Экспериментальный поиск редких низкоэнергетических процессов за пределами Стандартной модели с помощью сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов

Поиск редких явлений в низкоэнергетической области является способом добраться, пусть даже косвенным образом, до энергий, при которых возможно происходит объединение взаимодействий и частиц и которые недостижимы на современных и будущих ускорителях. Область исследований под названием «неускорительная физика» включает в себя поиски двойного бета-распада, распадов нуклонов с несохранением барионного числа, темной материи, аномальных электромагнитных свойств нейтрино и многое другое. Физика нейтрино сыграла и продолжает играть особую роль в данных исследованиях. Первая теория слабого взаимодействия — теория (3-распада, была создана Ферми в 1934 году ['], вскоре после того, как Паули в 1930 г. высказал гипотезу о существовании нейтрино [2]. Лагранжиан Ферми, по нетривиальной аналогии с квантовой электродинамикой, соответствовал векторному взаимодействию четырех фермионных полей протона, нейтрона, электрона и нейтрино и имел вид:

Ь ~<7/г фГаП)(еГаУе) (1).

Первые эксперименты по измерению импульса ядер отдачи, испытавших (3-распад, выполненные Лейпунским в 1936 г. [3], и К-захват, проведенные Алленом в 1942 г. [4], косвенно подтвердили существование нейтрино. Используя фермиевский лагранжиан и экспериментально определенное значение константы Ферми Ср, Бете и Пайерлс предсказали исключительно малое (-К)" 44 см2) сечение взаимодействия нейтрино с энергией 1 МэВ с ядрами [5]. Впервые существование такого взаимодействия было доказано лишь 20 лет спустя. В 1953;1959 г. г. Райнес и Коуэн [6'7] обнаружили реакцию обратного р-распада на протоне в потоке реакторных антинейтрино.

Представление об антинейтрино появилось как чисто теоретическое, поскольку нейтрино, не имеющее электрического заряда, может являться истинно нейтральной частицей. Такое нейтрино впервые предложено Майорана в 1937 г. В 1946 году для разрешения этой проблемы Понтекорво предложил поискать реакцию обратного К-захвата на ядре 37С1 в реакторном потоке (анти)нейтрино. В эксперименте Дэвиса на реакторе в 1955 г. реакцию обратного /С-захвата на хлоре действительно не удалось обнаружить, что доказывало не тождественность нейтрино излучаемого в Р-распаде и в реакции К-захвата.

Открытие в 1957 г. несохранения пространственной четности Ли и Янгом [8] и Ву [9] поставило новый вопрос — связано отсутствие сигнала в С1-Аг эксперименте только с различной спиральностью нейтрино и антинейтрино или с разными свойствами этих частиц относительно зарядового сопряжения.

Первоначальная идея о существовании нового типа нейтрино (мюонного) возникла из отсутствия распадов мюона с излучением электрона — не был обнаружен естественный распад ц—> е+у [|0]. В 1962 году, в эксперименте на Брукхейвенском ускорителе, было показано, что нейтрино, возникающее в результате распадов и К* -мезонов по каналу -> ц++ух, не вызывает реакции с появлением электрона ух+и-> е+р), но вызывает реакции с появлением мюона (ух+и-> ц+р) [" ]. Вскоре в ЦЕРНе было доказано, что новое нейтрино, как и известное электронное нейтрино, отличается от своей античастицы [|2]. В 1975 году в Стэнфорде на встречных е е-пучках был открыт третий лептон (г-лептон) [13], который распадался с излучением нового типа нейтрино.

Результатом многочисленных исследований процессов (}- и ц-распадов, слабых процессов с участием мюона, нейтрино и адронов, а также вышеупомянутого открытия несохранения пространственной четности и построения вейлевской [14] двухкомпонентной теории нейтрино Ландау [15], Ли, Янгом [|6] и Саламом [17], явилось создание Фейнманом и Гелл-Манном [18], Сударшаном и Маршаком [19], Герштейном и Зельдовичем [20] к концу 50-х годов феноменологической У-А теории слабого взаимодействия. В соответствии с У-А теорией, все заряженные слабые процессы описывались эффективным лагранжианом, в котором заряженный слабый ток взаимодействовал со своим эрмитово-сопряженным током. Для двух поколений лептонов и кварков, известных к тому времени, заряженный ток для лептонов имел вид: а= УеуМ+ Уз) е +1>мГа (I+Уз)м, (2) для кварков слабый заряженный адронный ток выглядел аналогично:

Ja=dУМ + У5) и+* 'Уа (1+У5)с (3) где (Г и 5'- «повернутые» на угол Кабиббо ортогональные комбинации ё и л-кварков.

Идея смешивания нейтрино и антинейтрино была выдвинута Понтекорво в 1958 году [21'22], когда не было известно о существовании еще одного типа нейтрино. После открытия мюонного нейтрино Маки и др. [ ] рассмотрели возможность осцилляции одного типа нейтрино в другое. Детальный анализ возможного несовпадения массовых и токовых состояний нейтрино был проведен в работах Понтекорво и Грибова [24'25] и Биленького и Понтекорво [26].

Начиная с гипотезы Юкавы, существовало убеждение, что взаимодействие (ток X ток) является лишь эффективным взаимодействием, возникающим в результате обмена между токами промежуточным бозоном, а лагранжиан фундаментального слабого взаимодействия имеет вид:

LGfJCWcc (4) где — Ja слабый ток, а HV оператор поля промежуточного бозона. Сходство с лагранжианом электромагнитного взаимодействия позволяло надеяться на создание единой теории слабого и электромагнитного взаимодействия.

Такая теория, называемая Стандартной моделью электрослабого взаимодействия, была создана Глэшоу [27], Вайнбергом [28] и Саламом [29] в 60-х годах. Отличительной особенностью Стандартной модели являлось предсказание, наряду с заряженным (2), нейтрального тока. Для первого поколения лептонов нейтральный ток выглядел следующим образом:

Ja=gLV VeYcil+/s) ve +gL ey.

Наблюдение в эксперименте на пузырьковой камере Гаргамель в 1973 году безмюонных событий в реакции v^+N-^v^+X [30] показало, что в лагранжиане слабого взаимодействия действительно имеется произведение нейтральных токов. Нейтральный ток в лагранжиане для лептонов должен был приводить к процессу рассеяния мюонных нейтрино на электроне. В том же году процесс vM+e —"v^+e был обнаружен [э>, что явилось весомым подтверждением правильности теории. Триумфом Стандартной модели явилось обнаружение заряженных W* -бозонов и нейтрального Zбозона в экспериментах групп UA1 [32'33] и UA2 [34,35] в 1983 году.

Солнечные нейтрино впервые зарегистрированы в эксперименте Р. Дэвиса в реакции обратного К-захвата 37С1 + ve 37Аг + е в 1968 г. [3637]. Следующие радиохимические детекторы SAGE [38], GALLEX [39] и GNO [40] использовали реакцию на ядре галлия 74Ga + ve 7, Ge + vT.

В 1985 г., Михеев и Смирнов показали, что возможно резонансное усиление осцилляций нейтрино в веществе f49'50], рассмотренных впервые Вольфенпггейном [5|]. Прямое подтверждение осцилляций солнечных нейтрино было получено в эксперименте SNO [52]. Было обнаружено, что поток 8В-нейтрино, взаимодействующих через нейтральный ток с дейтоном, согласуется с предсказаниями стандартной солнечной модели (ССМ) [53'54]. Совместный анализ данных всех детекторов солнечных нейтрино привел к решению, соответствующему большому углу смешивания двух массовых состояний т и т2 (LMA MSW — решение).

Через 50 лет после первого детектирования нейтрино, в эксперименте KamLAND было обнаружено, что поток электронных антинейтрино от реактора на расстоянии ~180 км, определяемый по скорости реакции обратного p-распада, почти вдвое меньше ожидаемого. Если исчезновение нейтрино связано с осцилляциями, то л параметры Атп и sin2ui2, в пределах погрешностей, совпадают с параметрами LMA MSW решения для солнечных нейтрино [55].

Таким образом, обнаружение осцилляций нейтрино дало ответы на два основных вопроса, — имеют ли нейтрино массы и совпадают ли их массовые и флейворные состояния.

В тоже время, из нерешенных вопросов, наиболее важными представляются следующие [56'57]:

1. Каковы абсолютные значения масс трех известных типов ve, vM, vT нейтрино и каков механизм их генерации?

2. Каковы точные значения параметров матрицы смешивания? Насколько мал угол во?

3. Являются ли нейтрино и антинейтрино различными (дираковскими) или истинно нейтральными (майорановскими) частицами? Тождественно ли, за исключением спиральности, нейтрино излучаемое в бета-распаде с нейтрино, излучаемым в К-захвате?

4. Важным является вопрос об электромагнитных свойствах нейтрино и его стабильности. Насколько они соответствуют величинам, предсказываемым Стандартной моделью?

Какие эксперименты могут дать ответы на эти вопросы:

1. Абсолютные значения масс нейтрино можно определить, изучая энергетические спектры заряженных частиц, появляющихся в двух и трех частичных распадах с излучением нейтрино. Измерения Р-спектра трития в экспериментах в Троицке и Майнце дает наиболее сильное ограничение ту < 2.2 эВ. Обнаружение осцилляций нейтрино дало два значения Лтп и Лт2з ¦ Значение Лпг~ эВ2, обнаруженное на детекторе ЬБИБ, требует дальнейшей проверки. Не подтвержденный результат для времени жизни Ое относительно безнейтринного 2 р-распада соответствует массе нейтрино шу ~ 0.35 эВ. Следует отметить и возможность обнаружения массы по временной энергетической последовательности регистрируемых нейтрино от взрыва сверхновых.

2. Изучение осцилляций нейтрино проводится, как на реакторах и ускорителях, так и в экспериментах с атмосферными и солнечными нейтрино. Эксперименты с пролетной базой, соответствующей ~ Е^/Атгз2, должны определить вклад тз в состояние электронного нейтрино. Форма спектра заряженных частиц, регистрируемых в распадах с испусканием нейтрино, также оказывается чувствительной к смешиванию нейтрино. Однако, даже для значений Лт2~ эВ2, обнаружение по форме Р-спектра вклада от двух массовых состояний является сложной экспериментальной задачей.

3. Наиболее чувствительным тестом для проверки природы нейтрино является поиск двойного безнейтринного Р-распада. Данные эксперименты позволяют ввести наиболее сильное ограничение на майорановскую массу нейтрино /иу < (0.5−1.0) эВ. Природа нейтрино влияет и на кинематику реакций с участием нейтрино, таких, например, как радиационный распад нейтрино.

4. Электромагнитные свойства нейтрино проявятся во взаимодействиях с заряженными частицами. Изучение упругого рассеяния нейтрино на электроне является предпочтительным из-за малой, по сравнению с адронами, массы электрона и отсутствия формфакторов. Регистрация солнечных нейтрино, которые проходят через магнитное поле Солнца и испытывают спиновую (и флейворную) прецессию, также дает информацию об электромагнитных свойствах нейтрино.

Таким образом, основными направлениями экспериментов, которые дают ответ на 4 основных вопроса в физике нейтрино являются: изучение формы р-спектра, исследование осцилляций нейтрино, поиск 2р0у-распада и измерение сечения рассеяния нейтрино на электроне. Все они, в той или иной мере, дают ответ на каждый из четырех вопросов.

В настоящее время Стандартная модель успешно описывает подавляющее большинство экспериментальных результатов. Однако собственные проблемы СМ, связанные с большим количеством свободных параметровнеобнаруженные до сих пор частицы Хиггсанеясность природы холодной темной материи, стимулируют многочисленные экспериментальные попытки обнаружить явления за ее пределами. В настоящее время, надежда найти новые явления за пределами минимальных расширений Стандартной модели, поддержана обнаружением осцилляций атмосферных, солнечных и реакторных нейтрино.

