Способ регистрации нейтрино

Способ регистрации нейтрино

Реферат

Изобретение относится к области ядерной физики, астрофизики и физики высоких энергий, конкретно к способам регистрации нейтрино, включая солнечные, космические, реакторные нейтрино, нейтрино, получаемые с помощью ускорителей. Изобретение пригодно для создания нейтринных телескопов, детекторных комплексов наземного и космического базирования, предназначенных для удаленного, обнаружения и контроля деятельности стационарных и мобильных ядерных реакторных и ускорительных установок, а также в системах нейтринного зондирования Земли и планет [1].

Известно изобретение [2], в котором детектором является сцинтиллятор в виде трубок, внутри которых расположено оптоволокно, собирающее световые импульсы от сцинтиллятора. Недостатком является низкая эффективность при регистрации нейтрино. Из-за малого сечения взаимодействия нейтрино с веществом масса сцинтиллятора, как и во всех действующих в настоящее время детекторах нейтрино, должна составлять сотни и тысячи тонн.

Известно изобретение [3], в котором применен комбинированный сцинтиллятор. Недостатком этого изобретения является недостаточная масса сцинтиллятора для наземного детектирования нейтрино. Изобретение может детектировать нейтрино только при глубоководных измерениях, где действующей средой является не сцинтиллятор, а вода, в которой можно контролировать большие объемы для регистрации черенковского светового импульса от нейтрино-электронного взаимодействия.

Известно изобретение [4], в котором предполагается особое взаимодействие нейтрино с твердым, содержащим рассеивающие нейтрино субатомные частицы, вибрирующим монокристаллом, помещенным в установку ядерного магнитного резонанса. При этом фиксируется и возникновение механического импульса кристалла. Автором изобретения соединены в одной установке эффект Мессбауэра с эффектом ядерного магнитного резонанса в образце, получающем механический момент при взаимодействии нейтрино с атомами образца. Недостатком этого изобретения является необходимость большого количества детектирующего вещества, которое должно вибрировать и которое нужно поместить в сильное магнитное и электромагнитное поле резонансной частоты.

Наиболее близким является изобретение, описанное в [5], в котором нейтрино вызывают радиочастотное излучение, которое детектируется радиоприемником. Альтернативно нейтрино облучает образец с материалом, имеющим ненулевой спин и ненулевой магнитный момент с достаточной плотностью для отдачи как с одиночным объектом (аналогично эффекту Мессбауэра) после взаимодействия с каждым нейтрино. При наложении постоянного магнитного поля значительно больше возникает ориентированных магнитных моментов в материале для фотонного рассеяния. Взаимодействие нейтрино с таким материалом регистрируется методом ядерного магнитного резонанса. Недостатком этого изобретения является необходимость большого количества детектирующего вещества, которое только за счет чрезвычайной твердости может реагировать на воздействие как единое целое, причем спектральная линия излучения с высокой точностью должна совпадать с линией поглощения. Всю массу детектирующего материала дополнительно нужно поместить в сильное магнитное поле и электромагнитное поле резонансной частоты.

Задача повышения эффективности регистрации нейтрино решается использованием предлагаемого способа. Предлагаемый способ регистрации нейтрино имеет большую чувствительность и угловую избирательность.

Способ регистрации нейтрино состоит в использовании взаимодействия нейтрино и других элементарных частиц, имеющих спин, с поверхностностью твердого тела.

Способ включает в себя использование детектора, содержащего, по крайней мере, один датчик, в котором имеется, по крайней мере, одна поверхность. По поверхности датчика может быть проведено множество прямых, направленных на измеряемый объект, и ее покрывают материалом с большой плотностью электронов и небольшой работой выхода электронов, используя спин-спиновое нейтрино-электронное взаимодействие с электронами на поверхности, допускающей образование спиновой волны. Сам датчик располагают в среде с регулируемой температурой и низкой плотностью и помещают в электрическое и магнитное поле.

Механизм упругого взаимодействия нейтрино с поверхностными электронами слабо исследован ввиду очень малой доли поверхностной массы по сравнению с объемным количеством вещества. Вклад такого взаимодействия в общую регистрацию нейтрино априори считается несущественным. Но поверхностные электроны слабее связаны с атомами по сравнению с электронами в объеме вещества, поэтому сечение упругого взаимодействия нейтрино с поверхностными электронами значительно больше. На поверхности, подобно известному внешнему фотоэффекту - вырывание электронов под действием фотонов, происходит вырывание электронов под действием нейтрино. Отрицательный электрический потенциал, приложенный к поверхности пластины, увеличивает вероятность взаимодействия нейтрино с поверхностными электронами. Изменением полярности и величины электрического потенциала можно изменять спектральную чувствительность регистрируемых нейтрино. Вырванный электрон летит в среде с низкой плотностью и сохраняет то же направление, что и нейтрино. Вырывание электрона приводит к перестройке поверхностных электронных уровней, что вызывает появление кванта электромагнитного излучения. Электрон и квант излучения регистрируются детекторами.

Другим физическим процессом, используемым в предлагаемом изобретении, является спин-спиновое взаимодействие имеющих спин нейтрино и электронов. Поскольку на поверхности тела имеется слой менее связанных, потому более динамичных, электронов, нейтрино, проходя по поверхности тела, эффективнее, чем в объеме, взаимодействует со спином этих электронов. Если поверхность покрыта материалом, допускающим образование спиновой волны, и эта поверхность сориентирована на источник нейтрино, то по траектории движения нейтрино образуется спиновая волна. Энергия волны ε_s(k)=(h/2π)ω_s(k). Эта энергия считается энергией квазичастицы - магнона с импульсом p=(h/2π)k [6]. Обменная спин-спиновая энергия равна: Е=2πµ²n²-(2π/3)µ²(n₊-n_-)², где n₊, n_- - концентрация электронов, спины которых ориентированы вдоль (против) внешнего магнитного поля; n=n₊+n_- - суммарная концентрация, k - волновой вектор. Для парамагнитных систем полную энергию спиновой волны с учетом обменной кулоновской энергии можно представить в виде: Е(Р)=Е(0)+α(Р²/n)-Pµ_BH, где α - константа, определяемая обменным взаимодействием и корреляциями P=n₊+n_- [7]. При полной ориентации спинов внутренняя энергия системы минимальна. То есть в системе спонтанно направленных спинов, когда магнитный момент под действием какой-то силы ориентируется, то выделяется некоторая энергия. Ее может оказаться достаточно для ориентации соседнего магнитного момента. Энергия волны добавляется (убавиться не может, т.к. при каждой ориентации система переходит в меньшее энергетическое состояние). Энергия образующегося магнона нарастает - так образуется спиновая волна, направление которой совпадает с направлением движения вызвавшего ее нейтрино.

Когда плотность спонтанно ориентированных спинов велика, энергия в спиновой волне становится достаточной для преодоления порога изменения конфигурации микромагнитных областей, находящихся в слабом магнитном поле, скачкообразно изменяется ориентация этой области, аналогично обратному эффекту Баркгаузена, принимая ориентацию наложенного слабого магнитного поля. При этом выделяется энергия в виде электромагнитного и акустического импульсов [8], которые регистрируются соответствующими датчиками. Необходимые плотность и ориентация спинов на детектирующей поверхности достигаются созданием поверхности, на которой возможно образование спиновой волны - магнона, и наложением слабого магнитного поля, не приводящего к излишней переориентации магнитных моментов микромагнитных областей.

Если нейтрино движется не вдоль поверхности, то спин-спиновое взаимодействие нейтрино и электрона будет направлено не в сторону соседнего атома и не вызовет ориентацию орбитального момента крайнего электрона соседнего атома. Спин-спиновая волна не образуется. Таким образом, осуществляется высокая избирательность детектирования нейтрино по направлению движения.

Температура снижает ориентирующее действие электрического и магнитного полей, поэтому, управляя температурой рабочей поверхности датчика, можно сдвигать энергетический порог детектируемых нейтрино. Также изменение спектральной чувствительности детектируемых нейтрино осуществляется выбором материала, покрывающего рабочую поверхность датчика, и величиной накладываемого магнитного поля.

Нами экспериментально установлена возможность и перспективность использования поверхностных электронов и материалов, допускающих образование спиновой волны для создания детекторов нейтрино.

Реально действующее устройство, использующее данный метод, имеет большую чувствительность и угловую избирательность.

Источники информации

1. Большая Советская Энциклопедия. Изд.3, М.: Сов. Энциклопедия, 1974, Т.17, с.423.

2. Патент РФ №2308056.

3. Патент РФ №2190240.

4. U.S. Patent №5276717.

5. U.S. Patent №4576777.

6. Ахиезер А.И., Барьяхтар В.Г., Пелетминский С.В. Спиновые волны. М.: Наука, 1967, с.170.

7. Кузьменков Л.С., Максимов С.Г. О корректном гамильтониане спин-спиновых взаимодействий и его следствиях. Прикладная физика, 2000, №3, с.107-114.

8. Боровкова М.А., Ильясов Р.С. Электромагнитно-акустическое преобразование объемных волн в интерметаллидах RFE₂. Сб. статей «Эффект Баркгаузена и аналогичные физические явления». Изд. Ижевского государственного технического университета, Ижевск, 1995, с.24.

1. Способ регистрации нейтрино, использующий детектор, содержащий, по крайней мере, один датчик, отличающийся тем, что в датчике имеется, по крайней мере, одна поверхность, по которой может быть проведено множество прямых, направленных на измеряемый объект, и которую покрывают материалом с большой плотностью электронов и небольшой работой выхода электронов, используя спин-спиновое нейтрино-электронное взаимодействие с электронами на поверхности, допускающей образование спиновой волны.

2. Способ регистрации нейтрино по п.1, отличающийся тем, что датчик располагают в среде с низкой плотностью.

3. Способ регистрации нейтрино по п.1, отличающийся тем, что датчик помещают в электрическое и магнитное поля.

4. Способ регистрации нейтрино по п.1, отличающийся тем, что температуру датчика регулируют.