LOREX测定pp-中微子通量的地球化学研究现状及新资料

摘要

LOREX (LORandite EXperiment)通过利用反应来测定太阳(pp)中微子通量捕获太阳中微子的能量阈值为50kev，这是无与伦比的低能量。的比例²⁰⁵Pb /²⁰⁵含Tl矿物lorandite中的Tl原子提供了太阳中微子通量的乘积和它们的捕获概率，如果对宇宙射线诱导的背景进行校正的话²⁰⁵Tl，平均年龄超过lorandite。要获得太阳中微子的平均通量，必须解决四个问题:(1)lorandite的地质年代，(2)宇宙射线诱发的背景量²⁰⁵(3)对太阳中微子的捕获概率²⁰⁵Tl和(4)对lorandite的提取工艺进行了适当的“计数”，数量较少²⁰⁵铅原子数与铅原子数的关系²⁰⁵Tl原子。本文概述了第1项(年龄)和第3项(中微子捕获概率)的研究现状，并详细介绍了第2项(背景/侵蚀)和第4项(计数)的最新进展²⁰⁵罗兰石中的铅原子)。

1.介绍

测定太阳中微子通量的长期平均值含铊矿物罗兰石，是基于Freedman等人在1976年提出的中微子捕获反应[1]： 平均通量经过曝光时间(lorandite自矿化以来的年龄)由常见的活化方程得出: 在哪里总数是多少原子,总数原子,的数量本底反应引起的原子(主要是)，太阳中微子俘获截面，整体检测效率，的衰变常数和lorandite的地质时代(即成矿时代)。

中微子捕获反应: 利用了到目前为止的最低门槛 太阳中微子。

最后一步核心问题的LOREX是定量测定吗 原子在红铊矿。这最终使得平均太阳中微子通量，也就是，太阳在过去431万年中的平均光度，哪个是地质年代来自Allchar的lorandite，如Neubauer等给出的[2]．在进入实验的最后阶段之前，必须可靠地解决四个问题;然而,（1)的年龄我们必须准确地知道:红铊矿的时代,(2）的背景由宇宙辐射产生的原子(主要是-反应)和天然放射性必须定量测定。在这种情况下，了解罗兰岩存在期间覆盖层岩石的侵蚀速率是非常重要的:背景和侵蚀,(3）这一比率只提供了产品太阳中微子通量和中微子捕捉到不同核态的概率．然而，捕获的中微子应该主要分布在第一个激发态．因此，要得到中微子流本身，就必须确定进入低空状态的捕获概率：中微子捕获概率 的状态 ，(4）怎么能期待超低丰度的²⁰⁵Pb可靠测量:检测²⁰⁵Pb。

2.目前和未来研究的主要方向

2．1．岁红铊矿

Tl矿化年龄是实验的一个重要参数，因为它等于地球化学pp-太阳中微子探测器中lorandite矿物的积分时间。事实证明，实现LOREX的另一个重要前提是，该矿床必须提供两个以上的富含loranite的矿体，位于明显不同的深度。

地质研究表明，大量的lorandite存在于马其顿FYR的Allchar Sb-As-Tl-Au矿床中，该矿床位于Kožuf山脉的西北边缘，靠近马其顿FYR和希腊的边界。该矿含有世界上已知的最大含铊矿物浓度，特别是含氯矿石。多时多成因Sb-As-Tl-Au全炭矿床是在非均质地质环境下经过复杂的物理化学过程形成的。矿床是由热液流体与周围岩浆岩、沉积岩和变质岩的多相作用形成的。成矿作用的成因与上新世岩浆活动的产物有遗传关系。成矿的空间位置受岩浆、构造和岩性因素的控制，如Janković和Jelenković [4]．全炭矿床由多个形状各异、结构构造特征各异、元素组合各异的矿体组成。

铊成矿已在两个地点得到证实，即两个矿体:Crven Dol和Centralni Deo，分别位于Allchar矿床的北部和中部1）.

