Троицк ню-масс

Уникальная научная установка, ИЯИ РАН

Troitsk nu-mass overview

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук
Руководитель академик РАН Ткачев Игорь Иванович
Москва, Троицк, ул. Физическая, вл. 27

Что и зачем: предмет исследования

Установка создана для прецизионного измерения бета спектра от распадов трития с целью поиска стерильных нейтрино в диапазоне масс до 5-6 кэВ, возможно, до 7 кэВ, при отсутствии дополнительных систематических эффектов. С точки зрения объяснения тёмной материи в виде существования тёплых слабо взаимодействующих частиц (WIMP), интересным является именно этот диапазон масс стерильных нейтрино – в области нескольких килоэлектронвольт. Собственно природа темной материи, ее обнаружение являются одними из наиболее важных направлений исследований в современной физике и космологии.

13.7 Mlrd 13.7 Mlrd
Один из вариантов эволюции нашей Вселенной

Проект предлагает расширение программы исследований на установке «Троицк ню-масс» в ИЯИ РАН в направлении поиска экзотической частицы - стерильного нейтрино.

Две основные составляющие Установки - газовый источник и электромагнитный спектрометр - уникальны. Газовый источник изотопов водорода позволяет избежать крайне нежелательных эффектов искажения спектра электронов из имплантированных или намороженных источников. Электростатический спектрометр электронов с магнитной адиабатической коллимацией обладает в настоящее время наилучшим в мире энергетическим разрешением порядка 0.3 электронвольт.

В состав Установки входит криогенная система ожижения гелия производительностью до 50 литров жидкого гелия в час.

Установка оснащена большим парком различных криогенных и вакуумных систем, экспериментальных стендов, регистрирующей электроникой и компьютерными системами.

Главные преимущества Установки

Установка Троицк ню-масс на данный момент не имеет аналогов, как в России, так и в мире. На ее базе были получены самые точные ограничения на верхнюю границу массы нейтрино. Эти ограничения имеют фундаментальный характер и были включены во все современные базы данных по свойствам элементарных частиц. Ежегодно публикация с этими данными цитируется по 50-60 раз. Уникальность установки определятся двумя основными компонентами: безоконным газовым источником трития и электростатическим спектрометром с магнитной адиабатической коллимацией. Все компоненты установки являются уникальными разработками советских и российских ученых. Тритиевый источник позволяет работать с газообразным тритием, сохраняя при этом условия высокого вакуума в других частях установки. Электростатический спектрометр длиной 10 метром и объемом порядка 40 кубических метров обладает самым лучшим в мире энергетическим разрешением порядка 0,3 электрон вольт для электронов с энергией 18 кэВ.

В состав криогенного оборудования входит криогенная система ожижения гелия фирмы LINDE (Германия) стоимостью около 2 млн евро. Система обеспечивает жидким гелием не только потребности эксперимента, но и научные организации в г. Троицке.

Все элементы установки: вакуумные и криогенная системы оснащены современным компьютерным контрольным оборудованием для управления и контроля вакуума, температур и газового состава источника.

При проведении измерений используется современная электроника для регистрации и сбора информации. Помимо этого в состав установки входит ряд вакуумных стендов, которые используются для проверки отдельных вакуумных элементов, для разработки и испытаний новых типов детекторов электронов.

Установка внутреннего электрода нового спектрометра:
Сборка спектрометра

Оборудование

Установка включает следующее научное оборудование:
Безоконный газовый источник изотопов водорода, магнитный электростатический спектрометр, криогенный комплекс с ожижителем гелия, вакуумные тестовые стенды, два экспериментальных зала. В дополнение, в задней части газового источника установлена прецизионная электронная пушка с энергией электронов до 35 кэВ, которая способна "прострелить" одновременно источник и спектрометр.

Помимо основного оборудования в распоряжении эксперимента имеется два вакуумных испытательных стенда, снабженные необходимой электроникой и вычислительной техникой.

Безоконный газовый источник трития с замкнутой циркуляцией рабочего газа

Источник
Внутренние сверхпроводящие соленоиды длиной 5 метров в процессе монтажа.

Интегральный электростатический спектрометр с магнитооптической адиабатической коллимацией, MAC-E filter:

спектрометр
1 - опоры спектрометра, 2 - входная и выходная чашки, 3 - теплые аксиальные обмотки, 4 - основной высоковольтный электрод, 5 - электроды под нулевым потенциалом, 6 - система детектора с охлаждением жидким азотом, 7 - набор сверхпроводящих магнитов.

Криогенный комплекс с гелиевым ожижителем LINDE и компрессорной станцией:

Linde компрессор

Электронная пушка с энергией до 35 кэВ и разрешением 0.3 эВ, расположенная в дальней части газового источника:

Gun

Одна из комнат, оборудованная для вакуумных тестовых испытаний аппаратуры:

152

Вакуумная камера для тестовых измерений в процессе монтажа:

152

Кроме этого, для поддержания в рабочем состоянии всех систем и обеспечения согласно КЗОТу соответствующих рабочих мест, в состав установки входит система холодного и горячего водоснабжения, а также система отопления экспериментальных залов в холодный период.

Основные исследования

Поиск новых явлений за пределами Стандартной Модели физики элементарных частиц, поиск стерильных нейтрино в космологически интересной области масс, разработка экспериментальных методик и математического обеспечения для экспериментов по прямому измерению массы нейтрино.

Проект направлен на прямые лабораторные поиски стерильных нейтрино. Важность такого рода поисковых экспериментов в дополнение к ограничениям, вытекающим из разных теоретических моделей, неоспорима. Конкретная задача - значительное улучшение существующих ограничений на угол смешивания стерильных и активных нейтрино в области масс от десятков электронвольт и вплоть до 15-17 кэВ. Эта область значений масс недоступна в осцилляционных экспериментах, планирующихся в ряде мировых научных центров.

Существенным преимуществом установки является наличие газового источника изотопов водорода. Такой тип источника позволяет избежать крайне нежелательных эффектов искажения спектра электронов из имплантированных или намороженных источников. В отличие от проводившихся ранее измерений вблизи граничной точки, планируется прецизионное измерение спектра бета-распада трития во всей кинематически доступной области энергий. В лаборатории имеется большой опыт работы на этой установке. В 2013 году была завершена существенная модернизация отдельных элементов установки и всей системы электроснабжения.

На установке начаты калибровки и тестирования нового поколения кремниевых детекторов со структурой дрейфа носителей заряда. Детекторы многопиксельны и обладают очень малой ёмкостью, на уровне десятков фемтофарад, что позволяет кардинально снизить уровень шумов. Тонкое входное окно позволяет опуститься до энергии 1-2 кэВ для падающих электронов. Детекторы разрабатываются в институте Макс Планка в Мюнхене, Германия. Совместные работы ведутся в рамках заключенного соглашения о сотрудничестве. Установка "Троцк ню-масс" обладает уникальными источниками электронов, включая электроны от распада трития, что явилось определяющим фактором для этих совметных работ.

Параллельно с основным проектом по поиску стерильных нейтрино ведется поиск компактного твердотельного источника для проведения нового поколения экспериментов. В частности, перспективной является разработка твердого безопасного источника трития на основе графена. Источники водорода на графене, в общем плане, рассматриваются как вариант для безопасного хранения водорода в качестве топлива нового поколения.

На установке было получено лучшее ограничение на массу электронного нейтрино:

PDG

Международное сотрудничество

Проводимые на установке исследования непосредственно связаны с международным сотрудничеством. Первое направление определяется уже выполненной в Троицке программой исследований по измерению массы элеектронного нейтрино в бета распаде трития. По образу "Троицк ню-масс" в Германии в Карлсруэ создается и вскоре будет запущена установка KATRIN. Она является улучшенной увеличенной копией установки "Троицк ню-масс" и позволит улучшить чувствительность измерений примерно на порядок, оценочно достигнув предела в 0.2 эВ по массе электронного нейтрино. Залючен протокол о сотрудничестве между Технологическим университетом Карлсруэ и ИЯИ РАН. Сотрудники ИЯИ РАН непосредственно принимали участие в работе над проектом. Был передан неоценимый опыт работы на установках такого типа. В 2018 году планируется участие в совместном запуске установки KATRIN.

