RU2450289C1 - Neutrino detection method - Google Patents
Neutrino detection method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2450289C1 RU2450289C1 RU2010135503/28A RU2010135503A RU2450289C1 RU 2450289 C1 RU2450289 C1 RU 2450289C1 RU 2010135503/28 A RU2010135503/28 A RU 2010135503/28A RU 2010135503 A RU2010135503 A RU 2010135503A RU 2450289 C1 RU2450289 C1 RU 2450289C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spin
- neutrino
- sensor
- neutrinos
- electrons
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
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].The invention relates to the field of nuclear physics, astrophysics and high energy physics, and specifically to methods for detecting neutrinos, including solar, space, reactor neutrinos, neutrinos obtained using accelerators. The invention is suitable for creating neutrino telescopes, ground-based and space-based detector complexes, designed for remote, detection and monitoring of stationary and mobile nuclear reactor and accelerator installations, as well as in neutrino sounding systems of the Earth and planets [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.The invention is known [2], in which the detector is a scintillator in the form of tubes, inside which there is an optical fiber that collects light pulses from the scintillator. The disadvantage is the low efficiency in detecting neutrinos. Due to the small cross section of the interaction of neutrinos with matter, the mass of the scintillator, as in all current neutrino detectors, should be hundreds and thousands of tons.
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.The invention is known [3], in which a combined scintillator is used. The disadvantage of this invention is the insufficient mass of the scintillator for ground-based neutrino detection. The invention can detect neutrinos only in deep-sea measurements, where the active medium is not a scintillator, but water, in which large volumes can be controlled to record the Cherenkov light pulse from neutrino-electron interaction.
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.The invention is known [4], in which a special interaction of neutrinos with a solid, containing neutrino-scattering subatomic particles, vibrating single crystal, placed in a nuclear magnetic resonance installation is assumed. In this case, the occurrence of a mechanical pulse of the crystal is also fixed. The inventor combined in one installation the Mossbauer effect with the effect of nuclear magnetic resonance in a sample that receives a mechanical moment in the interaction of neutrinos with sample atoms. The disadvantage of this invention is the need for a large amount of detecting substance, which must vibrate and which must be placed in a strong magnetic and electromagnetic field of resonant frequency.
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.The closest is the invention described in [5], in which neutrinos cause radio frequency radiation, which is detected by a radio receiver. Alternatively, a neutrino irradiates a sample with a material having a nonzero spin and a nonzero magnetic moment with sufficient density for recoil as with a single object (similar to the Mossbauer effect) after interaction with each neutrino. When a constant magnetic field is applied, much more oriented magnetic moments arise in the material for photon scattering. The interaction of neutrinos with such material is recorded by nuclear magnetic resonance. The disadvantage of this invention is the need for a large amount of detecting substance, which only due to extreme hardness can respond to the impact as a whole, and the spectral line of radiation with high accuracy should coincide with the absorption line. The entire mass of the detecting material must additionally be placed in a strong magnetic field and an electromagnetic field of resonant frequency.
Задача повышения эффективности регистрации нейтрино решается использованием предлагаемого способа. Предлагаемый способ регистрации нейтрино имеет большую чувствительность и угловую избирательность.The task of increasing the efficiency of neutrino registration is solved using the proposed method. The proposed method for detecting neutrinos has a high sensitivity and angular selectivity.
Способ регистрации нейтрино состоит в использовании взаимодействия нейтрино и других элементарных частиц, имеющих спин, с поверхностностью твердого тела.A method for detecting neutrinos consists in using the interaction of neutrinos and other elementary particles having a spin with the surface of a solid.
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.The method includes the use of a detector containing at least one sensor in which there is at least one surface. A lot of straight lines can be drawn along the surface of the sensor, aimed at the measured object, and it is covered with a material with a high electron density and a small electron work function using spin-spin neutrino-electron interaction with electrons on a surface that allows the formation of a spin wave. The sensor itself is placed in an environment with controlled temperature and low density and placed in an electric and magnetic field.
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.The mechanism of the elastic interaction of neutrinos with surface electrons is poorly studied due to the very small fraction of the surface mass in comparison with the bulk amount of matter. The contribution of such an interaction to the total registration of neutrinos is a priori considered insignificant. But surface electrons are weaker bonded to atoms compared to electrons in the bulk of a substance, so the cross section of the elastic interaction of neutrinos with surface electrons is much larger. On the surface, like a well-known external photoelectric effect - the ejection of electrons by the action of photons, the ejection of electrons by the action of a neutrino occurs. A negative electric potential applied to the surface of the plate increases the likelihood of neutrino interacting with surface electrons. By changing the polarity and magnitude of the electric potential, the spectral sensitivity of the detected neutrinos can be changed. The torn electron flies in a medium with a low density and maintains the same direction as the neutrino. Ejection of an electron leads to a rearrangement of surface electronic levels, which causes the appearance of a quantum of electromagnetic radiation. The electron and quantum of radiation are registered by detectors.
