ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2022, том 85, № 4, с. 305-314

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

РЕГИСТРАЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ

С ПОМОЩЬЮ РЕАКЦИИ ЗАХВАТА НЕЙТРИНО НА ЯДРЕ¹¹⁵In

Г. Я. Новикова¹⁾, В. В. Синев^1)*, Е. А. Янович¹⁾

Поступила в редакцию 07.02.2022 г.; после доработки 21.03.2022 г.; принята к публикации 24.03.2022 г.

Рассматривается модификация проекта LENS (Low Energy Neutrino Spectroscopy) для спектроско-

пии солнечных нейтрино с энергией больше ∼715 кэВ на базе новых технологий и решений. Такой

детектор использует ядра¹¹⁵In как мишень для нейтрино. Создание детектора с массой сцинтиллятора

около 200 т, нагруженного 10 т индия, позволит в течение пяти лет измерить энергетические спектры

солнечных нейтрино от⁷Be, CNO-цикла и pep-нейтрино с малыми систематическими ошибками.

Проведено моделирование детектора в виде набора ячеек с жидким сцинтиллятором, нагруженным

индием (∼10% по весу). Сформулированы необходимые технические условия для ячейки детектора и

даны оценки возможной скорости счета событий от внутреннего и внешнего фона с энерговыделением

600-1600 кэВ. Показана принципиальная возможность реализации такого детектора.

Посвящается Р. С. Рагавану

DOI: 10.31857/S0044002722040055

1. ВВЕДЕНИЕ

непосредственно в этой работе не измерялся.

Он был измерен с точностью ∼20%, в зависи-

Исследование потоков солнечных нейтрино

мости от модели Солнца с высокой и низкой

остается одной из наиболее актуальных задач ней-

металличностью [4]. В работе [5] отмечается, что

тринной астрофизики, поскольку оно связано как

принятая в эксперименте Борексино процедура

с фундаментальными свойствами нейтрино, так и с

извлечения событий от CNO-цикла приводит к

проблемой внутреннего строения и эволюции звезд.

систематическому смещению наиболее вероятного

В настоящей статье мы хотим обратить внимание

значения на

30% в сторону увеличения. Это

на возможность более детального исследования

смещение возникает от того, что события от разных

области энергий, содержащей⁷Be, pep- и CNO-

источников приходится выделять из суммарного

нейтрино. В этой области нейтринного спектра

энергетического спектра.

происходит переход от резонансных нейтринных

осцилляций в веществе к вакуумным осцилляциям,

В связи c этим интересно рассмотреть воз-

с другой стороны, значение потока CNO дает

можность сцинтилляционного детектора на осно-

детальную информацию о температуре в солнечном

ве¹¹⁵In (95.7% в естественной смеси) для ре-

ядре и позволит решить возникшую в последние

гистрации солнечных нейтрино средних энергий.

годы проблему

“металличности” (содержание

Сцинтилляционный детектор с добавкой¹¹⁵In был

элементов тяжелее гелия) Солнца. Последние

предложен Р.С. Рагаваном [6] для регистрации

спектроскопические исследования Солнца дают

солнечных нейтрино pp-цикла. Спектры солнечных

меньшее значение для содержания

“металлов”

нейтрино показаны на рис. 1. Важным преимуще-

[1] (на ∼30%) по сравнению с использованным

ством в этом случае является то, что нейтрино от

для построения Стандартной солнечной модели

⁷Be и pep регистрируется в реакции (ν_e, e)-захвата

[2]. Фундаментальные результаты в этой области

со спектром возникающих электронов в виде пика с

получены в эксперименте Борексино [3]. В этом

энергией T_e = E_ν - Δ, где Δ — порог регистрации

эксперименте измерены потоки нейтрино от⁷Be

нейтрино. Измерение формы пика от⁷Be нейтрино

(с точностью лучше 3%), pp (точность 7.5%) и

теоретически могло бы позволить получить допол-

CNO (точность ∼35%). Поток от pep-нейтрино

нительные сведения о распределении температуры

в центре Солнца [7].

¹⁾Институт ядерных исследований Российской академии

наук, Москва, Россия.

В результате реакции захвата нейтрино ядром

^*E-mail: vsinev@inr.ru

¹¹⁵In в основном состоянии происходит переход

305

306

БАРАБАНОВ и др.

Φ_ν, см^-2 МэВ^-1

10¹¹

10¹⁰

⁷Be

10⁹

⁷Be

¹³N

¹⁵O

10⁸

pep

10⁷

¹⁷F

⁸B

10⁶

10⁵

10⁴

10³

10²

10^-1

10⁰

10¹

E_ν, МэВ

Рис. 1. Энергетические спектры солнечных нейтрино в стандартной солнечной модели. Штриховая кривая — спектры

CNO-цикла.

в изомерное состояние 115Sn (τ = 4.7 мкс) на

энергиями 115.48 и 497.33 кэВ, которые с большой

уровень с энергией 612.81 кэВ. Порог реакции

вероятностью регистрируются в соседних ячейках.

составляет 115.2 кэВ.

Это дает возможность использовать задержан-

ные совпадения, являющиеся уникальным сигна-

В результате длительной работы над проектом

LENS (Low Energy Neutrino Spectroscopy) был

лом нейтринного события.

сделан вывод, что практическая реализация этой

Порог регистрации каждой ячейки по перво-

идеи связана с принципиальными проблемами [8].

