Подземная лаборатория Гран Сассо является самой большой подземной
лабораторией в мире. Она предназначена для проведения экспериментов
в области физики частиц и ядерной астрофизики.
Установка LVD Лаборатория Гран Сассо расположена в 120 км от Рима в десятикилометровом туннеле, проходящем под массивом
Гран Сассо, на высоте 963 м над уровнем моря и под толщей горных пород около 1400 м. Горный массив, расположенный над подземной
лабораторией, ослабляет поток мюонов космических лучей - основной фон для проводимых исследований - в миллион раз. Другой источник фона -
нейтроны - также очень мал благодаря низкому содержанию урана и тория в скальных породах. Экспериментальные установки размещены в трех
больших залах высотой около 20 м, шириной 20 м и длиной 100 м.
Эксперимент по регистрации нейтринного излучения от сверхновых проводится в Лаборатории Гран Сассо на
установке LVD (Large Volume Detector - детектор большого объема). Она была создана в рамках российско-итальянской коллаборации с
участием ученых из США, Китая, Бразилии и Японии. Установка LVD предназначена для исследований в области нейтринной физики,
астрофизики, физики космических лучей и поиска редких процессов, предсказываемых теорией, но, как было обнаружено в последние годы,
может быть использована и в ядерной геофизике для предсказания землетрясений.
Установка LVD - самый крупный в мире сцинтилляционно-трековый телескоп. Она состоит из трех башен, имеющих модульную структуру (по 35 модулей в
каждой башне). Модуль содержит 8 сцинтилляционных счетчиков, разработанных и изготовленных в Институте ядерных исследований
Российской Академии наук, и трековый детектор, производимый Национальным Институтом ядерной физики Италии. LVD состоит из
840 сцинтилляционных счетчиков, содержащих 1010 тонн сцинтиллятора, и 105 трековых детекторов. Трековая система позволяет измерять
направление прихода заряженных частиц с точностью 0.5 градуса. Каждый счетчик, изготовленный из нержавеющей стали, содержит 1.2
тонны жидкого сцинтиллятора на основе уайт-спирита и просматривается тремя фотоумножителями российского производства. Информация с каждого
счетчика считывается независимо. Модульная структура установки позволяет проводить регламентные работы по поддержанию установки в
рабочем состоянии без остановки системы сбора информации, что обеспечивает непрерывный набор статистического материала по программам
в области физики нейтрино, нейтринной физики и астрофизики. В 2000 году эффективное время работы установки составило 99% .
Основная задача LVD - регистрация нейтринных вспышек от коллапсирующих звезд.
Преимущество LVD перед большими водяными детекторами заключается в наличии углерода в сцинтилляторе, что позволяет разделять разные типы нейтрино. Детектор способен зарегистрировать как электронные антинейтрино (реакция на водороде), так и мюонные и тау-нейтрино и а
нтинейтрино (реакция на углероде сцинтиллятора). Для первого процесса при взрыве сверхновой в центре Галактики (8,5 килопарсек) ожидается от 300 до 600 событий. Другие процессы дадут гораздо меньше событий. Например, в отсутствие осцилляций будут регистрироваться всего 6
событий от взаимодействий электронных нейтрино с углеродом сцинтиллятора. Выход мал в основном из-за того, что слишком малы энергии электронных нейтрино. Но осцилляции преобразуют мюонные и тау-нейтрино, которые генерируются с более высокими энергиями
(примерно в два раза выше), в электронные нейтрино. Выход увеличится до нескольких десятков событий. Таким образом, регистрация нейтрино от сверхновых может дать полезную информацию о физике нейтрино, в основном о смешивании, и, кроме того, об астрофизике коллапса.
Весьма важным будет сравнение данных, полученных на различных детекторах, которые имеют разную чувствительность к энергии и ароматам. Сейчас создана глобальная международная сеть из различных детекторов для слежения за коллапсами звезд. В нее входят подземные
детекторы LVD, Суперкамиоканде (Япония), SNO (Канада) и несколько гравитационных антенн. За время наблюдения с 1992 г. по 2000 г. на установке LVD коллапсов не обнаружено.
