Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт ядерных исследований Российской академии наук
Руководитель академик РАН Ткачев Игорь Иванович
Москва, Троицк, ул. Физическая, вл. 27
Установка создана для прецизионного измерения бета спектра от распадов трития с целью поиска стерильных нейтрино в диапазоне масс до 6-7 кэВ. 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.
Проект предлагает расширение программы исследований на установке «Троицк ню-масс» в ИЯИ РАН в направлении поиска экзотической частицы - стерильных 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 электрон-вольт.
В состав Установки входит система получения жидкого азота производительностью 10 л/час, криогенная система ожижения гелия производительностью до 50 литров жидкого гелия в час и стоимостью в современных ценах порядка 2 млн. евро.
Установка оснащена большим парком различных криогенных и вакуумных систем, экспериментальных стендов, регистрирующей электроники и компьютерных систем.
Установка Троицк ню-масс на данный момент не имеет аналогов в России. На ее базе в своё время - до 2019 года - 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. В Германии только в 2019 году начала работать установка KATRIN, которая является аналогом нашей установки выполненной в большем масштабе. Ежегодно публикация с нашими 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 и спытаний новых типов детекторов электронов.
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.
Кроме этого, для поддержания в рабочем состоянии всех систем и обеспечения согласно КЗОТ соответствующих рабочих мест, в состав установки входит система холодного водоснабжения, а также отопление экспериментальных залов в зимний период.
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 7 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. Для решения задачи мы проводим, в отличие от проводившихся ранее измерений вблизи граничной точки, 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. В 2019 году после дополнительных расчетов также была проведена модификация магнитных полей электростатического спектрометра. Новая конфигурация полей позволяет измерять спенктр электронов без существенной потери адиабатичности вплоть до нижней границе по энергии 11-12 кэВ.
В рамках международного сотрудничества с Германией, в соответствие с подписанным соглашением на установке проводятся калибровки и тестирование 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 детекторов позволяет опуститься до пороговой энергии 1-2 кэВ для падающих электронов. Детекторы разрабатываются в институте Макс Планка в Мюнхене, Германия. Установка Троцк ню-масс обладает уникальными источниками электронов, включая электроны от распада трития, что явилось определяющим фактором для этих совметных работ.
На установке было получено лучшее (до 2019 года) ограничение на массу электронного нейтрино:
Помимо основной научной деятельности, связанной с прецезионными измерниями спектра электронов в распадах трития, на установке возможно проведение других работ и услуг:
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 крио оборудования) и предварительных технических работ, электроэнергии, накладные расходы и т.д.
Следует отметить, что на установке доступно получение бакаврской и магисторской степеней в области экспериментальной и прикладной ядерной физики под руководством квалифицированных специалистов.
Для подачи заявки на работу на УНУ заполните следующую форму:
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 в 2019 году запущена установка KATRIN. Она является современной увеличенной копией нашей установки 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. Наши сотрудники непосредственно принимали участие в работе над проектом. Был передан неоценимый опыт работы на установках такого типа.
Второе направление сотрудничества с Институтом физики Макс 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 несколько успешных сеансов калибровок и физических измерений в Троицке с участием группы коллег из Мюнхена.
В соответствие с планами в 2023 году проведенена модернизация криогенных частей спектрометра. Выполнен монтаж и тестирование новых систем получения жидкого азота и жидкого гелия. Полностью модернизирована высоковольтная система. В марте и в конце 2023 года проведены полноценные сеансы измерений бета-спектра электронов от распада трития с целью поиска стерильных нейтрино. Ведётся обработка двух сеансов.
Коллектив группы, работающей на установке, составляет 12 высоко квалифицированных специалистов. Из них один академик РАН, 1 доктор наук, 4 кандидата наук, 3 инженера по криогенной технике, несколько научных сотрудников, 1 механик. Установка способна работать до 1000 часов в год (в случае соответствующего финансирования).
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 по магистерской программе в исследования вовлечен 1 студент МФТИ.
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:
