Обратный бета-распад иттрия-90 под воздействием нейтрино ультранизких энергий

Реакция обратного бета-распада используется специалистами по физике нейтрино для исследования процессов, происходящих внутри Солнца. При термоядерных реакциях возникает поток нейтрино, способных произвести обратный бета-распад: ³⁷Cl + v e = ³⁷ Ar + e - или ⁷¹ Ga + v e = ⁷¹Ge + e - [1]. Этот процесс крайне маловероятен. Так, в галлий-германиевом эксперименте, проводимом в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, в 50 т галлия под воздействием солнечных нейтрино возникает всего около 2 атомов германия в сутки! Это обусловлено тем, что сечение рассеяния нейтрино на ядрах при энергиях сотни кэВ исключительно мало - у ~ 10 ⁴³ см². Причём, эта реакция пороговая, т.е. минимальная энергия нейтрино, необходимая для неё - 233 кэВ. Главный вопрос о природе нейтрино остаётся открытым: массивны ли эти частицы? Исследователи склоняются к тому, что масса нейтрино не равна нулю. По последним данным сумма масс всех трёх типов нейтрино не более 0,28 эВ [2].

А.Г. Пархомов предложил для исследования космических нейтрино беспороговую реакцию: ⁹⁰ Y + v _e = ⁹⁰Zr + e - [3-5]. Иттрий-90 - дочерний изотоп, образующийся при бета-распаде стронция-90. Чтобы отделить электроны, образующиеся при возможных обратных бета-распадах, от тех электронов, которые образуются при спонтанных распадах иттрия-90 и стронция-90, было предложено ослаблять поток бета-частиц с помощью металлических пластинок. Максимальная энергия бета-спектра при распаде ⁹⁰Sr составляет 0,546 МэВ, а при распаде ⁹⁰Y - 2,28 МэВ. Поскольку при обратном бета-распаде практически всю энергию распада уносит электрон, то максимальную энергию в спектре бета-частиц будут иметь электроны, возникшие при обратном бета-распаде иттрия. Это позволяет их относительно легко выделить на фоне остальных электронов. К достоинствам этого метода обнаружения обратного бета-распада относится и то, что ⁹⁰Sr-⁹⁰Y - чистый бета-источник, который не даёт гамма-фона. Другим преимуществом предложенного метода является отсутствие энергетического порога, а значит, она может протекать даже при нулевой энергии нейтрино. Сечение взаимодействия частиц с ядрами у ~1/ V ² в нерелятивистском случае, где V - скорость частицы. Значит, следует ожидать, что при ультранизких энергиях нейтрино (менее 1 эВ) их сечение взаимодействия с ядром возрастёт на много порядков и может достичь значений, при которых эта реакция станет доступной для обнаружения даже несложными детекторами. Кроме того, при малых скоростях движения нейтрино их длина волны де Бройля становится гораздо больше, чем межатомное расстояние в твёрдых веществах. Это приводит к тому, что взаимодействие нейтрино с твёрдыми веществами должно носить макроскопический характер. Следовательно, можно ввести понятие «показатель преломления» для нейтринных волн n . Как показали исследования А.Г. Пархомова [3], для стекла n = 0,95, а для свинцово-оловянного сплава n =0,80-0,85. Так как n < 1, то плосковогнутая линза из металла должна фокусировать по-

Стадник О. С., Обратный бета-распад иттрия-90 Шульгинов А.А. под воздействием нейтрино ультранизких энергий токи нейтрино ультранизких энергий. Таким образом, на скорость бета-распада могут влиять внешние условия, например, изменяющиеся потоки нейтрино ультранизких энергий, которые могут составлять часть скрытой материи. В работах других исследователей [6-8] было также доказано, что скорость бета-распада некоторых радионуклидов подвержена вариациям различной длительности.

Экспериментальные исследования обратного бета-распада

В данной работе поставлена цель - исследовать обратный бета-распад радионуклидов ⁹⁰Y под воздействием космических потоков нейтрино ультранизких энергий. Согласно гипотезе А.Г. Пархомова вокруг центра Галактики, вокруг Солнца и планет существует нейтриносфера из частиц, движущихся со скоростью от нескольких км/с до нескольких сотен км/с. Потоки этих частиц попадают на Землю и могут быть сфокусированы с помощью параболических зеркал, специальных дифракционных решёток, или фокусирующих металлических линз. Астрофизик Н.А. Козырев для фокусировки потоков частиц использовал зеркало телескопа-рефлектора Крымской астрофизической обсерватории [9]. В данной работе для фокусировки использована свинцовая плосковогнутая линза диаметром d = 82 мм и радиусом кривизны вогнутой поверхности R = 62 мм. Если предположить, что показатель преломления потоков нейтрино для свинца n = 0,8 [3], то фокусное расстояние линзы составляет f = R /( n -1) = 310 мм. Бета-источник - ⁹⁰Sr-⁹⁰Y был помещён в предполагаемом главном фокусе свинцовой линзы. Главная оптическая ось линзы была направлена в окно на восток под углом примерно 30° к горизонту и, её ориентация не изменялась в течение всего эксперимента. Поток электронов, образующийся при бета-распаде, проходил через несколько алюминиевых пластин толщиной 0,3 мм. Число пластин было выбрано 4 и 5, исходя из того, чтобы через них проходили только самые высокоэнергетические частицы. Они регистрировались с помощью трубки Гейгера СБМ-20, соединённой с компьютером. Длительность измерений составляла 2-3 суток. Этот детектор чувствителен также и на гамма-частицы, которые создают изменяющийся фон. Исследованию особенностей гамма-фона была посвящена работа [10]. Средний поток бета-частиц, регистрируемых детектором, был примерно равен среднему уровню гамма-фона. Если повысить поток регистрируемых электронов путём уменьшения числа пластин, то детектор будет регистрировать не только электроны, возникающие в результате обратного бета-распада, но и те электроны, которые возникли в результате спонтанного бета-распада иттрия.