Помимо этого ведется постоянный контроль темпа счета на LVD с целью изучения вариации концентрации радона, выходящего
в атмосферу подземного помещения из горных пород перед землетрясениями. Радон образуется в грунте в результате деления и распадов элементов урановых и ториевого рядов и выходит в атмосферу подземного помещения через множественные микротрещины в породе или из воды, насыщающейся
радоном (радон хорошо растворяется в воде) на пути через скальную породу до подземного зала. Поскольку количество микротрещин увеличивается при деформациях земной коры перед землетрясениями, то усиливается и испускание радона.
На возможности установки LVD по изучению вариаций концентрации радона под землей было обращено внимание после обнаружения аномального повышения
фонового темпа счета детектора в дни наиболее сильных сейсмических толчков в сентябре 1997 г. Эпицентр толчков находился в Центральной
Италии, примерно в 300 км от установки. В течение 1997 года все сильные толчки были зарегистрированы. После похожего увеличения
темпа счета в 1999 году, которое по времени появления было ассоциировано с разрушительным землетрясением в Турции, началось
целевое изучение вариаций темпа счёта фоновых событий с низкими энергиями как отражающих временное поведение концентрации радона.
С ним связывались надежды выделить предвестники сильных землетрясений. При измерениях используется регистрация гамма-излучения ядер
радоновой группы. Большая (около 1000 квадратных метров) площадь установки, через которую гамма-кванты проникают в счетчики,
обеспечивает высокую статистическую достоверность полученных результатов, то есть установка LVD является идеальным прибором для
изучения вариаций концентрации радона под землёй. Она обладает высочайшими чувствительностью и быстродействием, большой
регистрирующей поверхностью, за счёт чего усредняются локальные изменения концентрации радона в разных точках зала, непрерывно
работает в режиме ''on-line''.
Разработан алгоритм выделения радоновых выбросов.
Они регистрируются установкой как пики на счетной характеристике фона, превышающие в максимуме средний темп счета до 2 раз.
Микросейсмический фон, создаваемый технической деятельностью, оказывает существенное влияние на состояние подпочвенных радоновых
полей. Техногенные вибрации грунта ежедневно приводят к инжекции радона из подпочвенного слоя. Готовящееся сейсмическое событие за
счёт деформации земной коры и предшествующих микротолчков способствует насыщению подпочвенного слоя радоном, постоянно образующимся в
грунте. Таким образом, информация о предстоящем землетрясении может содержаться в амплитуде и мощности техногенных радоновых пиков. В
настоящее время проводится амплитудно-временной анализ радоновых данных.
Одной из важных экспериментальных задач, решаемых
на установке LVD, является изучение проникающей компоненты космических лучей, в основном мюонов. Изучение атмосферных мюонов на больших
глубинах под землей позволяет получить информацию о первичном спектре космических лучей и взаимодействиях элементарных частиц при высоких
энергиях. Кроме того, проникающая компонента является фоном для экспериментов по поиску редких событий, проводимых глубоко под землей.
Проведенный анализ статистического материала позволяет сделать вывод об отсутствии аномалий в первичном спектре космических лучей в
области энергий 1013- 3*1014 эВ, а также поставить ограничения на процесс прямой генерации мюонов. С помощью изучения групп мюонов
исследуется спектр космического излучения в области энергий 1015 - 1016 эВ (область так называемого колена - область изменения
показателя спектра космических лучей).
LVD_apparatus_Agafonova.pdf
Поиск нейтринного излучения
Установка LVD способна зарегистрировать нейтрино всех типов, используя реакции взаимодействия с ядрами веществ, входящих в её структуру – водородом, углеродом, железом:
1. Основной реакцией на водороде является следующая: ne + p -> e + n. (1)
Нейтрон может быть зарегистрирован, используя реакции n + p -> d* -> d+g, E=2.23 МэВ (2)
и n + 56Fe -> 57Fe +g, Emax=10.16 МэВ. (3)
Среднее время жизни нейтрона в детекторе tзах ~ 170 – 200 мкс. Гамма-квант из (2) и (3) детектируется сцинтилляционными
счетчиками больших объемов, что помогает идентификации электронного антинейтрино[2].
