Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Экспериментальные методики поиска массы нейтрино 10
1.1 Двойной Р-распад 10
1.2 Поиск нейтринных осцилляции 13
1.3 Исследования Р-спектра 16
Глава 2 Эксперименты по поиску массы электронного антинейтрино из анализа формы Р-спектра трития 24
2.1 Эксперимент Бергквиста 28
2.2 Эксперимент ИТЭФ 30
2.3 Эксперимент в Лос-Аламосе 31
2.4 Эксперимент INS(TOKHO) 34
2.5 Эксперимент в Цюрихе(Швейцария) 36
2.6 Эксперимент в Ливерморской национальной лаборатории 39
2.7 Эксперимент в Майнце 40
Глава 3 Спектрометр для исседования Р-спектра трития с целью измерения массы электронного антинейтрино в ИЛИ РАН 44
3.1 Интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией 44
3.2 Моделирование спектрометра 48
3.3 Устройство спектрометра 54
3.4 Магнитная система спектрометра 59
3.5 Криогенная система установки 69
3.6 Вакуумная система установки 72
Глава 4 Измерение основных характеристик спектрометра 74
4.1 Искусственный источник электронов 74
4.2 Детектирующая система спектрометра 79
4.3 Разрешение спектрометра 81
4.4 Светимость спектрометра 86
4.5 Собственный фон спектрометра 87
Глава 5 Применение спектрометра в установке "Троицк v-Mass" 91
5.1 Описание установки 91
5.2 Проведение измерений 94
5.3 Результаты измерений спектра электронов от Р-распада трития 95
Заключение 97
Список используемой литературы 99
- Поиск нейтринных осцилляции
- Эксперимент в Цюрихе(Швейцария)
- Интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией
- Детектирующая система спектрометра
Введение к работе
Возможность существования ненулевой массы электронного нейтрино (антинейтрино) остается одной из важнейших проблем физики элементарных частиц и космологии. Согласно Стандартной модели все легкие нейтрино -ve,vM,vT- безмассовые. Ненулевая масса у нейтрино
была бы указанием к поиску новой физики, лежащей за пределами Стандартной модели.
Некоторые современные теории предсказывают, что нейтрино имеют массу, отличную от нуля. Одной из возможных моделей, где допускается масса у нейтрино, является "see-saw" механизм Гелмана, Рамона, Сланского (Gell-mann, Ramond, Slansky) [1]. В данной модели требуется, чтобы нейтрино были майорановскими, т.е. самосопряженными частицами. Это требование выполнимо, поскольку, в отличие от других лептонов, которые должны быть Дираковскими частицами, нейтрино не имеют заряда. Однако, наличие у нейтрино Майорановской массы означает, что не может быть строгого выполнения закона сохранения лептонного числа. Наиболее вероятной моделью появления массового матричного элемента для нейтрино может быть простейший "see-saw" механизм: '~о ~т„ YvA
\ '"q 1V1 CUT J
где после диагонализации получаем:
mVi —«mqj.
тси7
Такие ненулевые массы могут сопровождаться смешиванием посредством констант взаимодействия 0,у, где i,j = e,/j,r, и посредством
углов Cabibo-Kobayashi-Maskawa в кварковом секторе в некоторых соответствующих моделях,.
В настоящее время существуют и другие теоретические модели, где масса нейтрино не равна нулю. Так Виттеном [2] было показано, что в минимальной SO(10) теории нейтрино может иметь массу ~ 1 еВ. Нейтрино могут так же иметь Дираковскую массу, вытекающую из введения радиационных поправок в теориях лево-правой симметрии [3]. Моделями, где предполагается появления Дираковской массы у нейтрино, являются SU(2)xU(l) и SU(5) [4]. В этих моделях вводится симметрия, где связываются правосторонние и левосторонние нейтрино. Однако, вопрос о том, является ли нейтрино Майорановской или Дираковской частицей всё ещё остается нерешенным.
Вопрос о массе нейтрино имеет так же большое значение в космологии для объяснения "скрытой массы" Вселенной. Траектории вращения Галактик указывают на присутствие вокруг них несветящихся Гало [5]. Движение кластеров показывает, что Галактики, составляющие эти кластеры, более массивны, чем предполагалось ранее [6]. Массивные нейтрино могли бы быть кандидатами для объяснения "скрытой массы" [5, 7]. Однако, существует мнение, что нейтрино имеют слишком большую энергию, чтобы удерживаться гравитационно, и что Гало вокруг Галактик состоит из несветящего барионного вещества.
Существуют так же модели со смешиванием горячей и холодной "темной" материи, которые кажутся наиболее удачными в описании наблюдаемого уровня флуктуации фонового космического микроволнового изучения [8,9,10]. Нейтрино с массой в области 1-Ю эВ являются наиболее вероятными кандидатами для объяснения горячей "темной" материи.
Экспериментальные попытки измерения массы нейтрино имеют большое значение. В настоящее время ограничения на массы для трех видов
нейтрино следующие:
mVt < 2.05 эВ - измерение (3-спектра трития [11];
mv < 190 КэВ - измерения импульса мюона при распаде пиона
(к->цу^ в состоянии покоя [12];
mv< 15.5 МэВ - измерения суммарной массы заряженных частиц
вблизи граничной энергии в распаде f —> ЗлГ + 2я+ + vT [ 12 ].
Новейшие результаты экспериментов по изучению потоков атмосферных и солнечных нейтрино, а так же нейтрино, образовавшихся в ядерных реакторах, позволяют утверждать, что существуют осцилляции нейтрино, которые возможны только в случае, если нейтрино имеют ненулевые массы. Однако измерить величину массы нейтрино в данных экспериментах нельзя. Исследование кинематики Р-распада трития может дать информацию о массе электронного антинейтрино непосредственно. Поэтому развитие методики и создание экспериментальных приборов для этой цели очень важно.
Целью данной диссертации является развитие нового экспериментального подхода к проблеме поиска массы электронного антинейтрино, а именно - создания спектрометра нового типа и изучение его основных характеристик с целью применения этого спектрометра в эксперименте, который проводится в ИЯИ РАН. Эксперимент относится к классу модельно независимых, т.е. использует прямой способ поиска массы нейтрино через изучение формы Р-спектра трития вблизи его граничной энергии и опирается на новую методику, впервые предложенную В.М.Лобашевым и П.Е.Спиваком в 1982 г.
Работа состоит из 5 глав. В первой главе дано описание экспериментальных методик для поиска массы нейтрино. Во второй главе представлен обзор экспериментов по поиску массы электронного
антинейтрино из анализа формы р-спектра трития. Третья глава
посвящена подробному описанию спектрометра для экспериментальной
установки по поиску массы электронного антинейтрино в Институте
ядерных исследований РАН. В четвертой главе представлена методика
проведения измерений основных характеристик спектрометра, дано
описание специально разработанных для для этой цели устройств и
приводятся измеренные характеристики электростатического
спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией. В пятой главе кратко описано применение данного спектрометра в установке "Троицк v-mass" и приводится полученный результат по измерению массы электронного антинейтрино. В заключении сформулированы основные результаты и выводы из проделанной работы.
Научная новизна и практическая ценность работы состоит в том, что:
1. Создан новый тип электростатического спектрометра мягких
электронов с магнитной адиабатической коллимацией для
экспериментальной установки по измерению массы электронного
антинейтрино через изучение спектра электронов от Р-распада трития.
Данный прибор обладает лучшими характеристиками по сравнению с
другими устройствами, созданными ранее для этих целей. Созданный
спектрометр имеет чуствительность к массе электронного антинейтрино
на уровне 2 эв.
2. Специально для исследования характеристик спектрометра разработан и
создан искусственный монохроматический источник электронов и другая
экспериментальная аппаратура.
Применение спектрометра в установке "Троицк v-масс" позволило получить лучший в настоящее время верхний предел на массу электронного антинейтрино в прямых р-распадных экспериментах. Опыт работы с данным спектрометром используется при работе над проектом
«Катрин», создаваемым в Карлсруэ (Германия).
Основной материал диссертации составляют результаты полученные в 1985-1995 годах и опубликованные с следующих работах:
В.М.Лобашев, П.Е.Спивак, В.И.Парфенов, Н.А.Голубев, О.В.Казаченко, А.А.Голубев, Б.М.Овчинников, Е.В.Гераскин, А.М.Белесев, А.П.Солодухин, И.В.Секачев, Н.А.Титов, Ю.Э.Кузнецов. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА р-ЧАСТИЦ. Авторское свидетельство № 1707652 (1991), заявка № 4418616 (1988).
С.Н.Балашов, А. И. Белесев, А. И. Блейле, Е. В. Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев О.В.Казаченко, Б.М.Овчинников, В.М.Лобашев, П.Е.Спивак, В.И.Парфенов. Спектрометр для измерения массы нейтрино.
Отчёт ИЯИ АН СССР, (М, 1988). ВНТИЦ, per. номер 01840069064, инв. номер 167990.
С.Н.Балашов, А.И.Белесев, А.И.Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев, В.В.Ишкин, О.В.Казаченко, Ю.Э.Кузнецов, В.М.Лобашев, В.И.Парфенов, Б.М.Овчинников, И.В.Секачев, А.П.Солодухин, П.Е.Спивак, Н.А.Титов, И.Е.Ярыкин. Интегральный электростатический спектрометр электронов низкой энергии с магнитной адиабатической коллимацией для измерения массы покоя электронного антинейтрино. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0617(М.,1989).
А.И.Белесев, А.И.Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев, О.В.Казаченко, Ю.Э.Кузнецов, В.М.Лобашев, Б.М.Овчинников, И.В.Секачев, А.П.Солодухин, А.И.Федосеев, В.И.Парфенов, И.Е.Ярыкин. Сверхпроводящая система спектрометра для измерения массы покоя электронного антинейтрино. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0615 (М.,1989).
S.N. Balashov, A.I.Belesev, A.I.Bleule, E.V.Geraskin, A.A.Golubev,
і. N.A.Golubev (speaker), V.V. Ishkin, O.V. Kazachenko,' Yu. E.Kuznetsov,
V.M. Lobashev, V.I. Parfenov, B.M. Ovchinnikov, LP. Sekachev,
A.P. Solodukhin, P.E. Spivak, N.A. Titov, I.E.Yarykin. STATUS OF THE EXPERIMENT OF INR-KIAE ON ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS MEASURING. In: Proceedings of WEIN (Montreal, 1989) 295-310.
6. A.I.Belesev, A.I.Bleule, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev,
O.V. Kazachenko, E.P.Kiev, Yu. E.Kuznetsov, V.M.Lobashev, B.M.
Ovchinnikov, V.I. Parfenov, LP. Sekachev, A.P. Solodukhin, N.A. Titov,
I.E. Yarykin, Yu. I. Zakliarov, P.E.Spivak, S.N. Balashov. RESULTS OF THE TROITSK EXPERIMENT ON THE SEARCH FOR THE ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS IN TRITIUM BETA-DECAY. (1995) 263-272.
7. V.M.Lobashev, A.I.Belesev, A.I. Berlev, E.V.Geraskin, A.A.Golubev,
N.A.Golubev, O.V. Kazachenko, Yu. E.Kuznetsov, V.S. Pantuev, L.A. Rivkis,
B.E. Stern, N.A. Titov, I.E.Yarykin , S.V. Zadorozliny, Yu. I. Zakharov.
STATUS AND NEW RESULTS FROM THE EXPERIMENT "TROITSK v-
MASS" ON THE SEARCH FOR THE ELECTRON ANTINEUTRINO REST
MASS IN TRITIUM BETA-DECAY.
In: Proceedings of International Conference "Neutrino 96". (Helsinki, Finland, June 13-19,1996). World Scientific (1996) 264-277.
V.M. Lobashev, A.I. Belesev, A.I. Berlev, E.V. Geraskin, A.A. Golubev, N.A. Golubev, O.V. Kazachenko, Yu.E. Kuznetsov, L.A. Rivkis, B.E. Stern, N.A. Titov, S.V. Zadorozhny, Yu.I. Zakharov. NEUTRINO REST MASS AND ANOMALY IN THE TRITIUM BETA SPECTRUM. (1998)187-191.
V.M. Lobashev, V.N. Aseev, A.I. Belesev, A.I. Berlev, E.V. Geraskin, A.A. Golubev, N.A. Golubev, O.V. Kazachenko, Yu.E. Kuznetsov, R.P. Ostroumov, L.A. Rivkis, B.E. Stern, N.A. Titov, S.V. Zadorozhny, Yu.I. Zakharov. NEUTRINO MASS AND ANOMALY IN THE TRITIUM BETA SPECTRUM. RESULTS OF "TROITSK v-MASS" EXPERIMENT. Nucl.Phys. B77(1999) 327-332
Поиск нейтринных осцилляции
Эксперименты по поиску осцилляции проводятся путем исследования потоков нейтрино от Солнца и потоков нейтрино, образовавшихся в результате взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли, а так же на ускорителях и ядерных реакторах.
Солнце является интенсивным источником низкоэнергетических электронных нейтрино(„ 15 Мэв). Поток и спектр солнечных нейтрино на поверхности Земли может быть предсказан в рамках Стандартной Солнечной Модели (ССМ). Экспериментально поток нейтрино в современных детекторах измеряют, используя радиохимический способ регистрации, основанный на обратном бета-процессе: ve + 37С1 - е + 37Ar (Homestake -США) с порогом реакции 0.814 Мэв, или ve + 71Ga - є + 71Ge (Sage-Россия, Gallex- Италия,) с порогом 0.233 Мэв, а также применяя Черенковские детекторы (Kamiokande II, III, Super Kamiokande и SNO). Атмосферные нейтрино исследуются детекторами, расположенными в подземных лабораториях, либо под водой. Применяются детекторы с большой собственной массой или с большой плошадью поверхности, где регистрируются взаимодействия нейтрино с веществом детектора с последующим определением типа нейтрино. Нейтрино взаимодействуют вне детектора, а детектор регистрирует мюоны от этого события. Для подавления фона мюонов, образовавшихся в атмосферных ливнях, регистрируются только частицы, которые приходят на детектор снизу вверх. Они могут образовыватся только мюонными нейтрино, прошедшими Землю насквозь и провзаимодействовавшими под детектором. В ускорителях нейтрино имеют высокую энергию и осцилляции можно регистрировать, измеряя взаимодействие пучка с мишенью, по двум различным эффектам: по уменьшению количества исходных нейтрино, по появлению нейтрино другого сорта. Кроме того, применение ускоротелей позволяет создать контролируемый источник нейтрино, отсутствие которого является сильным недостатком для экспериментов с солнечными и атмосферными нейтрино. Как показал опыт, наибольшую привлекательность имеют эксперименты, где используются ускорители с энергией частиц \ EV 100 Гэв и детекторы с большой площадью или большим объёмом регистрации, удалённые на большое расстояние от ускорителя ( 100 км) (Long base line experiments). В отличие от ускорителей, реакторы являются источником лёгких электронных нейтрино. Поэтому реакторные эксперименты направлены на поиск осцилляции ve -»vp, и в них измеряется только эффект уменьшения количества исходных нейтрино. В настоящее время существуют указания на наличие осцилляции между нейтрино различных сортов. Первые результаты появились в экспериментах по изучению солнечных нейтрино. Если принять предсказания Стандартной Солнечной Модели для потока солнечных нейтрино, то данные четырёх экспериментов (Homestake[18], Kamiokande[19], GALLEX[20], SAGE[21]) могут быть объяснены смешиванием нейтрино сАт2 \0 5 эВ2 в случае MSW переходов[22], или с Д/и2 1(Г10 эВ2 в случае осцилляции в вакууме [23]. Второе указание на существование осцилляции нейтрино следует из данных экспериментов Kamiokande[24], SNO[25], ГМВ[26], Soudan[27] по атмосферным нейтрино. Их результаты могут быть объяснены осцилляциями vM-+vTmn vM- ve с Дю2 10 2 эВ2[28]. И, наконец, указания в пользу vM -»Fr осцилляции с Ат2 \ эВ2 обнаружены в эксперименте LSND[29]. Самые последние результаты, указывающие на наличие осцилляции нейтрино, получены в экспериментах KamLand и К2К. Из результата KamLand следует, что разность квадрата масс равна Ат2= 6,9хЮ"5 эВ2 а угол смешивания sin 20о =1.0 [30]. Коллаборация К2К впервые обнаружила искажение энергетического спектра нейтрино, связанное с осцилляционным эффектом. В результате анализа формы энергетического спектра мюонных нейтрино получено, что искажение наилучшим образом описывается наличием осцилляции с параметрами sin220o=l.O и разностью квадрата масс нейтриноД/я2=2.8хЮ 3эВ2 (уровень достоверности 90%). Измеренный в эксперименте эффект подтверждает наличие ненулевой массы у нейтрино[31].