му событию должен составлять ∼600 кэВ, что-

¹¹⁵In является радиоактивным элементом с энерги-

бы отрезать события собственной радиоактивности

ей бета-распада E_макс = 497.49 кэВ, совпадающей

¹¹⁵In. Однако события от бета-электронов распада

с областью энергий pp-нейтрино (E < 420 кэВ). В

¹¹⁵In могут имитировать переход¹¹⁵Sn в основ-

результате случайные совпадения между событи-

ное состояние за счет конечного энергетического

ями от распада¹¹⁵In с учетом конечного энерге-

разрешения сцинтилляционного детектора. Ниже

тического разрешения создают трудно преодоли-

мы рассмотрим, сколько света необходимо зареги-

мый фон (количество бета-распадов¹¹⁵In в 10 т

стрировать, чтобы эта имитация не вносила замет-

ный вклад в события от солнечных нейтрино. Мы

составляет

∼2.6 × 10⁶ соб./с). В случае CNO,

оценили скорость счета распадов¹¹⁵In, которые

⁷Bе и pep-нейтрино энергия возникающего лептона

имитируют переход¹¹⁵Sn в основное состояние в

существенно выше энергии распада¹¹⁵In, и эта

детекторе, содержащем 1028 ячеек с 10 т индия.

проблема отсутствует, если использовать порог

регистрации вблизи максимальной энергии бета-

Реализация индиевого детектора в новом тех-

распада¹¹⁵In, чтобы уменьшить число срабаты-

нологическом исполнении дает возможность мо-

ваний детектора (триггеров). С другой стороны, в

ниторинга солнечной активности по нейтринному

течение прошедшего времени были созданы но-

излучению и изучения временных характеристик

вые эффективные фотоприемники, позволяющие

температур внутри Солнца во время его активных

создавать компактные сцинтилляционные ячейки

и спокойных фаз.

для реализации установки типа LENS.

В работе [9] отмечается важность¹¹⁵In детек-

Предлагается в качестве первого этапа создать

тора в связи с тем, что¹¹⁵In захватывает сол-

детектор с общей массой ∼200 т на основе неболь-

нечные нейтрино, а геоантинейтрино от распада

ших ячеек, расположенных в виде трехмерной мат-

⁴⁰К не захватывает. Сцинтилляционные детекторы,

рицы. Импульсы в детекторе возникают от появ-

использующие реакцию рассеяния на электронах,

ляющегося в одной из ячеек в результате захвата

не различают нейтрино и антинейтрино, поэтому

нейтрино ядром¹¹⁵In электрона и последующего

сравнение результатов индиевого и такого сцин-

перехода¹¹⁵Sn в основное состояние с испус-

тилляционного детекторов позволит получить бо-

канием двух последовательных гамма-квантов с

лее точную информацию о потоке геоантинейтрино

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№4

2022

РЕГИСТРАЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ

307

от распада⁴⁰К. В работе [10] регистрация гео-

Таблица 1. Число событий в сцинтилляционном детек-

антинейтрино от распада⁴⁰К сцинтилляционным

торе от различных источников солнечных нейтрино за

детектором рассматривается как важная задача.

5 лет измерения с мишенью, содержащей 10 т индия

(осцилляции MSW учтены)

2. РЕАКЦИЯ ЗАХВАТА НЕЙТРИНО

Число событий в сцинтилляционном

Источник

детекторе за 5 лет в 10 т индия (без учета

НА ЯДРЕ¹¹⁵In

нейтрино

эффективности), в скобках интеграл

В результате реакции захвата нейтрино ядром

до 2 МэВ для жестких спектров

¹¹⁵In, находящимся в основном состоянии, обра-

2162

зуется изомерное состояние¹¹⁵Sn в возбужден-

ном состоянии. Ядро¹¹⁵Sn оказывается на уровне

pep

612.81 кэВ, период полураспада которого 3.26 мкс:

⁷Be

560

ν_e +¹¹⁵In → e^- +¹¹⁵Sn^∗,

(1)

¹³N

¹¹⁵Sn^∗ →¹¹⁵Sn + γ (115.48 кэВ) +

¹⁵O

+ γ (497.33 кэВ).

¹⁷F

0.8

⁸B

11 (0.05)

На рис. 2 показана схема распада¹¹⁵In по [11] и

показаны возбужденные уровни¹¹⁵Sn, на одном из

hep

0.03 (2.4 × 10-5)

которых происходит захват нейтрино (612.81 кэВ)

и с которого происходит излучение гамма-квантов.

Ожидаемый спектр электронов от взаимодей-

1) В одной из ячеек возникает импульс с энер-

гией E > 600 кэВ. Это первое событие, обозначим

ствия нейтрино средних энергий с¹¹⁵In в детекторе

его как e1. Это может быть электрон от захвата

представлен на рис. 3. Спектры от⁸B и hep оказы-

нейтрино или фоновое событие.

ваются не видны в этом диапазоне (см. табл. 1), как

2) После этого срабатывает компактная груп-

и спектр от¹⁷F, который здесь показан условно, как

па из двух и более ячеек, окружающих первую

компонента CNO-цикла.