Открытие в 1956 г. несохранения четности в Р-распаде показало, что «фундаментальные законы» природы могут нарушаться, и это дало толчок к проверке всех наблюдаемых законов сохранения. В 1964 г. было обнаружено нарушение СР-инвариантности в распадах К-мезонов. Нарушение других фундаментальных законов, таких как сохранения электрического заряда, принципа Паули, СРТи лоренцовской инвариантности требует полной перестройки современной теоретической физики. В отличие от электрического заряда, сохранение лептонного и барионного числа не основано на каких-либо фундаментальных принципах симметрии. Барионная ассиметрия Вселенной и надежда на «великое объединение» взаимодействий и частиц поддерживают экспериментальные поиски нестабильности нуклонов. Многие расширения СМ предсказывают процессы с изменением ДВ=1,2 и Д (В-Ь)=0,2, ведущие к распадам нейтронов и протонов, связанных в ядрах.

К проблемам, нерешенным в рамках СМ, следует отнести и вопрос о природе темной материи. Масса легких нейтрино, после открытия осцилляций, оказывается недостаточной, помимо этого существует проблема формирования наблюдаемой пространственной структуры темной материи из горячей материи. Наиболее согласующейся с экспериментальными данными, является комбинированная модель барионной, наблюдаемой в экспериментах по микролинзированию, и холодной темной материи. Теоретические модели дают большой выбор частиц для формирования небарионной материи. Стандартными кандидатами на роль холодной материи являются аксион и класс слабовзаимодействующих массивных частиц.

VIMPs, среди которых среди которых предпочтение отдается нейтралино стабильному суперсиметричному партнеру нейтральных бозонов. В настоящее время во многих экспериментах пытаются обнаружить рассеяние нейтралино на ядрах. Другие суперсимметричные частицы: снейтрино, гравитино, аксино, а также более экзотические — сильновзаимодействующие массивные частицы (БГМРз) и заряженные массивные частицы (СНАМРб) тоже могут быть составляющими частями холодной темной материи.

Сечения взаимодействия отмеченных выше процессов, таких как рассеяние нейтрино на электроне, рассеяние на ядре, крайне малы ~(Ю36 — 10″ 46) см2, ожидаемый сигнал в детекторе может составлять несколько кэВ. Время жизни частиц относительно распадов с нарушением лептонного или барионного зарядов превышают.

25 30.

10 — 10) лет. Поэтому, чувствительность экспериментов определяется, в первую очередь, двумя экспериментальными параметрами — массой и уровнем фона детектора. Фон в низкоэнергетической области связан с естественной (и, ТЬ, 40К,.) или искусственной (137С5, 60Со,.) радиоактивностью, с активацией детектора и конструкционных материалов на поверхности Земли и радиоактивностью собственных изотопов детектора. Среди ионизационных детекторов, наиболее низкий уровень фона достигнут на жидких сцинтилляционных детекторах и германиевых полупроводниковых детекторах, что обусловлено технологическими достижениями по очистке основного материала детекторов от примесей. Фон Ое-детекторов в эксперименте Москва-Гайдельберг по поиску 2р-распада равняется ~ 1 отсчет / (кэВ кг год) при энергии 1 МэВ, на модели сцинтилляционного детектора Борексино достигнут уровень 0.01 отсчета / (кэВ кг год) при данной энергии. Масса детекторов может составлять от десятков до сотен килограмм для полупроводниковых детекторов и сотни тонн для жидких сцинтилляционных детекторов.

Задачей диссертационной работы являлся поиск редких процессов с целью обнаружения возможных отклонений от Стандартной модели. Основу экспериментальной базы составляли ионизационные сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.

Основные задачи диссертационной работы состояли в следующем: 1. Поиск аномально больших электромагнитных моментов нейтрино, которые должны приводить: а) к рассеянию нейтрино на электроне и б) к радиационному распаду нейтрино.

