Название Проекта:

Проект «Коллапс» и физика нейтрино на больших подземных сцинтилляционных установках

Программа Президиума РАН

О.Г.Ряжская

АНС «Коллапс»г. Артемовск - ИЯИГлубина: 570 м.в.э.Масса: 0.1 кТ

LVD, Россия-ИталияГлубина: 3300 м.в.э.Масса: 1 кт CnH2n, 1кт Fe

OPERA, международный эксп.Глубина: 3300 м.в.э.

По данным работы нейтринных телескопов АНС «Коллапс», LSD и LVD в течение 33 лет получено самое сильное экспериментальное ограничение на частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звезд в Галактике: менее 1 события в 14 лет на 90% уровне достоверности. Получено ограничение на частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звезд, не сопровождающихся сколько-нибудь заметным потоком электронных антинейтрино: менее 1 события в 4,1 года на 90% уровне достоверности (результаты 9-летней непрерывной работы детектора LVD).

1

На базе детектора LVD начат эксперимент с вводом поваренной соли в состав установки в качестве дополнительной (mNaCl = 544 кг) мишени для детектирования электронных нейтрино и улучшения эффективности регистрации электронных антинейтрино с целью повышения точности разделения типов нейтрино, регистрируемых при гравитационных коллапсах звезд.

2

Results (4): Detection efficienciesDetection efficiencies

1 layer of NaCl 3 layers of NaCl no NaCl

1135 1145 1135 1145 1135 1145

Number of 252Cf

decays 8310 6494 7866

Number of triggers

in the counter445 506 394 381 388 468

Number of LET-pulses in the range:

1 - 3 MeV 3791 0,456 2255 0,271 3022 0,465 1777 0,274 3016 0,383 2184 0,278

1 - 4 MeV 4841 0,583 2473 0,298 3893 0,599 1934 0,298 3769 0,479 2396 0,305

>4 MeV 782 0,094 301 0,036 654 0,101 230 0,035 518 0,066 291 0,037

>6 MeV 310 0,037 127 0,015 277 0,043 90 0,014 194 0,025 142 0,018

Nsmall pulses

(including

background):

5579 0,671 2772 0,334 4511 0,695 2164 0,333 4264 0,542 2685 0,341

Nsmall pulses / N Cf decays 1,005 1,028 0,883

На детекторе LVD впервые измерены сезонные вариации проникающей компоненты космических лучей в период с 2001 по 2008 гг. и нейтронов, генерированных мюонами с 2003 по 2009 гг. Было найдено, что период вариаций мюонов и нейтронов, рожденных ими, составляет один год, максимум интенсивности приходится на июль, что согласуется с экспериментально полученными вариациями температуры в верхних слоях атмосферы вблизи Гран Сассо.

Нейтроны

Температура

Мюоны

Подробнее далее

3

В эксперименте OPERA зарегистрировано первое событие-кандидат появления тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино. Событие с участием отмечено по характерной топологии распада -лептона, который родился при взаимодействии с ядром свинца. Регистрация первого свидетельствует о наличии нейтринных осцилляций на уровне достоверности в 98%.

4

«Коллапс»

1966 г. – начало работы в соленых шахтах г. Карлолибкнехтовска (Артемовский район Донецкой области)

ARTEOMOVSKARTEOMOVSKDepth - 570±10 m.w.e.105 t CnH2n+2 (n=10)

GeVE 126

H=

540cm

D=560cm

PM number=144

Эфф. регистрации нейтронов 87%

nepе ~

, 2.2 n p d E MeV

1996-1999 1999-2002

2002-2005

2005-2008

Энергетический спектр в окне 5–50 МэВ

Обработка экспериментальных данных 2010г.

Артёмовск, УкраинаАртёмовск, Украина

Глубина 570 м.в.э.Глубина 570 м.в.э.

