ГГНТ – 20 лет

ГГНТ – 20 лет

Вклад Ga солнечных экспериментов в понимание физики Солнца и физики нейтринов свете последних результатов SAGE

4p Ю a + 2e+ + 2ne (Q = 26.731 MeV) Solar Neutrinos pp – chain p + p Ю2H + e+ +ne p + e- + p Ю2H +ne 100% Ј 0.420 MeV 1.442 MeV 0.4% 2H + p Ю3He + g 0.002% 3He + 3He Ю a + 2p 3He + 4He Ю7Be + g 3He + p Ю4He + e+ +ne 0.02% 15% Ј 18.77 MeV • 0.861 MeV, • 0.383 MeV 7Be + p Ю8B+ g 7Be + e-Ю7Li+ne 8B Ю8Be* + e+ +ne 7Li+ p Ю2a Ј 15.0 MeV 8Be*Ю2a

V.N. Gavrin Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow

Низкий порог: 233 keV Чувствителен к доминирующим p-p нейтрино Предсказания ССМ: BAHCALL-PINSONNEAULT: 128 +9 / -7 SNU (lσ) Вклад p-p нейтрино 70 SNU (54%) Если предположить, что Солнце находится в тепловом равновесии, то скорость захвата солнечных нейтрино на галлии не может быть менее79 SNU.

4700 m.w.e. => Φμ ~ 2.6 m-2 day-1.

SAGE Глобальная интенсивность мюонов (3.03 ± 0.19) × 10-9 (см2с)-1Средняя величина энергии мюонов 381 ГэВПоток быстрых нейтронов (>3 МэВ) (6.28 ± 2.20) × 10-8 (см2 с)-1 Ga~ 50 тонн

71Ga + νe71Ge + e- T1/2 = 11,43 d SAGE Баксанская нейтринная обсерватория, Северный Кавказ, 3.5 км от входа в горизонтальный туннель Глубина заложения 2100 м (4700 м.в.э.) Набор данных: Янв 1990 – н. вр (с Янв 1990 по Дек 2007 – 168 ранов) 50 тонн металлического Ga Атомы71Ge химически извлекаются и их распад регистрируется в пропорциональных счетчиках. Чувствительность: одинатом 71Ge из 5·1029 атомов Gaс эффективностью~90% B - Gallium-Germanium Neutrino Telescope

GALLEX / GNO 30,3 t of Ga GALLEX:ГАЛЛиевыйЭКСперимент Подземная лаборатория Гран Сассо, Италия, толщина горных пород: 3300 м.в.э. 30.3 тонн галлияв 101 тонне раствора хлорида галлия (GaCl3 – HCl) Набор данных: Май 1991-Янв. 1997, 65 ранов GNO:Галлиевая Нейтринная Обсерватория Преемник GALLEX, GNO: 30.3 тонн галлия Набор данных: Май 1998 – Апр. 2003, 58 ранов

Ga-эксперименты 71Ga(ve, e-)71Ge, Eth = 233 keV Измерение скорости захвата солнечных нейтрино - на металлическом галлии: SAGE, 50 тонн металлического71Ga 168ранов за 18-летний период (Янв 1990 – Дек 2007) дают результат:65.4+4.0-4.1SNU (1 SNU = 1 захват нейтрино/секв мишени, содержащей 1036 атомов нейтрино поглощающего изотопа). - с раствором хлорида галлия в соляной кислоте : GALLEX, 103 tons of GaCl3 acidic solution containing 30 tons of natural gallium 65 runs for the 4.4-year period (May 1991 – Jan 1997) give the result: 73.1+7.1-7.3 SNU (Till Kirsten at TAUP2007, Sendai, September 11-15, 2007) GNO,103 tons of GaCl3 acidic solution containing 30 tons of natural gallium 58 runs for the 4.7-year period (May 1998 – Apr 1993) give the result:62.9+5.5-5.3 SNU Хорошее согласие между результатами Ga экспериментов увеличивает достоверность получаемых результатов. Это была замечательная ситуация, что в течение нескольких лет существовали два Ga эксперимента, SAGEиGALLEX/GNO, которые вели набор данных в одно и то же время и действительно заслуживает большого сожаления тот факт, что эксперимент GNO был остановлен по ненаучным причинам. Средневзвешенная величина результатов всех Ga экспериментовсоставляетв настоящее время 66.1±3.1 SNU

