Институт ядерных исследований РАН, Москва, РФ Поиск осцилляций электронных нейтрино на короткой базе в экспериментах SAGE и Borexino с искусственным источником нейтрино В.В.Горбачёв, Е.П.Веретёнкин, В.Н.Гаврин, Т.В.Ибрагимова, А.В.Калихов В.Горбачёв ИЯИ РАН В.Горбачёв ИЯИ РАН В.Горбачёв, Сессия ЯФ ОФН РАН ИТЭФ, 21 – 25 ноября 2011

Стерильные нейтрино Осцилляции на короткой базе: 1) LSND (анти- ν μ анти- ν e ) L ~ 30 м E < 800 МэВ 2) MiniBooNE ( ν μ, анти- ν μ ν e, анти- ν e ) L ~ 540 м E < 3000 МэВ 3) Ga эксперименты с искусственными источниками (исчезновение ν e ) L ~ 1 м E ~ 1 МэВ SAGE ( 51 Cr, 37 Ar, ~0.5 МКи) GALLEX (2 x 51 Cr, ~1.7 МКи) 4) Эксперименты с реакторами на базе < 100 м (исчезновение анти- ν e ) L < 100 м E < 8 МэВ Bugey, Goesgen,... Все результаты согласуются с осцилляциями с Δm 2 ~ 1 эВ 2 |Δm 2 | >> Δm 12 2 = 8·10 -5 эВ 2 (солн.) |Δm 32 2 | = 2.4·10 -3 эВ 2 (атм.) Необходимо 4-е состояние нейтрино! В.Горбачёв, Сессия ЯФ ОФН РАН ИТЭФ, 21 – 25 ноября 2011

Определение параметров осцилляций в экспериментах с источниками В.Горбачёв, Сессия ЯФ ОФН РАН ИТЭФ, 21 – 25 ноября 2011 Источники 51 Cr ( 37 Ar) дают моноэнергетические нейтрино Для определения параметров осцилляций нужен детектор с координатной чувствительностью Центральное расположение – технические сложности: защита от γ 40 см W,Cu 7 м от центра – радиус рабочей части (FV) 330 см, 26 см Осцилляции на короткой базе с одним стерильным нейтрино: Лучший вариант –детектор типа BOREXINO координатная точность ~15 см детектирование нейтрино по рассеянию на электронах сцинтилляционной мишени Для источника 51 Cr, 3 МКи за 69 суток (min стат. ошибка) N Ист /N Сол 5700/4200 Чувствительность к осцилляциям с большими значениями Δm 2 (90% CL) sin 2 2θ > 0.07 (только стат.) sin 2 2θ > 0.13 (стат.+сист.)

Новый Ga эксперимент с искусственным источником 51 Cr Компактный источник в центре мишени – скорость ν взаимодействий повторяет зависимость P ee от расстояния Зависимость от расстояния реализуется разделением мишени на 2 зоны с равными длинами пробега Монохроматические ν e (0.75 MeV) Хорошо известный поток нейтрино Малый размер источника (несколько см) Отсутствие фонов (почти полное) Высокая плотность взаимодействий в металлическом Ga Ga В.Горбачёв, Сессия ЯФ ОФН РАН ИТЭФ, 21 – 25 ноября 2011

Схема 2-зонного Ga эксперимента Мишень – металлический Ga 50 т Массы Ga в зонах 8 т и 42 т Средняя длина пробега в каждой зоне =55 см В.Горбачёв, Сессия ЯФ ОФН РАН ИТЭФ, 21 – 25 ноября 2011 Источник – 51 Cr T 1/2 =27.7 сут 3 МКи E ν = 750 кэВ (90%) 430 кэВ (10%) По количеству захватов в Ga N(430)/N(750) = 0.049