ячейку во временном окне 15 мкс (∼3τ време-

ни жизни¹¹⁵Sn). Суммарная выделяемая энергия

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЙТРИННЫХ

в окружающих ячейках и первой 613 ± 2σ кэВ

СОБЫТИЙ В СЕКЦИОНИРОВАННОМ

за время ∼10 нс. Назовем это событие γ1 + γ2.

ДЕТЕКТОРЕ

Размер компактной группы определяется услови-

ем поглощения 98% гамма-квантов γ2 с энерги-

Для моделирования мы использовали матрицу

ей 497.5 кэВ. Порог регистрации каждой ячейки

детекторов с размерами 80 × 80 × 10 см (64 л).

при этом должен составлять ∼60-70 кэВ, чтобы

Всего 1028 ячеек. При плотности жидкого сцин-

зарегистрировать два гамма-кванта, испускаемые

тиллятора на основе ЛАБа 0.85 г/л получается

ядром¹¹⁵Sn, образовавшимся в результате захвата

56 т. Масса индия при 10% по весу составляет 5.6 т,

нейтрино¹¹⁵In.

но мы рассчитывали статистику для 10 т, считая эту

С учетом выше сформулированных критери-

массу минимальной для детектора.

ев регистрации нейтринного события рассчитана

Основным вопросом при проектировании уста-

скорость регистрации нейтринных потоков от⁷Be,

новки является выбор формы и размера ячейки.

CNO и pep. Результаты без учета эффективности

Эти параметры зависят от свойств жидкого ор-

регистрации представлены в табл. 1. На рис. 4

ганического индиевого сцинтиллятора (InЖC) —

показан процесс регистрации, который использо-

его светового выхода, прозрачности и допустимой

вался в моделировании.

концентрации индия. С другой стороны, с точки

зрения уменьшения возможной имитации нейтрин-

ных событий выгодно использовать минимальные

4. ВЛИЯНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

размеры ячейки, но при этом увеличивается их чис-

РАЗРЕШЕНИЯ НА ФОН ДЕТЕКТОРА

ло. Возможности индиевого детектора рассмотрим

на примере использования InЖC с концентрацией

Энергия бета-распада¹¹⁵In (497 кэВ) мень-

индия 10% по массе с общим количеством индия

ше энергии, определяемой критериями регистра-

10 т.

ции нейтринного события в энергетическом окне

Событие считается нейтринным, если выполне-

600-1600 кэВ, и непосредственно распад¹¹⁵In

ны следующие условия:

не имитирует нейтринные события. Однако такая

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№4

2022

308

БАРАБАНОВ и др.

612.8

¹¹⁵In

γ 115.5

9⁺

β^-

0.16 (10^-4%)

497.3

β- 497.5 (100%)

γ 497.3

¹¹⁵Sn

Рис. 2. Схема взаимодействия νe с ядром¹¹⁵In и последующего распада¹¹⁵Sn^∗. Энергии бета-переходов и гамма-

квантов приведены в кэВ.

N_e, МэВ^-1 (5 л 10 т)^-1

10⁴

⁷Be

10³

⁷Be

pep

10²

¹³N

¹⁵O

10¹

10⁰

¹⁷F

10^-1

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

T_e, МэВ

Рис. 3. Энергетические спектры электронов, рассчитанные для массы индия 10 т и времени измерения 5 лет. Здесь

Te = Eν - Δ — энергия электрона; энергетическое разрешение— из расчета 1 ф.э./кэВ.

имитация может возникать в результате конечного

Монте-Карло при одинаковых критериях отбора

энергетического разрешения детектора при совпа-

этих событий. Доля событий от распада¹¹⁵In,

дении фонового импульса от естественной радио-

попадающих в интервал энергии 613 ± 2σ кэВ,

активности с распадом индия в соседних ячейках.

хотя и мала, но составляет конечную величину.

Бета-электрон от распада индия может испустить

Если в ячейке возникло событие от какого-

тормозной гамма-квант, который может выйти из

либо фонового процесса с энерговыделением

своей ячейки и зарегистрироваться в одной или

600-1600 кэВ, предшествующее бета-распаду в

нескольких соседних. Такое событие топологиче-

интервале 3τ, то с малой вероятностью может

ски будет имитировать переход в основное состо-

возникнуть полная имитация взаимодействия ней-

яние¹¹⁵Sn.

трино. Под фоновыми процессами мы понимаем

Распределение по энергии с учетом энергети-

здесь процессы распада радиоактивных изотопов

ческого разрешения от сигнала бета-электрона и

в сцинтилляторе, взаимодействие гамма-квантов

его тормозного гамма-кванта в компактной группе

и нейтронов из конструктивных материалов и

сработавших ячеек представлено на рис. 5 вместе

окружающей породы, приводящие к энерговыде-

с аналогичным распределением для двух гамма-

лению в сцинтилляторе. Поскольку вероятность

квантов, сопровождающих задержанный распад

имитации распада¹¹⁵Sn критически зависит от

¹¹⁵Sn. Оба распределения получены методом энергетического разрешения, то и допустимая

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№4

2022

РЕГИСТРАЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ

309

индиевой фольгой (“сэндвич”) и полупроводника-

ми на основе InP и InSb [12] также рассматри-

вались. Поскольку скорость счета бета-распадов

¹¹⁵In на много порядков (∼11) превышает скорость

захвата солнечных нейтрино, то рассматривается

сегментированная конструкция сцинтилляционно-

го детектора. Из табл. 1 видно, что для уверен-

ной регистрации нейтрино средних энергий полный

объем сцинтилляционного детектора должен быть

достаточно большим, более нескольких сотен тонн.