Эксперименты с искусственными источниками нейтрино

51Cr Gallium chloride solution Gallium metal (GALLEX)(SAGE) (1) (2) mGa (tons) 30.4 30.4 13.1 mof target (kg) 35,5 35,5 0,513 enrichment (% 50Cr) 38,6 38,6 92,4 source specific activity (KCi/g) 0,048 0,052 1,01 source activity (MCi) 1,71 1,87 0,52 expected rate 11,7 12,7 14,0 R = pmeasured/ppredicted 1.0±0.11 0.81±0.10 0.95±0.12 Weighted average 0.91±0.06 Rcombined 0.90±0.07

План расположения реакторов

51Cr 37Ar Gallium chloride solution Gallium metal (SAGE) (GALLEX) (1) (2) mGa (tons) 30.4 30.4 13.1 13.1 mof target (kg) 35,5 35,5 0,513 330 enrichment (% 50Cr) 38,6 38,6 92,4 96,94% 40Ca (natural Ca) source specific activity (KCi/g) 0,048 0,052 1,01 92,7 source activity (MCi) 1,71 1,87 0,52 0,41 expected rate 11,7 12,7 14,0 13,9 R = pmeasured/ppredicted 1.0±0.11 0.81±0.10 0.95±0.12 0.79±0.1 Weighted average 0.88±0.05 Rcombined 0.90±0.07 0.86±0.08

GALLEX Cr-1 1.00+0.11-0.10 SAGE Cr 0.95 ± 0.12 GALLEX Cr-2 0.81 ± 0.10 SAGE Ar 0.79+0.09-0.10

Эксперименты с источниками на Ga *Средневзвешенная величина Rсоставляет0.88 ± 0.05,более чем на два стандартных отклонения меньше единицы. Если вклад двух нижних уровней 71Ge положить равным 0, тогдаR = 0.93 ± 0.05, что достаточно хорошо согласуется с единицей. *Совместный анализ результатов с искусственными источниками на Ga указывает на то, что предсказываемая скорость захвата завышена. * Наиболее вероятная гипотеза – что сечение для захвата нейтрино на двух нижних возбужденных уровнях 71Ge дают пренебрежимо малый вклад. *Но существуют и альтернативные объяснения, основанные на переходах в стерильные нейтрино или на квантовой декогеренции в нейтринных осцилляциях. C. Giunti and M. Laveder, Mod. Phys. Lett. A 22, 2499 (2007) [arXiv.org/abs/hep-ph/0610352]. Y. Farzan, T. Schwetz, and A. Yu Smirnov [arXiv.org/abs/0805.2098].

51Cr 37Ar Gallium chloride solution Gallium metal (SAGE) (GALLEX) (1) (2) mGa (tons) 30.4 30.4 13.1 13.1 mof target (kg) 35,5 35,5 0,513 330 enrichment (% 50Cr) 38,6 38,6 92,4 96,94% 40Ca (natural Ca) source specific activity (KCi/g) 0,048 0,052 1,01 92,7 source activity (MCi) 1,71 1,87 0,52 0,41 expected rate 11,7 12,7 14,0 13,9 R = pmeasured/ppredicted 1.0±0.11 0.90±0.09 0.95±0.12 0.79±0.1 Rcombined 0.94±0.07 0.86±0.08

0.95±0.05 Без вклада нижних уровней GALLEX 71As эксперимент! Weighted average Включая вклад нижних уровней 0.90±0.05 R = pmeasured/ppredicted 1.0±0.11 0.90±0.09 0.95±0.12 0.79±0.1 Rcombined 0.94±0.07 0.86±0.08

