Неускорительная нейтринная физика и астрофизика

Участвующие страны и международные организации:

Бельгия, Великобритания, Германия, Италия, Россия, Словакия, США, Франция, Чехия, Швейцария, Япония.

Изучаемая проблема и основная цель исследований:

Поиск и изучение безнейтринной и двухнейтринной мод двойного бета-распада, выяснение природы нейтрино (майорановская или дираковская), определение абсолютных значений нейтринных масс и их иерархии, поиск магнитного момента электронного нейтрино, поиск возможных проявлений темной материи. Исследование внутриреакторных процессов на КАЭС. Поиск и изучение сигнала когерентного рассеяния реакторных антинейтрино. Прецизионное изучение спектра когерентного рассеяния для поиска проявлений Новой физики.  Поиск стерильных нейтрино. Cпектроскопия ядер, удаленных от полосы бета-стабильности. Развитие новых методов регистрации заряженных и нейтральных частиц. Разработка методов получения и очистки радионуклидных препаратов для синтеза радиофармпрепаратов. Применение методов сверхтонких взаимодействий для изучения радиофармпрепаратов и их прекурсоров. Разработка и применение методов и методик для получения и анализа низкофоновых материалов с уникально низким содержанием радиоактивных примесей.

Краткая аннотация и научное обоснование:

Проект направлен на развитие методов ядерной спектроскопии и радиохимии, в том числе для астрофизики и нейтринной физики. Он включает в себя новые методики регистрации частиц, калибровок экспериментальных установок, описание фона, создание уникально чистых материалов и т.п., а также развитие методов ядерной медицины: получение и очистка радиоизотопов, разработка и синтез радиофармпрепаратов, исследование механизмов воздействия на вещество в локациях распада радионуклидов и др.

Конкретные области:

1.  Новые детекторы (полупроводниковые детекторы, жидкие и пластмассовые органические сцинтилляторы, композиционные сцинтилляционные системы регистрации, детекторы нейтронов и радона и др.).

2.  «Постраспадная» спектроскопия электронов и других излучений с акцентом на предельно низкие энергии.

3. Традиционная гамма-спектроскопия на полупроводниковых детекторах (ППД), с акцентом на прецизионность определения энергии излучений и активностей источников (как точеных, так и объемных) в целях изучения мод распада и определения сечений ядерных реакций.

4.  Применение методов сверхтонких взаимодействий (СТВ) с использованием радиоактивных меток, а именно метода возмущенных угловых корреляций (ВУК) и эмиссионной моды Мессбауэровской спектроскопии для изучения радиофармпрепаратов и их прекурсоров в водосодержащих системах и других матриц.

5. Разработка методов получения и очистки радионуклидных препаратов для синтеза радиофармпрепаратов, в том числе развитие генераторных способов их получения, развитие физико-химических методов оценки свойств радионуклидов и радиофармпрепаратов (их прекурсоров) в гомогенных и гетерогенных системах.

6. Разработка и применение методов и методик для получения и анализа низкофоновых материалов с уникально низким содержанием радиоактивных примесей, в том числе применение метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой МС-ИСП, а также других аналитических и ядерно-спектроскопических методов.

Использование методов ядерной спектроскопии и радиохимии при изучении свойств нейтрино, поиске частиц темной материи, исследованиях редких и других физических процессов твердо и заслуженно зарекомендовано в многочисленных экспериментах, проводимых по данным тематикам фундаментальной физики. Тоже самое можно сказать и об их роли в ядерной медицине. Таким образом, актуальность данной тематики несомненна. Залогом научной новизны проекта, является его нацеленность на разработку методик и методов, позволяющих расширить горизонт заявленных целевых экспериментов, проводимых в ЛЯП ОИЯИ.