Второе направление сотрудничества с Институтом физики Макса Планка в Мюнхене связано с развитием детектирующей системы электронов на установке "Троицк ню-масс". Суть этой работы заключается в разработке и тестировании нового поколения детекторов: дрейфовых кремниевых детекторов. Детекторы разрабатываются в Мюнхене, электроника считывания к ним - в Италии, калиброва, тестирование и реальные измерения - в Троицке. Проведено уже два успешных сеанса калибровок в Троицке с участием группы коллег из Мюнхена.

Совместная фотография в июне 2017 года после первых успешных испытаний прототипа кремниевого дрейфового детектора.

Troitsk and Munich teams

Услуги УНУ

Положение

Положение о работе установки доступно по ссылке.

Перечень оказываемых типовых услуг

Помимо основной научной деятельности, связанной с прецизионными измерниями спектра электронов в распадах трития, на установке возможно проведение других работ и услуг:

  • Исследование и прецизионное измерение спректров испускания электронов из газообразных и твердых веществ в диапазоне энергий от 5 до 30 кэВ.
  • Исследование рассеяния электронов с помощью прецизионной электронной пушки на газообразных образцах.
  • Тестирование детекторов элементарных частиц в вакуумных камерах с использованием разного типа источников, включая тритий. Возможно обеспечение высокого вакуума и криогенных температур.

При проведении работ в интересах сторонних организаций расчет осуществляется в часах работы всей или части установки. При этом в стоимость услуг включается оплата труда задействованного персонала, стоимость необходимых материалов (например, жидкий азот и газообразный гелий, если работа связана с использованием криогенного оборудования), предварительных технических работ, электроэнергии, накладные расходы и т.д.

Следует отметить, что на установке доступно получение бакалвврской и магистерской степеней в области экспериментальной и прикладной ядерной физики под руководством квалифицированных специалистов.

Регламент доступа к УНУ

Для проведения работ в интерсах внешнего заказчика должна быть подана заявка, в которой указывается суть планиуемых работ или требуемых экспериментальных разработкок, ориентировочные сроки выполнения, сведения о заказчике, а также иная информация, необходимая для планирования использования оборудования. Статус рассмотрения заявки можно будет проверить на этом сайте. После рассмотрения заявки и в случае ее принятия должен быть заключен гражданско-правовой договор о выполнении работ или оказания услуг.

Порядок расчета стоимости нестандартных услуг

Расчет будет производиться в зависимости от типа и условий предоставления услуг.

Форма для подачи заявок

Для подачи заявки на работу на УНУ заполните следующую форму:

Планы и развитие

В соответствие с предварительными планами и согласно поступающим заявкам в 2018 году запланировано проведение трех сеансов измерений. Начало первого сеанса 9 апреля 2018, окончание 28 апреля.
Основная работа буде посвящена отработке методики измерений с многопиксельным кремниевым дрейфовым детектором и набор статистики в эксперименте по поиску стерильных нейтрино.

Кадровый состав установки

Коллектив группы, работающей на установке, составляет 14 высоко квалифицированных специалистов, из них 1 доктор наук, 4 кандидата наук. Установка способна работать до 2000 часов в год (в случае соответствующего финансирования).

Образовательный потенциал установки

Установка предоставляет уникальные образовательные возможности для инженеров и физиков, поскольку студенты и аспиранты могут не только решать узко специфичные задачи, над которыми они работают, но и изучать многие аспекты физики и инженерного дела, такие как вакуумная техника, криогеника, электроника и многое другое. На данный момент в исследования вовлечены 2 студента МФТИ и один аспирант ИЯИ РАН.

Контактная информация

ИЯИ РАН, 117312, Москва, В-312, проспект 60-летия Октября, 7а.

Подразделение в Троицке, адрес: 108840, Россия, г. Москва, г. Троицк, ул. Физическая, вл. 27.

Телефон: 8(495)850-42-01,

Руководитель: академик РАН, Ткачев Игорь Иванович, e-mail:

Контактное лицо: д.ф.-м.н. Пантуев Владислав Сергеевич, e-mail:

Фотография 2010 года с основателем и многолетним руководителем установки "Троицк ню-масс" академиком Владимиром Михайловичем Лобашевым:

Members ofTroitsk nu-mass II experiment at 2010