Анотація до роботи:

Георгадзе А.Ш.

Розрахунки детекторів сонячних нейтрино низьких енергій - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичннх наук за спеціальністю 01.04.16 - фізика ядра, елементарних частинок і високіх енергій. Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ, 2007.

Дисертацію присвячено розробці детекторів сонячних нейтрино низьких енергій. Запропоновано концепцію експерименту на основі сцинтиляторів CdWO₄. Проведені вимірювання фонових спектрів кристалів CdWO₄ дозволили одержати оцінки фону запропонованого детектора та показати принципову можливість реєстрації реакції захоплення нейтрино на ядрі ¹¹⁶Cd. Також проведено дослідження з покращенною точністю періоду напіврозпаду Т_1/2 = (7,7 ± 0,3)10¹⁵ років та форми спектру чотирикратно забороненого неунікального бета-розпаду ядра ¹¹³Cd. Запропоновано проект радіохімічного експерименту з використанням реакції захоплення нейтрино на ядрі ¹³¹Xe, розраховано перерізи реакції, розроблено методику збору продуктів реакції з речовини мішені. Проведено розрахунки фізичних характеристик сцинтиляційного детектора XMASS та показано принципову можливість реєстрації детектором реакцій захоплення нейтрино на ядрі ¹³¹Xe.

В даній дисертації запропоновано проекти нових експериментів, призначених для реєстрації сонячних нейтрино низьких енергій. Розроблено конструкції детекторів та проведено для них моделювання очікуваних спектрометричних та фонових характеристик.

1. Проведено експериментальні дослідження параметрів чотирикратно забороненого неунікального бета-розпаду ¹¹³Cd. Визначено з значно кращою точністю, ніж в попередніх експериментах, форму спектра та період напіврозпаду ядра ¹¹³Cd, який дорівнює

Т_1/2 = (7,7 ± 0,3)10¹⁵ років.

Завдяки спеціально розробленому наднизькофоновому спектрометру в даному експерименті вдалося отримати перевищення сигналу над фоном в 50 разів та внаслідок цього в 5 разів покращити точність визначення періоду напіврозпаду та визначити параметри фактора форми чотирикратно забороненого неунікального бета-переходу.

2. На наднизькофоновому спектрометрі проведено прецизійні виміри фону кристалів ¹¹⁶CdWO₄ в Солотвинській підземній лабораторії ІЯД НАН України. Визначено рівні домішок природних радіонуклідів сімейств урану й торія в сцинтиляторах ¹¹⁶CdWO₄, які становлять: питома активність ²³²Th - 17 нБк/г, що відповідає концентрації ~510^–12 г/г та ²²⁶Ra <7.5 нБк/г (концентрація <610^–12 г/г за ураном). Отримані результати свідчать, що вміст природних радіоактивних елементів в цих кристалах є одним з найнижчих з усіх відомих неорганічних сцинтиляторів, тому вони є перспективними кандидатами для експериментів з дослідження та пошуку рідких ядерних процесів, таких як подвійний безнейтринний бета-розпад та реєстрація сонячних нейтрино за допомогою реакції захоплення нейтрино на ядрі ¹¹⁶Cd.

3. Розроблено проект експерименту з використанням сцинтиляційних кристалів CdWO₄ для реєстрації реакцій захоплення сонячних нейтрино низьких енергій на ядрі ¹¹⁶Cd. Проведено розрахунки переризів захоплення нейтрино на ядрі ¹¹⁶Cd й інших ізотопах кадмію, а також на ізотопах вольфраму й кисню. Серед них переріз захоплення нейтрино є найбільшим для ¹¹⁶Cd. Швидкість реакцій захоплення, розрахована на основі стандартної сонячної моделі, для цього ізотопу дорівнює 260±65 SNU (1 SNU = 1 захоплення нейтрино на 10³⁶ атомів мішені).

Зроблено оцінку фізичних характеристик детектора з кристалами ¹¹⁶CdWO₄. Показано, що головною перевагою запропонованого проекту експерименту є можливість просторової локалізації ядерних подій всередині кристалів ¹¹⁶CdWO₄, що дозволяє значно знизити кількість фонових подій та забезпечити співвідношення ефект/фон на рівні одиниці. Для розрахованої ефективності реєстрації ~80% очікувана швидкість реєстрації реакцій захоплення ⁷Ве-нейтрино для детектора з 30 тоннами кристалів складе ~300 подій на рік.

4. Розроблено проект радіохімічного ксенон-цезієвий експеримент, заснований на використанні реакції захоплення нейтрино на ядрі ¹³¹Xe для реєстрації сонячних нейтрино. У зв'язку з низьким порогом захоплення нейтрино (352 кеВ), за допомогою даної реакції можлива реєстрація рр-нейтрино, головної складової потоку сонячних нейтрино. Проведено розрахунки переризів захоплення сонячних нейтрино на основний та збуджені рівні ¹³¹Xe. Зроблено оцінку можливих фонових подій, пов'язаних з утворенням іонів цезію завдяки захопленню нейтрино іншими ізотопами ксенону, реакціям з мюонами та реакціям, пов'язаним з радіоактивними домішками в ксеноні, а також в процесах спонтанного розпаду урану-238. Показано, що внесок фонових реакцій є незначним.

5. Розроблено концепцію радіохімічного ксенон-цезієвого детектору, яка заснована на зборі продуктів реакції – іонів ¹³¹Cs – з рідини мішені за допомогою електростатичного поля.

6. Показано, що для реакції захоплення нейтрино на ядрі ¹³¹Xe очікуваний внесок в швидкість реєстрації від рр-нейтрино складе 22%, від берилієвих нейтрино – 40%, від борних – 28%, від інших нейтрино – 10%. Таким чином, сумісно с даними хлор-аргонного, галій-германієвого та інших нейтринних експериментів, ксенон-цезієвий експеримент дасть можливість незалежного визначення головних складових потоку сонячних нейтрино та дозволить визначити чисельно потік рр- та берилієвих нейтрино.

Якщо створення детекторів прямого детектування сонячних нейтрино низьких енергій буде неможливим (з погляду на величезний фон, пов’язаний з природною радіоактивністю всіх матеріалів детектора при енергіях менше 3 МеВ), запропонований радіохімічний ксенон-цезієвий детектор може стати єдиною можливістю для чисельного визначення потоків рр- та ⁷Be-нейтрино.

7. Проведено дослідження спектрометричних та фонових характеристик сцинтиляційного детектора XMASS. На основі зроблених оціночних розрахунків параметрів детектора досліджено можливість реєстрації як реакцій розсіювання нейтрино, так і реакцій захоплення нейтрино на ядрі ¹³¹Xe у детекторі XMASS. Показано, що ефективна швидкість реєстрації захоплення нейтрино складе 30 подій захоплення рр-нейтрино та 25 подій захоплення нейтрино від розпаду ⁷Be при співвідношенні ефект/фон»1.

Таким чином, показано принципову можливість реєстрації в детекторі XMASS як реакцій розсіяння сонячних нейтрино, так і реакцій захоплення нейтрино на ¹³¹Xe, тобто в одному експерименті стає можливим визначення параметрів нейтринних осциляцій при низьких енергіях, що досі не планується для жодного іншого експерименту.

Публікації автора:

1. F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, V.N.Kuts, A.S.Nikolaiko, V.I.Tretyak, Yu.Zdesenko. The research of 2b decay of ¹¹⁶Cd with enriched ¹¹⁶CdWO₄ crystal scintillators // Phys. Lett. B. - 1995. - Vol. 344. - P. 72 - 78.

2. А.Ш.Георгадзе, Ф.А.Даневич, Ю.Г.Здесенко, В.В.Кобычев, Б.Н.Кропивянский, В.Н.Куц, А.С.Николайко, В.И.Третяк. Результаты исследований 2b-распада ¹¹⁶Cd с помощью сцинтилляторов ¹¹⁶CdWO₄ // Ядерная Физика. - 1995. - Т. 58. - C. 1170-1179.

3. S.Ph.Burachas, F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, H.V.Klapdor-Kleingrothaus, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, V.N.Kuts, A.Muller, V.V.Muzalevsky, A.S.Nikolaiko, O.A.Ponkratenko, V.D.Ryzhikov, A.S.Sai, I.M.Solsky, V.I.Tretyak, Yu.G.Zdesenko. Large volume CdWO₄ crystal scintillators. // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Research A. - 1996. - Vol. 369. - P. 164-168.

4. А.Ш.Георгадзе, Ф.А.Даневич, Ю.Г.Здесенко, В.Н.Куц, В.В.Кобычев, Б.Н.Кропивянский, А.С.Николайко, О.А.Понкратенко, В.И.Третяк. Бета-распад ¹¹³Cd. // Ядерная физика. - 1996. - T. 59. - C. 5-9.