Выбор размеров ячейки определяется условиями

эффективной регистрации нейтринных событий в

присутствии собственного распада ядра¹¹⁵In. Схе-

γ2

eγ1

ма регистрации нейтринных событий по реакции с

¹¹⁵In определяет конструкцию детектора и необхо-

Рис. 4. Схема детектирования нейтринного события.

димые свойства жидкого органического сцинтил-

e1 — электронный сигнал, e/γ1 — сигнал от гамма-

кванта или конверсионного электрона с энергией

лятора. Основные характеристики индийсодержа-

116

кэВ в ячейке, γ2 — гамма-квант с энергией

щего сцинтиллятора должны быть следующими:

497 кэВ создает сигналы в окружающих ячейках. Сиг-

1) Концентрация индия в сцинтилляторе 5-10%.

налы e1 и e/γ1 совпадают в пределах 1.5 × 10-5 с.

Уменьшение концентрации влечет увеличение объ-

Сигналы e/γ1 и γ2 совпадают в пределах 10-8 с.

ема детектора, а увеличение приводит к ухудшению

сцинтилляционных характеристик (световыход и

прозрачность).

скорость фоновых событий в одной ячейке N_ф

2) Световыход сцинтиллятора должен превы-

будет следовать той же зависимости.

шать или быть на уровне 8000 фотонов/МэВ. Вы-

На рис. 6 представлена зависимость допустимой

сокий световыход сцинтиллятора и хороший свето-

интенсивности фоновых событий от естественных

сбор детектора должны обеспечить хорошее энер-

внешних или внутренних источников в области

гетическое разрешение для дискриминации собы-

(600-1600) кэВ в ячейке от ее энергетического

тий от распада индия.

разрешения, выраженного в количестве зареги-

3) Длина ослабления света не менее 1.5 м.

стрированных фотоэлектронов. Полученная мето-

В конечном итоге светосбор, световыход и ха-

дом статистических испытаний допустимая интен-

рактеристики фотоприемника (размер и квантовая

сивность фоновых событий увеличивает погреш-

чувствительность) определят параметр энергетиче-

ность регистрации нейтринных потоков от Солнца

ского разрешения.

примерно на 10% (за 5 лет в 10 т индия). Сделанная

4) Время высвечивания сцинтиллятора меньше

оценка показывает, что имитация нейтринных со-

3 нс. Время высвечивания определяется выбором

бытий критически зависит от энергетического раз-

сцинтилляционных добавок (сместителей спектра)

решения и, таким образом, от конструкции сцин-

и их концентрацией. Короткое время высвечивания

тилляционной ячейки.

и быстрые ФЭУ уменьшат наложения импульсов.

5) Стабильность сцинтиллятора. Регистрация

нейтринных событий от Солнца — это редкие со-

5. СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

бытия. Для набора достаточной статистики нужны

С ДОБАВКОЙ ИНДИЯ

долговременные измерения (по крайней мере, бо-

лее 5 лет). Поэтому стабильность характеристик

Предложения по использованию индия (изотопа

In-сцинтиллятора является важным требованием

¹¹⁵In) в качестве мишени для регистрации солнеч-

при создании детектора. Хотя надо отметить, что

ных нейтрино в области низких (pp-нейтрино) и

ячеистая конструкция детектора позволяет замену

средних энергий (⁷Be, pep и CNO) имеют довольно

отдельных сцинтилляционных ячеек при ухудше-

длинную историю. Начиная с 1976 г. [6] на уровне

нии параметров сцинтиллятора.

лабораторных экспериментов было рассмотрено

6) Совместимость с конструкционными мате-

несколько способов детектирования нейтрино с

риалами. Помимо кварца только акрил (или орг-

помощью изотопа¹¹⁵In. В основном все предло-

стекло), по-видимому, может рассматриваться в

жения были связаны с использованием жидко-

качестве материала для изготовления сцинтил-

го органического сцинтиллятора с растворенным

ляционного модуля. Акрил уже использовался в

в нем соединением индия (InЖС), хотя вариан-

больших сцинтилляционных детекторах (Daya-Bay

ты детекторов с пластическим сцинтиллятором и

[13], RENO [14], Double Chooz [15]) и планируется

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№4

2022

310

БАРАБАНОВ и др.

Относительные единицы

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

300

400

500

600

700

800

E, кэВ

Рис. 5. Энергетическое распределение сигнала e/γ1 + γ2 в компактной группе ячеек, гистограммы: сплошная — от

распада¹¹⁵Sn^∗ после захвата νe; штриховая — от событий распада¹¹⁵In (от бета-электрона и его тормозного гамма-

кванта в соседнем модуле), которые могут топологически имитировать распад¹¹⁵Sn^∗. Энергетическое разрешение

принималось из расчета 1 ф.э./кэВ.

События/(кэВ кг с)

10^-2

10^-3

10^-4

10^-5

10^-6

10^-7

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

σ, ф.э./кэВ

Рис. 6. Зависимость допустимой скорости счета фоновых событий в ячейке в области (0.6-1.6) МэВ от энергетического

разрешения σ, выраженного в ф.э./кэВ, в предположении 10% систематической ошибки в регистрации нейтринного

потока от Солнца за счет имитации снятия возбуждения¹¹⁵Sn^∗ распадом¹¹⁵In.