Что известно о поперечном сечении захвата нейтрино на 175 кэВ и 500 кэВ уровни 71Ge John Bahcall в 1985 вывел величину сечения, основываясь на результатах измерений (p, n) рассеяния на 71Ga, выполненных на циклотроне Университета Индианы (IUC), (Ep=120 МэВ и 200 МэВ) В силу очень плохого разрешения (~300%) для перехода на уровень 175 кэВ был получен только верхний предел для B(GT) фактора, а в измерениях для переходов на уровень 500 кэВ неопределенность достигала 50% Hiro Ejiri, начиная с 1995 года изучал эти переходы, используя реакцию (3He,t) в RCNP (Япония, Осака) Результаты измерений Ejiri’, как и ожидаемые скорости захвата на эти уровни, значительно отличаются от полученных Баккалом

Мы считаем, что необходимы: - экспериментальные работы по определению Gamow-Teller факторадля переходов из основного состояния71Ga на нижние возбужденные уровни 71Ge - независимые измерения объединенного эффекта этих переходов на Ga с использованием высоко-интенсивного (около 2 MКи) источника37Ar или51Cr

Сравнение галлиевого результата с предсказаниями Стандартной Солнечной Модели R = Si i Peei σi i - ( pp, 7Be, pep, 13N,15O, 17F, 8B, and hep)

, SNO Bahcall et al. (2001) SAGE GNO Chlorine SK,SNO Oscillations for Solar Neutrinos Solar Model Flux Calculations Matter Interaction Effect:LMA Current Data for ne Survival pep 7Be pp

, were calculated assuming three-neutrino mixing to active neutrino with parameters: , q12= 34.5 ± 1.4, degrees S. Abe, et al., [arXiv.org/abs/0801.4589]; M. C. Gonzalez-Garcia and M. Maltoni,[arXiv.org/abs/0704.1800] Таблица факторов, необходимых для расчета скорости захвата солнечных нейтрино в 71Ga и 37Cl солнечных нейтринных экспериментах, вычисленной Б.Т.Кливлендом. Величины неопределенности даны на 68% достоверности.(готовится к печати)

(high metallicity) (low metallicity) Скорости захвата Ri для Ga экспериментов SAGE + GALLEX/GNO → 66.1 ± 3.1 SNU Отличное согласие

Поток pp нейтрино [pp|Ga] = 39.9 ± 5.2 SNU Измеренная величина потока электронных ppнейтрино, приходящих на Землю : (39.9 ± 5.2) / cross. sect. = (3.40+0.44-0.46) × 1010 ne/(см2с) - потокppнейтрино, рождаемых в Солнце: (3.40+0.44-0.46) × 1010/( Peei = 0.560(1+0.030-0.045))=(6.1 ± 0.84) × 1010 ne/(см2с) Величина потока ppнейтрино, предсказанная по двум новейшим ССМ: (5.97±0.05) × 1010 ne/(см2с) (GS98) (high metallicity) (6.04±0.05) × 1010 ne/(см2с) (AGS05) (low metallicity) Хорошее согласие

Ga эксперименты: - «have given a great impact upon a view of neutrino oscillation and have supplied most important motivation for creation of SNO * 1990 - SAGE shows greatly suppressed Ga rate * 1990 - Start of construction of SNO» (David Sinclair, May 2007) • впервые показали, что подавляющая часть солнечных нейтрино, достигающих Земли, это низкоэнергетические нейтрино от pp реакции • показывают отличное согласие между теорией и экспериментом. Более того, точность измерений в эксперименте достигла точности теоретических предсказаний • * в настоящее время обеспечивают единственное прямое измерение скорости ppреакции • * развили технологию изготовления интенсивных искусственных источников нейтрино – идеального инструмента для калибровки детекторов солнечных нейтрино низких энергий, и которые также могут быть использованы для исследования свойств нейтрино

Планы • Дальнейший мониторинг потока солнечных нейтрино низких энергий. • Измерение сечения захвата нейтрино на Ga от 51Cr (37Ar) источника с точностью лучше 5%. • Инициирование экспериментальной работы по определениювеличины Gamow-Teller фактора для переходов с основного состояния71Ga на нижние возбужденные уровни 71Ge.

