авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Фгуп гнц рф институт теоретической и экспе риментальной физики, г. москва научный руководитель : член-корреспондент ран, доктор физ.-мат. наук м. в. данилов (фгуп гнц рф итэф, г. москва) официальные о

Федеральное государственное унитарное предприятие

Государственный научный центр Российской Федерации

Институт Теоретической и Экспериментальной Физики

им. А. И. Алиханова

На правах рукописи

Кобякин Александр Сергеевич

Изучение и подавление фоновых

событий в неускорительных

экспериментах по поиску

редких процессов

Специальность: 01.04.16 физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2010 УДК 539.12

Работа выполнена во ФГУП ГНЦ РФ Институт Теоретической и Экспе риментальной Физики, г. Москва

Научный руководитель: член-корреспондент РАН, доктор физ.-мат. наук М. В. Данилов (ФГУП ГНЦ РФ ИТЭФ, г. Москва)

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук А. С. Барабаш (ФГУП ГНЦ РФ ИТЭФ, г. Москва) кандидат физ.-мат. наук А. А. Смольников (ЛЯП ОИЯИ, г. Дубна)

Ведущая организация: ИЯИ РАН (г. Москва)

Защита диссертации состоится 14 декабря 2010 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.201.002.01 во ФГУП ГНЦ РФ ИТЭФ по адре су: г. Москва, ул. Б. Черемушкинская, д. 25, конференц-зал института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭФ.

Автореферат разослан 11 ноября 2010 г.

Ученый секретать диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук В. В. Васильев

Общая характеристика работы

Актуальность темы К концу XX века были фактически завершены построение и экспе риментальная проверка Стандартной модели физики элементарных ча стиц. Тем не менее, уже несколько десятилетий предпринимаются по пытки экспериментально отыскать новую физику, не укладывающуюся в рамки Стандартной модели. В данной работе речь пойдет о двух раз личных направлениях поиска новой физики: двойном -распаде, могу щем пролить свет на природу нейтрино, и поиске частиц темной материи.

Физика нейтрино является одним из приоритетных направлений раз вития физики элементарных частиц, в частности благодаря обнаруже нию нейтринных осцилляций (см., например, [1]). Из существования ней тринных осцилляций напрямую следует наличие у нейтрино ненулевой массы. Соответственно, необходимо изучение других фундаментальных свойств нейтрино, в частности, природы этой частицы: майорановской или дираковской (см., например, [2]). Одними из немногих эксперимен тов, способных определить природу нейтрино, являются эксперименты по поиску двойного безнейтринного -распада.

Двойной -распад представляет собой очень редкий процесс, в ко тором два нейтрона в ядре одновременно превращаются в два протона, при этом должны вылетать два электрона. Стандартная теория слабо го взаимодействия требует, чтобы при этом вылетали два электронных антинейтрино (A, Z) (A, Z + 2) + 2e + 2.

Э. Майорана в работе [3] показал, что возможно существование ней трино, тождественного своей античастице антинейтрино, при этом все результаты теории слабого взаимодействия остаются верны. Такой тип нейтрино называется майорановским (в отличие от дираковского), их различие существенно только в случае ненулевой массы нейтрино.

Для майорановского нейтрино возможен процесс безнейтринного двой ного -распада (A, Z) (A, Z + 2) + 2e.

В этом случае нарушается сохранение лептонного числа, данный про цесс запрещен в рамках стандартной модели. Поскольку слабое взаимо действие имет V-A структуру, то помимо тождественности нейтрино и антинейтрино требуется еще и переворот спина виртуального антиней трино в процессе распада. Вероятность этого процесса пропорциональна квадрату массы нейтрино.

Таким образом, изучение двойного -распада позволяет не только определить природу массы нейтрино, но и в случае майорановского ней трино оценить его массу. Для извлечения массы нейтрино из данных по безнейтринному каналу для двойного -распада необходимо знание ядер ного матричного элемента. Его теоретические оценки затруднительны, а для экспериментальной проверки используемых теоретических моделей можно использовать данные по двухнейтринному каналу распада.

В настоящий момент двухнейтринная мода распада открыта для ядер. Одним из ядер, не входящих в это число, но способных к двойно му -распаду, является 136Xe. Несмотря на интенсивные исследования, его двухнейтринный распад до сих пор не обнаружен, существуют лишь верхние пределы на его период полураспада, поставленные в эскперимен тах BNO ([4]) и DAMA ([5]). Исследованию двойного -распада изотопа Xe и посвящен эксперимент ДЕВИЗ, рассматриваемый в первой части диссертации.

Другой эксперимент, ZEPLIN-III, посвящен поиску темной материи.