Ожидаемые результаты по завершении проекта:

1. Новые детекторы:

– разработка и применение детекторов на основе карбида кремния (SiC) для регистрации ядерных излучений.
SiC-детекторы, обладающие высокой радиационной стойкостью и работоспособностью при высоких температурах> 400°C, планируется использовать для контроля работы сильноточных ускорителей, ядерных реакторов, а также для диагностики горячей плазмы;

– разработка и исследование жидких теллуросодержащих сцинтилляторов для поиска двойного безнейтринного
β-распада, а также других типов жидких и пластмассовых сцинтилляторов;

– разработка композиционных сцинтилляционных систем регистрации для нейтринных экспериментов;

– разработка и применение ³He-счетиков для регистрации низких потоков нейтронов (менее 10^-6 n×см^-2×c), разработка компактного чувствительного детектора радона, разработка технологии изготовления низкорадиоактивных деталей с использованием 3D-печати.

2. Экспериментальное исследование спектров низкоэнергетических электронов (0 -50 кэВ) на спектрометре ESA-50 и спектров гамма- и рентгеновского излучений на ППД при радиоактивном распаде с целью получения новых данных о низковозбужденных состояниях ядер и постраспадной релаксации атомных систем, поиск способов спектрометрии постраспадных фотонов (от края инфракрасного излучения до мягкого рентгеновского) в области энергий 1-200 эВ.

3. Разработка методики применения кодов моделирования (Geant4, MCNP и FLUKA) характеристик HPGe спектрометров, как на ускорителе электронов ЛИНАК-200 с целью определения выходов фотоядерных реакций, так и на других базовых установках ОИЯИ. Изучение мод распада широкого круга радионуклидов, их содержания в образцах (⁹⁶Zr, ⁴⁰K, ¹³⁸La и др.) для изучения редких процессов.

4. Совершенствование методов возмущенных угловых корреляций (ВУК) и Мессбауэровской спектроскопии (эмиссионная мода) с использованием радиоактивных меток ¹¹¹In, ¹⁵²Eu, ¹⁵⁴Eu, ¹¹⁹Sb, ^119mSn, ⁵⁷Co, ¹⁶¹Tb и др., для изучения радиофармпрепаратов и их прекурсоров (составных частей) в водосодержащих системах, а также других матриц, развитие физико-химических методов оценки свойств радионуклидов и радиофармпрепаратов в гомогенных и гетерогенных системах.

5. Радиохимия и ядерная медицина – исследование сорбционных процессов для различных систем раствор-сорбент как химическую основу методик очистки радиопрепартов (как, впрочем, и очистки низкофоновых материалов) и приготовления радионуклидных генераторов для производства радиофармпрепаратов;

– разработка методов производства и выделения (в том числе и с использованием масс-сепарации) радионуклидов из мишеней, облученных протонами, нейтронами и гамма-квантами для производства радиофармпрепаратов (¹⁰³Pd, ¹¹⁹Sb, ¹⁶¹Tb, ряд альфа-излучателей и др.);

– на основе реверсно-тандемных методов будет продолжена разработка большого круга радионуклидных генераторов для расширения возможностей получения медицинских радионуклидов. Будет рассмотрена возможность создания 1-2 генераторов значимой активности для внешних пользователей;

– разработка методик мечения радионуклидами радиофармпрепаратов на основе хелаторов с «медленной» кинетикой, исследование проблемы хелатирования радия.

6. Разработка и реализация методов получения образцов (⁸²Se, ⁹⁶Zr, материалы защиты, припой и т.п.) для астрофизических и нейтринных задач на новом ультранизком уровне содержания примесей (от мБк/кг к мкБк/кг по Th и U). Основные подходы к решению обозначенных задач: применение противоточной хроматографии, низкокипящих и других подготовленных либо отобранных реагентов, использование отобранных и подготовленных материалов реакторов;

– разработка и реализация методов анализа образцов на ультранизком уровне чувствительности (от мБк/кг к мкБк/кг по Th и U) с использованием МС-ИСП, нейтроноактивационного анализа (НАА) и других методов, разработка методик прецизионного определения химического и изотопного составов веществ – материалов, используемых в астрофизических и нейтринных экспериментах.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:

1. Новые детекторы:

– результаты тестов образцов новых детекторов на основе карбида кремния (SiC) для регистрации ядерных излучений;

– параметры новых, разработанных и созданных в ОИЯИ, жидких теллуросодержащих сцинтилляторов;

– результаты r&d для композиционных сцинтилляционных систем регистрации для нейтринных экспериментов нового поколения; Создание прототипа вспомогательного детектора для больших реакторных экспериментов;

– разработка ³He-счетика с низким собственным фоном, результаты тестов в Дубне и подземной лаборатории;

– технология изготовления деталей из отобранного низкорадиоактивного нейлона с использованием 3D-печати.

2. Установление способов спектрометрии постраспадных фотонов (от края инфракрасного излучения до мягкого рентгеновского) в области энергий 1-200 эВ.

3. Определения выходов фотоядерных реакций, уточнение мод распада широкого круга радионуклидов, их содержания в образцах (⁹⁶Zr, ⁴⁰K, ¹³⁸La и др.) для изучения редких процессов.

4. Модернизация спектрометров ВУК и запуск в ОИЯИ новых установок для Мессбауэровской спектроскопии (эмиссионная мода) с использованием радиоактивных меток ¹¹¹In, ¹⁵²Eu, ¹⁵⁴Eu, ¹¹⁹Sb, ^119mSn, ⁵⁷Co, ¹⁶¹Tb и др..

5. Радиохимия и ядерная медицина – результаты исследования сорбционных процессов для различных систем раствор-сорбент.

6. Разработка и реализация методов получения образцов (⁹⁶Zr) для астрофизических и нейтринных задач на новом ультранизком уровне содержания примесей;

– начало реализации метода анализа образцов на ультранизком уровне чувствительности (от мБк/кг к мкБк/кг по Th и U) с использованием МС-ИСП.

Краткая аннотация и научное обоснование:

Проект объединяет эксперименты: DANSS, RICOCHET и νGeN, которые исследуют антинейтрино от ядерных реакторов на расстояниях менее 20 метров. Работы в экспериментах объединены общей сферой исследований, во многом пересекающимися и совпадающими научными проблемами, и способами их решений. Помимо этого, указанные исследования объединены общим научным персоналом и инфраструктурными ресурсами ОИЯИ.

DANSS – это нейтринный спектрометр на основе пластмассовых сцинтилляторов с чувствительным объемом 1 м³, расположенный на четвертом энергоблоке Калининской АЭС. Подъемный механизм позволяет в режиме on-line перемещать спектрометр на 2 метра по вертикали, обеспечивая диапазон измерений 11–13 м от реактора. Высокая степень сегментации детектора, использование комбинированной активной и пассивной защит обеспечивают подавление фона до нескольких процентов относительно регистрируемых ~5000 нейтриноподобных соб./сут.

Эксперимент νGeN направлен на исследование фундаментальных свойств нейтрино, в частности поиск магнитного момента нейтрино (ММН), когерентного упругого рассеяния нейтрино (КРН) и других редких процессов. Спектрометр νGeN установлен под активной зоной реактора третьего энергоблока Калининской АЭС. Детектирование процессов рассеяния производится с помощью специально разработанного низкопорогового, низкофонового германиевого детектора. С помощью систем из активной и пассивной защиты от фонового излучения достигается низкий уровень фона в области поиска редких событий. Регистрация искомых событий позволяет осуществлять поиск Новой физики за пределами Стандартной Модели, кроме того, может иметь и практическое значение, например при разработке детекторов нового поколения для мониторинга работы ядерного реактора по антинейтринному потоку.

