Отчет лабораторий РХМДН ОЛВЭНА и ГГНТ БНО 200 9

1. Отчет лабораторий РХМДН ОЛВЭНА и ГГНТ БНО 2009 «Галлий-германиевый нейтринный телескоп» (Эксперимент SAGE) Номер государственной регистрации 1.7.4, 2009 01.2.00305503Руководитель темы:В. Н. Гаврин Исполнители: Д.Н.Абдурашитов, н.с., к.ф.м.н.; Л.И.Белоус, инж.; Е.П.Веретенкин, с.н.с.; В.В.Горбачёв, с.н.с., к.ф.м.н.; П.П.Гуркина, вед.инж.; Ю.Н.Евдокимов, нач. сл.; С.М.Ештокин, гл.инж.уст.ГГНТ; О.А.Жорова, ст.инж.-технолог; Т.В.Ибрагимова, н.с.; А.В.Калихов, н.с.; Т.В.Кнодель, н.с., к.х.н.; Б.А.Комаров, вед.инж.; И.Н.Мирмов, с.н.с., к.т.н.; Н.А.Тимофеевская, ст.инж.-технолог; Н.Г.Хайрнасов, вед.инж.-технолог; А.А. Шихин, н.с.;В.Э. Янц, н.с.

2. Gallium solar neutrino experiments SAGE, GALLEX/GNO 71Ga(ve, e-)71Ge The feature that distinguishes the Ga experiment from all other past or present solar neutrino detectors is its sensitivity to the pp fusion reaction, p + p → d + e+ + νe , which generates most of the Sun’s energy. Ga experiments have provided the only direct measurement of the current rate of this reaction.

3. Галлий-германиевый нейтринный телескоп Исследование нейтринного излучения Солнца За 18 лет с января 1990 по декабрь 2007 выполнено 168 измерений скорости захвата солнечных нейтрино (310 отдельных наборов данных); в энергетических диапазонах K, L – пиков 71Ge отобрано 3138 событий, из которых 854 отнесено временным анализом к 71Ge Для сравнения другие радиохимические эксперименты Cl-эксперимент(APJ, 496:505-526, 1998): набор данных в течение 24 лет с 1970 по 1994 ,108 измерений (с дискриминацией по времени нарастания импульса),875 событий отнесено временным анализом к 37Ar GALLEX (W. Hampel et al., Physics Letters B 447(1999) 127–133) набор данных в течение 5.6 лет с мая 1991 по январь 1997,65 измерений 300 событий отнесено временным анализом к 71Ge GNO (GNO Collaboration M. Altmann et al.,Physics Letters B 616(2005) 174–190) набор данных в течение 5 лет с мая 1998 по апрель 2003, 58 измерений; 258 событий отнесено временным анализом к 71Ge

4. Галлий-германиевый нейтринный телескоп Использование с апреля 2001 года счетчиков новой конструкции, обладающих высокой стабильностью, высокой объемной и счетной эффективностью (на 18% выше старых), позволило снизить систематическую неопределенность связанную с эффективностью счета Полученный из аппроксимации период полураспада для всех отобранных в L- и K-пиках событий - 11.5 ± 0.9 (стат.) дня, что хорошо согласуется с измеренной в (W. Hampel and L. Remsberg, Phys. Rev. C 31 1985) величиной 11.43 ± 0.03 дня. Средневзвешенный результат скорости захвата в Ga экспериментах SAGE, GALLEX and GNO:66.1±3.1 SNU, находится в хорошем соответствии с предсказаниями для Ga экспериментов двух существующих ССМ с различным содержанием тяжелых элементов: (GS98) - высокое содержание - 66.3 (± 4%) SNU (AGS05) - низкое содержание - 63.2 (± 4%) SNU

5. Галлий-германиевый нейтринный телескоп Поток солнечныхpp нейтрино Используя результат скорости захвата, полученный в Ga экспериментах и результаты других солнечных нейтринных экспериментовбыла вычислена величина потока электронных нейтрино от ppреакции, приходящих на Землю –(3.38+0.46-0.47) × 1010/(cм2с), а также полный поток pp нейтрино (без учета осцилляций), образующихся в Солнце–(6.0± 0.80) × 1010/(cм2с), полученное значение находится в хорошем согласии с предсказаниями двух существующих ССМ : (5.97 ±0.05)× 1010/(cm2 s) (GS98) (6.04 ±0.05 × 1010/(cm2 s) (AGS05)

6. Галлий-германиевый нейтринный телескоп Результаты SAGE с января 1990 по ноябрь 2009 186 измерений, 346 наборов данных 186 измеренийв зависимости от среднего времени экспозиции Предварительный результат: 64.5 +2.8 / -2.8(стат.) (SNU) L–пик: 65.6 +4.4 / -4.3(стат.) (SNU) K–пик: 63.7 +3.8 / -3.7(стат.) (SNU) Результаты анализа данных объединенных по годам 6 мес 2009

7. Галлий-германиевый нейтринный телескоп Проверка положений о постоянстве скорости захвата во времени Применялся критерий χ2 к годичным данным SAGEи ожидаемой постоянной скорости захвата 65.4 SNU, получено χ2/dof = 12.0/17 с вероятностью80%.Т. е. , данные находятся в хорошем соответствии с гипотезой о постоянной величине скорости захвата . Проверялось постоянство величины скорости образования, используя кумулятивную функцию распределения скорости образования C(p),определяемую как относительное количество наборов данных, в которых скорость образования меньше p. Распределение данных (измеренная скорость образования для всехданных SAGE)и ожидаемое распределение, полученное из 100 Monte Carlo симуляций всех 168 ранов в предположении, что скорость образования постоянна и имеет величину 65.4 SNU. Nω2 = 0.520 (средняя величина для Nω2 из 100 симуляций равна 0.513) Доля симуляционных данных сNω2> 0.520 43% Спектры подобны друг другу, это означает, что распределение данных такое же, как можно ожидать при постоянной скорости образования. Использовался метод периодограмм Lomb-Scargle - метод спектрального анализа для неравномерных данных- таких как SAGE. Был получен спектр мощностивсех 168 ранов SAGE с максимальной мощностью 6.10 при частоте 8.47. Для проверки значимости полученной мощности результаты SNU случайным образом приписывались к различным ранам («перетасовывались»), спектр мощности пересчитывался, и находилась максимальная мощность. 44% спектров мощности «перетасовок» имели максимальные мощности выше чем 6.10. Т.е. наблюденный спектр мощности 168 ранов хорошо согласуется с гипотезой о постоянстве скорости захвата во времени.

8. Галлий-германиевый нейтринный телескоп • Публикации • 1. J.N.Abdurashitov, et al (SAGE Collaboration)arXiv:0901.2200v1 [nucl-ex] 15 Jan 2009 • 2. J.N.Abdurashitov, et al (SAGE Collaboration), Measurement of the solar neutrino capture rate with gallium metal. III. Results for the 2002-2007 data-taking period, Phys. Rev. C 80, 015807 (1-16), 2009 • Участиевнаучныхконференциях • 1. V.N.Gavrin / Baksan Neutrino Observatory of INR RAS – Status and Plans (part 1) // ASPERA Meeting “Russian National Day”, 6 November, 2009. • 2. V.N.Gavrin / At the crossroads of gravitations physics and neutrino astrophysics / The 9th British • Gravity Meeting, Cardiff, Wales, Great Britain, 15-17 April, 2009. • 3. V.N. Gavrin / Solar Neutrinos // Fourteenth Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics, • Moscow, 19-25 August, 2009. • Cеминары в академических институтах • В.Н.Гаврин/ Баксанская нейтринная обсерватория и солнечные нейтринные эксперименты// • Научный семинар по ядерной физике НИИЯФ МГУ, Москва, 31 марта 2009 г. • План исследований на 2010 год • Эксперимент SAGE продолжает набор данных по измерению скорости захвата нейтрино на галлиевой мишени. • До настоящего времени Ga эксперимент остается единственным экспериментом, который измерил низкоэнергетические солнечные рр нейтрино. • Продолжение мониторинга потока солнечных нейтрино, увеличение статистической точность и снижение систематических неопределенностей

9. Галлий-германиевый нейтринный телескоп Программа поддержания массы Ga в мишени ГГНТ на уровне ~ 50 тонн Научный руководитель: Е.П.Веретенкин Регенерация: 2 этапа (I этап и II этап)

10. Галлий-германиевый нейтринный телескоп Программа поддержания массы галлия в мишени ГГНТ на уровне ~ 50 тонн Для осуществления Программы по поддержанию массы в мишени телескопа необходимо в ближайшие 2-3 года обеспечить скорость регенерации не менее 2000 кг галлия в год

11. Галлий-германиевый нейтринный телескоп Создание искусственного источника нейтрино на основе изотопа хром-51 активностью2 МКи и измерение скорости захвата нейтрино от источникана металлическом галлии в двухзонной мишени Ответственные исполнители (2009): Е. П. Веретенкин, В. В. Горбачев

12. Gallium source experiments GALLEX 37 Ar (35.4 days) r =25cm r = 5cm r=200cm r = 76cm h = 128cm h=500cm The experimental procedures of the SAGE and Gallex experiments,including the chemical extraction, counting, andanalysis techniques, have been checked by exposing the galliumtarget to reactor-produced neutrino sources SAGE 813keV ν (9.8%) 813keV ν (90.2%) 37Cl (stable) SAGEhas used 51Cr and 37Ar R = pmeasured/ppredict = 0.87±0.05 Thetest ofSAGEwith the37Ar neutrino sourceindicates that SSMpredicted rate may be overestimated or electron neutrinos disappear due to a real physical effect of unknown origin.(PHYSICAL REVIEW C 80, 015807, 2009). We strongly encourageany new experiments that might shed light on thisquestion. Gallex has twice used 51Cr

13. Gallium source experiments GALLEX r =25cm r = 5cm r=200cm r = 76cm h = 128cm h=500cm The experimental procedures of the SAGE and Gallex experiments,including the chemical extraction, counting, andanalysis techniques, have been checked by exposing the galliumtarget to reactor-produced neutrino sources SAGE R = pmeasured/ppredict = 0.87±0.05 SAGEhas used 51Cr and 37Ar Thetest ofSAGEwith the37Ar neutrino sourceindicates that SSMpredicted rate may be overestimated or electron neutrinos disappear due to a real physical effect of unknown origin.(PHYSICAL REVIEW C 80, 015807, 2009). We strongly encourageany new experiments that might shed light on thisquestion. Gallex has twice used 51Cr

14. The physics of the Sun and the solar neutrinos: an update Lab. Naz. del. Gran Sasso October 16-17, 2008 V.N. Gavrin INR RAS GALLEX Cr-1 1.00+0.11-0.10 SAGE Cr 0.95 ± 0.12 GALLEX Cr-2 0.81 ± 0.10 SAGE Ar 0.79+0.09-0.10

15. Сечения захвата нейтрино на два нижних возбужденных уровня 71Ge могут быть завышены (W. Haxton). • Mаксимальный вклад этих возбужденных уровней составляет 5%. • Если бы вклад этих уровней был равен нулю, тогда R=0.92±0.06 • и приближение к ожидаемому значению 1.0 представляется вполне разумным • (χ2 /dof = 4.58/3, GOF = 21%). • Для выполнения этой задачи нами инициирован в Исследовательском центре • ядерной физики в Осаке, Япония (RCNP) эксперимент E327. Два сеанса • измерений с использованием пучка 3Не с энергией 140 МэВ на нуклон • запланированы на конец декабря этого года. Будут измерены с высоким • разрешением угловые распределения в реакциях 71Ga(3He, t)71Ge и • 69Ga(3He, t)69Ge, на основании которых предполагается получить с хорошей • точностью величину сечения захвата нейтрино на галлии. • Электронные нейтрино исчезают в результате реального физического эффекта неизвестного происхождения. • Возможные гипотезы: • -переход в стерильные нейтрино (VSBL, C.Guinti and M.Laveder, rXiv:0902.1992 и др.), • - квантовая декогеренция в нейтринных осцилляциях(Y.Farzan, T.Shwetz, • A.Yu.Smirnov, arXiv:0805.2098) • Для проверки этих гипотез необходимы новые измерения с использованием 2MКи51Cr • нейтринного источника и Ga мишени с оптимизированной геометрией.

16. Optimization of the Ga target geometry for the source experiment Separation of the SAGE 50 tones Ga target on two independent spherical zones It gives: dependence on distance of the source (test of νe disappearance) additional possibilities for statistical analysis For two zones of the Ga target with thickness of each is 60 cm , the total uncertainty for each zone will be 5-5.5%, and statistical error of combined result will be about 3% ( TAUP 2009, V.V. Gorbachev, B.T. Cleveland, V.N. Gavrin)

17. I Обоснование Максимальная чувствительность эксперимента приходится на область Δm2 меньше 5-8 эВ2; при этом чувствительность сильно меняется в зависимости от возможных значений Δm2 (на рисунке чувствительность определяется степенью отличия значений кривой от единицы Рис. Отношение скоростей захвата в двух сферических мишенях в зависимости от параметра Δm2. Отличие от единицы в первых минимуме и максимуме достигает примерно 2/3 от амплитуды осцилляций (величины sin22θ):на рисунке параметр sin22θ=0.30 и отличие составляет 0.20 (20 %) • Двухзонная галлиевая мишень − m2 • Реакторные эксперименты − sin22θ • (Нарушение CPT-симметрии) • Преимущества • компактный монохроматический источник ν • металлический галлий − максимальная плотность взаимодействий • малые расстояния − источник → мишень (~1 м) • отсутствие фонов.

18. II Что сделано 1 2 3 4 5 • Выбор реактора • БН-600 Белоярской АЭС , г. Заречный • СМ-3 НИИАР, г. Дмитровград  1 – ловушка тепловых нейтронов соблучаемыми мишенями; 2 – специальные тепловыделяющая сборка (ТВС) с экспериментальнымиканалами (облучательные позиции активной зоны); 3 – экспериментальные каналы в бериллиевом отражателе; 4 – рабочие ТВС; 5 – компенсирующие органы с топливными подвесками Картограмма реактора СМ

19. Оптимальный график работы(Е. П. Веретенкинсовместно с НИИАР) Таблица Результаты нейтронно-физических расчетов. Облучение планируется проводить в течение двух больших кампаний реактора: 10 суток на мощности +1 сут.останов на частичную перегрузку топлива +10 суток на мощности +5 сут.останов на полную перегрузку +10 суток на мощности +1 сут. останов на частичную перегрузку топлива +10 суток на мощности+1 сут. останов на частичную перегрузку топлива +10 суток на мощности

20. По результатам предварительных исследований дляизготовления источника нейтрино активностью 2,4 МКи после окончания облучения необходимо примерно 2260г хрома. Облучать мишень из обогащенного хрома-50 планируется в виде стержней Диаметром 7мм и длиной 80мм Предполагается использовать хром следующего изотопного состава:50Cr – 97,5 % 52Cr – 2,3% 53Cr – 0,1% 54Cr – 0,1% плотность – 6,91 г/cм3 *Получен опытный образецхрома-50 с обогащением 97% массой 2г. *Выполнена разработка предварительного технико-экономического обоснования и задания на создание двухзонного реактора для облучения галлиевой мишени Участие в научных конференцияхV.V.Gorbachev, V.N.Gavrin, B.T.Cleveland, The neutrino source experiment on SAGE two-zone gallium target, TAUP 2009 International Conference, Roma, Italy July 1-5, 2009

21. План исследований на 2010 год • 1. Искусственный источник нейтрино и двухзонный галлиевый реактор(ответственный Е.П. Веретенкин) • 1.1. Обоснование реакторной технологии получения источника нейтрино на • основе хрома-51 активностью 2 МКи и проведение тестовых облучений • хромовой мишени на реакторе СМ-3 • 1.2. Разработка методики изготовления хромовой мишени для облучения • нейтронами в реакторе СМ-3 1.3. Разработка калориметра для прецизионного измерения интенсивности • источника 51Сr • 1.4. Разработка рабочего проекта и изготовление двухзонного реактора для 50-ти • тонной галлиевой мишени • 1.5. Разработка проекта манипулятора для работы с источником 51Сr активностью ~2 МКи • 2. Дополнительные каналы системы регистрации распадов 71Ge ГГНТ(ответственный Д.Н. Абдурашитов) • 2.1. Изготовление 20-ти низкофоновых счетчиков модели “Y” из высокочистого кварца • 2.2. Разработка проекта дополнительных 10 счетных каналов системы регистрации данных ГГНТ 2.3. Разработка программ сбора данных и калибровки 10-ти дополнительных • счетных каналов 2.4. Разработка проекта пассивной и активной защит дополнительных 10-ти • счетных каналов ГГНТ • 3. Компьютерное моделирование калибровочного эксперимента с искусственным источником нейтрино 51Cr активностью 2 МКи на двухзонной галлиевой мишени(ответственный В.В. Горбачев)

22. 1. LSND: Δm2~1 эВ2>> (Δm2сол+Δm2атм) из Г(Z0) 3 типа нейтрино в LSND наблюдались ν4,соответствующие νs (hep-ex/0104049) Стерильные нейтрино: 2. Поиск переходов в νs: эксперименты при ядерных реакторах – Bugey, Gosgen, Красноярск, … эксперименты на ускорителях – KARMEN2, MiniBooNE Ga эксперименты с источниками – SAGE, GALLEX Безусловное указание на νs есть только в LSND О совместном анализе данных LSND с другими экспериментами: 0805.1764 [hep-ex], MiniBooNe Collaboration 0705.0107 [hep-ph], M.Maltoni, T.Schwetz 0902.1992 [hep-ph], C.Giunti, M.Laveder ... Совместимость всех данных в рамках гипотезы νsв схеме (3+1) или (3+2) не достигается; необходимо привлечение дополнительных гипотез (например, о нарушении CPT-симметрии)

23. The cross sections for neutrino capture to the two lowest excited states in 71Ge have been overestimated (W. Haxton). • Maximum contribution of these excited states – 5%. • If the contribution of these states to the predicted rate were to be zero then R=0.92±0.06 • and the fit to the expected value of 1.0 becomes quite reasonable (χ2 /dof = 4.58/3, • GOF = 21%). • For measurement of cross section of neutrino capture on Ga a high resolution study of • the 69, 71Ga(3He, t) reactions at 0.42 GeV is underway at the RCNP, Japan (H. Ejiri). • Electron neutrinos disappear due to a real physical effect of unknown origin. • Some possibilities: • - transition to sterile neutrinos (VSBL, C.Guinti and M.Laveder, arXiv:0902.1992), • - quantum decoherence in neutrino oscillations (Y.Farzan, T.Shwetz, A.Yu.Smirnov, • arXiv:0805.2098) • To check this hypothesis new measurement that will use 2MCi 51Cr • neutrino source and Ga target with optimized geometry is planned.

24. Reactor SM Cross-section Research Institute of Atomic Reactors Beryllium Reflector Thermal neutron flux – (1.08-3.44) x 1014сm-2sec-1 30 Irradiation Cells 28 Fuel Assemblies Special Fuel Assembly Thermal neutron flux – 1.66 x 1015сm-2sec-1 Central Neutron Trap 2 Automatic Shim Rods 4 Shim Rods with Additional Fuel Assembly