Отчет о научно-исследовательской работе Разработка литиевого метода регистрации солнечных нейтрино. Руководитель темы: А.В.Копылов Исполнители: С.Н.Даньшин Г.Я.Новикова И.В.Орехов Е.П.Петров В.В.Петухов А.Е.Соломатин В.И.Череховский Литиевый детектор + ne > 7Be + eBoth initial and final states are mirror nuclei. The transition is super-allowed. The cross-section is high and can be calculated with very good accuracy, better than 1%. The abundance of 7Li in natural lithium is high (93%), the mass of the target is small (~10 tons). The threshold is 0.86 MeV, I.e. very high sensitivity to neutrinos of medium energy (7Be, pep, CNO) 7Li V.A.Kuzmin and G.Zatsepin On the neutrino spectroscopy of the Sun, in Proceedings of 9th International Cosmic Ray Conference, London, 1965, p.1024 J.N.Bahcall Phys.Lett. 13 (1964) 332 J.N.Bahcall Phys.Rev.Lett. 23 (1969) 251 Fig.1 from : A.Kopylov, V.Petukhov, Physics Letters, B 544(2002)11-15 Современное состояние с учетом последних результатов КамЛАНД (G.L.Fogli et al., arXiv:hep-ph/0506307) Зависимость от энергии Measurement by SNO and SK SNO salt phase SNO pure D2O kinetic energy No spectrum distortion so far. SK spectrum sin2q=0.28, Dm2 =8.3×10-5 eV2 Is it due to systematic error ? Is it due to low statistics ? Larger mixing angle and/or smaller Dm2 ? q13 effect ? Total energy Need more statistics and lower systematic errors to test spectrum distortion. На реакторе: измерить эффект в минимуме осцилляционной кривой (Y.Minakata et al. hep-ph/0407326) Важная задача – измерить поток нейтрино от CNO цикла The abundances of 12C and 14N along the profile of the Sun suggested by Standard Solar Model. • • • • J.N.Bahcall, 1989, Neutrino Astrophysics But so far – no experimental evidence that CNO does exist, no information on such peculiar distribution of abundances of 12C and 14N The energy produced in CNOI and CNOII are very close while the effect in a lithium detector is very different: 1/5 for neutrinos from 13N to 15O If all the effect due to 13N neutrinos this will increase the energy produced in CNOI by a factor of 6, what will decrease the energy produced in pp-chain and will give theta solar conflicting with the present result. Depends upon the result of measurements in Li exp. Important! Here the solar model N14 (Bahcall nomenclature) is used as reference, i.e. the unity on the Y axis take already into account the reduced flux due to new S0(14N) measurement 3 limit 3 best fit 2 1 luminosity constraint • Bahcall and Pinsonneault hep-ph/0402114 The solar n fluxes The production rates. Table 1. Standard Model Predictions (BP2000): solar neutrino fluxes and neutrino capture rates, with 1 uncertainties from all sources (combined quadratically). Source Flux (1010 cm-2s-1) Cl (SNU) 0.0 Ga (SNU) 69.7 Li (SNU) 0.0 Pp 5.95(1.00+0.01-0.01) Pep 1.4010-2(1.00+0.015-0.015) 0.22 2.8 9.2 Hep 9.310-7 0.04 0.1 0.1 7Be 4.7710-1(1.00+0.10-0.10) 1.15 34.2 9.1 8B 5.0510-4(1.00+0.20-0.16) 5.76 12.1 19.7 13N 5.4810-2(1.00+0.21-0.17) 0.09 3.4 2.3 15O 4.8010-2(1.00+0.25-0.19) 0.33 5.5 11.8 17F 5.6310-4(1.00+0.25-0.25) 0.0 0.1 0.1 7.6+1.3-1.1 128+9-7 52.3+6.5-6.0 Total The expected rate from solar neutrinos is 25 SNU, of this 8 SNU – from CNO neutrinos, i.e. approx. 30% while the energy produced in CNO cycle is only 1.5% Общая формулировка задачи • • • • • • • Результаты экспериментов с солнечными нейтрино дают фундаментальный результат m2>m1 (Dm122 >0) (но это требует подтверждения в прямом эксперименте). Эксперимент КамЛАНД допускает оба знака для Dm122, хотя сама величина измерена с высокой точностью (7.9 + 0.6/-0.5)10-5 eV2. Сейчас принципиально важно с прецизионной точностью (~3%) измерить угол смешивания q12 для реакторных антинейтрино ( H. Minakata et al. hep-ph/0407326) и для солнечных нейтрино (M.Nakahata Report on Future Solar Neutrino Experiments at NOW-2004, September 2004). Если углы смешивания различны, это может быть интерпретировано как: 1. Новое в рассмотрении зффекта вещества; 2. Новая Физика (Нестандартное взаимодействие (O.G.Miranda, M.A.Tortola and J.W.F.Valle hep-ph/0406280) и т. д.); 3. Нарушение CPT инвариантности; 4. Новое в механизме генерации солнечной энергии; ( A.Kopylov “About the sign of Dm122” hep-ph/0411031v2) Проблема солнечных нейтрино в принципе решена – осцилляции нейтрино, однако предлагаемое решение (параметры нейтринных осцилляций) может существенно отличаться от реальности. Основные задачи будущих экспериментов по солнечным нейтрино: Измерить энергетический спектр рр-нейтрино; Измерить потоки нейтрино промежуточных энергий (7Be- и CNO-нейтрино). Научная задача литиевого эксперимента • • • Данные, полученные с помощью литиевого детектора, позволят: измерить вклад CNO-цикла в солнечную энергетику и тем самым проверить правильность нашего представления о звездной эволюции. Измерить фактор ослабления потока электронных нейтрино в области промежуточных энергий и тем самым удостовериться в правильности принятого положения о разделении вакуумных осцилляций и эффекта МСВ в области промежуточных энергий. Измерить прецизионно угол смешивания и, сравнивая эту величину с полученной в экспериментах с антинейтрино от реакторов проверить правильность принятого механизма осцилляций нейтрино в веществе. • Если определить вклад CNO цикла с погрешностью 30% (и бериллиевых нейтрино – 10%), погрешность в определении потока pp-нейтрино в источнике составит величину менее 1% [A.Kopylov, V.Petukhov hep-ph/0301016, hepph/0306148, hep-ph/0308004; A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov, A.Solomatin, A.Arnoldov hep-ph/0310163] 0.913fpp + 0.002fpep + 0.07fBe + 0.015fCNO = 1 • Значение солнечной постоянной не меняется в пределах несколько десятых долей процента. Стенд для отработки методики (без теплоизолирующего слоя и нагревателей) 1. Заправка лития в аргоне в плавильный бак. 2. Фильтрующий элемент 3. Плавильный бак 4. Введение активной порции бериллия в литий. 5. Приемный бак 2 6. Приемный бак 1 7. Фильтрующий элемент 8. Приемный бак 3. Далее: приемный бак 3 и плавильный бак меняются местами 1 2 3 4 5 6 7 8 Схема установки Алюминий ( 30 мг) в качестве носителя 7Be. 27Al(p,X)7Be 27Al(p,X)22Na Ep≈100 MeV texp=1200 mAh рисунок слева – гамма спектр образца алюминия (t=1 min) после облучения, справа – то же после отгонки натрия в течение двух часов при температуре 800 ºK на графитовом тигле и последующего травления в кислоте. В результате проведенных измерений было установлено: • • Изотоп 22Na практически полностью находился в литии в баке №4. Никаких следов от активности 7Be в литии в баке №4 не наблюдалось, т.е. бериллий полностью извлекался из лития. Никаких следов от активности 7Be на стенках бака №3 и на фильтрах №1 и №2 не наблюдалось, проскок бериллия через сливной бак составил менее 1%. Практически вся активность 7Be высадилась на окисной пленке, удержанной стенками бака №2 (сливной бак). Это было обеспечено малым диаметром сливной трубки на выходе бака №2. Тот факт, что активность 7Be высадилось на поверхности, облегчает дальнейшую процедуру извлечения, т.