Эта реакция дает основной вклад в отклик детектора при реализации Стандартной модели коллапса, рассмотренной в [Arnett W.D. // Can. J. Phys. 1966. V.44. P. 2553; Иванова Л.Н. и др. // Труды международного семинара по физике нейтрино и нейтринной астрофизике. М. ФИАН СССР. 1969. Т.2. С. 180; Имшенник В.С., Надежин Д.К. // Итоги науки и техники. Серия «Астрономия». М. ВИНИТИ АН СССР. 1982. Т.21. С.63; Надежин Д.К., Отрощенко И.В. // АЖ. 1980. Т.57. С.78; Bowers R., Wilson J.R. // Astrophys. J. 1982. V.263. P.366; Wilson J.R. et al. // Ann. N.Y. Acad. Sci. 1986. V.470. P. 267].
2. Среди взаимодействий нейтрино с углеродом представляет особый интерес реакция по нейтральному току:
ne,m,t+12С -> ne,m,t
+12C* (4) Мюоны в LVD
1/ Мюоны, регистрируемые под землей, образуются главным образом при распаде p- и K-мезонов, являющихся продуктами взаимодействий первичных космических лучей с ядрами атмосферы. Существует положительная корреляция между интенсивностью мюонов и температурой атмосферы: чем выше температура, тем выше поток мюонов под землей. Этот эффект ранее был измерен в таких подземных экспериментах, как MACRO, AMANDA и MINOS. Однако их данные были получены только за 4, 1 и 3 года соответственно. Данные AMANDA подтверждают, что зависимость является только температурной, т.к. максимум интенсивности мюонов приходится на январь, а минимум – на июль (установка находится в южном полушарии). В ходе данного проекта были изучены сезонные вариации не только мюонов за большой промежуток времени – 8 лет работы LVD с 2001 по 2008 гг., а также и вариации нейтронов, генерированных мюонами, за период с 2003 по 2010 гг.
Мюон в детекторе LVD пересекает несколько счетчиков и выделяет от 10 до нескольких сотен МэВ в каждом из них (наиболее вероятное энерговыделение в каждом счетчике 170 МэВ), разница во времени срабатывания счетчиков не более 250 нс. Каждое событие, отобранное как «кандидат на мюон», имеет не менее 2 сработавших счетчиков с энерговыделением Ei > 10 МэВ и разницей во времени dt< 250 нс. Отобранные события, помимо одиночных мюонов, включают в себя также и множественные мюоны, и мюоны, сопровождающиеся электро-магнитным или адронным каскадом.
Число нейтронов от мюонов определялось по запаздывающим гамма – квантам, испускаемым после радиационного захвата тепловых нейтронов, в основном, протонами сцинтиллятора np>D*>Dg , Eg =2.2 МэВ, t= 180 мкс, а также ядрами железа и хлора в структуре LVD: nFe>Fe*>Fe(kg), nCl>Cl*>Cl(kg), Eg =7 МэВ, t= 100 мкс.
Число нейтронов определялось по внутренним счетчикам установки за каждые 2 месяца работы. Получен темп счета нейтронов в расчете на один счетчик за период с апреля 2003 по апрель 2010 г. При фитировании распределения функцией вида N=A+Bcos(2*p*(t-t0)/T), наилучшее согласие было достигнуто при параметрах A=65+/- 2.2, B=-9.3 +/- 3.9, периоде T=1 год и t0=185+/- 18 дней. Фаза вариации нейтронов совпадает с фазой для вариации мюонов, полученной в ходе выполнения этого проекта в прошлом году.
Температурные вариации представлены за период с января 2001 года по июнь 2010 года по данным ближайшей к Гран Сассо станции Monte Terminillo, L’Aquila, 42°28’N 12°59’E, 1875 м н.у.м. Распределение было также профитировано функцией вида N=A+Bcos(2*p*(t-t0)/T), наилучшее согласие достигается при параметрах А=5.3 +/- 0.2, B=-8.8 +/- 0.3, периоде T=1 год и t0=202 +/- 19.
Фазы мюонных вариаций и вариаций нейтронов от мюонов совпадают в пределах погрешности с фазой температуры.
2/ По данным первой башни LVD методом выделения распадов положительных мюонов, останавливающихся в железе, определена величина отношения числа положительных мюонов к отрицательным R=1.26 с методической ошибкой 0.11 и статистической 0.04. Полученная величина R соответствует диапазону энергий 0.9 – 3.0 ТэВ и средней энергии 1.8 ТэВ потока мюонов на поверхности горы.
3/ Большой геометрический фактор и хорошее пространственное разрешение детектора LVD обеспечили значительную статистику и высокую точность в измерении траектории мюонов и в определении кратности мюонных групп. Разработанный алгоритм позволил реконструировать 2x106 мюонных событий (одиночных мюонов и мюонных групп). В результате получены характеристики мюонных групп и найден удельный выход нейтронов, генерируемых одиночными мюонами, мюонными группами и ливнями.
Исследование радона под землей
ЯФ2023+2024
(ISCRA-2023): N. Yu. Agafonova, V.V. Ashikhmin, E. A. Dobrynina, R.I. Enikeev, N. A. Filimonova, I. R. Shakyrianova, V. F. Yakushev and LVD Collaboration
"The latest results obtained on the LVD experiment" Physics of Atomic Nuclei, 2023, Vol. 86, No. 6, pp. 1008–1013. DOI: 10.1134/S1063778824010034
Параграф 5: о недельных и суточных вариациях за 2010 и 2020 год (год пандемии), временные ряды 2016-2019 гамма-кванты LVD и Давления.
Временные ряды ряд характеристик вариаций плотности космических лучей,
суммарного глобального планетарного индекса геомагнитной активности и скорости счета гамма-квантов на LVD. PHAN1008.pdf
ЯФ2023+2024
(ГТ Чтения-2023):Н. Ю. Агафонова, В. В. Ашихмин, Е. А. Добрынина, Р. И. Еникеев, Н. А. Филимонова, И. Р. Шакирьянова, В. Ф. Якушев (и коллаборация LVD)
"Лунно-месячные вариации фоновых гамма-квантов измеренных на LVD" ЯФ (2024)
N. Yu. Agafonova, V. V. Ashikhmin, E. A. Dobrynina, R. I. Enikeev, N. A. Filimonova, I. R. Shakiryanova,
and V. F. Yakushev (on behalf of the LVD Collaboration). Lunar-Monthly Variances in the Background
Gamma-Quanta Measured at the LVD. Physics of Atomic Nuclei, 2023, Vol. 86, No. 6, pp. 1014–1020.
2023: РУДН-2023 Агафонова Н.Ю., Добрынина Е.А., Филимонова Н.А., Шакирьянова И.Р.
"Корреляционный анализ концентрации радона, измеренного по
данным LVD, и данных давления в подземной лаборатории Гран Сассо (Италия)".
Корреляционные функции сейсмической активности и темпа счета установки. а) корреляция радоновых данных с магнитудой землетрясений. -
б) корреляция радоновых данных с энергией землетрясений,
в) корреляция радоновых данных с интенсивностью землетрясений.
Корреляционные функции атмосферного давления и радоновых данных установки LVD.
Временные ряды величины атмосферного давления и величины скорости счета гамма-квантов
за период с 2016 по 2020 годы. (без закрытых областей)
2023_RUDN_Corr.pdf
2023: РУДН-2023 Агафонова Н.Ю., Добрынина Е.А., Филимонова Н.А., Шакирьянова И.Р.
"Отклик детектора LVD на сильные землетрясения в Средиземноморском регионе".
Представлены временные рады во время землетрясений за 2016, 2019 и 2023 г.
2023_RUDN_Otklik.pdf
2023: ЖЭТФ2023 Н. Ю. Агафонова, Е. А. Добрынина, Н. А. Филимонова, И. Р. Шакирьянова от имени коллаборации LVD
"Периодические вариации концентрации радона в подземной Лаборатории Гран Сассо, измеренные с помощью LVD",
ЖЭТФ, 2023, том 164, вып. 3 (9), стр. 386–395. DOI: 10.31857/S0044451023090079.
http://jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/r_164_0386.pdf
2023: ВККЛ2022 Н. Ю. Агафонова, В. В. Ашихмин, Е. А. Добрынина, Р. И. Еникеев, Н. А. Филимонова, И. Р. Шакирьянова, В. Ф. Якушев
(от имени коллаборации LVD) "Влияние давления и вентиляции в экспериментальном зале на скорость счета фоновых событий детектора LVD".
