (при отсутствии правых токов или обмена другими новыми частицами).

Наблюдаемой величиной в двойном Р-распаде является так называемая эффективная масса нейтрино [12]: !KemM> (2) которая является когерентной суммой по всем собственным состояниям масс m (Vj), дающих вклад в электронное нейтрино с весами элементов комплексной матрицы смешивания Uei. Сравнивая выражения (1) и (2) можно отметить, что безнейтринный двойной Р-распад и исследование р-спектра трития как бы дополняют друг друга. Для случая двойного р~ распада комплексные фазы для майорановской матрицы смешивания U могут приводить к частичному сокращению. Также еще велики неопределённости ядерных матричных элементов и возможности для проявления правых токов или новой экзотической частицы. Все эти факторы могут модифицировать амплитуду безнейтринного двойного р-распада и привести к неточности в определении массы нейтрино. С другой стороны, в будущем, при повышении чувствительности последующих измерений двойного p-распада и обнаружении эффекта на нескольких ядрах эти неопределенности могут быть существенно снижены. Учитывая это, а также уникальную возможность доказать Майорановскую природу нейтрино, исследование безнейтринных двойных (3-распадов сохраняет высокую значимость.

Наиболее чувствительным экспериментом по двойному Р-распаду на настоящее время является эксперимент Гайдельберг-Москва [18] в подземной лаборатории Гранд — Сассо, (ЦСе-^ЦЗе + 2~е + 2vc распад), использовавший пять низкофоновых обогащенных (86%ЦОе) германиевых детекторов высокого разрешения. Часть этой группы исследователей заявила об обнаружении безнейтринного двойного p-распада и представила данные о наблюдении моноэнергетической Р-линии с предсказанным положением на уровне достоверности 4 а. С учетом неопределённого ядерного матричного элемента это соответствует массе нейтрино в интервале:

ОД эВ/с2 < тее < 0,9 эВ/с2.

Ясно, что этот результат требует дальнейших проверок и независимого подтверждения. Соответствующие эксперименты подготавливаются несколькими группами. В ближайшее время ожидается получение предела на массу по 0v2p на уровне 0,1 эВ/с .

Прямое измерение массы нейтрино.

В противоположность другим методам прямой метод измерения массы нейтрино не требует никаких предположений и масса нейтрино определяется с использованием релятивистских соотношений энергия — импульс. Поэтому т2 (у) получается просто наблюдаемой величиной.

Стандартная модель взрыва сверхновых звёзд утверждает, что ядро звезды в результате коллапса достигает ядерных плотностей и прирост.

53 энергии гравитационного взаимодействия должен составлять 10 эрг, а наблюдаемая кинетическая энергия материи и электромагнитного излучения составляет 1051 эрг. Почти вся оставшаяся энергия приходится на испущенные нейтрино. После взрыва сверхновой SN1987 события, зарегистрированные Камиоканде II и Mt. Blanc LSD [19], дали верхний предел на массу нейтрино 5,7 эВ/с". К сожалению, такие взрывы слишком редки и непонятны перспективы дальнейшего улучшения результата.

Основной прямой метод измерения массы нейтрино основывается на исследовании кинематики слабых распадов, на измерении параметров заряженных продуктов распада частиц. Данный подход, известный как кинематический, обеспечивает модельно независимые результаты исследования и прямой метод определения массы. Для масс нейтрино v^ и vT это измерение распадов пиона на мюон и v^ и распад т-лептона на пять пионов и vT. Получены следующие верхние пределы [20]: m (vр) < 190 кэВ для распада п -" /лу^ m (vx)< 15,5 МэВ для распада г" -" Зя— + 2к+ + vT.

Оба предела, как видно, намного больше диапазона значений, представляющего интерес для физики частиц и космологии. Поэтому, в настоящее время, основным объектом исследования по массе нейтрино является ядерный (3-распад, конкретно трития: 3Я->3Яе + e + vc, где достигнут лучший на сегодня результат, равный mVt < 2,05 эВ [21].

Решение задачи заключается в прецизионном измерении спектра электронов Р-распада трития вблизи граничной точки Eq, когда почти вся энергия распада передаётся электрону. Поэтому масса электронного нейтрино определяется точным исследованием формы кривой вблизи Eq (рис. 2). Из рисунка 2 видно, что главное требование для такого эксперимента является справиться с исчезающее малым счётом вблизи Е0, обеспечив максимальную скорость счёта при возможно низком фоне. Кроме этого, требуется высокое энергетическое разрешение ЛЕ/Е, для того чтобы получить хорошее разрешение по массе нейтрино.

Тритий является стандартным и доступным изотопом для такого исследования. Он имеет высокую удельную активность (-0,3 кюри/мл), малую граничную энергию 18,6 кэВ и период полураспада 12,26 г. Тритий отличается простотой электронной структуры и поэтому поправки к (3-спектру можно рассчитать с высокой точностью.

Эксперименты по изучению Р-распада трития выполнялись в течение последних 50 лет.

Можно отметить, что вторым изотопом, удобным для изучения массы нейтрино является 187Re, имеющий граничную энергию Е0 ~ 2,6 кэВ, но большой период полураспада ~4-Ю10лет, т. е. низкую удельную активность.