Компьютер круглосуточно в автоматическом режиме регистрировал сигналы от трубки Гейгера и обрабатывал их, а также производил запись результатов в файл. Длительность одного измерения составляла 30 с. За каждый i -й промежуток времени определялось количество сигналов, средний промежуток времени между сигналами A t i и коэффициент вариации V , = о , / А t i , где о i -стандартное отклонение промежутков времени от среднего значения за время i -го промежутка времени. Измерения проводились при наличии линзы и без неё. В качестве исследуемых параметров были выбраны: средняя частота сигналов f , = 1/ А t , и коэффициент вариации V , . Число таких измерений за время одной серии составляло 5000-8000. Далее каждая серия разделялась на отдельные выборки по 100 измерений. С помощью критерия Роснера в каждой выборке выделялись выбросы по массивам f и V , . Такой критерий успешно использовался для выделения выбросов флуктуаций проводимости различных металлов [11]. Средняя частота сигналов - это энергетическая характеристика процесса, коэффициент вариации это его информационная характеристика, которая показывает быстроту изменения процесса. Если внешнего воздействия нет, то средний коэффициент вариации должен стремиться к 1. В этих исследованиях необходимо было проверить статистику именно положительных выбросов f и V , в каждой выборке. Если обратный бета-распад происходит в течение коротких промежутков времени (гораздо меньше времени измерения 30 с), то это может вызвать положительный скачок коэффициента вариации V , , а если этот процесс имеет длительность, соизмеримую со временем измерения, то могут наблюдаться скачки f .

Критерий Роснера, использованный для выделения скачков [12, с. 557], применяется, когда количество выбросов m заранее неизвестно. Алгоритм критерия Роснера состоит в следующем.

I x j

По начальной выборке xi, x2,..., xn вычисляют x , ox и параметр Т1 = max( | x|^тх). Затем из

выборки удаляется то значение, которое более других удалено от среднего x . Так повторяется k

Физика

раз, пока T1 < T2 < ... < Tk > Tk+1. После этого, параметры Ti (i = 1...k) сравнивают с критическими значениями Tikn (p), где p - доверительная вероятность, которая была выбрана равной 0,95. Необходимо найти максимальное значение i max, которое удовлетворяет условию: Ti max > T*max kn (P), тогда количество выбросов m = imax. Помимо количества положительных выбросов N в каждой серии измерений были определены их величины относительно критических значений: ^i = Ti— Tikn (p). Эти величины показывают силу выбросов. Кроме того, был введён дополнительный параметр, характеризующий силу выбросов: ni = ^1 •

Анализ результатов измерений показал, что по средней частоте f сигналов с трубки Гейгера никаких статистически значимых различий при наличии линзы и при её отсутствии не обнаружено ни при каком количестве алюминиевых пластин. Для дальнейшего анализа были выбраны коэффициенты вариации ( x i = V i ). Результаты статистического анализа коэффициентов вариации приведены в таблице. P - вероятность того, что ^ 1 >  ^ ₂ [12 с. 389].

Результаты измерений коэффициента вариации V

* l - расстояние от плоской поверхности линзы до бета-источника.

Статистический анализ положительных выбросов коэффициентов вариации показал, что, если иттрий-90 помещён вблизи предполагаемого фокуса свинцовой линзы (измерения № 1 и 4), то скачки коэффициента вариации ^ i становятся сильнее, чем без линзы (измерения № 2 и 3). Аналогичный вывод можно сделать из анализа коэффициентов n i • Кроме того, если бета-источник значительно удалён от предполагаемого фокуса линзы (измерение № 6), то результат будет мало отличаться от результата, полученного без применения линзы (измерение № 3).

Выводы

• 1.    Обнаружены признаки обратного бета-распада иттрия-90 под воздействием нейтрино ульт-ранизких энергий.

• 2.    Воздействия потоков нейтрино носят, вероятно, кратковременный характер длительностью гораздо меньше 30 с.

• 3.    Свинцовая плосковогнутая линза способна фокусировать потоки нейтрино ультранизких энергий. Показатель преломления нейтрино в свинце оказался близким к значению, полученному А.Г. Пархомовым [3], n = 0,8.

  Стадник О. С., Шульгинов А.А.

  
  

Обратный бета-распад иттрия-90 под воздействием нейтрино ультранизких энергий