Постоянна ли величина скорости захвата нейтрино на Ga?

CONSIDERATION OF TIME VARIATION I do not know of any attractive scenarios that predict a significant time dependence in the observed nu_e solar neutrinos flux, particularly one that has such a large pp contribution. However, it is always good to continue to look. We have been surprised before by solar neutrino measurements and we may be surprised again. Nature is very imaginative. John Bahcall letter, 22 April 2004

CONSIDERATION OF TIME VARIATION Я не знаю никаких возможных вариантов развития, которые предсказывали бы значительную временную зависимость в наблюдаемом потоке nu_e солнечных нейтрино, особенность которого заключается в том, что он имеет такой большой вклад рр нейтрино. Хотя всегда полезно продолжать наблюдение. Измерения солнечных нейтрино уже давали нам повод для изумления, и мы можем быть снова поражены. Природа имеет очень богатое воображение. Из письма Джона Баккала, 22 апреля 2004

SAGE Measurement of the solar neutrino capture rate with gallium metal.71Ga(v, e-)71Ge, Eth = 0.233 keV Presently SAGE is the only experiment sensitive to the ppneutrinos It is one of the longestalmostuninterrupted time of measurements among solar neutrino experiments 18 year period (1990 – 10/2007): 166 runs, 306 separate counting sets Results: 65.3+3.2-3.1+2.6-2.8 SNU or 65.3+4.1-4.2 SNU All extractions as function of time Combined results for each year 64+24/-22 SNU SAGE continues to perform regular solar neutrino extractions every four weeks with ~50 t of Ga

GALLEX + GNO results GNO 58 Solar runs = 1713 d 12 Blank runs GALLEX 65 Solar runs = 1594 d 23 Blank runs 77.5 ± 6.2 ± 4.5 SNU 62.9 +5.5–5.3 ± 2.5 SNU 51Cr source-,71Asexperiments

GALLEX GNO SAGE the uncertainty is statistical only

Вариации скорости захвата солнечных нейтрино в Ga 100 М-К розыгрышей для 168 ранов Тестовая статистика Крамера-фон Мизеса: GF=43%

Вариации скорости захвата солнечных нейтрино в Ga Метод Lomb-Scargle – Фурье-анализ для данных с «разрывами» Max мощность 6.10 на частоте 8.47 /год

Виден едва заметный намек на долгосрочное уменьшение CONSIDERATION OF TIME VARIATION Проверка χ2 , примененная к годичным данным SAGEв предположении, что величина скорости 65.4 SNU постоянна, дает χ2/dof = 12.0/17 с вероятностью 80%. Таким образом, подгонка к постоянной величине скорости оказалась вполне приемлемой. Постоянная величина скорости образования также может рассматриваться при использовании функции распределения скорости образования C(p),определенной как фракционное число наборов данных, в которых скорость образования меньше p. Распределение данных (измеренная скорость захвата для всех 310 наборов данных SAGE). Ожидаемое распределение, выведенное из 100 розыгрышей Monte Carlo по всем 168 ранам, в предположении, что скорость образования постоянна и имеет величину 65.4 SNU. Nω2 = 0.520 (средняя величина для Nω2 по 100 розыгрышам равна 0.513) Фракция розыгрышей сNω2> 0.520 43% Спектр данных и спектр симуляций очень схожи друг с другом, показывая таким образом, что распределение скоростей образования такое, какое можно было бы предположить для постоянной скорости. При расчете тестовой статистики Nω2может быть сделано количественное сравнение

CONSIDERATION OF TIME VARIATION Possible significant time periodicities in the SAGE data are looked for using the Lomb-Scargle periodogram method – the method of spectral analysis for unevenly sampled data, such as we have inSAGE. The results of applying the method Lomb power spectrum from all 168SAGE data runs for the period January 1990 - December 2007, ~17.9 years. (The mean time of exposure was used as the time of measurement.) The frequency range considered is from nearly zero flow : 1/17.9 y 0.056 cycl/year this is the frequency such that the data can include one complete cycle; up to slightly less than twice the Nyquist frequency (fN ) fhi ~ 9.4 cycl/year fN: ~ N/2T = 168/(2×17.9 y)  4.7 cycl/year; 2× fN 9.4 cycl/year The maximum Lomb power is 6.10 at a frequency of 8.47. To evaluate the significance of this peak we need to make a histogram of the number of frequencies as a function of power Histogram of powers in spectrum, the bin size is0.07 power units. The expected distribution if thereis no time variation  the number of frequencies× exp(−power) In the absence of any time variation this distribution is an exponential. If there was any peakpresent with significant power it would appear at the upperend of the distribution and be clearly separated from the exponentialtrend. There is no evidence for exceptionalpower in the data spectrum at any frequency.

CONSIDERATION OF TIME VARIATION Был выполнен поиск возможных значительных временных периодичностей в данных SAGE с использованием метода периодограмм Lomb-Scargle -метода спектрального анализа для неровно дискретных данных- таких как мы имеем в SAGE. Результаты применения этого метода был получен спектр Lomb power данных всех 168 ранов SAGE за период Январь 1990 - Декабрь 2007, ~17.9 лет. (в качестве времени измерения было использовано среднее время экспозиции) Максимальная Lomb мощность 6.10 при частоте 8.47. Альтернативным способом оценки значения частоты с высокой мощностью является проверка с перетасовкой: результаты SNU случайным образом приписываются к различным ранам, пересчитывается силовой спектр, и находится максимальная мощность. Гистограмма максимальной мощности, найденная в результате анализа Lomb power спектра по 1000 случайным перетасовкам 168 ранов SAGE Размер бина 0.13 единиц мощности. Наблюденная максимальная мощность 6.10 для данных SAGE находится очень близко от центра этого распределения. 44% перетасовок имеют мощность больше чем 6.10 Видно, что наблюденное распределение мощности согласуется в предположении постоянной скорости.

Диаграмма исключения временных модуляций по данным GALLEX/GNO 1 = 69.3 SNU Проверкачувствительности по данным розыгрыша. Розыгрыши Мonte Carlo по экспериментам Gallex/GNO в предположении, что скорость образования нейтрино на 71Ge представляют собой синусоидальную временную модуляцию, дали выражение n(t)=n0[1+Asin(2πνt + φ)], где 0 ≤ A ≤ 1, n0= 70 SNU, Для розыгрыша данных был использован метод Lomb-Scargle, и была дана оценка максимальной мощности Метод Lomb-Scargle однозначно идентифицирует временную модуляцию, если частота низкая и амплитуда достаточно большая. Чувствительность быстро снижается для частот> 12 циклов/год (для вариаций в течение периода короче времени облучения). Таким образом сигнал модуляции не может быть статистически выделен из Гауссова шума. 90% CL Полученная Lomb-Scargle периодограмма 123солнечных ранов Gallex/GNO статистически согласуется с постоянной скоростью взаимодействия.Так как не найдено положительных сигналов временной периодичности, существует возможность создать диаграмму исключения. Исключают модуляциис частотой< 12 лет-1 и амплитудой > 40% сигнала В предположении временной модуляции экспериментальные данные Gallex/GNO исключают вариации потока солнечных нейтрино с низкой частотой и большой амплитудой.

The physics of the Sun and the solar neutrinos: an update Lab. Naz. del Gran Sasso October 16-17, 2008 V.N. Gavrin INR RAS

The physics of the Sun and the solar neutrinos: an update Lab. Naz. del Gran Sasso October 16-17, 2008 V.N. Gavrin INR RAS Отношение R скорости реакций 3He3He reactions к скорости реакций 3He–4He, усредненное по Солнцу J. Bahcall, hep-ph/0305159v3 from Ga-Borexino: R = 0.186(1±0.18) or 0.186 ± 0.034 Предсказания двух Стандартных Солнечных Моделей: GS98: R = 0.186(1±0.05) or 0.186 ± 0.009 AGS05: R = 0.163(1±0.05) or 0.163 ± 0.008

ГГНТ – 20 лет

ГГНТ – 20 лет

Presentation Transcript