Обобщая результаты экспериментов по поиску нейтринных осцилляции, можно сделать следующий вывод: данный метод позволяет измерять разность масс различных сортов нейтрино, однако, какова абсолютная величина массы нейтрино все еще неизвестно.
Эксперимент в Цюрихе(Швейцария)
Новый этап в исследовании Р-спектра трития начался после того, как в 1980 году была опубликована работа В.Любимова и др. [45-46], где утверждалось, что масса покоя электронного антинейтрино находится в диапазоне 14 эВ mv 46 эВ. В данном эксперименте был использован новый прибор, разработанный Третьяковым [47] - безжелезный р-спектрометр с тороидальным магнитным полем, в котором электроны отклоняются на полный угол 720(четыре раза по 180). Это позволило обеспечить высокое энергетическое разрешение -45 эВ. Применение многократной фокусировки (впервые) позволило существенно снизить фон от рассеянных электронов до уровня 0.03- 0.1 отсчета/сек. Источником электронов служил валин (C5HnN02), в котором часть водорода была замещена тритием (18% ). Источник представлял собой пленку толщиной 2 микрограмма/см . Для увеличения светимости спектрометра использовался метод неэквипотенциального источника, разработанного К.Бергквистом (K.Bergkvist), в результате чего светимость составила 0.07 см и для данного типа источника ограничивалась только размерами фокальной области спектрометра. Измерение {3-спектра проводилось в области, отстоящей от граничной энергии на 700 эВ. Результатом этой работы явилось указание на существование ненулевой массы покоя электронного антинейтрино, значение которой лежит в интервале: 14 mv 46 эВ, m2v « 900 + 150. При этомлучшее фитирование получалось для mv =34±4 эВ. Однако, анализ результатов сбора и обработки данных, а именно: корректность учета конечных состояний при распаде трития в сложной структуре - валине и надёжность измерения формы функции разрешения, показал, что преждевременно говорить об указании на ненулевую массу нейтрино. В то же время работа группы Любимова стимулировала появление более 10 новых экспериментов по проверке данного результата. Ниже придставлены наиболее значимые из них.
Эксперимент был начат в 1980 году. Экспериментальная установка состояла из спектрометра Третьяковского типа и газообразного тритиевого безоконного источника с системой дифференциальной откачки и системой ввода электронов в спектрометр[48]. Применение (впервые) газообразного источника трития было существенным преимуществом данного проекта. На рис. 8 представлена схема экспериментальной установки из Лос-Аламосской лаборатории.
Газообразный тритий заполнял длинную трубку, расположенную внутри соленоида с сильным магнитным полем (0.5 тесла)-8оигсе region и имеющую внутренний диаметр 36мм, где проходил его 3-распад. Электроны распада захватывались магнитным полем и транспортировались к спектрометру. По пути транспортного канала размещались система дифференциальной откачки трития, которая предотвращала проникновение его в спектрометр-Pamping restriction zone. В спектрометр электроны попадали, проходя через специальное устройство, позволяющее провести электроны из сильного соленоидального поля в источнике в слабое тороидальное поле спектрометра (максимальное поле 20 гаус). На рис.9 представлена схема этого устройства. При выходе из зоны второй ступени дифференциальной откачки электроны ускорялись до энергии 23 КэВ, чтобы отделить электроны, образовавшиеся в источнике, от фоновых. Далее электроны попадали в канал диаметром 100мм в котором размещались система фокусировки и коллиматор диаметром 1 см. В этом месте установки магнитное поле, создаваемое двумя соленоидами (Confinement coil и Focus coil), позволяло проходить в спектрометр только тем электронам, которые образовались в центре транспортного канала источника, а так же подавить рассеянное магнитное поле от источника. После прохождения через спектрометр с тороидальным магнитным полем электроны регистрировались позиционно-чувствительным детектором.
Общая активность источника измерялась твердотельным детектором, который служил так же монитором. Как было отмечено выше, для подавления фона источник поддерживался при повышенном потенциале по отношению к детектору. Однако, из-за возникновения разряда в условиях одновременного приложения сильного магнитного и электрического полей, значительная часть газообразного трития терялась из-за адсорбции молекул трития на стенках источника. Спектрометр имел энергетическое разрешение ДЕ=23 эВ. Авторы представили результат по оценке массы нейтрино, который составил: т„ 9,ЗэВ с 95% уровнем достоверности, ml =-148 + 68±41. Как видно, полученный результат для квадрата массы нейтрино имеет отрицательное значение, что является нефизическим и указывыет на наличие систематической ошибки при измерениях либо при обработке. По видимому в данном эксперименте переход от сильного продольного магнитного поля в источнике к слабому тороидальному полю в спектрометре оказался трудной задачек, что привело к появлению дополнительного источника систематической погрешности.
Интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией
Развитием разработанного в Лос-Аламосе эксперимента стала работа, проведенная в Ливерморской национальной лаборатории (США)[51]. Установка состояла из магнитного спектрометра с тороидальным полем (типа Третьякова) и с газовым радиоактивным источником. По сравнению с экспериментом в Лос-Аламосе спектрометр имел лучшее разрешение (Д = 18 эВ) и более высокую светимость. Источник имел плотность 10 атом/см, что соответствует 10 монослоям в пересчете на твердый тритий. Светимость составляла 3 мм. Электроны после спектрометра регистрировались многосегментным кремниевым детектором, охлажденным до температуры жидкого азота. Каждый сегмент состоял из коаксиального кольца, диаметром -30 мм, толщиной стенки 1 мм и шириной 0,8 мм. Кольца разделялись прокладками 0,5 мм толщиной. Все сегменты-детекторы были изготовлены из монокристалла кремния. Собственный фон детектора был на уровне 4 импульсов/сутки при Ее = 23 КэВ. Сегменты детектора были включены в схему антисовпадений для активного подавления фона. Калибровки всей установки проводились с использованием конверсионного источника гъКг. Результат по определению массы нейтрино из измерения формы Р-спектра трития в этом эксперименте следующий:
В 1986 году, кагда наш спектрометр был готов к испытаниям, профессор Е. Оттен из университета г.Майнц ( Германия) в разговоре по телефону сообщил В.М.Лобашову, что их группа независимо разработала а начинает создание аналогичной установки. Отличие заключалось в размерах прибора и конструкции анализирующей системы. Часть электродов с распределенным высоковольтным потенциалом данного устройства размещались в области сильного магнитного поля спектрометра (см. рис. 14, позиция-NEW HIGH FIELD ELECTRODES ).
Ранее, после проведенных испытаний, нам пришлось отказатся от аналогичной конструкции из-за возникновения разряда в этих зонах при включении магнитного поля. Впоследствии эта же проблема возникла и у группы из Майнца. Спектр электронов в данном эксперименте измерялся при помощи интегрального спектрометра с магнитной коллимацией и задерживающим электростатическим фильтром[52]. Наилучшее разрешение спектрометра составляло 4.8 эВ. Источник электронов в эксперименте в Майнце представлял собой вначале алюминиевую, а позднее графитовую подложку с намороженными на них мономолекулярными слоями трития. По результатам измерений 1998-1999 годов было получено значение mv = {-1.6 ± 2.5 ± 2.1) эВ , которое соответствует ограничению на массу нейтрино ту 2.2 эВ при уровне достоверности (CL.) 95%. Величина граничной энергии Ео = 18.575 кэВ.
При анализе таблицы обращает на себя внимание тот факт, что величина квадрата массы нейтрино/ имеет отрицательное значение.
Это означает наличие неизвестных экспериментальных погрешностей при измерении формы р-спектра, особенно, когда для обработки результатов измерений используется метод фитирования спектра, вблизи граничной энергии. В таблице указан энергетический диапазон проведения измерений в каждом эксперименте, что важно с точки зрения точного восстановления формы Р-спектра трития вблизи граничной энергии.
С 1982 года наблюдается большой скачок в развитии экспериментальной методики. Наиболее радикальный шаг был сделан группами из Лос-Аламоса и Ливермора, которые использовали безоконный газообразный тритиевый источник с транспортировкой электронов сильным магнитным полем. Однако требуется дальнейшее улучшение характеристик приборов, в которых необходимо по возможности уменьшить искажения формы Р-спектра в источнике и спектрометре и подавить фон, поскольку, в конечном итоге, задача по измерению формы спектра разделяется на измерение его на некотором удалении от граничной точки, экстраполяцию спектра к граничной точке и, затем, определение разности между экстраполированным и реально измеренным спектрами вблизи граничной энергии. Так же важно, чтобы в новых приборах функция разрешения не имела «хвоста» в области высоких энергий, поскольку его наличие сильно ограничивает чувствительность спектрометра к массе нейтрино на конце р-спектра. При использовании газовых источников неодходимо подавить возможные проблемы при переходе электронов от источника к спектрометру, которые могут быть дополнительным источником систематических погрешностей при измерениях.