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 εs(k)=(h/2π)ωs(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)-PµBH, 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.Another physical process used in the present invention is the spin-spin interaction of spinning neutrinos and electrons. Since there is a layer of less bound, therefore more dynamic, electrons, the neutrino on the surface of the body, passing over the surface of the body, interacts more effectively with the spin of these electrons than in the bulk. If the surface is covered with a material that allows the formation of a spin wave, and this surface is oriented to the neutrino source, then a spin wave is formed along the trajectory of the neutrino. The wave energy ε s (k) = (h / 2π) ω s (k). This energy is considered to be the energy of a quasiparticle — magnon with momentum p = (h / 2π) k [6]. Spin-spin exchange energy is: E = 2πμ 2 n 2 - (2π / 3) μ 2 (n + -n -) 2, where n +, n - - the concentration of electrons whose spins are oriented along the (counter) of the external magnetic field ; n = n + + n - is the total concentration, k is the wave vector. For paramagnetic systems, the total energy of the spin wave, taking into account the exchange Coulomb energy, can be represented as: E (P) = E (0) + α (P 2 / n) -Pµ B H, where α is a constant determined by the exchange interaction and correlations P = n + + n - [7]. With full spin orientation, the internal energy of the system is minimal. That is, in a system of spontaneously directed spins, when the magnetic moment is guided by some force, some energy is released. It may turn out to be enough to orient the neighboring magnetic moment. The wave energy is added (it cannot decrease, because with each orientation the system goes into a lower energy state). The energy of the resulting magnon increases - this forms a spin wave, the direction of which coincides with the direction of motion of the neutrino that caused it.
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.When the density of spontaneously oriented spins is high, the energy in the spin wave becomes sufficient to overcome the threshold for changing the configuration of micromagnetic regions in a weak magnetic field, the orientation of this region changes abruptly, similar to the inverse Barkhausen effect, assuming the orientation of the superimposed weak magnetic field. In this case, energy is released in the form of electromagnetic and acoustic pulses [8], which are recorded by the corresponding sensors. The necessary density and orientation of the spins on the detecting surface is achieved by creating a surface on which the formation of a spin wave, a magnon, is possible and by applying a weak magnetic field that does not lead to excessive reorientation of the magnetic moments of the micromagnetic regions.
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.If the neutrino does not move along the surface, then the spin-spin interaction of the neutrino and the electron will not be directed toward the neighboring atom and will not cause the orientation of the orbital moment of the extreme electron of the neighboring atom. Spin-spin wave does not form. Thus, high selectivity of neutrino detection in the direction of motion is achieved.
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.Temperature reduces the orienting effect of electric and magnetic fields, therefore, by controlling the temperature of the sensor’s working surface, the energy threshold of detected neutrinos can be shifted. Also, the change in the spectral sensitivity of the detected neutrinos is carried out by the choice of the material covering the working surface of the sensor and the magnitude of the applied magnetic field.
Нами экспериментально установлена возможность и перспективность использования поверхностных электронов и материалов, допускающих образование спиновой волны для создания детекторов нейтрино.We experimentally established the possibility and prospects of using surface electrons and materials that allow the formation of a spin wave to create neutrino detectors.
Реально действующее устройство, использующее данный метод, имеет большую чувствительность и угловую избирательность.A real device using this method has great sensitivity and angular selectivity.
Источники информацииInformation sources
1. Большая Советская Энциклопедия. Изд.3, М.: Сов. Энциклопедия, 1974, Т.17, с.423.1. The Great Soviet Encyclopedia. Vol. 3, Moscow: Sov. Encyclopedia, 1974, Vol. 17, p. 423.
2. Патент РФ №2308056.2. RF patent No. 2308056.
3. Патент РФ №2190240.3. RF patent No. 2190240.
4. U.S. Patent №5276717.4. U.S. Patent No. 5276717.
5. U.S. Patent №4576777.5. U.S. Patent No. 4576777.
6. Ахиезер А.И., Барьяхтар В.Г., Пелетминский С.В. Спиновые волны. М.: Наука, 1967, с.170.6. Akhiezer A.I., Baryakhtar V.G., Peletminsky S.V. Spin waves. M .: Nauka, 1967, p. 170.