в новых (JUNO [16], SNO+ [17]). Сцинтиллятор

чей должна размещаться в подземном помещении

на основе ЛАБа доказал свою совместимость с

на достаточно большой глубине. В этих условиях

акрилом. Таким образом, индиевый сцинтиллятор

предъявляются высокие требования к пожарной и

на основе ЛАБа является наиболее перспективным

токсической безопасности жидкого сцинтиллятора.

при создании детектора.

Индиевый сцинтиллятор на основе ЛАБа (высокая

температура вспышки >100^◦C и без запаха) удо-

7) Безопасность. Сцинтилляционная установка

влетворяет этим требованиям.

для детектирования редких нейтринных событий

от Солнца и защиты от фона космических лу-

Первые экспериментальные результаты о раз-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№4

2022

РЕГИСТРАЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ

311

работке In-содержащего детектора были представ-

трино (22% при 477 кэВ), но с малой величиной

лены в [18]. В статье рассматривается жидкий

длины поглощения света (54 см).

органический сцинтиллятор на основе фенилэти-

Большой интерес к измерению потока солнеч-

лового спирта с растворенным трифторацетатом

ных нейтрино от pp-реакции способствовал про-

индия. Выбранный растворитель позволял полу-

должению работ по разработке In-детектора. Зна-

чить раствор с высокими концентрациями индия

чительным продвижением в этом направлении бы-

(до 200 г/л). Однако сцинтиллятор на основе фени-

ла публикация [20], где были приведены новые

лэтилового спирта имел низкий световыход, кото-

результаты исследований с In-содержащим жид-

рый приблизительно экспоненциально уменьшался

ким органическим сцинтиллятором. Представлен-

при увеличении концентрации In до ∼80 г/л, а

ные характеристики сцинтиллятора должны были

также низкую прозрачность. При концентрации

уменьшить фон от бета-распада¹¹⁵In в 100 раз и

In в сцинтилляторе 51.2 г/л энергетическое раз-

позволить иметь скорость счета pp-нейтрино для

решение составило 23.6% при энергии 477 кэВ.

массы In 8 т, после всех критериев отбора (эф-

В статье рассматривалась возможность детекти-

фективность регистрации 0.65), ∼400 событий в

рования pp-нейтрино от Солнца. После этой пуб-

год (ожидаемая скорость — 365 событий в год для

ликации была серия работ, посвященных разра-

массы индия 4 т). Новая технология приготовления

ботке In-содержащего сцинтилляционного детек-

сцинтиллятора включала в себя использование но-

тора. В статье [19] приводятся результаты, по-

вых органических растворителей, таких как псев-

лученные с In-содержащим жидким органическим

докумол и 1-метилнафталин, а также соединений

сцинтиллятором на основе ксилола. Сцинтиллятор

индия с карбоновыми кислотами (карбоксилаты

содержал индий в виде соли хлорида, InCl₃ · 4H₂O.

индия). Новая методика позволила увеличить све-

Для растворения хлорида индия использовалась

товыход сцинтиллятора примерно в 2 раза и до-

стичь более высоких концентраций растворенного

поверхностно-активная добавка (∼30%). Сцин-

тилляторы на основе ксилола имеют более высо-

индия. Увеличение величины световыхода является

важным достижением, поскольку позволяет улуч-

кий световыход по сравнению с фенилэтиловым

шить энергетическое разрешение, что делает более

спиртом, примерно в 1.5 раза. На сцинтилляторе

эффективной идентификацию нейтринных событий

в цилиндрической ячейке длиной 1 м и диаметром

от фона, 616 кэВ (нейтрино) от 495 кэВ (бета-

5 см были достигнуты энергетическое разрешение

распад¹¹⁵In).

11.7% (при энергии 477 кэВ), пространственное

разрешение ±4.5 см и длина ослабления ≥1.5 м для

Дальнейшая работа по разработке In-содержа-

концентрации In ∼5%. Если в [18] для приготов-

щего жидкого органического сцинтиллятора про-

ления сцинтиллятора использовался растворитель

водилась в рамках проекта LENS [20]. Были

фенилэтиловый спирт, позволяющий хорошо рас-

исследованы новые растворители (РХЕ) и со-

творять полярные соединения типа трифторацета-

единения индия (β-дикетонаты) [23-25], а также

та индия, то в [19] для растворения хлорида ин-

продолжено более глубокое изучение методик син-

дия в ксилоле были использованы поверхностно-

теза карбоксилатов индия. Целью было улучшить

активные добавки, у которых присутствуют гид-

характеристики сцинтиллятора, опубликованные

рофильные и гидрофобные группы, позволяющие

в работе [20]. В качестве эталона был выбран

смешивать полярное соединение хлорида индия

сцинтиллятор ВС505 фирмы BICRON. В работе

с неполярным растворителем — ксилолом. Мак-

[22] отмечается высокая стабильность и хорошая

симальная концентрация In в сцинтилляторе со-

летучесть соединений индия с β-дикетонами.