к. задача сбора активности с поверхности значительно проще, чем из объемного фильтра и, кроме того, приводит к минимальной потере лития в результате процедуры извлечения. Активность 7Be собиралась с поверхности путем последовательного орошения поверхности бака №2 мерными порциями дистиллированной воды. Каждая порция воды после смыва пропускалась через бумажный фильтр, и на выходе получали часть активности 7Be в нерастворимом осадке на фильтре и часть - в растворе после фильтра. Всего было проведено 5 орошений по 100 мл каждое. Измерение активностей после каждого орошения показало, что за первые 4 орошения было смыто 96.4% исходной активности 7Be. Из них 61.4% содержится в нерастворимой фазе и остальные 35% - в растворимой фазе. Величина 96.4% является вполне приемлемой для постановки литиевого эксперимента. Далее, путем сжигания беззольных фильтров и измерения активности до и после сжигания было доказано, что активность 7Be при этом не теряется. Это объясняется тем, что литий не имеет летучих соединений. Таким образом, была показана эффективность использования этого метода концентрирования бериллия. Концентрирование бериллия из раствора и перевод его в твердую фазу проводилось с использованием методики, разработанной ранее [30]. При этом практически не наблюдалась потеря активности 7Be. Анализ содержания лития в растворе показал, что во время извлечения бериллия потери лития составили менее 1%, что вполне приемлемо для постановки эксперимента. По результатам работы получены следующие технические решения: • • • • • • • 1. При извлечении бериллия из лития необходимо использовать термостатический режим. 2. Оптимальной является модульная структура детектора (20 модулей по 500 кг лития каждый). 3. Использовать проточную конструкцию баков модуля. Каждый модуль состоит из двух баков, теплоизолированных в общем корпусе. Литий из одного бака модуля перекачивается в другой бак и наоборот. 4. После перекачки лития бериллий извлекается со стенки бака орошением дистиллированной водой. 5. Фильтрация раствора со взвесью через бумажные или лавсановые фильтры с получением нерастворимого осадка и раствора. 6. Концентрирование раствора до получения твердого осадка. Эти технические решения являются основой для проектирования и разработки пилотной установки литиевого детектора на базе одного литиевого модуля. Модуль на 500 кг лития (пилотная установка). 1400x2800 mm, h=2.5m Преимущества модульной структуры. • • Each module after the exposure at the site on a surface will be brought to an underground chamber and 7Be generated at the surface by a nucleonic component of CR will be extracted from lithium. This will provide statistics (20 measurements) adequate to determine the scattering of the points relative to a medium value and will enable to compare the results of measurements with the coefficients found from the ratio of the extracted to inserted beryllium sample as a carrier of 7Be. The modular structure is useful also to extrapolate the yield of 7Be by CR placing the modules at several shallow depths and measuring the depth curve of the yield as it has been done in a chlorine experiment. • The work will be done with one module after another. Lithium (500 kg) will be melted, after this beryllium will be extracted and the activity of 7Be will be counted by HPGe detector. For the power of electric heaters minus thermal loss 5 kW, the time needed for heating lithium from 20ºC till a melting point, for melting lithium and heating lithium till 200ºC will be approximately 2 days. The time needed to complete all procedures with one module including all chemistry and counting of 7Be will take approximately a week. So in half a year starting from the beginning of transportation of lithium modules underground the full scale lithium installation on 10 tons of lithium will be ready for first exposure. The measured coefficients of extraction will show how many cycles of extractions