В настоящее время многочисленные данные об устройстве Вселенной показывают, что ее суммарная кривизна близка к нулю, соответствен но, она является плоской, что требует для параметра плотности мате рии и энегии значения, близкого к единице. Но по данным спутника WMAP ([6]) наблюдаемая барионная материя во Вселенной вносит в па раметр плотности вклад только на уровне 4.6%. Наибольший вклад на уровне 72.6% приходится на долю темной энергии, а оставшиеся 22.8% вклад от холодной темной материи. В пользу существования темной материи говорят данные по кривым вращения спиральных и эллипти ческих галактик (см., например, обзор [7]). Также есть надежные дан ные о существовании темной материи из данных по гравитационному линзированию, например, из наблюдения столкновения двух галактиче ских кластеров в кластере Bullet, в котором обнаружено значительное смещение гравитационного центра масс сталкивающихся кластеров от положения центра масс видимой материи ([8]). Одновременно в пользу темной материи говорят неоднородности крупномасштабной структуры Вселенной ([6]), а также модели первичного нуклеосинтеза ([9]).



В настоящее время существует несколько кандидатов на роль темной материи, но ни одна из известных в настоящее время частиц не может рассматриваться в качестве такого кандидата. Теоретики предлагают в качестве основного кандидата WIMP’ы, или слабовзаимодействующие массивные частицы. Одним из расширений Стандартной модели, пред сказывающих существование новых частиц, является теория суперсим метрии, математический аппарат которой был разработан в работе [10].

В этой теории на роль WIMP’ов могут претендовать многие частицы, в частности, нейтралино, снейтрино, гравитино и др. (см. обзор [11]).

Во второй части работы подробно рассматривается двухфазный ксе ноновый детектор ZEPLIN-III, регистрирующий сигналы от ядер отдачи и измеряющий их энергию с помощью сцинтилляционного и ионизаци онного сигналов.

Поскольку процессы двойного -распада и рассеяния WIMP’ов на яд рах довольно редкие, то для обоих экспериментов очень важна проблема фона. Данная работа посвящена изучению вклада от фоновых процессов в эксперимент ДЕВИЗ и его уменьшению в эксперименте ZEPLIN-III.

Цель работы Эксперимент ДЕВИЗ проводится разностным методом, поэтому боль шинство фоновых процессов дают одинаковый вклад как в экспозицию с ксеноном, обогащенным изотопом 136Xe, так и с обедненным ксеноном.

Тем не менее, обнаруженный в эксперименте избыток событий в экспо зиции с обогащенным ксеноном показал необходимость поиска нестан дартных механизмов фона. Целью иследования было изучение одного из фоновых механизмов, связанного с рождением радиоактивных изотопов под воздействием фонового излучения и их дальнейшим распадом.

Другая часть работы посвящена активной вето-системе детектора ZEPLIN-III, которая предназначена для уменьшения числа событий от нейтронного фона в эксперименте. Целью второй части работы было из мерение параметров основных элементов вето-системы и получение оце нок для её эффективности.

Научная новизна и практическая ценность работы Для эксперимента ДЕВИЗ был впервые исследован фоновый меха низм, связанный с генерацией изотопов под воздействием фонового из лучения и способный давать вклад в эксперимент, проводящийся раз ностным методом. Был получен качественный и количественный состав изотопов, способный повлиять на результаты эксперимента по поиску двойного -распада 136Xe, а также приведены количественные оценки их вклада в эксперимент ДЕВИЗ. Подобный механизм фона может играть существенную роль в других низкофоновых экспериментах, а его изуче ние позволит увеличит чувствительность установки ДЕВИЗ к двойному -распаду.

Для эксперимента ZEPLIN-III была впервые создана система актив ного вето на основе твердых пластмассовых сцинтилляторов и пластика с добавлением гадолиния. Были получены оценки эффективности та гирования нейтронов и гамма-квантов. Показано, что система обладает высокой эффективностью при подавлении нейтронного фона, что суще ственно увеличит чувствительность эксперимента к рассеянию WIMP’ов на ядрах ксенона. Полученная высокая эффективность также позволит применять подобные системы на основе пластмассовых сцинтилляторов и пластика с добавлением гадолиния в других экспериментах.

Результаты, выносимые на защиту

В работе были рассмотрены некоторые механизмы фоновых процес сов в двух экспериментах по поиску редких событий. Для эксперимента ДЕВИЗ по поиску двойного -распада 136Xe на защиту выносятся сле дующие результаты:

1. Построена модель установки на основе пакета программных биб лиотек GEANT4.

2. Проведено исследование нейтронного фона в окрестности установ ки, получены уточненные значения фонового потока нейтронов и обна ружены дополнительные источники фона.

3. Получены оценки активностей и спектров испускаемых нейтронов для обнаруженных дополнительных источников.

4. Определен качественный и количественный состав изотопов, рож дающихся в установке под воздействием фонового излучения и способ ных дать вклад в разницу числа событий в различных экспозициях.

5. Определена величина вклада в фоновое число событий от распада рожденных изотопов для двух экспозиций с различным изотопным со ставом ксенона. Полученный вклад составляет 11.9 событий для обога щенного и 3.5 события для обедненного ксенона за 2000 часов и не может объяснить наблюдаемый избыток событий в экспозиции с обогащенным ксеноном.

Для эксперимента ZEPLIN-III по поиску темной материи на защиту выносятся следующие результаты:

1. Построена модель для изучения сигнала с одиночного пластмассо вого сцинтиллятора на основе пакета программных библиотек GEANT4.





2. Измерены с помощью оригинальной методики относительные кван товые эффективности для большой партии фотоэлектронных умножите лей.