ставила ∼7.5% [19]. Дальнейшее увеличение кон-

Стабильность сцинтиллятора является важной

центрации приводило к образованию коллоидного

характеристикой при проведении крупномасштаб-

состояния. Исследования по улучшению харак-

ных и долговременных экспериментов. Хорошая

теристик индиевого жидкого сцинтиллятора были

летучесть β-дикетонатов индия может быть ис-

продолжены в работе [19]. Здесь были исполь-

пользована для глубокой очистки (методом возгон-

зованы положительные свойства методик приго-

ки) соединения от примесей радиоактивных эле-

товления сцинтилляторов, примененные в работах

ментов, что требуют условия низкого внутрен-

[20, 21], т.е. растворитель ксилол с добавкой фе-

него радиоактивного фона. Однако молекула β-

нилэтилового спирта для растворения трифтораце-

дикетоната индия имеет довольно сильные гасящие

тата индия. Достигнута максимальная концентра-

свойства, и поэтому для их компенсации требуются

ция In ∼ 10% по весу. По результатам тестовых

необычно высокие концентрации сцинтилляцион-

измерений с помощью кварцевой ячейки длиной

ных добавок, РРО ∼200 г/л, bis-MSB ∼500 мг/л

1 м, диаметром 6 см, заполненной сцинтиллятором

[23]. В работе [24] опубликованы результаты, по-

(5% In), получено энергетическое разрешение, удо-

лученные на трех ячейках (5 × 5 × 100 см) прото-

влетворяющее требованиям регистрации⁷Be ней-

типа детектора, заполненных сцинтиллятором на

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№4

2022

312

БАРАБАНОВ и др.

основе β-дикетоната индия (ацетилацетонат индия,

оптимальной конструкции детектора в настоящее

In ∼ 44 г/л) в РХЕ (Phenyl Xylyl Ethan). Для срав-

время продолжается.

нения на том же детекторе были измерены опти-

ческие ячейки, заполненные чистым (без индия)

6. ДИСКУССИЯ

сцинтиллятором на основе РХЕ, которые служил

в качестве стандарта. Для стандарта длина погло-

Полученные ограничения для скорости счета

щения составила ∼4.2 м, световыход ∼730 фото-

фоновых импульсов, показанные на рис. 6, можно

сравнить с параметрами существующих сцинтил-

электронов/МэВ. Для In-содержащего сцинтил-

ляционных установок. Наиболее подходящей для

лятора (44 г/л) — длина поглощения ∼1.2 метра,

этой цели является установка, разработанная в

световыход ∼200 фотоэлектронов/МэВ (энергети-

качестве макета детектора LENS [26]. Установ-

ческое и пространственное разрешение соответ-

ка располагалась в подземной лаборатории Гран-

ственно ∼11.6% и 7 см для энергии 477 кэВ).

Сассо и состояла из девяти сцинтилляционных

Однако полученные экспериментальные результа-

ячеек размером 200 × 5 × 5 см из кварца толщиной

ты по энергетическому разрешению отличались в

1 мм. Каждая ячейка просматривалась двумя ФЭУ

худшую сторону более чем в 2 раза по сравнению

с противоположных торцов. В защите из меди и

с предсказаниями Монте-Карло-анализа как для

свинца скорость счета фоновых импульсов в обла-

стандарта, так и In-содержащих сцинтилляторов.

сти 600-1600 кэВ составила ∼1.2 ×10-6/(кэВ кг

Как отмечают авторы, возможным объяснением

с). В случае достижения такой же скорости счета

такого расхождения является несоответствие ре-

фоновых импульсов в планируемом детекторе чис-

альных характеристик фотокатода фотоумножите-

ло зарегистрированных фотоэлектронов (рис. 6)

ля их спецификации.

должно составлять ∼0.4 ф.э./кэВ. Для консерва-

Другое направление в рамках проекта LENS

тивной оценки примем световыход сцинтиллятора

было связано с разработкой In-содержащего

жидкого органического сцинтиллятора на основе

6000 фотонов/МэВ, светосбор 33% и конверсион-

ную эффективность фотокатода 0.2. Окончательно

соединения карбоксилата индия. В работе [25]

получаем для ожидаемого числа зарегистрирован-

представлены характеристики (световыход, длина

поглощения и стабильность) для композиции на

ных фотоэлектронов ∼0.4 ф.э./кэВ. Таким обра-

основе индиевой соли карбоновой кислоты (2-

зом, в детекторе с такими ячейками скорость счета

событий от солнечных нейтрино будет значительно

метилвалериановой кислоты) в псевдокумоле,

превосходить скорость счета их имитаций.

концентрация In ∼50 г/л. Измерения были про-

ведены на оптическом модуле с размерами 5 ×

Достигнутое значение скорости счета фоновых

× 5 × 100 см, который может рассматриваться в

импульсов в установке LENS [26] не является

качестве отдельной ячейки детектора. В этой рабо-

рекордно достижимым. Так, например, в экспе-

те продемонстрирована возможность увеличения

рименте Борексино был достигнут более низкий

световыхода In-сцинтиллятора за счет замещения

фон (∼8 × 10-11/кэВ кг с) в том же диапазоне

отдельных функциональных групп (СОО) в мо-

энерговыделений. Конечно, в секционированном

лекуле карбоксилата на группы гидроксила [OH],

детекторе трудно достигнуть такой же радиаци-

т.е. формула имела состав [In(2MVA)_x(OH)3-x]_n,

онной чистоты, как в Борексино, из-за большого

где x ∼ 0.8, n ∼ 10 (степень полимеризации). Такая

количества конструкционных материалов.