2-зонный Ga эксперимент Независимые измерения на двух расстояниях Радиохимический эксперимент 71 Ga+ν e 71 Ge + e – Все процедуры изучены в солнечных ранах : экспозиция извлечение 71 Ge из мишени счёт распадов 71 Ge в пропорциональных счётчиках Осцилляции будут установлены, если будет : 1) заметная разница скоростей счёта в двух зонах и / или 2) заметное подавление скоростей счёта в обеих зонах В.Горбачёв, Сессия ЯФ ОФН РАН ИТЭФ, 21 – 25 ноября 2011

Статистическая неопределённость: 3.7 % в одной зоне 2.6 % во всей мишени Источник 51 Cr активностью 3 MCi 10 экспозиций по 9 суток Фон солнечных ν e нейтрино изучался в течение 20 лет с 1990: 0.02 ат. 71 Ge / суток в 1 тонне Ga Внутренняя зона (8 т) 1.2 ат. 71 Ge / 9 сут Внешняя зона (42 т) 6.2 ат. 71 Ge / 9 сут Статистика В.Горбачёв, Сессия ЯФ ОФН РАН ИТЭФ, 21 – 25 ноября 2011

Теоретическая неопределённость сечения (Дж.Бакал) (+3.6/-2.8)% (стат. + сист. + ошибка сечения): 5.5 % и 4.8 % Эфф. химич. извлечения: ±2.3 % – масса Ge носителя – масса извлекаемого Ge – остаток Ge носителя – масса Ga Счёт распадов 71 Ge в проп.счётчиках: ±0.9 – объёмная эфф. – эфф. в пиках – разрешение – ограничения по нарастанию имп. Образование 71 Ge в фоновых процессах: (стат.+сист.+ош.сеч.)

Примеры областей допустимых параметров осцилляций в реализациях 2-зонного Ga эксперимента Ошибка для каждой зоны ±5.5 % (стат+сист+сечение)

Исследовательский реактор SM-3 Хромовые стержни Схема нового источника В.Горбачёв, Сессия ЯФ ОФН РАН ИТЭФ, 21 – 25 ноября 2011 Загрузка нейтронной ловушки реактора SM-3 Вариант III.5 Облучения хрома Вариант III.6 Облучения хрома эфф.сут.54.0 эфф.сут. 27 ячеек по 3 стержня 8 x 95 мм Масса всего хрома 2669 г Поток тепловых нейтронов 5.0 x см -2 с -1 Коэффициент самопоглощения Активность 51 Cr: удельная 1080 Ки/г полная: 2.85 MКи Активность 51 Cr: удельная 1150 Ки/г полная: 3.06 MКи

Амплитуды осц. Для источников трёх размеров: и.р. – идеальное прострю разрешение р.р. – реальное простр. разрешение (15 см) Т.и.: 2.0 x 1 см (точечный источник) Мы предполагаем, что хром для источника SAGE будет обогащён по 50 Cr до 97% Выгорание 50 Cr при изготовлении источника около 5% Т.е. источник может быть восстановлен почти полностью и использован в другом эксперименте Осц: Δm 2 =3 эВ 2 and sin 2 (2θ)=0.30 GALLEX: 40 x 40 см SAGE 8.6 x 9.5 см Зависимость чувствительности к осцилляциям в эксперименте BOREXINO от размеров источника Т.е. уменьшение размеров источника расширяет диапазон Δm 2 !

Заключение В.Горбачёв, Сессия ЯФ ОФН РАН ИТЭФ, 21 – 25 ноября 2011 Предлагаемый Ga эксперимент имеет ряд преимуществ для определения параметров осцилляций на короткой базе: 1.независимые измерения на двух базах 2.источник известной активности с почти монохроматическими ν e 3.компактный источник с потоком чистых ν e 4.плотная мишень из металлического Ga обеспечивает высокую скорость захвата 5.простота интерпретации результатов В экспериментах с интенсивными искусственными источниками нейтрино с координатно-чувствительными детекторами могут быть исследованы осцилляции с исчезновением ν e с параметрами Δm 2 > 0.5 эВ 2 с амплитудой несколько процентов (sin 2 2θ>0.05)