105 т жидкого сцинтиллятора105 т жидкого сцинтиллятора

Соляная шахта Соляная шахта

(неограниченное количество (неограниченное количество NaCl)NaCl)

Поваренная соль как мишень для нейтрино от Сверхновых

*2323 MgeNae

AreCl

AreCl

e

e

3737

3535

МэВE

MgMg

МэВEпор

5,7

,*

;4~

кэВE

МэВE

пор

пор

800~

5~

Модель вращающегося коллапсара излучение e с E~40 МэВ

Повар

енн

ая с

ол

ь к

ак м

иш

ен

ь д

ля н

ей

три

но о

т С

вер

хн

овы

х.

В.В

. Б

оярки

н,

О.Г

.Ряж

ская,

Труд

ы к

он

ферен

ци

и 3

0 Р

КК

Л 2

00

8,

Изв

. РА

Н С

ер.

Фи

з. т

.73

, №

5,

(20

09

) с.

69

1-6

93

Е, МэВ

<1,5 м <1 м <0,5 м

ε M, т Mε ε M, т Mε ε M, т Mε

40 0,016

820

13,1 0,024

529

12,7 0,05

256

12,8

50 0,020 16,4 0,030 15,9 0,06 15,3

60 0,025 20,5 0,037 19,6 0,07 17,9

70 0,029 23,8 0,043 22,8 0,08 20,4

80 0,034 27,9 0,051 27,0 0,10 25,6

GEANT4.7.1:GEANT4.7.1:

вокруг цилиндрического бака со сцинтиллятором радиусом 2,8 м и вокруг цилиндрического бака со сцинтиллятором радиусом 2,8 м и высотой 5,4 м на расстоянии 3 м от его внешней поверхности высотой 5,4 м на расстоянии 3 м от его внешней поверхности -- соль соль неограниченного объеманеограниченного объема

ээффективность регистрации ε ффективность регистрации ε - - отношение числа событий с отношение числа событий с энерговыделением в баке, превышающим 5 МэВ, к полному числу энерговыделением в баке, превышающим 5 МэВ, к полному числу разыгранных событийразыгранных событий

электрон рождается в соли, скорость изотропнаэлектрон рождается в соли, скорость изотропна

Эф

фекти

вност

ь р

еги

страц

ии

акта

вза

им

од

ей

стви

я ε

При больших толщинах соли падениеПри больших толщинах соли падение эффективности регистрации эффективности регистрации и и быстрый быстрый рост массырост массы рост рост эффективнэффективнойой масс массыы

электрон + гамма-квант 7,5 МэВэлектрон + гамма-квант 7,5 МэВ

различные пороги регистрацииразличные пороги регистрации

Е,МэВ

<1,5 м <1 м <0,5 м

>0 >3 >5 >0 >3 >5 >0 >3 >5

30 0,069 0,027 0,022 0,104 0,041 0,033 0,199 0,079 0,064

40 0,078 0,031 0,026 0,117 0,047 0,040 0,222 0,090 0,075

50 0,087 0,037 0,030 0,130 0,055 0,045 0,247 0,105 0,088

80 0,102 0,045 0,038 0,152 0,067 0,058 0,285 0,126 0,109

эффективности регистрации для различных толщин соли и порогов регистрации установки

LVD – LVD – Детектор Большого Объема Детектор Большого Объема @ 3300 @ 3300 m.w.e.m.w.e. LVDthe largest iron-

scintillation telescope in the world3 towers:

840 scintillation counters (1010 tons of scintillator)1000 tons of iron

Study & important results in:•neutrino physics•astrophysics•cosmic ray physics•search for rare processes

The main goal is to search for ν bursts from collapsing stars

LVD is 10 times expanded version of the LSD (Mont Blanc) apparatus which has detected the ν-burst from SN 1987A at 2:52 UT on February, 23, 1987. LSD & LVD are Russian-Italian projects. Scintillator & scintillation counters were elaborated and produced in INR, Russia

Подземные детекторы АСД «Коллапс» и LVD предназначены для изучения проникающей компоненты

космических лучей. Основными задачами этих экспериментов является поиск нейтринного

излучения от коллапсирующих звезд и исследование редких процессов,

предсказываемых теорией. Существуют разные предсказания

развития гравитационного коллапса.

e p e n

56 56 56 56

26 27, 7 11* * , e E MeVFe Co e Co Co

56 57

35 36

( 2.2 )185

( 10.16 )

( 8.56 , 3.1) 170

n H d E MeVs

n Fe Fe E MeV

n Cl Cl E MeV k s

12 12 * 12 * 12, ( , , ); , 15.1 i iC C i e C C E MeVи

Sodium Chloride as a

target for Supernovae neutrinos

V. Boyarkin, O. Ryazhskaya Proc. of 31st ICRC,Lodz

2009

DetectorDepthm.w.e

Mass,ktons

Thre-shold,MeV

EfficiencyNumber of

events Back-ground

s-1

ArteomovskASD

Russia570

0.1CnH2n

5 0.97 0.8 0.85 57 2.1 9.5 0.16

BaksanBUST

Russia

850 0.13(0.2)CnH2n

10 0.6 - 0.2 45(67)

1.4(2.2)

2.8(4.3)

0.013(0.033)

KamLAND USAJapan

27001.

CnH2n~ 4 500 22 85

Gran SassoLVD

Italy,Russia

33000.95Fe

1. CnH2n 4 – 6 0.9 0.6 0.55 500 22 55 < 0.1

KamiokaSuper-K

Japan,USA2700

22.5H2O

5.5 0.9 - - 9400 400 -

SNOCanada 6000 1 D2O 5 700

16

C12,

eipe~

ne eA eC

19*

9**

5*(8)3**(4)

180*

80**

250*

100**

110*

50**

650*<160**

600*

350**

* - E=40 MeV** - E=30 MeV

e eD D

LVDSNO

SK

BNLBNLserverserver

Alarm to scientificcommunity

SuperNova Early Warning System

IceCube

Depth–vertical muon intensity relation in Gran Sasso rock. The LVD data are presented together with the best fit (solid curve). Dashed curves show the calculated intensities for the maximal and minimal contributions from neutrino-induced muons (see text for details).

Depth–vertical muon intensity Depth–vertical muon intensity

Study of single muons with the Large Volume Detector at Gran

Sasso Laboratory - LVD Collaboration.

Phys. Atom. Nucl. 66, 123-129 (2003). 

k=1.260.110.04

Curve – L. Volkova Phys. Of Atomic Nuclei (2008), 71, 1782;

MINOS – Mufson S.L. and Rebel V.J. for the MINOS Coll., 30th ICRC, Mexico, 2007;

L3+C – The L3 Coll., arhiv: hep-ex/0408114 v1, 2004

OPERA – M.Sioli for the OPERA Coll, in ICRC2009

LVD – LVD result, ICRC2009

The The µµ++/µ/µ-- Ratio RatioICRC 2009, Lodz,

Poland; The muon decay and muon

capture detection with LVD - LVD Coll.

- In: 29th ICRC, Pune,

6, 69-72, 2005.

Measurement of the cosmic ray muon charge ratio with the OPERA experiment. OPERA Collaboration, Eur. Phys. J. C (2010) 67: 25–37, arXiv-1003.1907v1

всего мюонных событий 2267959

всего мюонов 2414796

одиночных мюонов 2155844

множественных событий 112115

множественных мюонов 258952

The Evidence for the Variation of the Mass Composition with Energy in the Region of the Knee by the LVD Experiment. LVD Collaboration, L.G. Dedenko, G.F. Fedorova, O.G. Ryazhskaya, N. V. Khromina, I.S. Krutsik, T. M. Roganova, 28th ICRC,2003, V. 3/7, 1139-1142

Одиночные и множественные мюоны и генерация ими нейтронов в эксперименте LVD Агафонова Н.Ю., Бояркин В.В., Дадыкин В.Л., Добрынина Е.А., Еникеев Р.И., Мальгин А.С., Рясный В.Г., Ряжская О.Г., Шакирьянова И.Р., Якушев В.Ф. и Коллаборация LVD, Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) 2010

0

20

)( r

r

er

rArf

Распределение комбинаций пар по расстоянию между мюонами в паре для всех групп.

Одиночные и множественные мюоны и генерация ими нейтронов в эксперименте LVD Агафонова Н.Ю., Бояркин В.В., Дадыкин В.Л., Добрынина Е.А., Еникеев Р.И., Мальгин А.С., Рясный В.Г., Ряжская О.Г., Шакирьянова И.Р., Якушев В.Ф. и Коллаборация LVD, Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) 2010

CNGS beam monitorCNGS beam monitor

Display of a CNGS events: typical charged current interaction in the rock upstream LVD, producing a muon that goes through the detector. The colours represent the amount of energy released in the scintillation counters, summed along each projected view; the legenda is expressed in GeV. The black straight line is the result of a linear fit to the hit counters

First CNGS events detected by LVD. -

LVD Coll. Published in: Eur. Phys. J. C52 (2007) 849-855

Число рождённых нейтронов на 1 мюон на 1 г/см2 в зависимости от глубины грунта, рассчитываемой от границы атмосферы

Число рождённых нейтронов на 1 мюон на 1 г/см2 в зависимости от средней энергии мюонов на глубинах 25 [7, 8], 316 [7, 8], 570 [5], 3650 [10] и 5200 [9] м.в.э.; сплошная линия – расчет [1], пунктир – расчет по программе FLUKA [18].

Число рождённых нейтронов на 1 мюон на 1 г/см2 в зависимости от глубины грунта, рассчитываемой от границы атмосферы.

0,75( ) ~nN E E

Average muon intensity: Iµ=(3.310.03)10-4(m2s)-

1

Period: T=(36715) days

The study of the seasonal modulation of the cosmic muon flux during 2001-2008 has been completed.An annual modulation with average amplitude 1.5% and maximum intensity in July has been found, in agreement with previous measurements at LNGS.

Нейтроны

Температура

Мюоны

Average amplitude: Iµ=(5.00.2)10-6 (m2s)-11.5%

Существование таких вариаций мюонов на больших глубинах под землей необходимо учитывать при изучении редких процессов, например, таких, как поиск темной материи

R. Bernabei et. al., (DAMA Coll.) // arXiv:0804.2741v1 [astro-ph]

The superimposed curves represent the cosinusoidal functions behaviours

Acos ω(t − t0) with a period T = 1 yr, with a phase t0 = 152.5 day (June 2nd). The dashed vertical lines correspond to the maximum

of the signal (June 2nd), while the dotted vertical lines correspond to the minimum.

E min ~ 70 GeV

Δt = 573 nsec

Data from August 2006 to January 2010All events are going parallel the tunnel.The energy losses should be higher then 5 MeV in each counter and atleast in one of them higher then 120MeV.

1). Measurement of the cosmic ray muon charge ratio with the OPERA experiment. OPERA Collaboration, Eur. Phys. J. C (2010) 67: 25–37, arXiv-1003.1907v12). Одиночные и множественные мюоны и генерация ими нейтронов в эксперименте LVD Агафонова Н.Ю. и др. (Коллаборация LVD), Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) 20103). Поиск различных типов нейтрино от коллапсирующих звезд с помощью детектора LVD Н.Ю. Агафонова, и др. (Коллаборация LVD) , Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) 20104). Анализ сезонных вариаций потока мюонов космических лучей и нейтронов, генерированных мюонами, в детекторе LVD Агафонова Н.Ю.и др. (Коллаборация LVD), Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) 20105). Cовременный статус эксперимента OPERA по прямому наблюдению осцилляций нейтрино в канале Н.Ю.Агафонова, А.М.Анохина, М.С.Владимиров, Ю.И.Горнушкин, С.Г.Дмитриевский, Т.А.Джатдоев, Р.И.Еникеев, С.Г.Земскова, А.С.Мальгин, В.А.Матвеев, В.В.Никитина, А.Г.Ольшевский, Г.И.Орлова, Н.Г.Полухина, П.А.Публиченко, Т.М.Роганова, О.Г.Ряжская, В.Г.Рясный, Н.И.Старков, М.М.Чернявский, А.В.Чуканов, В.Ф.Якушев. Изв. РАН Сер. Физ. (в печати) 20106). Observation of a first candidate event in the OPERA experiment in the CNGS beam. Agafonova et al. OPERA Collaboration. Phys. Lett. B 691 (2010) 138, arXiv-1006.1623v17). Some remarks on Neutrino Detection from SN 1987A. V.L. Dadykin, O.G. Ryazhskaya. Proc. of the Fourteenth Lomonosov Conference on Elementary Particles Physics “Particle Physics at the Year of Astronomy”, 2010, p. 179. 8). A. Molinario, C. Vigorito, (LVD Collaboration) Neutrino burst from gravitational stellar collapses with LVD - 22nd ECRS 2010, 3-6 Aug, 2010, Turku, Finland, 9). A. Molinario, Neutrino burst from gravitational stellar collapses with LVD, NEUTRINO 2010, 14-19 June, Athens, Greece, 10). N.Yu. Agafonova, V.V. Boyarkin, A.S. Malgin - "Светосбор в сцинтилляционном счетчике объемом 1.5 м3 с квазизеркальным отражением" ПТЭ, 2010, № 1, с. 52–57 11). N.Yu. Agafonova, V.V. Boyarkin, A.S. Malgin - "Временные характеристики процесса светосбора в сцинтилляционном счетчике объемом 1.5 м3 с квазизеркальным отражением" ПТЭ, 2010, No. 6, pp. 29–33. 12).I R Barabanov, L B Bezrukov, C M Cattadori, N A Danilov, A di Vacri, Yu S Krilov, L Ioannucci, E A Yanovich, M Aglietta, A Bonardi, G.Bruno, W Fulgione, E Kemp, A S Malguin, A Porta and M Selvi, "Performance and stability of a 2.4 ton Gd organic liquid scintillator target for antineutrino detection". Journal of instrumentation 2010, 5, P0400113). M. Aglietta et al. (LVD Collaboration) "The mosct powerful supernova neutrino scintillator detector: LVD", (Il Nuovo Cimento A105 1992, 1793-1804) Thirty years of Gran Sasso, Volume in Onore di Antonio Zichichi., 2010, p. 31514). M. Aglietta et al. (EAS-TOP and LVD Collaboration) "First observation of high-energy cosmic-ray events obtained in coincidence between EAS-TOP and LVD at Gran Sasso", (Il Nuovo Cimento A105 1993, 1815-1823) Thirty years of Gran Sasso, Volume in Onore di Antonio Zichichi., 2010, p. 345

1). Приглашенный Доклад на 31 ВККЛ, МГУ, Москва, 5-9 июля, 2010. 07.07.2010 «Г.Т. Зацепин и работы его школы» О.Г. Ряжская2). Доклад на 31 ВККЛ, МГУ, Москва, 5-9 июля, 2010. 07.07.2010 «Одиночные и множественные мюоны и генерация ими нейтронов в эксперименте LVD» Агафонова Н.Ю.3). Доклад на 31 ВККЛ, МГУ, Москва, 5-9 июля, 2010. 07.07.2010 «Поиск различных типов нейтрино от коллапсирующих звезд с помощью детектора LVD» В.В. Бояркин4). Доклад на 31 ВККЛ, МГУ, Москва, 5-9 июля, 2010. 08.07.2010 «Анализ сезонных вариаций потока мюонов космических лучей и нейтронов, генерированных мюонами, в детекторе LVD». Шакирьянова И.Р.5).Доклад на Втором рабочем совещании Российско-Итальянского сотрудничества по Космическим лучам и Астрофизики О.Г. Ряжская "Present status of LVD Experiment"6).1029 Семинар им. Г.Т. Зацепина. Доклад: Бояркин В.В. "Поиск различных типов нейтрино от коллапсирующих звезд с помощью детектора LVD"7).1029 Семинар им. Г.Т. Зацепина. Доклад: Агафонова Н.Ю. "Одиночные и множественные мюоны и генерация ими нейтронов в эксперименте LVD"8).1029 Семинар им. Г.Т. Зацепина. Доклад: Шакирьянова И.Р. "Анализ сезонных вариаций потока космических мюонов в детекторе LVD за период 2001 - 2008 гг."9). Научный семинар по программе Школы молодых ученых «Физика нейтрино и астрофизика», ФизФак МГУ, 12 ноября 2010, О.Г. Ряжская 10).Доклад О.Г. Ряжской на Семинаре им. Г.Т. Зацепина 03 декабря 2010 г. "Исследование проникающего излучения под землей с помощью больших сцинтилляционных детекторов" 11).Доклад О.Г. Ряжской на научной сессии «Памяти академика А.Н. Тавхелидзе» 16 декабря 2010 г. "Эксперименты по поиску нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд. Некоторые замечания о регистрации нейтринного излучения от СН 1987А"

1. Поддержание детекторов LVD и «Коллапс» в работоспособном состоянии и непрерывная эксплуатация установок.2. Исследование отклика детектора на разные типы нейтрино, испускаемые согласно предсказаниям различных моделей гравитационного коллапса.3. Увеличение статистического материала (на 10%) по поиску нейтринных всплесков от коллапсирующих звезд. В случае отсутствия коллапсов, будет усилено ограничение на частоту гравитационных коллапсов в Галактике и Магеллановых облаках.4. Участие в проведении ускорительного эксперимента 2011 (дежурства) и обработка данных сеанса 2010 года на детекторе OPERA.5. Поиск корреляций между мюонными событиями, зарегистрированными установкой LVD и подземными детекторами OPERA и BOREXINO.6. Определение эффективности регистрации нейтронов в эксперименте LVD с добавлением слоя NaCl между двумя портатанками установки.7. Получение характеристик нейтронов, генерируемых мюонами в установке LVD при больших зенитных углах (theta > 80).

Основные исполнители ИЯИ должность

Ряжская Ольга Георгиевна зав. лаб.Агафонова Наталья Юрьевна н.с.Антоненко Анатолий Григорьевич ст. инженерБорщевский Виктор ст. инженерДадыкин Владимир Львович с.н.с.Добрынина Екатерина Анатольевна м.н.с.Еникеев Расим Ибрагимович н.с.Корчагин Владимир Борисовис вед. инженерКузнецов Владимир Алексеевич ст. инженерМальгин Алексей Семенович с.н.с.Мануковский Константин В. н.с. (совместитель)Очкас Олег Валентинович гл. инженерПокропивный Алексей.В. с.н.сРясный Всеволод Гаврилович с.н.с.Смородин Николай Дмитриевич электромеханикТалочкин Владимир Павлович вед. инженерЧернышов Леонид Васильевич эл.-мех.Шакирьянова Ирина Ромельевна инженер-исследовательШаповалов Леонид Николаевич ст. инженерЮдин Андрей В. н.с. (совместитель)Якушев Валерий Федорович н.с.Ярош Александр Павлович ст. инженерЯрош Николай Александрович инженер

Вид сбоку

Вид сверху

Старое расположен

ие установки

ново

е

2007 г. – перенос установки в другое место