3. Измерены параметры пластмассовых сцинтилляторов для активно го вето.

4. Получены кривые зависимости сигнала с ФЭУ от положения точки энерговыделения в сцинтилляторе.

5. Создана модель работы вето-системы в целом на основе пакета про граммных библиотек GEANT 4.

6. Определена эффективность маркировки событий в основном детек торе, вызванных нейтронами и гамма-квантами, которые могли бы быть ошибочно интерпретированы как сигналы от темной материи, в зависи мости от установленных порогов срабатывания отдельных модулей.

Апробация работы и публикации Основные результаты, изложенные в диссертации. были опубликова ны в 4 работах [1 - 4] из списка публикаций автора. Все работы опублико ваны в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых науч ных журналов и изданий ВАК. Материалы, представленные в диссерта ции, докладывались на совещаниях коллаборации ZEPLIN-III и группы эксперимента ДЕВИЗ, на European School of High-Energy Physics (г. Гербемон-сюр-Семуа, Бельгия), а также на конференции ИСМАРТ 2008 (г. Харьков, Украина).

Личный вклад диссертанта Диссертант принимал активное участие в эксперименте ДЕВИЗ с 2004 года. Им было полностью проведено исследование вклада от фо нового механизма, описанного в диссертации. Также им было проведено исследование нейтронного фона, обнаружен ряд новых источников фо новых нейтронов и измерены их параметры. Диссертантом была создана компьютерная модель установки, получен качественный и количествен ный состав рождающихся в ней изотопов, а также получена оценка их вклада в число событий в эксперименте.

В эксперименте ZEPLIN-III диссертант принимал активное участие в создании вето-системы и определении её параметров. Им было проведено измерение параметров фотоэлектронных умножителей и пластмассовых сцинтилляторов, созданы компьютерные модели для изучения сигнала от одиночного сцинтиллятора и для изучения работы вето-системы в целом, а также получены оценки эффективности её работы.

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Ее объ ем 98 страниц, включая 33 рисунка и 11 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 68 наименований.

Содержание работы Во Введении дается краткая характеристика современного состоя ния двух направлений исследований, посвященных поиску новой физики за пределами Стандартной модели: поиску темной материи и двойно го безнейтринного -распада. Для двойного -распада приводятся ос новные типы экспериментов, даются их краткие характеристики, а так же перечисляются эксперименты, направленные на поиск двойного распада основных изотопов. Для темной материи приведены основные свидетельства ее существования и перечислены возможные кандидаты на роль темной материи. Далее приводятся методики детектирования WIMP’ов, гипотетических слабовзаимодействующих частиц, которые в данный момент являются основными кандидатами на роль темной ма терии, а также перечисляются эксперименты по их поиску прямыми и косвенными методами.

Диссертацию можно разделить на 2 части, посвященные различным экспериментам. Главы 1-2 описывают детектор ДЕВИЗ по поиску двой ного -распада 136Xe (в первую очередь его двухнейтринного канала), а также рассказывают про оценку фона от радиоактивных изотопов, воз никающих в установке под воздействием космического излучения. Гла вы 3-6 посвящены эксперименту ZEPLIN-III, направленному на поиск WIMP-ов, и работе системы активного вето, предназначенной для марки ровки гамма-квантов и нейтронов, дающих сигнал в основном детекторе.

Глава 1 описывает устройство и работу эксперимента ДЕВИЗ по поиску двухнейтринного канала двойного -распада 136Xe, приводятся способы обработки данных, а также кратко показаны полученные ре зультаты.

В разделе 1.1 кратко обоснована актуальность исследований двойно го -распада для данного изотопа, приведены существующие пределы на период полураспада для двухнейтринного канала по данным БНО ИЯИ ([4]) и DAMA ([5]).

В разделе 1.2 приводится подробное описание установки. Она пред ставляет собой времяпроекционную камеру, помещенную в магнитное поле (см. рис. 1). Регистрируются электроны, вылетающие из централь ного ксенонового объема, и по форме их траектории в магнитном поле определяются их энергия и направление движения. В разделе подробно описано внутреннее устройство камеры, работа многопроволочных де текторов, приведена общая схема регистрации событий установкой. Опи сана схема работы регистрирующей электроники и приведен механизм выработки триггера при работе установки.

Раздел 1.3 посвящен описанию алгоритмов обработки событий. Все данные проходили три этапа обработки: в режиме онлайн, когда вво дились минимальные ограничения на качество событий, в режиме оф флайн, в котором проводилось полное фитирование треков вылетевших электронов, и визуальный отбор, в процессе которого окончательно от бирались кандидаты в события от двойного -распада 136Xe.

В разделе 1.4 приведены предварительные результаты, полученные в эксперименте. Для исключения большей части фоновых событий экспе римент ДЕВИЗ проводился разностным методом. При этом центральная Рис. 1. Схематический вид установки ДЕВИЗ часть последовательно заполнялась образцами ксенона с различным изо топным составом: натXe с естественным содержанием изотопов, 136Xe обогащенным до 93.4% изотопом 136Xe, обеднXe обедненным до 2.4% по изотопу 136Xe. В табл. 1 приведено количество отобранных кандидатов в события от двойного -распада для каждой экспозиции. Значительный избыток наблюдается в экспозиции с повышенным содержанием 136Xe. С учетом эффективности регистрации событий этот избыток соответствует на порядок меньшему периоду полураспада, чем ранее опубликованные пределы [4, 5].