частичная замена позволила увеличить световыход

В работе [27] предложены новые сцинтилля-

примерно в 2 раза. Так, для состава сцинтиллятора

ционные добавки, при которых световыход сцин-

(In = 50 г/л, ВРО = 4 г/л) световыход был равен

тиллятора оказался примерно в 2 раза выше по

∼9000 фотонов/МэВ. Измерения на кварцевой

сравнению с традиционными добавками. Приме-

оптической ячейке длиной 1 м с ФЭУ ХР3462РВ

нение новых сцинтилляционных добавок позволит

диаметром 3′′ дали энергетическое разрешение

значительно оптимизировать параметры ячейки, в

5.5% при

477

кэВ. Измеренные на модуле в

частности, позволит применять ячейки со свето-

составе прототипа детектора энергетическое и

сбором в ∼16% и сделать проект реализуемым.

пространственное разрешения составили соответ-

ственно ∼6.4% (477 кэВ) и 4 см (477 кэВ). В

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

измерениях были использованы ФЭУ ETL9954B

и электроника, описанные в [25].

В настоящей работе рассмотрена возможность

Последний вариант обладает наилучшей сово-

создания детектора для спектроскопии солнечных

купностью параметров, удовлетворяет сформули-

нейтрино от⁷Be, CNO-цикла и pep-нейтрино. Для

рованным выше требованиям и позволяет создать

этого предлагается вернуться к идее детектора

детектор солнечных нейтрино средних энергий. Ра-

LENS. В качестве мишени предлагается исполь-

бота по улучшению параметров InЖС и поиску

зовать¹¹⁵In, введенный в жидкий сцинтиллятор в

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№4

2022

РЕГИСТРАЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ

313

качестве наполнителя. Детектор должен обладать

J. Rapaport, P. Welch, J. Bahcall, E. Sugarbaker,

секционированной структурой для выделения ней-

T. N. Taddeucci, C. D. Goodman, C. F. Foster,

тринного события.

D. Horen, C. Gaarde, J. Larsen, and T. Masterson,

Phys. Rev. Lett. 54, 2325 (1985).

Для исключения событий от собственной бета-

C. Grieb and R. S. Raghavan, Phys. Rev. Lett. 98,

радиоактивности¹¹⁵In предлагается использовать

141102 (2007); C. Grieb, J. M. Link, M. L. Pitt,

более высокий порог регистрации энерговыделения

R. S. Raghavan, D. Rountree, and R. B. Vogelaar,

в сцинтилляторе (∼600 кэВ), который отрежет и

in Proceedings of the XII International Workshop

pp-нейтрино. Ключевым условием для реализации

on Neutrino Telescopes, March 6-9, 2007, Venice;

такого детектора является большое количество

arXiv: 0705.2769 [hep-ex].

света, регистрируемое фотодетекторами.

V. Sinev, L. Bezrukov, I. Karpikov, A. Kurlovich,

Было проведено моделирование секциониро-

A. Mezhokh, S. Silaeva, and V. Zavarzina, J. Phys.:

ванного детектора, содержащего 10 т индия. Учи-

Conf. Ser. 1690, 012170 (2020).

тывалась топология нейтринного события. Полу-

https://doi.org/10.1088/1742-

чена зависимость допустимой скорости счета со-

6596/1690/1/012170

бытий внутреннего и внешнего фона от энергетиче-

10.

И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, А. В. Вересникова,

ского разрешения детектора.

Ю. М. Гаврилюк, А. М. Гангапшев, В. Ю. Гришина,

В. И. Гуренцов, В. П. Заварзина, В. В. Казалов,

Проведенное моделирование показало, что ис-

С. Д. Крохалева, В. В. Кузьминов, А. С. Курло-

пользование больших ячеек (∼60 л) не позволя-

вич, Б. К. Лубсандоржиев, С. Б. Лубсандоржиев,

ет создать детектор для регистрации солнечных

А. К. Межох, В. П. Моргалюк и др., ЯФ 80, 230

нейтрино CNO-цикла. Трудности возникают со

(2017) [Phys. At. Nucl. 80, 446 (2017)].

сбором света в необходимом количестве. Необ-

11.

https://www-nds.iaea.org/relnsd/vcharthtml/

ходимо переходить на новые технологии создания

VChartHTML.html.

модульного детектора. Ячейка детектора должна

12.

A. G. D. Payne and N. E. Booth, Nucl. Instrum.

быть небольшого размера (∼1-2 л). На небольшой

Methods A 288, 632 (1990).

ячейке есть возможность зарегистрировать доста-

13.

Day Bay Collab. (F. P. An et al.), Nucl. Instrum.

точное количество света, разместив на торцах мо-

Methods A 685, 78 (2012);

дуля полупроводниковые пластины для регистра-

https://doi.org/10.1016/j.nima.2012.05.030; arXiv:

ции света. Отсутствие ФЭУ позволит разместить

1202.6181 [physics.ins-det].

ячейки на минимальном расстоянии друг от друга и

14.

J. K. Ahn et al. (RENO Collab.), Phys. Rev. Lett.

позволит использовать эффективную регистрацию

108, 191802 (2012); arXiv: 1204.0626 [hep-ex].

событий от вылетевших в реакции взаимодействия

15.

