УЧАСТИЕ НАШЕЙ ЛАБОРАТОРИИ В МЕЖДУНАРОДНЫХ И РОССИЙСКИХ ПРОГРАММАХ и ПРОЕКТАХ
грант РНФ 23-22-00048, 2023-2024, Руководитель: Агафонова Наталья Юрьевна
Изучение вариаций естественной радиоактивности с
помощью подземного нейтринного детектора LVD
Участники проекта:
Агафонова Наталья Юрьевна, 1976, к.ф.-м.н. старший научный сотрудник,
Добрынина Екатерина Анатольевна, 1975, научный сотрудник ИЯИ РАН,
Шакирьянова Ирина Ромельевна, 1986, научный сотрудник ИЯИ РАН,
Филимонова Наталья Александровна, 2000, лаборант ИЯИ РАН
С помощью ядерно-физической установки LVD, находящейся на глубине 3650 м в.э. планируется исследования
фоновых эффектов при регистрации нейтрино от коллапсов звездных ядер в нашей Галактике.
Фоновыми событиями для при регистрации нейтрино являются мюоны космических лучей и нейтроны, а также в
большей части, естественная радиоактивность грунта. В проекте планируется изучение характеристик вариаций
радиоактивности, связанных с различными гео- и метео-эффектами под землей. Проект направлен на проведение
корреляционного анализа гео- и метео- атмосферных данных в районе местоположения детектора (Италия, Гран
Сассо) и данных с установки LVD.
Детектор LVD измеряет концентрацию радона, по гамма-квантам с большой точностью (5%), что более чем на порядок
превышает чувствительность современных приборов, измеряющих величину концентрации радона по альфаактивности ядер радоновой группы.
Метод мониторинга концентрации радона под землей с помощью большой ядерно- физической установки является уникальным.
Планируется разделить скорость счета фона детектора на постоянные составляющие (равновесная радиоактивность) и
изменяемые (фон, связанный с сезонными, лунными и суточными вариациями влажности, температуры, давления и
вариациями сейсмической активности).
Научная значимость и актуальность продиктована новыми вызовами связанными с изучением радиоактивного фона,
который является трудноустранимым при поиске редких событий, таких как темная материя и безнейтринный бета-распад. В Лаборатории Гран Сассо в Италии разрабатываются эксперименты NEWSdm, Legend и учет фона до сих пор
является сложной экспериментальной задачей.
Практический выход от исследований заключается в оценке вероятности землетрясений по увеличению темпа счета
событий связанному с изменением концентрации радона. Технология предупреждения чрезвычайных ситуаций
природных явлений имеет вероятностный характер. В проекте планируется получить достоверность предсказаний
землетрясений больше 70%. Работы по выявлению предвестников землетрясений актуальны в сфере предупреждения и оповещения о чрезвычайных ситуациях.
Ожидаемые в конце первого года конкретные научные результаты (из пункта 4.11)
1. Будет найден коэффициент корреляции между скоростью счета данных с Е>0.5 МэВ (событий, связанных с фоном
естественной радиоактивности грунта и материалов детектора) и E>5 МэВ (событий, связанных с альфа n реакцией от
взаимодействия космических лучей) с целью разделения постоянной и варьируемой составляющих фона.
2. Будут найдены амплитуды и фазы вариаций изменения радиоактивности за более чем 20 лет сбора данных
детектора.
3. Будут выделены сигналы (найдены корреляции) от метео-эффектов, а именно изменения температуры, влажности и
давления в подземном зале.
Ожидаемые конкретные результаты (2023): (из пункта 4.6)
1. Будет найден коэффициент корреляции между скоростью счета данных с Е>0.5 МэВ (событий, связанных с фоном
естественной радиоактивности грунта и материалов детектора) и E>5 МэВ (событий, связанных с альфа n реакцией от
взаимодействия космических лучей) с целью разделения постоянной и варьируемой составляющих фона.
2. Будут выделены сигналы (найдены корреляции) от метео-эффектов, а именно изменения температуры, влажности и
давления в подземном зале.
3. Будет проведен частотный анализ темпа счета нейтронов и гамма-квантов для событий, связанных с естественной
радиоактивностью и взаимодействия космических лучей в грунте (будут найдены амплитуды и частоты, превышающие
3 сигма).
4. Будет найдены амплитуды и фазы суточных вариаций концентрации радона под землей.
5. Будет найдены амплитуды и фазы суточных вариаций нейтронов под землей.
Планируемое на первый год содержание работы каждого члена научного коллектива
1. Агафонова Н.Ю. (рук.) – работы по анализу «триггерных» данных LVD с энергией Е>5 МэВ (пункт 2. плана на 2023 г),
поиск их корреляций (п.5 плана), подготовка статей.
2. Добрынина Е.А. - работы по анализу низко-энергетических "радоновых" данных LVD с энергией Е>0.5 МэВ (п.1,
1.1,1.2 плана), поиск их корреляций (п.5 плана).
3. Филимонова Н.А. – работы с базой данных землетрясений (п.3, 3.1, 3.2 плана), написание программы и определение
показателей корреляций между данными детектора и сейсмо- и атмосферными- данными (п. 8 плана).
4. Шакирьянова И.Р. - работы с базой метео данных на поверхности и в подземном зале (п.4 плана), работы по
применению Фурье-анализам (п. 6,6.1, 6.2 плана), поиск вариаций (п. 7 плана).
грант РФФИ 15-02-01056 , 2015-2017, Руководитель: Ряжская Ольга Георгиевна
Поиск нейтринного излучения от коллапсов звезд и
изучение космических лучей, продуктов их взаимодействия на подземных детекторах ИЯИ РАН и Лаборатории LNGS
Участники проекта:
1. Агафонова Наталья Юрьевна, научный сотрудник
2. Ашихмин Всеволод Васильевич, стажер-исследователь
3. Дадыкин Владимир Львович, старший научный сотрудник (умер в 28.10.2016)
4. Еникеев Расим Ибрагимович, научный сотрудник
5. Мальгин Алексей Семенович, старший научный сотрудник
6. Ряжская Ольга Георгиевна, зав. Отдела
7. Шакирьянова Ирина Ромельевна, младший научный сотрудник
8. Якушев Валерий Федорович, научный сотрудник (участник 2015 г.)
Проект направлен на проведение исследований в области нейтринной астрофизики и физики космических лучей. Установки АСД (Артемовской Научной станции) и LVD (Гран Сассо, Италия),
построенные сотрудниками Лаборатории электронных методов детектирования нейтрино ИЯИ РАН, работают по программе поиска нейтринного излучения от коллапсов звездных ядер.
По данным работы c 1977 г по 2015 г нейтринных телескопов АСД и LVD получено самое сильное экспериментальное ограничение на частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов
звёзд в Галактике: менее 1 события за 16.5 года на 90% уровне достоверности.
Потоки нейтронов, образованных мюонами космических лучей под землей, являются основным источником фона в нейтринных экспериментах при поиске редких процессов, предсказываемых
теорией. Детектор LVD, расположенный в низкофоновой лаборатории Гран Сассо на глубине 3650 м.в.э., регистрирует также мюоны и нейтроны, генерируемые мюонами. С помощью детектора
LVD измерена величина выхода нейтронов,
образованных мюонами со средней энергией 16 ГэВ рожденными при взаимодействии нейтринного пучка из ЦЕРНа в грунте Гран Сассо (CNGS) по данным 2008-2012гг,
в веществе детектора LVD. Проведено полное моделирование эксперимента методом Монте-Карло с помощью пакета программ Geant4. Учитывая доли генерированных нейтронов в
Fe и сцинтилляторе, эффективность регистрации нейтронов и длины треков мюона, было получено, что выход нейтронов в сцинтилляторе равен
Yn = (3.6+/-0.7)x10-5 n/muon/(г см-2), в железе - Yn = (23.2+/-4.6)x10-5 n/muon/(г см-2).
В 2015 году начат прямой эксперимент по измерению генерации нейтронов мюонами в свинце. Для этого внутри ячеистой структуры LVD размещены дополнительные конструкции между
четырьмя парами счетчиков и установлены в них трехсантиметровые пластины свинца (полная масса Pb -2040 кг). Набранная статистика по генерации нейтронов в свинце составила
7 месяцев. Получены первые результаты измерений.
Полученные в 2015 году важнейшие результаты:
1. По данным работы нейтринных телескопов ИЯИ РАН: АСД (Артемовской Научной станции) и российско-итальянской установки LVD (Гран Сассо, Италия) в течение 38 лет (1977 - 2015) получено самое сильное экспериментальное ограничение на частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звёзд в Галактике: менее 1 события за 16.5 года на 90% уровне достоверности.
2. Измерена величина выхода нейтронов, генерированных мюонами от нейтринного пучка CNGS (средняя энергия мюонов около 16 ГэВ), в веществе детектора
LVD: Ynсц = (3.6+/-0.7)x10-5 n/muon/(г см-2) в сцинтилляторе и Ynfe = (23.2+/-4.6)x10-5 n/muon/(г см-2) в железе.
3. Ведется эксперимент по измерению генерации нейтронов в железе и свинце. Установлены дополнительные конструкции и помещены исследуемые материалы
(железо - 4 см, свинец - 3 см). Получены первые результаты измерений. Величины генерации нейтронов мюонами составили YnFe
=(15 +/- 2) x 10-4 n/muon/(г см-2) и YnPb =(55 +/- 20) x 10-4 n/muon/(г см-2).
Полученные в 2016 году важнейшие результаты:
1. По данным работы нейтринных телескопов ИЯИ РАН: АСД (Артемовской Научной станции) и российско-итальянской установки LVD (Гран Сассо, Италия) в течение 39 лет (1977 - 2016) получено самое сильное экспериментальное ограничение на частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звёзд в Галактике: менее 1 события за 16.94 года на 90% уровне достоверности.
2. Увеличен статистический материал по измерению выхода нейтронов от мюонов космических лучей в железе и свинце с помощью детектора LVD. Величины генерации нейтронов мюонами в 1 г/см2 вещества составили Yn(Fe) =(15.4 +/- 1.3) x 10-4 n/muon/(г см-2) и Yn(Pb) =(54 +/- 10)x10-4 n/muon/(г см-2).
3. Установлено наличие сезонных вариаций нейтронов, генерированных мюонами. Амплитуда вариаций составила dNn/Nn =0.08 +/- 0.02 , фаза модуляции - 7.15 +/- 0.4 мес.
4. Определены характеристики вариаций низко-энергетического фона установки LVD. Вариации обусловлены сезонными колебаниями концентрации радона и дополнительным выходом радона из подземных вод, связанным с микросейсмической активностью.
Полученные в 2017 году важнейшие результаты:
1. По данным работы нейтринных телескопов ИЯИ РАН: АСД (Артемовской Научной станции) и российско-итальянской установки LVD (Гран Сассо, Италия) в течение 40 лет (1977 - 2017) получено самое сильное экспериментальное ограничение на частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звёзд в Галактике: менее 1 события за 17.37 года на 90% уровне достоверности.
2. Измерен выход нейтронов от мюонов космических лучей в железе (YFe) и свинце (YPb) с помощью детектора LVD.
3. Определена величина вариации энергии потока мюонов под землей с помощью детектора LVD.
Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем
На установках LVD И АНС получено самое сильное ограничение на частоту звездных коллапсов в нашей Галактике.
Полученные результаты генерации нейтронов мюонами с энергией 16 ГэВ в сцинтилляторе соответствуют полученным величинам в работах Р. Еникеев и др., 1987 г.
для энергии мюонов Е=16.7 МэВ и F. Boehm и др., 2000 г. для Е=16.5 ГэВ в пределах ошибок. Величина выхода нейтронов для железа получена для промежуточной
энергии 16 ГэВ, в то время как в работе Горшкова, 1971 был измерен выход для энергии 11.0 и 17.8 ГэВ. Новые данные помогают уточнить зависимости генерации
нейтронов от энергии мюонов и атомного номера вещества.
Предложен новый метод измерения генерации нейтронов мюонами под землей. Прямой метод измерения позволяет получать новые результаты по генерации нейтронов
в различных веществах.
|