Таблица 1. Результаты экспозиций с различным изотопным составом ксенона в центральной части детектора Экспозиция Концентрация Время Количество кандидатов Xe, % экспозиции, ч в события нат Xe 8.9 1002 Xe 93.4 2106 обедн Xe 2.4 1893 В разделе 1.5 подведен краткий итог изложенного в первой главе ма териала.

Изучению одной из возможных причин наблюдаемого в эксперимен те избытка событий в одной из экспозиций посвящена Глава 2. В ней описывается изучение фона от радиоактивных изотопов, возникших в установке под воздействием фонового излучения. Качественный и коли чественный состав этих изотопов различен для различного изотопного состава ксеноновой смеси, заполняющей центральную камеру детекто ра. Их дальнейший распад может давать в установке события с двумя электронами, похожие на двойной -распад 136Xe.

В разделе 2.1 приведено краткое описание исследуемого фонового ме ханизма, а также определены составляющие фонового излучения, спо собные дать в установке радиоактивные изотопы с различным составом в зависимости от состава ксенона. Фактический интерес представляют только мюонная и нейтронная составляющие внешнего фона.

В разделе 2.2 описаны параметры компьютерного моделирования уста новки методом Монте-Карло для оценки качественного и количествен ного состава рождающихся изотопов. Моделирование проводилось с ис пользованием пакета GEANT 4.9.1 [12, 13] с набором данных по нейтрон ным сечениям G4NDL 3.12, результаты моделирования анализировались в пакете ROOT 5.18 [14]. При этом рассматривались только экспозиции с обогащенным и обедненным ксеноном, поскольку основная статистика набиралась только в этих экспозициях, а моделирование каждого изо топного состава требует больших затрат компьютерного времени.

В разделе 2.3 описываются параметры мюонного фона, заложенные при моделировании. Исходный спектр мюонов был взят из PDG [15], а уточненные данные по интенсивностям, особенно в области низких энер гий, из работы [16]. Так как положительно заряженные мюоны не захватываются, то при моделировании рассматривалась только отрица тельно заряженная часть спектра.

Раздел 2.4 целиком посвящен нейтронному фону. Поскольку нейтрон ная составляющая сильно зависит от местных условий, то дополнитель но потребовалось провести измерения нейтронного фона в окрестности установки ДЕВИЗ.

В подразделах 2.4.1 и 2.4.2 описана методика измерения нейтронно го фона с помощью гелиевых счетчиков СН-01 производства НПЦ Ас пект и их калибровка. Измерения проводились в двух вариантах, в пер вом счетчики помещались внутрь блока полиэтилена ( одетые счетчи ки) для измерения интегрального спектра, а во втором они работали без полиэтилена ( голые ) и измеряли только тепловую часть спектра. Для калибровки счетчиков использовался плутоний-бериллиевый источник нейтронов ИБН-238, результаты калибровок сравнивались с результата ми компьютерного моделирования. Дополнительно с помощью источни ка были уточнены параметры модели установки путем сравнения резуль татов измерения скорости счета нейтронов от источника счетчиками под камерой с модельными данными.

В подразделах 2.4.3 и 2.4.4 описаны измерения нейтронного фона на установке и приведены их результаты. Выяснилось, что фон в экспери ментальном зале и под установкой сильно различается, причем под уста новкой он существенно выше. Параметры внешнего нейтронного фона были взяты из работ [17, 18]. Модельный спектр внешних нейтронов при веден на рис. 2. Отдельное исследование позволило обнаружить допол нительные источники нейтронного фона, которыми оказались свинцовое Рис. 2. Энергетический спектр нейтронов по данным работ [17, 18] покрытие пола под камерой и стальные детали магнита, окружающе го камеру. Их спектр исследовался с помощью жидкого сцинтиллятора BC501A, способного разделять события от нейтронов и гамма-квантов по форме импульса. В результате исследования была уточнена интен сивность внешнего фона и получены оценки на активности и спектр до полнительных источников. Полученные потоки и активности:

- внешний нейтронный фон In = 8.67 103 штук/(см2 с), - свинец под камерой AP b = 0.083 нейтронов/(кг с), - стальные части магнита Aстали = 0.042 нейтронов/(кг с).

Спектры нейтронов, испускаемых свинцом и стальными частями маг нита, приведены на рис. 3 и рис. 4.

В разделе 2.5 приведены основные изотопы, возникающие в ксеноне под воздействием фонового излучения по данным моделирования. Одно временно приведены критерии отбора изотопов, представляющих даль нейший интерес, и основные характеристики этих изотопов: период полу распада, выделяющаяся энергия и вероятность регистрации их распада как события от двойного -распада 136Xe в установке.