RICOCHET – это реакторный нейтринный эксперимент нового поколения, направленный на исследование когерентного упругого рассеяния нейтрино на ядрах с процентной точностью в области энергий ядер отдачи ниже 100 эВ, что может стать ключом к Новой физике в электрослабом секторе. До конца 2023 года планируется разместить установку вблизи исследовательского ядерного реактора института Лауэ-Ланжевена (ILL). В RICOCHET будут использованы два массива криогенных детекторов: CRYOCUBE (германиевые детекторы-болометры, аналогичные используемым в эксперименте EDELWEISS) и Q-ARRAY (сверхпроводящий цинк).

Ожидаемые результаты по завершении проекта:

Основными целями эксперимента DANSS являются проверка гипотезы осцилляций реакторных антинейтрино в стерильное состояние и долгосрочный прецизионный мониторинг работы ядерного реактора с помощью измерения потока антинейтрино. В течение ближайших нескольких лет планируется создание усовершенствованной установки - DANSS-2. В результате модификации планируется улучшить энергетическое разрешение и увеличить объем детектора, что позволит повысить чувствительность эксперимента к стерильным нейтрино. Поиск осцилляций в легкое
(Δm₁₄² ~ 0,1-10 эВ) стерильное нейтрино является одним из актуальных трендов фундаментальной нейтринной физики. Существование стерильного нейтрино могло бы объяснить ряд наблюдаемых противоречивых результатов, прежде всего, реакторную и галлиевую (анти)нейтринные аномалии и одновременно стать революционным открытием Новой Физики. Реакторные эксперименты на короткой базе (<30 м) имеют ряд конкурентных преимуществ в подобной области исследований: гигантский поток антинейтрино от самых интенсивных доступных искусственных источников (анти)нейтрино на Земле и малое расстояние от источника излучения, на котором предполагаемый осцилляционный паттерн еще не размыт. Стоит отметить, что спектрометр DANSS является лидером среди проектов подобного типа.

В результате выполнения эксперимента νGeN ожидается впервые зарегистрировать когерентное рассеяние антинейтрино от реактора, улучшить чувствительность к обнаружению магнитного момента нейтрино до уровня
(5-9) × 10^-12 m_B после нескольких лет измерений, что позволить значительно улучшить современное ограничение.

В эксперименте Ricochet, согласно разработанной и экспериментально проверенной модели фона, статистическая значимость регистрации КРН составит от 7,5 до 13,6 𝜎, после одного реакторного цикла, в зависимости от эффективности мюонного вето. Через 10 реакторных циклов (3-5 лет измерений) ожидается достижение целевой
~1% точности. Это на порядок увеличит вероятность открытия Новой Физики, по сравнению с существующими экспериментами.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:

DANSS: продолжение измерений на установке DANSS, анализ данных измерений. Новые результаты на осцилляции в стерильные состояния. Проведение НИОКР по созданию DANSS-2. Разработка и финальная сборка DANSS-2 на Калининской атомной станции.

νGeN: проведение измерений в текущей конфигурации. Одновременно планируется разработка модернизации установки, включающая новое внутреннее вето, усовершенствование подъемного механизма для работы на более близком расстоянии к дреактору, реконфигурация мюонного вето. Получение новых результатов по магнитному моменту и КРН.

Ricochet: ввод в эксплуатацию установки в ILL. Начало набора данных с германиевыми болометрами, продолжение работ по усовершенствованию детекторов. Создание улучшенной Монте-Карло модели, на основе экспериментальных данных.

Краткая аннотация и научное обоснование:

Проект включает пять основных экспериментов: LEGEND (The Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless double beta Decay), TGV (Telescope Germanium Vertical), SuperNEMO (Neutrino Ettore Majorana Observatory), MONUMENT (Muon Ordinary capture for the NUclear Matrix elemENTs) и EDELWEISS (Expérience pour DEtecter Les WIMPs En Site Souterrain). Первые четыре эксперимента решают задачи поиска и исследования безнейтринного двойного бета-распада. Эксперимент EDELWEISS направлен на поиск частиц темной материи.

Ожидаемые результаты по завершении проекта:

Эксперимент LEGEND создан для поиска безнейтринного двойного бета (0νββ) распада ⁷⁶Ge. В LEGEND, как и в предшествующем эксперименте GERDA, используются открытые детекторы из германия, обогащенного изотопом ⁷⁶Ge, погруженные в жидкий аргон. Ультимативной целью проекта является достижение чувствительности по периоду полураспада 0νββ распада ⁷⁶Ge > 10²⁸ лет (90% C.L.).

Программа демонстрационного модуля SuperNEMO включает прецизионные измерения двухнейтринного двойного бета распада 2νββ, направлена на достижение наилучших ограничений на 0νββ для изотопа ⁸²Se.

Целью эксперимента MONUMENT является проведение измерений мюонного захвата на нескольких дочерних, по отношению к кандидатам на 0νββ распад, ядрах.

Целью текущих исследований, разработок и измерений в эксперименте EDELWEISS является достижение чувствительности, позволяющей регистрировать B-8 солнечные нейтрино по их когерентному упругому рассеянию на ядрах. Проект находится на этапе существенной модификации, когда старая установка, использовавшаяся с 2005 года, выводится из эксплуатации. Новой целью является создание установки с более низким уровнем фона, и шумов, с использованием новой генерации криосистем, что позволит своевременно выполнять НИОКР и новые поиски ТМ.

Спектрометр TGV будет использоваться для дальнейших исследований ECEC распада ¹⁰⁶Cd и ¹³⁰Ba. Согласно оценкам и теоретическим предсказаниям для этих редких процессов мы надеемся впервые зарегистрировать оба этих распада в прямом эксперименте.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:

Начало набора данных в крупномасштабном эксперименте LEGEND по поиску 0νββ -распада ⁷⁶Ge. НИОКР для аппаратных компонентов LEGEND-1000 (держатели детекторов, ASIC, система погружения детекторов, аргоновое вето и т.д.). Начало производства и тестирования новых детекторов из обогащенным Ge и монтажа установки LEGEND-1000 в базовой подземной лаборатории.

Набор калибровочных данных на спектрометре Демонстратор SuperNEMO. Набор данных по 0νββ - и 2νββ -распадам в ядре ⁸²Se. Завершение набора данных Демонстратора SuperNEMO в конфигурации без пассивной защиты. Установка пассивной защиты детектора (борированный парафин + борированная вода + низкофоновое железо). Установка вокруг детектора анти-радонового тента с нагнетанием под него воздуха очищенного от радона в антирадоновой фабрике.

Продолжение работ по проекту MONUMENT. Подготовка и проведение новой экспериментальной компании в PSI, включающей НИОКР в ОИЯИ (приобретение детекторов и мишеней, калибровки, моделирование). Сбор данных и анализ накопленных данных. Предполагается провести измерения мюонного захвата с твердой мишенью титана 48 и газовыми мишенями углерода обогащенных по атомным массам 12 и 13; исследование легких ядер с точки зрения проверки теоретических моделей, применимых для двойного бета распада, а также обогащенного ⁹⁶Mo; НИОКР по применению мюонного захвата в других смежных с физикой областях, таких как радиобиология и мезохимия.

Существующая в подземной лаборатории LSM установка EDELWEISS будет выведена из эксплуатации. Одновременно, в эксплуатацию будет введена установка BINGO, в которую будут интегрированы детекторы EDELWEISS. Это продолжение синергии между двумя программами (Cupid-Mo и EDELWEISS). НИОКР по поиску природы и источников эксклюзивно фононных событий в болометрах. Продолжение прямого поиска частиц ТМ в области их малых масс.

Модернизация спектрометра TGV (детекторной части и электроники). Измерение на установке TGV обогащенного ¹⁰⁶Cd.

Сотрудничество по теме: