Подготовка детектора РЭД-100 с жидким аргоном в качестве рабочего вещества для решения задачи по регистрации упругого когерентного рассеяния реакторных антинейтрино

Введение 5
Глава 1. Обзор современных детекторов для регистрации упругого когерентного рассеяния нейтрино 8
1.1 Газовые низкопороговые детекторы 8
1.2. Полупроводниковые детекторы. 9
1.3. Низкотемпературные болометры. 11
1.4. Детекторы на жидких благородных газах. 13
Глава 2. Двухфазные эмиссионные детекторы на жидком аргоне для регистрации упругого когерентного рассеяния нейтрино 16
2.1 Детектор РЭД-100 16
2.2. Тестовый детектор РЭД-1 26
Глава 3. Лабораторные испытания двухфазного эмиссионного детектора с жидким аргоном РЭД-100 31
3.1. Нанесение спектросместителя на ФЭУ 31
3.2. Изучение сигналов с РЭД-100 в аргоне 32
3.3. Сравнение с экспериментальными данными в ксеноне 35
Заключение 43
Список использованных источников 44

Весь текст будет доступен после покупки

За 50 лет развития технологии двухфазных эмиссионных детекторов, использующих сжиженные благородные газы в качестве рабочего вещества, этот способ регистрации элементарных частиц продемонстрировал большой потенциал для постановки экспериментов по поиску редких взаимодействий и событий с малыми энерговыделениями вплоть до одиночных ионизационных электронов. Изначально метод предлагался для создания трековых детекторов частиц высоких энергий с целью визуализации треков релятивистских частиц в ускорительных экспериментах [1]. Однако наиболее широкое применение такой подход нашел в конструкции так называемых детекторов «без стенок», применяемых в экспериментах по поиску частиц тёмной материи в форме массивных слабовзаимодействующих частиц вимпов. Все лучшие пределы на существование во Вселенной тёмной материи в форме вимпов за последние 20 лет получены с помощью именно этой технологии [2]. В качестве рабочего вещества таких детекторов используются благородные газы: ксенон или аргон.
Кроме поиска вимпов еще одной перспективной задачей, которая может быть решена с помощью двухфазного эмиссионного детектора, является регистрация процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядре (УКРН). Процесс УКРН на атомном ядре предсказывается и описывается в рамках Стандартной модели фундаментальных взаимодействий. Теоретическая возможность такого процесса была впервые рассмотрена после обнаружения нейтрального слабого тока в нейтринных взаимодействиях с ядрами мишени [3,4]. Нейтрино и антинейтрино всех типов имеют возможность упругого когерентного взаимодействия со всеми нуклонами ядра посредством нейтрального тока при условии малости переданного ядру импульса. Сечение такого процесса достаточно большое и более чем на 2 порядка величины (для тяжелых ядер) превосходит сечение других известных процессов взаимодействия нейтрино низких энергий. В силу больших технических трудностей его регистрации – малом энерговыделении, процесс был экспериментально обнаружен только в 2017 году (спустя почти 50 лет после его предсказания) на ускорительном комплексе SNS (Окриджская национальная лаборатория, США) для нейтрино, имеющих энергию несколько десятков МэВ [5]. Для антинейтрино от ядерного реактора, средняя величина энергии которых составляет около 2 МэВ, энергия ядра отдачи лежит в области нескольких сотен эВ. При этом для его регистрации необходим низкопороговый детектор с большой массой (более нескольких кг), работающий в условиях низкого радиационного фона. Несмотря на большой прогресс в детекторных технологиях для низкофоновых экспериментов, до сих пор УКРН на ядерном реакторе не обнаружено из-за очень низкой энергии ядра отдачи и высокого фона. Регистрация процесса УКРН рассматривается не только как ещё одна возможность подтверждения Стандартной модели, но также и в качестве инструмента по поиску физики за ее пределами [6-11].

Весь текст будет доступен после покупки

Глава 1. Обзор современных детекторов для регистрации упругого когерентного рассеяния нейтрино
1.1 Газовые низкопороговые детекторы
Детекторы, в которых рабочим веществом (мишенью), на атомных ядрах которого происходит рассеяние нейтрино, является газ, привлекли внимание в первую очередь. Причина заключалась в том, что в них удается существенно снизить энергетический порог регистрации ионизационного сигнала благодаря значительно меньшей величине рекомбинации образовавшихся носителей зарядов по сравнению с более плотными жидкими и твердыми средами, а также газовому усилению, позволяющему регистрировать сигналы, образованные одиночными электронами. Теоретически, порог будет близок к средней энергии, затрачиваемой на образование одной электрон-ионной пары. Однако, ядро отдачи передает в тепло значительную часть своей кинетической энергии в столкновениях с другими атомами, поэтому для тяжелого ядра отдачи средняя энергия образования электрон-ионной пары существенно выше, чем, например, для электронов.
Для создания газовых детекторов, позволяющих регистрировать процесс упругого когерентного рассеяния нейтрино на атомном ядре, предлагались появившиеся в конце 90-х годов прошлого столетия структуры MICROMEGAS и GEM , позволяющие производить лавинное размножение электронов. Также предлагался традиционный газовый пропорциональный счетчик с цилиндрической геометрией, в котором усиление происходит на центральной проволочке – аноде.
В указанных работах, по-существу, рассматривались только способы регистрации сигнала, позволяющие обеспечить низкий энергетический порог. А такие важные моменты, как концепции построения полномасштабных детекторов, оценки фоновых условий, эффективностей и т.п. не рассматривались.
В целом очевидно, что газовый детектор достаточно трудно сделать массивным, что существенно ограничивает его возможности. По этой причине количество предложений с использованием газового детектора в чистом виде невелико.
1.2. Полупроводниковые детекторы.
Германиевый детектор с "точечным" контактом открыл новую эру в низкофоновых исследованиях. В нем низкий порог обеспечивается низким уровнем эквивалентного шума вследствие рекордно малой величины электрической емкости детектора. Энергетический порог такого детектора может составлять ~ 0.2 – 0.3 кэВ и даже ниже.
Пионерами в предложении эксперимента по регистрации упругого когерентного рассеяния нейтрино на атомном ядре детектором этого типа являются коллаборации CoGeNT и TEXONO.

Весь текст будет доступен после покупки

1. B.A. Dolgoshein, V.N. Lebedenko and B.U. Rodionov. New method of registration of ionizing particle tracks in condensed matter, JETP Lett. (1970), 11, 351.
2. APPEC Committee. Direct Detection of Dark Matter – APPEC Committee Report, arXiv:2104.07634v1 [hep-ex] 15 Apr 2021. 106 pp
3. Копелиович В Б, Франкфурт Л Л. Изотопическая и киральная структура нейтрального тока, Письма в ЖЭТФ, (1974), 19 236.
4. Freedman D Z. Coherent effects of a weak neutral current, Phys. Rev. D, (1974), 9 1389.
5. Akimov D et al. Observation of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering. (2017), Science 357 1123.
6. J. Barranco, O. G. Miranda, and T.I. Rashba. Probing new physics with coherent neutrino scattering off nuclei. J. High Energy Phys., (2005), 12 021.
7. Beacom J F, Farr W M, Vogel P. Detection of Supernova Neutrinos by
8. P.S. Amanik and G.C. McLaughlin. Nuclear neutron form factor from neutrino nucleus coherent elastic scattering. J. Phys. G36, (2009), 015105.
9. Patton K et al. Neutrino-nucleus coherent scattering as a probe of neutron density distributions. Phys. Rev. C86, (2012), 024612.
10. Kosmas T.S. et al. Probing neutrino magnetic moments at Spallation Neutron Source facilities. Phys. Rev. D , (2015), 92 013011.

Весь текст будет доступен после покупки