7. Кузьменков Л.С., Максимов С.Г. О корректном гамильтониане спин-спиновых взаимодействий и его следствиях. Прикладная физика, 2000, №3, с.107-114.7. Kuzmenkov L.S., Maksimov S.G. On the correct Hamiltonian of spin-spin interactions and its consequences. Applied Physics, 2000, No. 3, pp. 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.24.8. Borovkova M.A., Ilyasov R.S. Electromagnetic-acoustic transformation of body waves in RFE 2 intermetallic compounds. Sat articles "Barkhausen effect and similar physical phenomena." Ed. Izhevsk State Technical University, Izhevsk, 1995, p.24.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010135503/28A RU2450289C1 (en) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Neutrino detection method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010135503/28A RU2450289C1 (en) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Neutrino detection method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2450289C1 true RU2450289C1 (en) | 2012-05-10 |
Family
ID=46312363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010135503/28A RU2450289C1 (en) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Neutrino detection method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2450289C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4576777A (en) * | 1980-02-01 | 1986-03-18 | Joseph Weber | Energy detection method and apparatus |
| US4968475A (en) * | 1982-08-09 | 1990-11-06 | Drukier Andrzey K | Method and apparatus for the detection of neutrinos and use of neutrino detector |
| RU94001938A (en) * | 1994-01-19 | 1995-02-10 | А.Т. Корабельников | NEUTRINO REGISTRATION METHOD |
| RU2145095C1 (en) * | 1998-11-25 | 2000-01-27 | Муромцев Владимир Ильич | Neutrino flux recording method |
-
2010
- 2010-08-24 RU RU2010135503/28A patent/RU2450289C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4576777A (en) * | 1980-02-01 | 1986-03-18 | Joseph Weber | Energy detection method and apparatus |
| US4968475A (en) * | 1982-08-09 | 1990-11-06 | Drukier Andrzey K | Method and apparatus for the detection of neutrinos and use of neutrino detector |
| RU94001938A (en) * | 1994-01-19 | 1995-02-10 | А.Т. Корабельников | NEUTRINO REGISTRATION METHOD |
| RU2145095C1 (en) * | 1998-11-25 | 2000-01-27 | Муромцев Владимир Ильич | Neutrino flux recording method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nishiyama | Detection of a new TeV gamma-ray source of BL Lac object 1ES 1959+ 650 | |
| Tegze et al. | X-ray holography with atomic resolution | |
| US9029792B2 (en) | High sensitivity, solid state neutron detector | |
| RU2450289C1 (en) | Neutrino detection method | |
| Lyon et al. | Single phonon detection for dark matter via quantum evaporation and sensing of He 3 | |
| Pinfold | Dirac’s dream—the search for the magnetic monopole | |
| Fairbairn et al. | Transparency of the Sun to gamma rays due to axionlike particles | |
| Hamaguchi et al. | A space-based all-sky MeV gamma-ray survey with the electron tracking Compton camera | |
| Sokol et al. | Discovery of η-MESIC Nuclei. | |
| Gallacher et al. | Surface background rejection technique for liquid argon dark matter detectors using a thin scintillating layer | |
| Kaiser et al. | Neutron interferometry investigation of the Aharonov-Casher effect | |
| US10690787B2 (en) | Radiation imaging system | |
| Miyachi et al. | Real-time detector for hypervelocity microparticles using piezoelectric material | |
| EP3635794A1 (en) | System and method for generating photon emission from atomic nuclei | |
| Dhamija | QCD confinement and the GlueX experiment at Jefferson Lab | |
| RU2287172C2 (en) | Detector for finding charged particles | |
| Drukier et al. | Towards a new class of detectors for dark matter and neutrinos | |
| Hiroi et al. | Development of AC magnetic field imaging technique using polarized pulsed neutrons at J-PARC | |
| Pinfold | The MoEDAL experiment-a new light on LHC physics | |
| Chen et al. | The performance study of MRPCs used for muon tomography | |
| Pinfold | The search for magnetic monopoles | |
| Ou et al. | Measurement of the Energy, Multiplicity and Angular Correlation of γ-rays from the Thermal Neutron Capture Reaction Gd (n, γ) | |
| Ibbotson et al. | Deciphering the Quantum Code of Life: The Crystal Electron Cloud Hypothesis. | |
| Bergmann | Timepix detectors in Space: From radiation monitoring in low earth orbit to astroparticle physics | |
| Kurashige et al. | Highlight of Results from ATLAS at LHC |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160825 |