1 К*7.

Для исследований с Re в Милане (MiBeta) и в Генуе (MUNU2) предложено использовать новый метод регистрирования — криоболометры, позволяющие измерять увеличение температуры вследствие одиночного акта распада в образце, охлажденном до ~ 50 мК. К недостаткам такого подхода относится необходимость измерять весь спектр от 0 до 2,6 кэВ целиком. В качестве образца используют AgRe04 и металлический рений, при этом разрешение криоболометров ЛЕ достигает 5 эВ. В настоящее время в экспериментах с 187Re получено ограничение на массу нейтрино m (ve) < 15 эВ/с2.

Временное разрешение криоболометрических детекторов лежит в миллисекундном диапазоне и для улучшения статистической точности предполагается использование большого числа (~36 ООО) независимых криоболометрических детекторов, что позволит, как утверждают авторы, получить предел на массу нейтрино несколько эВ/с. Конечно, это представляется довольно сложной технической задачей.

Как отмечалось, наилучшую чувствительность по изучению массы электронного нейтрино можно получить при исследовании электронного спектра из Р-распада трития: 3Н->3Не+ + е~ +ге.

При измерении Р-спектра, в принципе, для каждого состояния масс нейтрино m (vj), будет наблюдаться загиб кривой в близи точки Eq — m (Vj)c, показанный на рис. 2, причем каждый будет пропорционален матричному элементу смешивания. Однако, из-за малости наблюдаемой при осцилляциях разности квадратов масс нейтрино Am2 в сравнении с ограниченным разрешением установок для существующих и планируемых прямых измерений массы, только некогерентная или средняя масса нейтрино может быть обнаружена. Она может быть определена как электронная масса нейтрино m (ve) выражением [12]:

ПК) = Ж/ ' = -Ж'2 i i.

В нашем случае, как видно на рис. 1, ml = т2 = тЗ >2 эВ и Xl^j2 =.

Энергетический спектр p-распада трития для нейтрино с массой mv даётся выражением: С • F (z, E) p (E + тес2)[(Е0 — Еf — m2vf2e{EQE-mv) dE где E — кинетическая энергия электрона, те — его масса, р — его импульс;

Е0 — граничная энергия, максимальная энергия электрона при mv = 0;

F (z, E) -функция Ферми, учитывающая кулоновское взаимодействие для испускаемых электроновв (Ео — Еmv) — ступенчатая функция, равна 1 при Ео — Еmv > 0;

G2, 2.

С = —^cos2 вМ — константа- 2яг3 с| 1.

Gp — постоянная слабого взаимодействиявс — угол Кабиббо;

М— ядерный матричный элемент.

Так как переход сверхразрешенный, то как М, так и F (z, E) независимы от mv, и зависимость для кривой Р-спектра выражается только через фактор фазового пространства. Можно добавить, что масса нейтрино, полученная из p-распада трития никак не связана с предположением, является ли нейтрино Майорановской или Дираковской частицей.

Характерный вид [3-спектра с тч = 1 эВ и mv = 0 эВ показан на рис. 2. Можно показать, что статистически наиболее значимое отличие спектров проявляется только вблизи Е =Е0, где скорость счета Р-спектра сравнима с фоном. Эта часть спектра характеризуется быстро снижающейся скоростью счёта при приближении к Е0, точнее, скорость счета пропорциональна квадрату расстояния до края спектра, а ненулевой массе нейтрино соответствует постоянный сдвиг:

1.2 1 i—i.

6 0.8 ф о 0−6.

§ 0.4 о о.

0.2 0.

Рисунок.2. Спектр электронов Р-распада трития (а). Форма спектра в близи граничной точки (Ь) для массы нейтрино mv = 0 эВ и mv = 1 эВ. Штриховкой показана относительная доля измерений спектра при наличии у нейтрино массы. 100 к Ь) ч п. = 0 (c)V.

2х1(Г13.

— mv = 1 eV-^ i i i i. i i i i i i i i i i i i i.

5 10 energy Е IkeVJ.

— 2.

— 1 Е-Ео feV] О.

Поэтому в эксперименте лишь очень узкая часть спектра анализируется с высокой точностью.

Можно отметить, что интегральная часть спектра в этой узкой области пропорциональна (Ео~Е)3. Отметим, что доля спектра ниже Е0 для.

1 «Я mv = 1 эВ составляет от полного (3-спектра трития только 2−10» интенсивности, а для {3-распадов других ядер (кроме 187Re) ещё меньше. В связи с этим исследование [3-спектра трития должны выполняться [3-спектрометром, который должен иметь высокое энергетическое разрешение ЛЕ/Е, высокую скорость счета (светимостью L) и низкий собственный фон вблизи Ео = 18,6 кэВ.

Для изучения спектра трития вблизи граничной энергии очень важно знать, во-первых, функцию разрешения (пропускания) спектрометра и, во-вторых, систематику потерь энергии электронами в источнике. Систематические ошибки возникают как в самом источнике электронов распада трития из-за потери энергии электронов при прохождении через толщину вещества источника, а также из-за рассеяния электронов в подложке, если это твердый источник намороженного трития или имплантированный в подложку тритий. Кроме этого, систематические ошибки возникают из-за загрязнения источника электронов сторонними газами или примесями в тритии (Н2, НТ и т. д.), так и в |3-спектрометре, где требуется высокая точность установки потенциала анализатора (-0,1 -0,2 В), отсутствие загрязнений трития на поверхности электрода.

Как упоминалось выше, исследования по изучению распада трития с целью обнаружения массы нейтрино продолжались более 50 лет. На рис. 3 и в таблице 1 даётся некоторая хронология ранних исследований и полученных результатов, а в таблице 2 приводятся результаты последних лет по измерению массы нейтрино, с указанием используемых источников электронов. Легко видеть, что наилучший результат при обработке экспериментальных результатов измерений [3-спектра можно получить.

25 О.

— 25.

5 -50 си.

75 Е -100.

125 150 175 mi electrostatic spectrometers inetic spectrometers.

11 i.i.

BEUSNv.

T LiVcSUORE.

A LOS ALAMOS.

Ш MAIWZ.

TOKYO.

О TRQtTSK.

TROITSK step (en a zuraoi.

1990 1992 1994 1996 1998 2000 year.

Рисунок 3. Хронология экспериментов по поиску массы нейтрино используя газовый молекулярный источник трития с плотностью 1015 -1017см" 2. Такие источники, как видно из таблицы 2 (стр. 22), использовались в экспериментах в Лос-Аламосе [24], Ливерморе [29] и ИЯИ РАН г. Троицк [36, 37], где ограничение по массе выглядит более достоверно, поскольку тритий не имеет связи с подложкой.

Из других предыдущих экспериментальных исследований можно отметить ранние результаты, полученные с помощью фокусирующих спектрометров. В частности, Берквисту в 1972 году (таблица 1, стр. 21) удалось существенно понизить предел на массу покоя нейтрино по сравнению с ранее существовавшими результатами: mv <55±60 эВ с уровнем достоверности 90%. Поскольку в магнитном спектрометре энергетическое разрешение АЕ и светимость L связаны соотношением АЕ/Е ~ L'2, то для улучшения энергетического разрешения необходимо уменьшить как площадь источника, так и апертуру прибора, т. е. светимость L, определяемую следующим соотношением: SO. Sm2 0 ^.

L = — =-, где S — площадь источника, а — угловая апертура, L2.

An 4лтелесный угол.

Берквисту, однако, удалось повысить светимость при достаточно хорошем энергетическом разрешении (—55 эВ) за счёт распределённого потенциала на поверхности источника (неэквипотенциальный источник), а также за счёт замедления электронов перед входом в магнитный спектрометр [23].

Следующим этапом исследований (3-распада трития была публикация Ю. Любимова и др. в 1980 г. [26, 27]. Исследования проводились на (3 — спектрометре с тороидальным магнитным полем, в котором электроны отклонялись на угол 720°, совершая два оборота. Источником электронов служил валин C5HnN02, в котором часть водорода замещалась тритием (18%). Источник представлял собой плёнку толщиной 2 мкг/см. Для увеличения светимости спектрометра использовался метод неэквипотенциального источника, как и в известном эксперименте К. Берквиста. Светимость составляла 0,07 см" и ограничивались только размерами фокальной области спектрометра. Авторы давали величину массы нейтрино в интервале 14 эВ < mv <46 эВ исходя из подгонки спектра параметром, равным mv = 900±150. Однако, результаты обработки данных вызывали большие сомнения из-за некорректности в учёте конечных состояний трития в валине и ненадёжные измерения формы функции разрешения спектрометра.

После появления результатов Ю. Любимова и др. в 1980 г. начался новый этап исследований спектра трития, связанный с использованием в качестве источника электронов молекулярного трития или намороженного в виде монослоёв Тг — газа, но уже с использованием не только магнитных, но и интегральных электростатических спектрометров.

В таблице 2 представлены основные исследовательские группы и используемые ими спектрометры с указанием их характеристик и полученных результатов. Как видно из таблицы только три группы (Лос-Аламос, Ливермор и Троицк) используют качественно новый источник Тг газ, что имеет большое преимущество по сравнению с другими исследовательскими группами, использующими связанный в каком-либо веществе тритий.

Впервые газообразный источник трития был предложен и реализован в Лос-Аламоском эксперименте в 1980 году [24], где в качестве спектрометра использовался тороидальный спектрометр Третьяковского типа [28]. Спектрометр имел разрешение ЛЕ = 23 эВ. Авторы давали результат по массе нейтрино равный mv < 9.3 эВ с 95% уровнем достоверности, mv2 = -148±68±41.

Развитием разработанного в Лос-Аламосе эксперимента стала установка, созданная в дальнейшем в Ливерморе [29]. Эта установка состояла из магнитного спектрометра тороидального (типа Третьякова) с газовым молекулярным тритиевым источником. Спектрометр имел разрешение ЛЕ = 18 эВ и светимость L = 3 мм², а также очень низкий фон детектора 4 события в сутки при Е = 23 кэВ. Авторы определили массу.

2 2 нейтрино из формы спектра трития в виде: mv< 8 эВ, a mv = -72±41+30 эВ .

Из указанных в таблице 2 экспериментов следует отметить Токийскую установку [30] с безжелезным магнитным спектрометром типа с двойной фокусировкой, имеющим разрешение ЛЕ =16 эВ. В качестве источника электронов использовалась тритированная кислота (С20Н40О2) в виде мономолекулярного слоя. Установка имела хорошую функцию разрешения и давала ограничение на массу нейтрино величиной: mv < 13 эВ, mv 2 = -65±85±65 эВ2.

Можно отметить эксперимент в Цюрихе (Швейцария) [31], где для исследования спектра трития использовался магнитный спектрометр треьяковского типа с тороидальным магнитным полем, а в качестве источника электронов использовался тритий, имплантированный в углеродную плёнку. Активность источника была 0,3 мккюри/см, толщина источника 2 мг/см. Авторами был установлен предел на массу нейтрино: mv < 11 эВ, mv 2 = -24±48±61 эВ2.

Из вышеизложенного видно, что полученные во всех экспериментах результаты для квадрата массы нейтрино имеют отрицательное значение, что является нефизическим, и это обстоятельство указывает на либо неучтённые систематические ошибки, либо на ошибки, возникшие при обработке результатов.

Приведённые в таблице 2 результаты по определению массы нейтрино показывают, что на сегодня наилучший и достоверный результат получен в ИЯИ РАН на интегральном спектрометре. Это новый тип спектрометра, отличный от используемых ранее. Он был предложен В. М. Лобашевым и П. Е. Спиваком в 1982 г. [32, 33], затем численно обоснован в 1984;85 гг. для конкретных электрических и магнитных полей и получил далее название «интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией» [34, 35].

Сооружение нового типа спектрометра началось в ИЯИ в г. Троицке в 1985 г. Важно отметить приоритетное право, что именно в 1985 г. году авторами (Лобашев В.М. и др.) были опубликованы в журналах «Nuclear Instruments and Methods» а также в «Physical Research» две статьи [34, 35], где впервые излагались и способы создания нового типа спектрометра и численное моделирование электростатического интегрального спектрометра низких энергий с магнитной адиабатической коллимацией.

Почти одновременно с сооружением спектрометра началось создание источника трития на основе циркуляции газообразного молекулярного трития и сооружение гелиевого рефрижератора для питания сверхпроводящих соленоидов, создающих магнитные поля (0,8 — 8 Тл) в спектрометре и газовом молекулярном источнике. С начала 1988 г. на установке «Троицк ню-масс», включающей в себя три крупные части: новый тип спектрометра, молекулярный источник трития и гелиевый рефрижератор, можно было начинать регулярные сеансы измерений на конце бета-спектра по поиску ненулевой массы нейтрино.

Отметим некоторые важные особенности Троицкого эксперимента по сравнению с ранее существующими установками:

1) Высокое энергетическое разрешение нового типа спектрометра АЕ = 2,7-МэВ, и высокая стабильность функции разрешения.

2) Использование газового молекулярного источника трития высокой стабильности по плотности. Плотность может варьироваться в широком пределе 1013 -^5−1014 мол/см3. Энергетические потери в источнике можно точно вычислить и экспериментально проверить. В твердом источнике это сделать невозможно. Конечные состояния спектра молекул трития хорошо посчитаны несколькими независимыми группами.

3) Использование ртутных насосов для организации петли молекулярной прокачки трития исключает загрязнение источника трития ввиду того, что ртуть практически не взаимодействует с металлами и газами.

4) Использование перехвата молекул Тг для исключения их попадания в.

17 18 объём спектрометра на уровне 10″ -И0″ за счет использования исключающей прямой пролёт «магнитной змейки» и аргонового напыления для транспортного канала источника.

5) Использование крионасоса в спектрометре производительностью 20 000^-30 000 л/сек, который позволяет легко получить вакуум на уровне 4-Ю" 10мбар. и хорошо откачивает все газы в спектрометре, в том числе водород.

6) И, наконец, компактность установки за счет использования сверхпроводящих соленоидов, стабильность молекулярного источника, стабильность вакуума во время проведения длительных сеансов измерений бета-спектра.

7) В течение 1993;^-2005 гг. на установке было проведено 25 сеансов измерений, каждый длительностью от двух до четырех недель.

Таблица 1. Хронология ранних измерений распада трития.

Эксперимент (год) Метод детектирования Е0, кэВ mv, эВ.

Курран, 1948 Пропорциональный счетчик 18,3±0,3 < 1000.

Понтекорво, 1949 Пропорциональный счетчик 18,9.

Гамильтон, 1952 Электростатический спектрометр 19,4+0,4 <250.

Лангер, 1952 Магнитный спектрометр 17,95±0,10 <250.

Портер, 1952 Магнитный спектрометр 18,61±0,10.

САЛГО, Стауб, 1969 Электростатический спектрометр 18,7±0,10 <200.

Дорис, 1969 Магнитный спектрометр 18,57+0,75 <75.

Берквист, 1972 Магнитный спектрометр 18,61+0,016 <55.

Таблица 2. Сравнительные результаты измерений массы нейтрино последних лет.

ЭкспериМетодика Тип Источник РазреФон Свети Результат (эВ.) мент спектрометра электронов шение АЕ (эВ.) -мость (см2).

ИТЭФ, Тороидальный Валин — Т 20 0.03 — 0,025 17.

26, 27] магнит 0.1.

ЛосТороидальный Тг — газ 23 10~2 — 0,023 mv2 = -72±41±30.

Аламос магнитный 5 10″ 3 mv<8.

241 1991.

Токио [30] 1991 я л/2 магнит Кислота С20Н40О2 16 10″ J 0,02 mv2 = -65±85±65 mv<13.

Ливермор Тороидальный Т2 — газ 18 5 10° -0,03 mv2 = -72±41±30.

29] 1992 магнитный mv.

Цюрих Тороидальный Т2 импл. в — 10'2 0,7 mv2 = -24±48±61.

31] 1992 магнитный углеродную плёнку mv<8.

ИЯИ Интегральный Т2 — газ 3 5 10″ J 0,3 mv 2 = -2,3±2,5±2,0.

Москва электростатиmv<2,05.

36, 37] 2003 ческий.

Майнц Интегральный Тг наморо- 3−5 10″ J 0,15 mv2 = -1,6±2,5±2,1.

38, 39] 1994 электростатичес кий женный на медь mv<2,2.

Целью и задачей данной диссертации явилась разработка в ИЯИ РАН нового метода прямого измерения Р-спектра трития вблизи его граничной энергии с целью изучения массы электронного антинейтрино с помощью интегрального электростатического Р-спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией и создание в течение 1985 — 1990 гг. на его основе установки «Троицк ню-масс», где в качестве источника электронов используется газовый молекулярный источник трития. В 1990 — 2005 гг. на ней было проведено 25 сеансов измерений. Методика измерения впервые была предложена В. М. Лобашевым и П. Е. Спиваком в 1982 г.

Работа состоит из пяти глав. В первой главе дано подробное описание интегрального электростатического спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией. Во второй главе подробно описывается тритиевый молекулярный источник электронов. В третьей главе описывается криогенная система на основе ожижителя TCF-20, предназначенная для охлаждения 19 соленоидов установки «Троицк ню-масс». В четвертой главе описывается процесс захолаживания и поддержание рабочих температур установки и систем контроля при измерениях спектра трития. В пятой главе приводится физическое описание установки как гигантской ловушки Пеннинга, и дается описание процесса измерения Р-спектра трития. В заключении приводятся основные результаты и выводы.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в том, что:

1) Создана установка «Троицк ню-масс» нового типа для измерения массы нейтрино на основе прямого изучения Р-спектра трития, имеющая более высокие параметры (разрешение ЛЕ = 3,4 эВ, фон 10 мГц, плотность источника электронов 1014 — 1015 см" 3) по сравнению с ранее созданными установками для этих целей.

2) Установка «Троицк ню-масс» представляется компактной и надёжной, что стало возможным благодаря использованию сверхпроводящих соленоидов, в количестве 19 единиц, создающих сильные магнитные поля от 0,8 Тл до 5 Тл в молекулярном источнике и до 8 Тл в Р-спектрометре. Таюке она является компактной благодаря использованию для охлаждения сверхпроводящих соленоидов двухфазной парожидкостной смеси гелия, последовательно протекающей по всем 12 криостатам установки от ожижителя TCF-20, модернизированного для рефрижераторного охлаждения установки «Троицк ню-масс».

3) Особенностью используемой в установке «Троицк ню-масс» криогенной системы является последовательно ломанная линия 4,5 К криостатов и соответственно сверхпроводящих соленоидов газового молекулярного источника трития, что позволило избежать попадания молекул трития в спектрометр и тем самым снизить измерительный фон, а также обеспечить соединение криостатов холодными гелиевыми частями.

4) Существенное снижение измерительного фона на установке «Троицк ню-масс» обеспечивалось использованием 4,5 К поверхностей гелиевых криостатов внутри вакуумного кожуха Р — спектрометра, где требуемый вакуум должен быть лучше чем Ю" 10 мбар. Внесение холодных криостатов внутрь объёма позволило повысить откачку Р — спектрометра до уровня — 20 ООО л/сек и обеспечить необходимый вакуум.

5) Проведённые измерения р — спектра трития вблизи его граничной энергии позволили получить лучшее на сегодняшний день ограничение на массу нейтрино: т (уе) < 2,05эВ/с2 (95% C.L.) а также впервые позволили провести измерения по изучению объёмного заряда в молекулярном источнике трития с помощью измерения уширения конверсионной линии чистого 83mKr в смеси 83mKr+T2.

Опытные данные, полученные в ходе длительных исследований на установке «Троицк ню-масс», найдут практическое применение как при дальнейшей модернизации существующей установки, где предусматривается повысить энергетическое разрешение до АЕ< 1 эВ, так и при постройке новой установки «КАТРИН» [40], строящейся в Карлсруэ (Германия).

Результаты.

Предложен новый тип электростатического спектрометра (авторское свидетельство № 1 707 652 (1991), заявка № 4 418 616 (1988)) Изготовлен новый тип спектрометра, превосходящий по параметрам все имеющиеся аналоги.

Изготовлен ТМИ — безоконный источник электронов на основе циркуляции молекулярного трития.

Разработана и изготовлена сверхпроводящая магнитная система для установки «Троицк ню-масс», состоящая из девятнадцати соленоидов и двеннадцати криостатов, имеющих суммарную охлаждаемую массу ~ 800 кг.

Разработана и изготовлена криогенная система установки «Троицк ню-масс», отличительной особенностью которой явилось последовательно ломаная линия криостатов тритиевого источника, что позволило избежать перерассеяния молекул, и обеспечение соединения криостатов холодными гелиевыми частями.

Изготовлена система снабжения жидким гелием криостатов установки «Троицк ню-масс» с использованием парожидкостной гелиевой смеси от рефрижератора фирмы «Zulzer» типа TCF20, модифицированного под условия эксперимента.

Разработан и успешно используется для обеспечения установки жидким гелием гелиопровод с азотным экранированием, протяженностью около 40 метров.

Разработан и успешно используется криогенный комплекс установки, вюочающий в себя ожижитель гелия TCF20, систему сбора и хранения гелия и жидкого азота, систему очистки гелия от примесей.

Выполнено прецизионное измерение (3-спектра трития вблизи граничной энергии и получено ограничение для массы электронного антинейтрино mv < 2,05эВ.

Выполнены в двух сеансах измерения для уширения L3 (30 477±3,0 эВ) конверсионных электронов Кг для чистого криптона и смеси криптона и трития и показано отсутствие существенного разброса электрического потенциала газового источника на установке «Троицк ню-масс» вследствие возможного накопления объемного заряда.

Основной материал диссертации составляют результаты, полученные в 1985;2005 годах и опубликованные с следующих работах:

1. В. М. Лобашев, П. Е. Спивак, В. И. Парфенов, Н. А. Голубев, О. В. Казаченко, А. А. Голубев, Б. М. Овчинников, Е. В. Гераскин, А. М. Белесев, А. П. Солодухин, И. В. Секачев, Н. А. Титов, Ю. Э. Кузнецов. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА р-ЧАСТИЦ. Авторское свидетельство № 1 707 652 (1991), заявка № 4 418 616 (1988).

2. С. Н. Балашов, А. И. Белесев, А. И. Блейле, Е. В. Гераскин, А. А. Голубев, Н. А. Голубев О.В.Казаченко, Б. М. Овчинников, В. М. Лобашев, П. Е. Спивак, В. И. Парфенов. Спектрометр для измерения массы нейтрино.

Отчёт ИЯИ АН СССР, (М., 1988). ВНТИЦ, per. номер 1 840 069 064, инв. номер 167 990.

3. С. Н. Балашов, А. И. Белесев, А. И. Блейле, Е. В. Гераскин,.

A.А.Голубев, Н. А. Голубев, В. В. Ишкин, О. В. Казаченко, Ю. Э. Кузнецов,.

B.М.Лобашев, В. И. Парфенов, Б. М. Овчинников, И. В. Секачев,.

A.П.Солодухин, П. Е. Спивак, Н. А. Титов, И. Е. Ярыкин. Интегральный электростатический спектрометр электронов низкой энергии с магнитной адиабатической коллимацией для измерения массы покоя электронного антинейтрино. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0617(М., 1989).

4. А. И. Белесев, А. И. Блейле, Е. В. Гераскин, А. А. Голубев, Н. А. Голубев, О. В. Казаченко, Ю. Э. Кузнецов, В. М. Лобашев, Б. М. Овчинников, И. В. Секачев, А. П. Солодухин, А. И. Федосеев,.

B.И.Парфенов, И. Е. Ярыкин. Сверхпроводящая система спектрометра для измерения массы покоя электронного антинейтрино. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0615 (М., 1989).

5. S.N. Balashov, A.I.Belesev, A.I.Bleule, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev, V.V. Ishkin, O.V. Kazachenko, Yu. E. Kuznetsov, V.M. Lobashev, V.I. Parfenov, B.M. Ovchinnikov, I.P. Sekachev, A.P. Solodukhin, P.E. Spivak,.

N.A. Titov, I.E.Yarykin. STATUS OF THE EXPERIMENT OF INR-KIAE ON ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS MEASURING. In: Proceedings of WEIN (Montreal, 1989) 295−310.

6. А. И. Белесев, А. И. Блейле, Е. В. Гераскин, А. А. Голубев, Н. А. Голубев, О. В. Казаченко, В. М. Лобашев, Б. М. Овчинников, И. Е. Ярыкин, КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ИЗМЕРЕНИЮ МАССЫ ЭЛЕКТРОННОГОАНТИНЕЙТРИНО. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0614 (М., 1988).

7. S.N. Balashov, A.I.Belesev, A.I.Bleule, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev, O.V. Kazachenko, Yu. E. Kuznetsov, V.M. Lobashev, V.I. Parfenov, B.M. Ovchinnikov, I.P. Sekachev, A.P. Solodukhin, P.E. Spivak, N.A. Titov, I.E.Yarykin, Yu.I. Zakharov, P.E. Spivak, FIRST RESULTS OF THE TROITSK EXPERIMENT ON THE SEARCH FOR ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS IN TRITIUM DECAY, Препринт ИЯИ АН СССР, П-0862(М., 1994).

8. A.I.Belesev, A.I.Bleule, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev, O.V. Kazachenko, E.P.Kiev, Yu. E. Kuznetsov, V.M.Lobashev, B.M. Ovchinnikov, V.I. Parfenov, LP. Sekachev, A.P. Solodukhin, N.A. Titov, I.E. Yarykin, Yu. I. Zakharov, P.E.Spivak, S.N. Balashov. RESULTS OF THE TROITSK EXPERIMENT ON THE SEARCH FOR THE ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS IN TRITIUM BETA-DECAY. Phys.Lett.B350 (1995) 263−272.

9. V.M.Lobashev, A.I.Belesev, A.I. Berlev, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev, O.V. Kazachenko, Yu. E. Kuznetsov, V.S. Pantuev, L.A. Rivkis, B.E. Stern, N.A. Titov, I.E.Yarykin, S.V. Zadorozhny, Yu. I. Zakharov. STATUS AND NEW RESULTS FROM THE EXPERIMENT «TROITSK v-MASS» ON THE SEARCH FOR THE ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS IN TRITIUM BETA-DECAY.

In: Proceedings of International Conference «Neutrino 96». (Helsinki, Finland, June 13−19, 1996). World Scientific (1996) 264−277.

10. Y.M. Lobashev, A.I. Belesev, A.I. Berlev, E.V. Geraskin, A.A. Golubev, N.A. Golubev, O.V. Kazachenko, Yu.E. Kuznetsov, L.A. Rivkis, B.E. Stern, N.A. Titov, S.Y. Zadorozhny, Yu.I. Zakharov. NEUTRINO REST MASS AND ANOMALY IN THE TRITIUM BETA SPECTRUM. Nucl.Phys.B66 (1998) 187−191.

11. V.M. Lobashev, V.N. Aseev, A.I. Belesev, A.I. Berlev, E.V. Geraskin, A.A. Golubev, N.A. Golubev, O.V. Kazachenko, Yu.E. Kuznetsov, R.P. Ostroumov, L.A. Rivkis, B.E. Stern, N.A. Titov, S.V. Zadorozhny, Yu.I. Zakharov. NEUTRINO MASS AND ANOMALY IN THE TRITIUM BETA SPECTRUM. RESULTS OF «TROITSK v-MASS» EXPERIMENT. Nucl.Phys. B77(1999) 327−332.

12. 11. V.N. Aseev, A.I. Belesev, A.I. Berlev, E.V. Geraskin, O.V. Kazachenko, Yu.E. Kuznetsov, V.M. Lobashev, R.P. Ostroumov, N.A. Titov, S.V. Zadorozhny, Yu.I. Zakharov, J. Bonn, B. Bornschein, L. Bornschein, M. Przyrembel, Ch. Weinheimer. ENERGY LOSS OF 18KEV ELECTRON IN GASEOUS T2 AND QUENCH CONDENSED D2 FILMS. The Europeian Physical Journal D 10 (2000) 39−52.

13. А. И. Белесев, E. В. Гераскин, Б. JI. Жуйков, С. В. Задорожный, О. В. Казаченко, В. М. Коханюк, Н. А. Лиховид, В. М. Лобашев, А. А. Нозик, В. В. Парфенов, А. К. Скасырская, Е. А. Судачков, Н. А. Титов, В. Г. Усанов. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА В ГАЗООБРАЗНОМ ТРИТИИ КАК ИСТОЧНИКА ИСКАЖЕНИЯ В-СПЕКТРА В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПО ПОИСКУ МАССЫ НЕЙТРИНО «ТРОИЦК НЮ-МАСС», Ядерная физика Т. 71, № 3 2008 г. 449−459.

Заключение

.

В данной работе представлено описание и работа установки «Троицк ню-масс», созданной для измерения бета спектра-трития вблизи граничной энергии с целью поиска массы покоя электронного антинейтрино. Установка создана в ИЯИ РАН и с начала 1990 г на ней ведутся регулярные измерения спектра трития по изучению кинематической массы нейтрино, а также измерения спектров конверсионных линий Кг. На защиту выносятся следующие результаты:

1. Предложен новый тип электростатического Р-спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией (авторское свидетельство № 1 707 652 (1991 г.), заявка № 4 418 616 (1988 г.)).

2. Изготовлен новый тип электростатического Р-спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией, превосходящий по своим параметрам все существующие аналоги в области исследования Р-спектра трития и имеющем самое высокое разрешением по энергии, равное 3,4 эВ. Главной отличительной особенностью нового спектрометра является также высокая светимость L = 0,3 — 1,0 см², превосходящая на порядок другие типы p-спектрометров для области низких энергий.

3. Предложен и изготовлен безоконный тритиевый молекулярный источник на основе циркулирующего газообразного трития, имеющий плотность 1013 — 5"1014 мол/см3 с высокоэффективным перехватом трития, вылетающего в сторону спектрометра, с фоном на уровне 5 — 10 мГц. Это стало возможным благодаря использованию изогнутого канала транспортировки электронов из источника в спектрометр, а также благодаря адсорбционному насосу на основе напыленного аргона.

4. Разработана и изготовлена сверхпроводящая магнитная система для установки «Троицк ню-масс», состоящая из 19 соленоидов с напряжённостью магнитного поля от 0,8 Тл до 8 Тл.

5. Изготовлена система снабжения жидким гелием криостатов установки «Троицк ню-масс» с использованием парожидкостной смеси от рефрижератора фирмы «Zulzer» типа TCF20, с мощностью -90 Вт при 4,5 К, который был модифицирован под условия эксперимента.

6. Разработаны и изготовлены 12 гелиевых криостатов установки «Троицк ню-масс» для размещения в них сверхпроводящих соленоидов с общей захолаживаемой массой около 800 кг.

7. Разработан гелиопровод протяжённостью -40 м с азотным экранированием, имеющий разъёмные индиевые уплотнения для подключения отдельных частей установки «Троицк ню-масс»: (3-спектрометра, тритиевого молекулярного источника и гелиевого рефрижератора.

8. Разработан и успешно используется криогенный комплекс установки «Троицк ню-масс», включающий в себя ожижитель гелия TCF20, систему сбора и хранения гелия и жидкого азота, систему очистки и контроля газообразного гелия от примесей.

9. В течение 1994 — 2001 гг. проведены сеансы измерения Р-спектра трития вблизи граничной энергии Е0 = 18 570 эВ и получен результат для квадрата массы нейтрино: w2(ye) = (-2.3±2.5 ±2.0) эВ2/с4 и установлен верхний предел т (уе) < 2,05эВ/с (95% C.L.).

В настоящее время установка «Троицк ню-масс» в ИЯИ РАН является уникальной установкой, включающей в себя интегральный Р-спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией и безоконный источник электронов на основе молекулярного циркулирующего трития, имеющая разрешение АЕ = 3,4 эВ, светимость L= 0,3 см и собственный фон 10—15 мГц.

Строящаяся в Германии (Карлсруэ) установка «КАТРИН», обещающая дальнейшее улучшение чувствительности благодаря большим размерам, вступит в строй не ранее 2011 года. Необходимо отметить, что полученные на нашей установке «Троицк ню-масс» результаты исследований широко используются в эксперименте «КАТРИН», в частности, концепция газового источника с использованием изогнутого канала транспортировки электронов к спектрометру, аргоновое напыление в этом канале, применение предварительного спектрометра, электронной пушки и т. д.

В качестве дополнения к проведенным исследованиям Р-спектра на установке «Троицк ню-масс» необходимо еще раз отметить выявленную аномалию Р-спектра трития на самом конце его избытка счёта, напоминающую по форме ступеньку (step). Скачок этой интенсивности составил около 0,3 — 1,0 Ю" 10 от полной интенсивности источника. Эффект наблюдался практически во всех сеансах измерений (общее количество сеансов составило 23). Важно отметить, что в многочисленных сеансах измерений спектра трития группой Майнца [38, 39] ступеньки, по заявлению этих исследователей, не было видно в спектре. Это обстоятельство может быть вызвано другими используемыми параметрами при обработке результатов, а также худшим энергетическим разрешением их установки (~7 эВ). Кроме того, использованая ими в качестве источника электронов углеродная подложка с намороженными монослоями трития, способная самозаряжаться при измерениях p-спектра трития до 5 В, вызывает искажение функции разрешения их спектрометра.

Тем не менее, разумное объяснение «ступеньки», может быть найдено с вводом в строй новой модернизируемой в данное время установки «Троицк ню-масс», пуск которой планируется в 2008 году. Энергетическое разрешение этой модернизированной установки оценивается как АЕ = 0,$ эВ.

В заключении автор выражает глубокую благодарность научному руководителю эксперимента «Троицк ню-масс» академику РАН В. М. Лобашеву за поддержку и помощь в работе, а также всему коллективу сотрудников, принимавших участие в создании данной установки и проведении на ней физических измерений:

О.В. Казаченко, Н. А. Титову, В. И. Парфёнову, Б. М. Овчинникову, А. И. Белесеву, А. И. Блейле, А. И. Берлёву, С. В. Задорожному, Б. Е. Штерну, JI.A.

Ривкису, Н. А. Голубеву, А. А. Голубеву, [П.Е. Спиваку|, [О.В. Сердюку|,.

Ю.Э. Кузнецову!, А. П. Солодухину, И. В. Секачёву, А. К. Скасырской, а также А. Е. Шнырёву, В. Я. Баракину, В. В. Чернякову.

Автор выражает благодарность коллективу производственных подразделений ИЯИ РАН, прежде всего опытному производству, взявших на себя изготовление в 1988 — 90 гг. сложной и уникальной установки «Троицк ню-масс» без привлечения сторонних организаций.

Особую благодарность автор выражает А. К. Скасырской, С. В. Задорожному и А. А. Нозику за неоценимую помощь в оформлении диссертационного материала.