Y. Abe et al. (Double Chooz Collab.) Phys. Rev. Lett.

солнечных нейтрино с индием гамма-квантов в

108, 131801 (2012); arXiv: 1112.6353 [hep-ex].

соседних ячейках. Это обеспечит возможность ис-

16.

Cong Guo (on behalf of the JUNO Collab.), arXiv:

пользования многократных совпадений для выде-

1910.10343 [physics.ins-det].

ления событий от солнечных нейтрино.

17.

S. Andringa, E. Arushanova, S. Asahi, M. Askins,

Возникает трудность в оперировании с большим

D. J. Auty, A. R. Back, Z. Barnard, N. Barros,

количеством ячеек, но современные технологии

E. W. Beier, A. Bialek, S. D. Biller, E. Blucher,

позволяют работать с большим количеством кана-

R. Bonventre, D. Braid, E. Caden, E. Callaghan,

лов. Мы считаем реалистичным создание детектора

et al. (SNO+ Collab.), Adv. High Energy Phys. 2016,

для спектроскопии солнечных нейтрино с массой

6194250 (2016); arXiv: 1508.05759 [physics.ins-det].

индия 10 т и более.

18.

L. Pfeiffer, A. P. Mills, Jr., R. S. Raghavan, and

E. A. Chandross, Phys. Rev. Lett. 41, 63 (1978).

19.

Y. Suzuki, K. Inoue, Y. Nagashima, S. Hashimoto,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

and T. Inagaki, Nucl. Instrum. Methods A 293, 615

1. M. Asplund, N. Grevesse, A. J. Sauval, and P. Scott,

(1990).

Ann. Rev. Astron. Astrophys. 47, 481 (2009).

20.

R. S. Raghavan, hep-ex/0106054.

2. N. Grevesse and A. J. Sauval, Space Sci. Rev. 85, 161

21.

C. M. Cattadori et al., LENS internal communication

(1998).

(2003).

3. Borexino Collab. (M. Agostinti et al.), Nature 587,

22.

C. Buck, F. X. Hartmann, S. Sch ¨onert, and

577 (2020); arXiv: 2006.15115 [hep-ex].

U. Schwan, J. Radioanal. Nucl. Chem. 258, 255

4. M. Agostinti et al. (Borexino Collab.), Phys. Rev. D

(2003).

100, 082004 (2019).

23.

C. Buck, F. X. Hartmann, Th. Lasserre, D. Motta,

5. L. Bezrukov, A. Gromtseva, I. Karpikov, A. Kur-

S. Sch ¨onert, and U. Schwan, J. Lumin. 106, 57

lovich, A. Mezhokh, P. Naumov, Ya. Nikitenko,

(2004).

S. Silaeva, V. Sinev, and V. Zavarzina, arXiv:

24.

F. X. Hartmann, Th. Lasserre, D. Motta, S. Sch ¨onert,

2202.08531 [physics.ins-det].

C. Buck, and U. Schwan, Nucl. Instrum. Methods A

6. R. S. Raghavan, Phys. Rev. Lett. 37, 259 (1976).

547, 368 (2005).

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№4

2022

314

БАРАБАНОВ и др.

25. И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, В. И. Гуренцов,

27. S. Lubsandorzhiev, A. Sidorenkov, B. Lub-

Н. А. Данилов, А. di Vacri, C. Cattadori, Ю. С. Кры-

sandorzhiev, S. Ponomarenko, N. Surin, O. Borshev,

лов, Г. Я. Новикова, N. Ferrari, Е. А. Янович, ПТЭ,

N. Ushakov, N. Lubsandorzhiev, D. Voronin,

№ 4, 50 (2010).

A. Lukanov, and A. Fazliakhmetov, in Proceedings

26. C. Buck, O. Besida, C. M. Cattadori, F. X. Hartmann,

Th. Lasserre, D. Motta, A. di Vacri, L. Pandola, S.

of 36th International Cosmic Ray Conference,

Schoenert, U. Schwan, И. Р. Барабанов, Л. Б. Без-

Aug.-1

July,

2019, Madison, USA, PoS

руков, Н. А. Данилов, Е. А. Янович, ПТЭ, № 1, 40

(2012).

(ICRC2019) 946.

MIDDLE ENERGY SOLAR NEUTRINO DETECTION BY MEANS

OF NEUTRINO CAPTURE REACTION ON¹¹⁵In NUCLEUS

I. R. Barabanov¹⁾, L. B. Bezrukov¹⁾, V. I. Gurentsov¹⁾, G. Ya. Novikova¹⁾,

V. V. Sinev¹⁾, E. A. Yanovich¹⁾

1)Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

A modification of the LENS project for spectroscopy of solar neutrinos with an energy greater than

∼715 keV based on new technologies and solutions is being considered. Such a detector uses¹¹⁵In nuclei

as a target for neutrinos. The creation of a detector with a scintillator mass of about 200 tons loaded with

10 tons of indium will allow measuring the energy spectra of solar neutrinos from⁷Be, CNO cycle and pep

neutrinos with small systematic errors within five years. The simulation of the detector in the form of a set of

sections with a liquid scintillator doped with indium (∼10% by weight) has been carried out. The necessary

technical requirements for the detector cell are formulated and estimates of the possible rate of counting

events from the internal and external background with an energy release of 600-1600 keV are given. The

principal possibility of implementing such a detector is shown.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 85

№4

2022