5. А.Ш.Георгадзе, В.В.Кобычев, О.А.Понкратенко. О возможности детектирования солнечных нейтрино с помощью сцинтилляторов CdWO₄. // Ядерна фізика та енергетика. - 2007. Т.19(1). - С.151-159.

6. А.Ш.Георгадзе, Ф.А.Даневич, Ю.Г.Здесенко, В.В.Кобычев, Б.Н.Кропивянский, В.Н.Куц, В.В.Музалевский, А.С.Николайко, О.А.Понкратенко, В.И.Третяк. Оценка активностей радиоактивных примесей в кристаллах вольфрамата кадмия. // Приб. и техника эксперимента. - 1996. - T.2. - С. 45-51.

7. А.Ш.Георгадзе, Ф.А.Даневич, Ю.Г.Здесенко, В.Н.Куц, В.В.Кобычев, Б.Н.Кропивянский, В.В.Музалевский, А.С.Николайко, О.А.Понкратенко, В.И.Третяк, С.Ф.Бурачас, В.Д.Рыжиков, А.С.Сай, И.М.Сольский. Сцинтилляторы CdWO₄ большого объема // Приб. и техника эксперимента. - 1996. - № 3. - C. 48-52.

8. A.Sh.Georgadze, H.V.Klapdor-Kleingrothaus, H.Ps, Yu.G.Zdesenko. A xenon solar neutrino detector // Astropart. Phys. - 1997. - Vol. 7. - P. 173-179.

9. A.Sh.Georgadze, H.V.Klapdor-Kleingrothaus, H.Ps, Yu.G.Zdesenko. A xenon solar neutrino detector. // Proc. 4^th Int. Solar Нейтрино Conf., Heidelberg, Germany, 8-11 April 1997. - Max-Planck-Institut fr Kernphysik, Heidelberg. -1997. - P. 283-291.

10. A.Sh.Georgadze, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, A.S.Nikolaiko, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, Yu.Zdesenko. Limits on Majoron modes of ¹¹⁶Cd neutrinoless 2b decay // Nucl. Phys. A. - 1998. - Vol. 643. - P. 317-328.

11. F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, V.V.Kobychev, A.S.Nikolaiko, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, S.Yu.Zdesenko, Yu.G.Zdesenko, P.G.Bizzeti, T.F.Fazzini, P.R.Maurenzig. Two-neutrino 2 decay of ¹¹⁶Cd and new half-life limits on 2 decay of ¹⁸⁰W and ¹⁸⁶W // Nucl. Phys. A 2003. Vol. 717. - P. 129-145.

12. A.Sh.Georgadze, H.V.Klapdor-Kleingrothaus, H.Ps, Yu.G.Zdesenko. A xenon solar neutrino detector. // Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.). - 1999. - Vol. 70. - P. 354-357.

13. F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, A.S.Nikolaiko, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, S.Yu.Zdesenko, Yu.G.Zdesenko, P.G.Bizzeti, T.F.Fazzini, P.R.Maurenzig. New results of ¹¹⁶Cd double b decay study with ¹¹⁶CdWO₄ scintillators // Phys. Rev. C. - 2000. - Vol. 62. - P. 045501(1-9).

14. A.Sh. Georgadze, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak et al. Application of the event generator DECAY4 to evaluation of XMASS experiment for the low energy solar neutrinos detection. // Proc. Int. Workshop on Technique and Application of Xenon Detectors, 3-4.12.2001, Tokyo, Japan. - World Sci. - 2002. - Р. 144-164.

15. A.Sh.Georgadze, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, Yu.G.Zdesenko, Y.Koshio, S.Moriyama, M.Nakahata, Y.Suzuki. Background simulation and evaluation of the XMASS experiment for the detection of low energy solar neutrinos // Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.). - 2003. - Vol. 118. - P. 453.

16. А.Ш.Георгадзе, С.Ю.Здесенко, О.А.Понкратенко, В.И.Третяк, Ш.Морияма, М.Накахата, Й.Сузуки, Й.Кошио. О возможности регистрации солнечных нейтрино с помощью детектора на основе ксенона. // Известия Академии Наук, серия физическая. - 2003. - T. 67. - С. 1518-1525.

17. F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, A.S.Nikolaiko, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, S.Yu.Zdesenko, Yu.G.Zdesenko, P.G.Bizzeti, T.F.Fazzini, P.R.Maurenzig. Search for 2b decay of cadmium and tungsten isotopes: Final results of the Solotvina experiment. // Phys. Rev. C. - 2003. - Vol. 68. - P. 035501(1-13).