Раздел 2.6 посвящен описанию методики оценки эффективности ре гистрации распада полученных ранее изотопов как событий от двойного -распада 136Xe. Моделирование работы установки в режиме сбора дан Рис. 3. Энергетический спектр нейтронов, испускаемых из свинца Рис. 4. Энергетический спектр нейтронов, испускаемых из стальных де талей ных осуществлялось методом Монте-Карло с помощью программного па кета GEANT 4. Полученные события записывались в том же формате, как и реальные, и в дальнейшем пропускались через те же программы обработки. Проверка правильности работы программной модели была осуществлена с помощью калиброванного источника 207Bi, а также на основе дополнительного сеанса сбора данных с повышенным содержани ем 222Rn в детекторе.

В разделе 2.7 приведен итоговый качественный и количественный со став изотопов, рождающихся в установке под воздействием фонового из лучения и способных дать различный вклад в экспозиции с разным изо топным составом ксенона. Также приведен итоговый вклад от данного источника фона в обе экспозиции. Полученные результаты приведены в табл. 2.

Таблица 2. Количество изотопов, возникающих в установке под воздей ствием фонового излучения за 2000 часов, эффективность регистрации их распадов в качестве двойного -распада и итоговое число событий от каждого изотопа за 2000 часов Число изотопов Эффективн. Число событий Изотоп Обогащ. Обедн. регистрации, Обогащ. Обедн.

ксенон ксенон ксенон ксенон I - 5600 3 - 0. I - 8500 51 - 0. I - 11000 62 - 0. I 11000 10260 156 1.7 1. I 14500 4760 13 0.2 0. I 24760 2760 230 5.7 0. I 23600 500 37 0.9 0. I 15000 500 147 2.2 0. Xe 10060 250 120 1.2 0. Всего - - - 11.9 3. В разделе 2.8 подводится итог проведенному исследованию. По ре зультатам моделирования итоговый вклад от данного источника фона оказывается на два порядка меньше, чем наблюдаемый избыток собы тий в одной из экспозиций, таким образом, данный механизм не может объяснить результатов эксперимента.

Во второй части диссертации, начиная с Главы 3, речь идет об экс перименте ZEPLIN-III по поиску WIMP-ов. В данной главе описывается устройство детектора ZEPLIN-III, а также приводятся результаты пер вого периода его работы.

В разделе 3.1 кратко описан первый период сбора данных детектором ZEPLIN-III. Данный период продолжался с 27 февраля по 20 мая года. По его итогам были установлены пределы на спин-независимое и спин-зависимое сечения рассеяния WIMP’ов на уровне 8.1 10 8 пб [19] и 1.9 102 пб [20] соответственно для частиц темной материи массой 60 ГэВ при доверительном уровне 90%.

В разделе 3.2 кратко описывается принцип работы детектора. ZEPLIN III представляет собой двухфазный ксеноновый детектор. Частица, про взаимодействовавшая в объеме детектора, оставляет после себя сигнал от сцинтилляции в жидком ксеноне и ионизацию, которая в электриче ском поле дрейфует к поверхности раздела между газом и жидкостью, на которой проходит извлечение заряда из жидкости в газ, где и происходит электролюминесценция. По соотношению между сигналами от сцинтил ляции и электролюминесценции можно разделить события в детекторе, вызванные различными частицами, что существенно увеличивает чув ствительность детектора.

В разделе 3.3 подробно описывается конструкция детектора в том ви де, в котором он работал в течение первого сенаса сбора данных. Описа ны центральная часть детектора, в которой и происходит непосредствен но регистрация частиц, система охлаждения на основе жидкого азота, система сбора данных с детектора и пассивная зашита.

Раздел 3.4 посвящен первому периоду работы детектора. В нем при ведены методики калибровки детектора и проверки параметров работы его систем, базовые принципы анализа событий, а также результаты об работки собранных данных.

В Главе 4 описывается конструкция системы вето, которая была установлена перед вторым периодом работы вокруг детектора для борь бы с внутренними фонами детектора, дававшими основной вклад в число фоновых событий в течение первого периода работы.

В разделе 4.1 описываются принципиальная конструкция и задачи Рис. 5. Сцинтилляционные модули (черного цвета) и полипропиленовые блоки (белого цвета) вето-системы, показанные в процессе сборки. В цен тральной области будет расположен сам детектор ZEPLIN-III вето-системы. Вето состоит из полипропиленовых модулей с добавкой гадолиния, окруженных слоем пластмассовых сцинтилляторов с соеди ненными с ними ФЭУ. Основной задачей вето является регистрация ней тронов и гамма-квантов, давших сигнал в основном детекторе, имитиру ющий сигнал от частиц темной материи. Также вето играет роль пассив ной защиты от внешнего фона.

Раздел 4.2 описывает общий вид вето-системы и механизм её работы.

Нейтроны, попадающие в полипропилен, окружающий основной детек тор ZEPLIN-III, постепенно замедляются и захватываются гадолинием или водородом. При этом испускается характерное гамма-излучение, ко торое может быть зарегистрировано сцинтилляторами вето. Внешний вид системы вето в процессе сборки изображен на рис. 5.

В разделе 4.3 описывавается пассивная часть вето-системы, состоя щая из полипропилена с добавлением гадолиния и внешней свинцовой защиты. Гадолиний был добавлен в полипропилен для существенного увеличения сечения захвата нейтронов. В результате моделирования бы ло установлено, что в результате добавления гадолиния эффективность регистрации нейтронов возрастает с 55% (без Gd) до 81% (массовая доля Gd 0.5%). Подробно описана структура блоков пассивной защиты и их расположение.

Раздел 4.4 посвящен пластмассовым сцинтилляторам, составляющим основную часть активного вето. Приведено описание материала (UPS 923A), из которого были изготовлены модули сцинтиллятора, а также описаны их геометрические параметры и расположение вокруг детекто ра. Подробно описан подбор оптимальных параметров для материалов, играющих роль отражателя вокруг сцинтиллятора, а также измерение базовых характеристик материала сцинтиллятора, проведенные в ИТЭФ на тестовом образце, полученном от производителя. В итоге оптималь ным отражающим материалом для обертываниия сцинтилляторов ока зался тефлон. Также были получены опорные кривые зависимости числа фотоэлектронов от расстояния между точкой высвечивания и фотоумно жителем для дальнейшего моделирования работы вето-системы.

В разделах 4.5 и 4.6 приводятся базовые параметры работы фото умножителей и электроники системы сбора данных для вето. Описа на работа системы оцифровки данных, системы синхронизации событий между вето и основным детектором. Приведено описание формирования триггера для двух различных режимов работы вето-системы: ведомого, когда она получает триггер от основного детектора ZEPLIN-III, и неза висимого, в котором формируется собственный триггер в зависимости от установленных порогов срабатывания отдельных модулей. Приведена оценка необходимого временного окна вокруг триггера для записи собы тий, чтобы избежать потери информации.

Раздел 4.7 подводит итог описанию устройства вето-системы и еще раз подчеркивает ключевые моменты в её работе.

В Главе 5 речь идет об измерении параметров ключевых компонен тов вето-системы: фотоумножителей и пластмассовых сцинтилляторов.

Эти параметры далее закладывались в модель работы вето-системы для получения оценок эффективности ее работы.

В разделе 5.1 кратко описываются измеряемые параметры компонен тов вето-системы. Для фотоумножителей измерялась квантовая эффек тивность, то есть количество фотоэлектронов, испускаемых в среднем из фотокатода на один падающий фотон. Для сцинтилляционных моду лей исследовалась зависимость количества фотоэлектронов на единицу выделившейся в сцинтилляторе энергии от положения точки энерговы деления вдоль сцинтиллятора.

Раздел 5.2 целиком посвящен измерению параметров фотоумножи телей. Основным исследуемым параметром была квантовая эффектив ность. Для её оценки сначала определялись относительные квантовые эффективности всех ФЭУ двумя способами. Для этого для каждого ФЭУ измерялись спектр одиночных фотоэлектронов от спонтанной термоэлек тронной эмиссии из фотокатода и спектр сигналов от вспышки светоди ода.

Первый способ определения квантовой эффективности использовал статистический подход, в котором число фотоэлектронов определялось по ширине пика в спектре. Ширина пика, полученного от вспышки све тодиода, определяется в основном распределением Пуассона для числа испущенных фотоэлектронов, так что µ =, N где определенное по ширине пика стандартное отклонение, µ по ложение максимума пика, а N среднее число испущенных фотоэлек тронов для событий, попавших в пик.

Другой метод определял число фотоэлектронов путем деления номе ра канала, в котором находился максимум пика от светодиода, на номер канала, в котором находился максимум пика от однофотоэлектронных событий.

Таким образом были получены относительные квантовые эффектив ности для всех 52 ФЭУ. Измерения абсолютной эффективности прово дились производителем для 3 отобранных ФЭУ. Получив результаты их абсолютной калибровки и зная относительные эффективности были определены абсолютные эффективности всех ФЭУ. График соотношения между абсолютными эффективностями, полученными двумя различны ми методами, представлен на рис. 6.

В разделе 5.3 описывается измерение параметров пластмассовых сцин тилляторов. Основным параметром, играющим важную роль для моде лирования их работы, является техническая длина ослабления (ТДО).

Это расстояние вдоль модуля, на котором исходный световой сигнал за тухает в e раз с учетом свойств материала, геометрии модуля и отражаю щих свойств материала, которым обернут сцинтиллятор. Для измерения Рис. 6. Квантовые эффективности всех ФЭУ, полученные двумя различ ными методами. Закрашенными кружками показаны ФЭУ, чьи абсолют ные эффективности были измерены производителем ТДО была собрана схема совпадений с использованием второго сцинтил лятора из NaI. В качестве источника использовался 22Na, дающий два гамма-кванта по 511 кэВ от аннигилляции испущенных позитронов. Про водилось несколько измерений для различных расстояний между источ ником и ФЭУ, прикрепленным к концу пластмассового сцинтиллятора.

Для полученных спектров определялось положение края комптоновского спектра, поскольку пик полного поглощения был практически не виден.

В результате получалась зависимость положения края комптоновского спектра от расстояния между источником и ФЭУ, из которой в дальней шем извлекалась величина ТДО. Пример полученной кривой показан на рис. 7.

Подобные кривые были получены для всех сцинтилляционных моду лей. На их основе была создана схема моделирования сигнала с ФЭУ для отдельных модулей, которая использовалась при моделировании работы вето-системы в целом. В нее были заложены усредненные зависимости числа фотоэлектронов от расстояния до источника для 5 различных гео метрий модулей. Полученные усредненные зависимости приведены на рис. 8.

Рис. 7. Зависимость положения пика комптоновского рассеяния гамма квантов от расстояния между источником и ФЭУ для одного из модулей Рис. 8. Усредненные зависимости числа фотоэлектронов от расстояния до источника сигнала для пяти различных типов модулей В разделе 5.4 кратко приведены основные моменты проделанной ра боты по измерению параметров ключевых компонентов вето-системы.

Глава 6 посвящена моделированию работы вето-системы в целом, оптимизации параметров добавления гадолиния в пластик и получению оценок эффективностей маркировки вето-системой нейтронов и гамма квантов, давших сигнал в основном детекторе, который может быть оши бочно интерпретирован как сигнал от темной материи, как событий, не имеющих отношения к WIMP-ам.

В разделе 6.1 кратко сформулирована основная задача моделирова ния работы вето-системы. Для оценки эффективности маркировки мо дель вето работала совместно с моделью работы основного детектора ZEPLIN-III.

В разделе 6.2 приведено описание основных параметров модели. Мо дель вето-системы делалась на основе программного пакета GEANT 4.9.1.

В разделе подробно описаны все включенные в модель элементы. Для получения спектра нейтронов, образующихся в основном в результате (, n) реакций от -частиц, возникающих при распаде нестабильных изо топов, использовался программный пакет SOURCES [21], полученный с его помощью спектр нейтронов закладывался в GEANT для дальнейше го моделирования.

В разделе 6.3 описывается подбор с помощью моделирования опти мальных параметров добавления гадолиния. Он смешивался с эпоксид ным клеем и заливался в пазы, проделанные в пластиковых блоках. В результате моделирования оптимальными параметрами оказались мас совая доля гадолиния 0.5%, ширина пазов 2 мм и шаг пазов 10 мм.

В разделе 6.4 приведены итоговые эффективности маркировки ней тронов и гамма-квантов в зависимости от величины порога срабатыва ния отдельных модулей и от числа сработавших модулей. Полученные кривые для нейтронов и гамма-квантов приведены на рис. 9 и 10 соот ветственно.

Для нейтронов при срабатывании хотя бы одного модуля при ну левом пороге эффективность маркировки составила 79.8 ± 2.0%, а при пороге в 6 фотоэлектронов 67.6 ± 1.9%, при этом для двух сработав ших модулей при пороге в 6 фотоэлектронов она составляет 57.4 ± 1.5%.

Это связано с тем, что при захвате нейтрона гадолинием выделяется не один, а несколько энергичных гамма-квантов, направления вылета кото Рис. 9. Зависимость эффективности маркировки вето-системой нейтрон ных событий в основном детекторе от величины порога срабатывания модулей и от числа сработавших модулей Рис. 10. Зависимость эффективности маркировки вето-системой событий от гамма-квантов в основном детекторе от величины порога срабатыва ния модулей и от числа сработавших модулей рых слабо связаны друг с другом, поэтому высока вероятность того, что они вызовут срабатывания в разных модулях.

При нулевом пороге срабатывания модулей для гамма-квантов будет зарегистрировано 27.3 ± 1.5% из тех, что оставили сигнал в основном детекторе. Для порога в 6 фотоэлектронов эта величина составит уже 14.6 ± 1.5%, а если требуется одновременное срабатыване двух моду лей при данном пороге, то эффективность маркировки составит всего 8.6 ± 1.4%. Это связано с тем, что гамма-кванты в основном выделяют энергию в пределах только одного модуля.

В разделе 6.5 подведены итоги моделирования работы вето-системы и оценки эффективности маркировки ею нейтронов и гамма-квантов. В течение второго периода работы детектора ZEPLIN-III величина фоново го счета без учета работы вето должна была составить 0.4 события в год.

При эффективности маркировки ложных событий вето системой около 65% итоговый фоновый счет в основном детекторе снижается до вели чины 0.14 событий в год. Это внесет существенный вклад в результат, полученный детектором ZEPLIN-III, в случае, если в искомой области будет обнаружено ненулевое число событий. Таким образом, установка активной вето-системы позволит существенно улучшить окончательный результат работы детектора В Заключении подведены итоги проделанной работы и суммирова ны полученные результаты.

Для эксперимента ДЕВИЗ по поиску двойного -распада 136Xe были получены следующие результаты:

1. Построена модель установки на основе программного пакета GEANT4.

2. Проведено исследование нейтронного фона в окрестности установ ки, уточнено значение фонового потока нейтронов и обнаружены допол нительные источники фона.

3. Для обнаруженных источников получены оценки их активностей и спектров испускаемых нейтронов.

4. Получен качественный и количественный состав изотопов, рожда ющихся в установке под воздействием фонового излучения и способных дать вклад в разницу числа событий в различных экспозициях.

5. Получена величина вклада в фоновое число событий от распада рожденных изотопов для двух экспозиций с различным изотопным со ставом ксенона. Полученный вклад составляет 11.9 событий для обога щенного и 3.5 события для обедненного ксенона за 2000 часов и не может объяснить наблюдаемого избытка событий в экспозиции с обогащенным ксеноном.

Для эксперимента ZEPLIN-III по поиску темной материи были полу чены следующие результаты:

1. Построена модель для изучения сигнала с одиночного пластмассо вого сцинтиллятора на основе программного пакета GEANT4.

2. Измерены с помощью оригинальной методики относительные кван товые эффективности для большой партии фотоэлектронных умножите лей.

3. Измерены параметры пластмассовых сцинтилляторов для активно го вето.

4. Получены кривые зависимости сигнала с ФЭУ от положения точки энерговыделения в сцинтилляторе.

5. Создана модель работы вето-системы в целом на основе программ ного пакета GEANT4.

6. Определена эффективность маркировки событий в основном детек торе, вызванных нейтронами и гамма-квантами, которые могли бы быть ошибочно интерпретированы как сигналы от темной материи, в зависи мости от установленных порогов срабатывания отдельных модулей.

Список публикаций автора по теме диссер тации [1] В. А. Белов, О. Я. Зельдович, А. С. Кобякин. Исследование источни ков фона, связанных с образованием радиоактивных изотопов в экс перименте ДЕВИЗ (2-распад). Ядерная физика 71, 1057- (2008).

[2] В. А. Белов,..., А. С. Кобякин и др. Измерение фона от Rn в экс перименте ДЕВИЗ. Ядерная физика 72, 1-5 (2009).

[3] В. А. Белов,..., А. С. Кобякин и др. Измерение нейтронного фона в эксперименте ДЕВИЗ. Приборы и техника эксперимента №5, 13- (2010).

[4] D. Yu. Akimov,..., A. S. Kobyakin et al. The ZEPLIN-III anti coincidence veto detector. Astroparticle Physics 34, 151-163 (2010).

Цитируемая литература [1] Y. Fukuda et al. Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos.

Physical Review Letters 81(8), 1562-1567 (1998).

[2] A. Bettini. Status and perspectives of neutrino physics. Nuclear Physics B Proceedings Supplements 151(1), 270-278 (2006).

[3] E. Majorana. Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone. Nuovo Cimento 14, 171-184 (1937).

[4] Ju. M. Gavriljuk et al. Results of a search for 2 decay of 136Xe with high pressure copper proportional counters in Baksan Neutrino Observatory.

Ядерная физика 69, 2174-2178 (2006).

134 [5] R. Bernabei et al. Investigation of decay modes in Xe and Xe.

Physics Letters B 546, 23-28 (2002).

[6] G. Hinshaw et al. Five-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Observations: data processing, sky maps, and basic results. The Astrophysical Journal Supplement Series 180, 225-245 (2009) [7] M. Kamionkowski. Possible relics from new physics in the early universe:

Ination, the cosmic microwave background and particle dark matter.

arXiv: astro-ph/9809214v [8] D. Clowe et al. A direct empirical proof of the existence of dark matter.

The Astrophysical Journal Letters 648, L109-L113 (2006).

[9] F. Iocco et al. Primordial nucleosynthesis: From precision cosmology to fundamental physics. Physics Reports 472(1-6), 1-76 (2009).

[10] Ю. А. Гольфанд, Е. П. Лихтман. Расширение алгебры генераторов группы Пуанкаре и нарушение P-инвариантности. Письма в ЖЭТФ 13(8), 452-455 (1971).

[11] G. Bertone, D. Hooper, J. Silk. Particle dark matter: evidence, candidates and constraints. Physics Reports 405, 279-390 (2005).

[12] S. Agostinelli et al. Geant4 a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 506(3), 250-303 (2003).

[13] J. Allison et al. Geant4 developments and applications. IEEE Transactions on Nuclear Science 53(1), 270-278 (2006).

[14] R. Brun, F. Rademakers. ROOT An object oriented data analysis framework. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 389(1-2), 81-86 (1997).

[15] W.-M. Yao et al. Review of Particle Physics. Journal of Physics G (2006).

[16] O. C. Allkofer, K. Carstensen, W. D. Dau. The absolute cosmic ray muon spectrum at sea level. Physics Letters B 36(4), 425-427 (1971).

[17] W. N. Hess et al. Cosmic-ray neutron energy spectrum. Physical Review 116(2), 445-457 (1959).

[18] G. Heusser. Low-radioactivity background techniques. Annual Review of Nuclear and Particle Science 45, 543-590 (1995).

[19] V. N. Lebedenko et al. Results from the rst science run of the ZEPLIN-III dark matter search experiment. Physical Review D 80, 052010 (2009).

[20] V. N. Lebedenko et al. Limits on the spin-dependent WIMP-nucleon cross sections from the rst science run of the ZEPLIN-III experiment.

Physical Review Letters 103, 151302 (2009).

[21] W. B. Wilson et al. Sources: A code for calculating (alpha, n), spontaneous ssion, and delayed neutron sources and spectra. Progress in Nuclear Energy 51(4-5), 608-613 (2009).



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.