Известия РАН Сер.Физ. 2023, Т. 87, № 7, С. 1045–1047.
Вариации разница атмосферно давления и завления в зале А. Сревнение трендов скорости гамма-квантов и атмосферного давления
за период 2016-2019 (с закрытыми областями). 2023_Ventillation_VKKL.pdf
2023: Ядро-2022 Н.Ю. Агафонова, Е. А. Добрынина, Н. А. Филимонова (от имени коллаборации LVD)
"Регистрация распадов радона с помощью нейтринного детектора LVD".
ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 78(1), 2310202 (2023), 4 стр. (труды конференции Ядро-2022)
2023_VestnikMGU_Nucleus2022_rus.pdf , DOI: 10.55959/MSU0579-9392.78.2310202
[Перевод - N. Yu. Agafonova, E. A. Dobrynina, and N. A. Filimonova (On behalf of the collaboration LVD)
"Detection of Radon Decay Using the LVD Setup for Searching Neutrinos" ISSN 0027-1349,
Moscow University Physics Bulletin, 2023. © Allerton Press, Inc., 2023., DOI: 10.3103/S0027134923010095]
- Временные ряды данных LVD Апрель-май 2022 г.,
- сравнение данных LVD с показанием радонометра,
- эксперимент с открытием ворот на 0.5, 3, и 6 часов
2022: ЯФ - ОГ-80 "LVD - многоцелевой Российско-Итальянский детектор". Ядерная Физика, 2022, Vol. 85, No. 1, pp. 70–75.
DOI: 10.31857/S0044002722010032, 2022_YadFiz_OG-80_rus.pdf
[Перевод: N. Yu. Agafonova and O. G. Ryazhskaya (on behalf of the LVD Collaboration), "LVD—Multipurpose Russian–Italian Detector" Physics of Atomic Nuclei, 2022, Vol. 85, No. 1, pp. 79–85. DOI: 10.1134/S1063778822010033]
- параграф 4 "Фон детектора": данные за февраль 2020 (временной ряд) C.R.(Rn).
2022: ЖЭТФ в Юбилейный номер Агафонова Н.Ю., Ряжская О.Г. от имени Коллаборации LVD,
"Изучение характеристик космогенных нейтронов и скорости счета импульсов на сцинтилляционных детекторах АСД,
LSD и LVD", ЖЭТФ, 2022, том 161, вып. 4, стр. 533–543, DOI: 10.31857/S0044451022040071
http://jetp.ras.ru/cgi-bin/dn/r_161_0533.pdf
[Перевод: N. Yu. Agafonova, M. Aglietta, P. Antonioli, V. V. Ashikhmin, G. Bari, G. Bruno, E. A. Dobrynina,
R. I. Enikeev, W. Fulgione, P. Galeotti, M. Garbini, P. L. Ghia, P. Giusti, E. Kemp, A. S. Malgin, A. Molinario, R. Persiani, I. A. Pless, O. G. Ryazhskaya, G. Sartorelli, I. R. Shakiryanova, M. Selvi, G. C. Trinchero, C. F. Vigorito, V. F. Yakushev, and A. Zichichi,"Analysis of Cosmogenic Neutron Characteristics and the Pulses Counting Rate Using ASD, LSD, and LVD Scintillation Detectors", Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2022, Vol. 134, No. 4, pp. 449–458. DOI: 10.1134/S1063776122040124]
- параграф 4: сравнение данных по C.R.(Rn) и C.R.(trigg) за 4 года (2016-2019).
2021: ВККЛ2020 "Отклик детектора LVD на землетрясения в центральной Италии". Агафонова Н.Ю. и др. Известия РАН. Серия физическая Т.85, N11, 1661-1665 (2021) DOI: 10.31857/S036767652111003X [Перевод - N.Yu. Agafonova, V.V. Ashikhmin, E.A. Dobrynina, R.I. Enikeev, A.S. Malgin, O.G. Ryazhskaya, N.A. Filimonova, I.R. Shakyrianova, V.F. Yakushev, "Responses of the LVD Detector to Earthquakes in Central Italy", Bull. of the Rus. Acad. of Sci.: Physics, 2021, Vol. 85, No.11, pp.1320–1324, DOI: 10.3103/S1062873821110034]
2021_Добрынна_ВККЛ_рус.pdf
- опубликованы 3 события в LVD, отклик на землетрясения 07.11.2019, 7-9.12.2019, 26.11.2019;
- влияние фоновых эффектов T(L), T(month);
- данные за ноябрь (временной ряд): N_Rn (day), T(day), H(day), P(day).