are needed to remove all cosmogenic 7Be from lithium. Измерение содержания 232Th (по 208Ta) и 238U (по 214Bi) на гамма спектрометре NaI(Tl) Малая плотность лития (0.5 г/см3) низкая эффективность регистрации длительное время измерения 40 суток – измерение с образцом (30 кг лития – 60 литров) 40 суток – измерение фона Предварительный результат: Предел на содержание: 232Th (по 208Tl) <10-8 г/г (+/-20%) 238U (по 214Bi) <810-9 г/г The counting of 7Be by the HPGe detectors. • The line 478 KeV in 10% of 7Be decay • The background from 511 keV • To discriminate background of 511 kev one needs very high resolution HPGe detectors • The background from 65Zn (T1/2=244 d) produced by spallation on Ge70(20.5%),72(27.4%),73 (7.8%),74(36.5%),76(7.8%) 65Ge65Ga65Zn65Cu (gline 1124 keV) to remove cosmogenics Техническая осуществимость проекта • • Вариант с малой камерой (методом конвейера). Литиевые модули размещаются в готовых подземных выработках на БНО на глубине примерно 3000 м.в.э., и транспортируются поочередно на технологическую площадку (аппаратную), где производится извлечение бериллия из лития. Технологическая площадка (аппаратная) с отдельным входом размещается на сбойке штолен (~ 4м х 5м в плане и высотой 3.5 м) и оборудуется всем необходимым для технологии (электроэнергия, вентиляция с осушителем воздуха, вакуумная линия, линия аргона и т.д.) Основные требования к инфраструктуре № пункта Требование Глубина размещения модулей и аппаратной Аппаратная На глубине 3300 м.в.э. Фон от мюонов ~ 0.33 SNU 4m x 5 m h=3.5 м Низкофоновая камера для счета 7Be 3m x 5 m h=3.5 м Потребляемая мощность (10 дней в квартал) Нагрузка на вентиляцию ~30 kW ~5 kW тепловыделения во время извлечения Требования к подземному помещению Допустимые источники фона Item Comments/Details Muons Depth 3000 m.w.e. is OK Gamma Rays Not important Neutrons (< 10 MeV) Neutron flux =10-6 n/cm2sec Surface of 20 lithium containers = 100 m2 Time - 1day (8.64E4 sec) Yield of 7Be per fast neutron : 710-4x510-4=3.510-7 Background from neutrons: 0.03 atoms of 7Be/day (< 2% of CR) < 10-6 n/cm2sec (As a mean energy of fast neutrons it was taken here 6.0 MeV, then a proton with energy 3.3 MeV is generated in (np) reaction on 6Li; the yield of 7Be in a metallic lithium per one proton of 3.3 MeV is 510-4) Capture Rate @ 25 SNU: 107 x 0.93/7 x 61023 x 2510-36x 8.64104 = 1.7 atoms of 7Be/day Neutrons (> 10 MeV) Depth 3000 m.w.e. is OK Radon Not important (important for counting of 7Be) Shielding Requirements If the flux of fast neutrons in Hall A > 10-6 n/cm2sec some neutron shield will be required Публикации: A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov and A.Solomatin “A Lithium Experiment in the Program of Solar Neutrino Research” принят для публикации в журнале «Ядерная Физика» по материалам доклада А.В.Копылова на Международной конференции NANP-2005 в г. Дубна • Доклад А.Соломатина на Баксанской школе «Частицы и космология» • A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov, A.Solomatin, G.Zatsepin, M.Arnoldov • Development of the technology of a radiochemical lithium detector of solar neutrinos. 1. Homestake Collaboration, B.T.Cleveland et al., Astrophys. J. 496, 505 (1998). • Доклад А.Копылова на LowNu2003 2. SAGE Collaboration, J.N.Abdurashitov et al., J. Exp. Theor. Phys. 95, 181 (2002). 3. GALLEX Collaboration, W.Hampel etA.Kopylov al., Phys. Lett. B 447, 127 (1999). • 4. GNO Collaboration, M.Altmann Phys. Lett. B 616, (2005). • et al., Lithium detector of174 solar neutrinos as a stringent test of the theory of stellar evolution. 5. Kamiokande Collaboration, Y.Fukuda et al., Phys. Rev. Lett.на 77,NANP2003, 168, 3 (1996). • Доклад А.Копылова опубликован: 6. SK Collaboration, M.B.Smy et• al., Phys. Rev. D 69, 011104 (2004). A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov, A.Solomatin, A.Arnoldov 7. SNO Collaboration, S.N.Ahmed et al., Phys. Rev. Lett. 92, 181301 (2004). • Lithium experiment on solar neutrinos to weight the CNO cycle 8. SNO Collaboration, B.Aharmin et al., arXiv:nucl-ex/0502021. • Опубликована в журнале «Ядерная 9. KamLAND Collaboration, K.Eguchi et al., Phys. Rev. Lett. 94, 081801 (2005). физика» Vol. 67, No. 6, 2004, pp. 1204 -1209 • A.Kopylov, V.Petukhov 10.B.Pontecorvo, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 53, 1717 (1968) [Sov. Phys. JETP 26, 984 (1968)]. • A lithium Experiment as the Stringent Test of the Theory of Stellar Evolution 11. G.L.Fogli et al., arXiv:hep-ph/0506307. • arXiv:hep-ph/0301016, 12. L. Wolfenstein, Phys.Rev. D 17, 2369 (1978). 13. S.P.Mikheev and A.Yu.Smirnov, Yad. Fiz. 42, 1441 (1985) [Sov. J. Nucl.Phys.42, 913 (1985)]. • A.Kopylov, V.Petukhov 14. J.N.Bahcall and C.Peňa-Garay, • arXiv:hep-ph/0305159. Lithium Experiment in the Interplay of Solar and Neutrino Physics 15. M.Nakahata, Report at International Conference (NOON-2004, Japan). • arXiv:hep-ph/0306148, 16. R.Raghavan, Report at International Conference (TAUP-2005, Spain). • A.Kopylov, V.Petukhov 17. A.V.Kopylov, Report at International Conference (NANP-2005, Russia). • The Sensitivity of a Lithium Experiment on Solar Neutrinos to the Mixing Angle q12. 18. V.A.Kuzmin and G.Zatsepin On the neutrino spectroscopy of the Sun, in Proceedings of 9th International Cosmic Ray Conference, • arXiv:hep-ph/0308004; London, 1965, p.1024. • A.Kopylov 19. J.N.Bahcall Phys.Lett. 13 (1964) 332; J.N.Bahcall Phys.Rev.Lett. 23 (1969) 251. 20. A.Kopylov, V.Petukhov, Physics Letters, B the 544 sign (2002)11-15. • “About of of Dm122.” 21. G.V.Domogatsky, Preprint of• Lebedev Physical Institute (FIAN, Moscow) No.153, (1969). arXiv:hep-ph/041103 22. J.N.Bahcall, Rev. Mod. Phys. 881. • 50 (1978) Популярная статья в журнале «Природа» 23. J.K.Rowly, Proc. Conf. On Status and Future of Solar Neutrino Research, BNL, (1978) 265. • А.Копылов 24. E.Veretenkin, V.Gavrin, E.Yanovich, Russian J. “Atomic Energy” 88 (N1) (1985) 65. • «Солнечные нейтрино: новые результаты» 25. A.V.Kopylov, A.N.Likhovid, E.A.Yanovich, G.T.Zatsepin, in Proc. of Intern. School “Particles and Cosmology”, Baksan Valley, • Опубликована февральском (2004 г.) номере журнала «Природа». Russia; Editors: E.N.Alekseev, V.A.Matveev, Kh.S.Nirov,вV.A.Rubakov, (World Scientific, Singapore-New Jersey-London-Hong Kong) Источники: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • (1993) 63. 26. S.Danshin, G.Zatsepin, A.Kopylov et al., Part. Nucl. 28 (1997) 5. 27. M.Galeazzi, G.Gallinaro, F.Gatti et al., Physics Letters B 398 (1997) 187. 28. A.V.Kopylov, in Proc. Intern. Conf. NANP-2003, Russian J. “Yadernaya Fizika” 67 (2004) 1204-1209. 29. A.Kopylov and V.Petukhov, hep-ph/0301016, hep-ph/0306148. 30. Г.Я.Новикова «Исследование возможностей извлечения микроколичеств бериллия из лития с целью создания радиохимического Li-Be детектора солнечных нейтрино.» диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук. (2001). Статус проекта 1. В принципиальных вопросах технология литиевого метода разработана в рамках НИР 01.2.00305501 (завершен в 2005 г.) при поддержке гранта Ведущих Научных Школ LSS-1786.2003.2 (Г.Т.Зацепин), Президиума РАН «Нейтринная Астрофизика» (В.А.Матвеев) и гранта РФФИ №04-02-16678 (окончание в 2006 г.) 2. Следующий этап – создание пилотной установки на 500 кг лития. Подана заявка на продолжение работ в рамках НИР на 2006-2010 г.г.