2. Проверка сохранения электрического и барионного зарядов: а) поиск распада электрона по каналу е—"л/+у и б) распадов нуклонов и нуклонных пар в «невидимый» канал /V—>Зу, ЛТУ—>2у.

3. Поиск новых массовых состояний нейтрино, которые должны проявиться: а) в спектре электронов в Р-распаде и б) в распаде Ун-*У1+е++е для нейтрино с массой более 2 т. е.

4. Поиск частиц — кандидатов на темную материю: а) исследовалась возможность излучения аксиона в ядерных магнитных переходахб) проведен поиск сигналов от рассеяния массивных частиц на ядрах,.

В результате, в работе представлены новые экспериментальные результаты для вероятности следующих реакций:

1. рассеяние солнечных нейтрино на электроне за счет магнитного момента нейтрино. Установлено, что магнитный момент солнечных рри 7Венейтрино не превышает значения щ, < 5.5 10″ 10 цв (90% у.д.);

2. радиационный распад солнечных нейтрино н -> VI +ТПолучено, что время жизни нейтрино больше чем (Тс.м. / ту) > 4.2 103 с эВ" 1 (90% у.д.).

3. распад тяжелого нейтрино с излучением электрон-позитронной пары + е+ + е. Из отсутствия данного распада установлено, что вероятность излучения тяжелого о о ^ нейтрино н с массой 3−12 МэВ в распаде В—> Ве + е + н не превышает значения |иж|2 < (210″ - 410″ 5) для 90% ул.

4. распад электрона по каналу е -> V + у. Получено, что время жизни электрона относительно данной моды распада превышает т > 4.6 1026 лет (90% у.д.);

5. распады нуклонов и нуклонных пар в «невидимый» канал (например, N-+Зv, NN->24, исчезновение N NN). Получены новые пределы для вероятности данных распадов в ядрах 12'13С и |60: х (л->/лу) > 1.8 1025 лет, т (р-*ту) > 1.1 1026 лет, > 4.91 025 лет и т (рр-^ту) > 5.0 1025 лет, все для 90% у.д.;

6. двойной бета-распад ядер на возбужденный уровень 2+ дочерних ядер. Для не исследовавшихся ранее ядер 1548ш, 160Ос1,170Ег и |76Ъ установлены новые пределы на.

17 18 периоды полураспада данных ядер на уровне 10 -10 лет.

7. излучение нейтрино с массой 10 — 110 кэВ в бета-распадах ядер 63 М и 45Са.. Получены новые ограничения на параметр смешивания для тяжелых нейтрино с.

2 3 массой (17, 75−100) кэВ, которые составляют — |иен| < (1.5−5) 10″ ;

8. излучение «невидимого» аксиона в ядерных магнитных переходах. Установлено, что вероятность испускания аксиона в Ml-переходе в ядре, 25тТе меньше чем (1а / Гу) < 8.5 10−6 (90% у.д.)'.

9. рассеяние массивных сильновзаимодействующих частиц, которые могли бы составлять недостающую массу Галактики, на ядрах. Для SIMPS с массой в интервале Мн = (102−1013) ГэВ получены новые нижние пределы на сечения рассеяния на ядрах Si и Ge в интервале ор > (10″ 29−1019) см" 2 нуклон*1 .

Результаты по электромагнитным характеристикам нейтрино, по стабильности электрона, нейтрино и нуклонов, (процессы 1−5) получены на прототипе детектора Борексино, измерения на котором проводились в лаборатории Гран-Сассо и представлены в главах 1,2.

Работы по двойному бета-распаду, по поиску излучения массивного нейтрино, аксиона и взаимодействия массивных сильновзаимодействующих частиц (процессы 6−9) выполнены на установках, созданных в ПИЯФ и описаны в главах 3,4.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. В начале каждой главы кратко представлены теоретические и экспериментальные результаты, полученные в данной области.

Заключение

.