2021: РУДН2021 "Предсказание землетрясений с помощью нейтринного телескопа LVD (Италия) под землей". Агафонова Н.Ю. и др. Вестник РУДН. стр. 81-86, LVII Всероссийская конференция по проблемам динамики, физики частиц, физики плазмы и оптоэлектроники = LVII All-Russia Conference on Problems in Dynamics, Particle Physics, Plasma Physics and Optoelectronics : материалы конференции. Москва, РУДН, 17–21 мая2021 г. – Москва : РУДН, 2021. – 270 с. (ISBN 978-5-209-11093-4) .
2021_Агафонова_тезисы.pdf
- опубликовано событие из трех толчков 26 августа 2016 г (данные 17.08 - 31.08) + карта местности;
- временной ряд данных 01.11.2019 - 09.11.2019.
2021: ISCRA2021 "Variation of atmospheric muons and background measured with Large Volume Detector". Agafonova N.Yu. et al. Physics of Atomic Nuclei, 2021, Vol. 84, No. 6, pp. 1065–1069 (only eng.) DOI: 10.1134/S1063778821130019
PHAN1065.pdf
- сезонные вариации, зависимости для мюонов I(tot), I(hor), I(vert);
- данные (временной ряд) за 2019 C.R.(Rn) деленное на среднее;
- данные (временной ряд) за 2019 C.R.(trigg) деленное на среднее;
- сравнение данных Магнитуды (M>2, 250 км) и C.R.(trigg) со стрелочками соответствий + данные по полнолуньям и новолуньям (нижний ряд).
2019: ВККЛ2018 Изучение вариаций низкоэнергетического фона с помощью подземного эксперимента LVD"
Известия РАН Серия физическая, 2019, том 83, № 5, с. 673–675, 2019_IzvRAN_VKKL2018_rus.pdf
- Суточные вариации: Средний темп счета (имп./c./cч.) за сутки при “наложении эпох” в 2016 г. в рабочие дни и выходные дни;
- Недельные вариации (за 2016 г. метод “наложении эпох”);
- Годовые вариации (с 2008 по 2016 г метод “наложении эпох”).
2018: Симпозиум "30 лет Сверхновой SN 1987A"«Эксперимент LVD: 25 лет работы», Ядерная Физика 2018 т. 81 №1, 85-94
- Параграф 5.2. Фон низких энергий: Недельные вариации, Событие в LVD, отклик на землетрясение за 26 и 30 октября 2016 г.
2017: ВККЛ2016 Агафонова Н.Ю. и др. "Сезонные вариации потока нейтронов, генерируемых мюонами, и фона
естественной радиоактивности в подземной Лаборатории Гран Сассо" , Известия РАН. Сер. Физ., 2017, т.81 №4, с. 551-554.
2017_AgafonovaVKKL2016.pdf
- Параграф 4 Сезонные вариации фона в подземной лаборатории LNGS за 2008-2016 метод “наложении эпох”.
Препринт Агафонова Н.Ю., Алексеев В.А., Добрынина Е.А., Кузнецов В.В., Мальгин А.С., Ряжская О.Г., Якушев В.Ф.
"Изучение вариаций концентрации радона под землей с помощью установки LVD." Препринт ИЯИ РАН. Декабрь 2001.
2001_Preprint_INRRAS.pdf
Диплом специалиста МГУ Добрынина Е.А. Дипломная работа студентки МГУ Физический факультет "Исследование вариаций темпа счета
больших подземных сцинтилляционных установок LVD и LSD выше порога 0.5 МэВ и детектирование радона под землей". 2001 Москва. МГУ. 37 с.
2001_Dobrynina_Diploma.pdf