Детектирующая система спектрометра
Схематическое изображение криогенной системы спектрометра приводится на рис. 24 [60]. Парожидкостная смесь гелия, имеющая температуру 4.5-f-4.6 К подается из рефрижератора под давлением в криостаты спектрометра через специально разработанный и изготовленный собственными силами гелиопровод, имеющий длину 18м. Трубки прямого и обратного потока гелия, имеющие диаметр 11 мм, помещены в вакуумный объем. Для снижения теплопритоков со стороны наружных стенок гелиопровода, находящихся при комнатной температуре, служит экран, охлаждаемый жидким азотом. Диаметр экрана составляет 50 мм, а наружный диаметр гелиопровода - 75 мм. Для компенсации температурных деформаций предусмотрены специальные устройства на основе сильфонов. По длине гелиопровода установлены два таких компенсатора. Гелиевая смесь последовательно проходит через четыре криостата со сверхпроводящими соленоидами и перед тем, как возвратиться снова в рефрижератор, поступает в небольшой криостат объемом 10 л, где происходит отсечка и накопление жидкого гелия. Автоматическое испарение избытка жидкости в этом криостате позволяет стабильно регулировать режим замкнутого гелиевого цикла и поддерживать температуры сверхпроводящих магнитов неизменными в процессе непрерывных физических измерений продолжительностью не менее 5 суток. При этом, за счет незначительного перепада давления в криостатах и гелиопроводе (0,1 атм), температура на входе в первый соленоид оказывается чуть выше (на 0,1 К), чем температура на выходе.
Основным элементом циркуляционной системы охлаждения криостатов является гелиевый рефрижератор с двумя турбодетандерами и дроссельной ступенью охлаждения, работающей с предварительным азотным охлаждением. Производительность установки составляет 50 Вт при температуре 4,6 К. Расход гелия на охлаждение криостатов спектрометра составляет приблизительно 5 н- б г/сек. Максимальное давление в криостатах составляет 2,5 атм. Работа криогенной системы и сверхпроводящих соленоидов с введенным током около 200А, осуществляется в автоматическом режиме. Небольшая часть гелиевого потока направляется на охлаждение токовводов. Основные параметры криогенной системы приведены в таблице 6.
Хотя суммарная запасенная магнитная энергия сверхпроводящих соленоидов составляет около 100 кдж, переход их в нормальное состояние не вызывает серьезных проблем несмотря на то, что температура в криостатах может поднятся до 20-30 К, а давление до 2.5 атм. Криогенная система имеет специальные устройства для защиты в случае прекращения подачи электроэнергии на установку. Время, необходимое для востановления нормального режима работы, составляет 5-6 часов.
Для получения необходимого вакуума ( Ю-9 тор) спектрометр имеет систему откачки, включающую форвакуумную и высоковакуумную линии. Для получения предварительного разрежения ( 10" мбар) используется агрегат АВР-50, снабженный цеолитовой ловушкой для предотвращения попадания паров масла в спектрометр. Для этой же цели на АВР-50, между форвакуумным и двухроторным насосами агрегата, была установлена конденсационная ловушка, охлаждаемая жидким азотом. Турбомолекулярный насос с производительностью 450 л/с фирмы LEYBOLD типа NT- 450 понижает давление в вакуумном кожухе до 10"6 мбар(рис.25). Магниторазрядный насос НМД- 1(1000л/с) позволяют получать вакуум доЗ-10"8 тор. Поверхности гелиевых криостатов общей площадью около 5 м, имеющие температуру порядка 5 К и теплоизолирующие экраны площадью около 8 м2, с температурой порядка 80 К, выполняют роль криогенных конденсационных насосов и беспечивают рабочий вакуум 1(Г9 тор на протяжении всего сеанса работы спектрометра. Остаточное давление измеряется с помощью вакуумметра ВМБ-8 с датчиками давления ПМИ-32 и ионизационного вакуумметра ВИ-14 с датчиком ПМИ-27. Последний включается только во время перерывов в измерениях, поскольку вызывает большие наводки на детектор (как на фотодиод).