Troesch和Frantz确定了Crven Dol的Tl成矿地质时代(图)1(一))为4.22±0.07 Ma，使用来自21坑道的sanidine [5]．这种测定是用等时线得到的氩气含量的五度测量第一阶段和其他四个阶段。

Allchar地区火山活动末期围岩发生热液蚀变，可认为是该地区矿石矿物的初始沉积期。钾长石(碱长石)的年龄有一般公式:，但其晶体结构随形成温度而变化;其配方实际上是在Rudina地区蚀变带中从纯钠(钠长石)到纯钾端元正长石、微斜长石或sanidine的混合物根据Neubauer等人[2，表明铊成矿作用开始发生强烈的蚀变和沉积。B-2钻孔岩心发现矿化与热液蚀变岩的紧密空间组合(图)1 (b))，该地区与Centralni Deo矿体在地质上相连。这些钻孔岩心显示里约热内卢Tinto Co.在30 ~ 60 m和160 ~ 280 m的深度区间分别存在As、Sb和s矿化和强烈蚀变岩。3.]．

2．2．背景反应和宇宙射线的贡献

就LOREX而言，已确定和分析了30多个可能有助于“背景”的过程²⁰⁵Pb。经过仔细评估，只有四个过程可能有不可忽视的贡献:（1)的 反应:的贡献快μ介子,(2）的反应:的贡献停止μ介子,(3）的和的反应,(4） 从罗兰石的环境中动员。

数字2显示目前估计的不同贡献的生产²⁰⁵根据70 m/Ma和130 m/Ma的侵蚀速率，lorandite和围岩中U和Th的痕迹Pavićević [6，以及海辛格和他的同事所采用的方法[7的函数的存款。

为了确定Allchar的侵蚀速率，我们应用了地球原位宇宙成因核素，包括放射性核素(和)及稳定(和)，并将所得数据与地貌分析结果进行比较。16个样品的浓度不确定性为26% - 58%，最大侵蚀速率在~70 m/Ma ~600 m/Ma之间。惰性气体分析包括在一个透辉石样品中在5个不同位置的石英和一个sanidine样品中，显示出~20 m/Ma ~70 m/Ma的侵蚀速率，且不对称不确定性在10%到200%之间。的测量结果显示出不切实际的高值，因此在解释时必须省略。两个的结合-数据和地质信息表明，简单的稳态侵蚀历史并不适用于Allchar地区。相反，火山碎屑物质长期埋藏(~500 ka-3 Ma)，可能还有冰川冰，中断了暴露和侵蚀的时间。然而，值得注意的是，从不同的宇宙成因核素(，，)，在~20 ~90 m/Ma范围内，得到了一致的结果。我们认为浓度很可能反映了最后一个埋藏后期(~100 ka)的侵蚀速率。根据Pavićević et al. [8]．4个已确认的含大量罗兰岩的矿体的古深度是根据它们的现今深度和相应位置侵蚀层的估计厚度找到的(图)1和表1）.

表格1也列出了浓度的最终估计²⁰⁵Pb(每10kg罗兰石原子)在不同深度;由宇宙射线快介子引起的浓度，由pp-中微子捕获引起的浓度，以及总浓度。在最浅的地方中微子的贡献约为20%，而最深的那一个约占63%。

如图所示2的浓度,在不同深度的样品中，由于μ子的贡献与深度有关，反映了样品的当前深度以及覆盖层的侵蚀历史。对应于不同平均侵蚀速率的曲线形成了一组指数(Aničin等)[10)和实验测定²⁰⁵不同深度样品中的铅浓度允许同时测定介子的贡献和沉积物的侵蚀历史。贡献由于从lorandite矿化时的围岩中分离出来，标记为，由于lorandite和周围岩石的天然放射性，标记为”,贡献由不到4%的总浓度(U和Th浓度很低:大理石、白云石、石英和安粗岩U的内容的范围0.054 - -0.45 ppm和Th 0.061 - -0.66 ppm,而红铊矿量的平均浓度为0.12 ppm U和0.022 ppm,分别由Pavić增强型植被指数ć[6]．

估算“，即动员起来从tl -矿化形成时的围岩(lorandite年龄)和天然放射性贡献结果，微量的U和Th浓度不到4%(见图)2）.低贡献”是大理岩、白云岩和qz -流纹岩中U、Th含量极低的结果，U = 0.054 ~ 0.45 ppm, Th为0.061 ~ 0.66 ppm (Pavićević [6])。天然放射性的贡献“这主要是由lorandite中的U和Th含量低造成的，因为这些元素在lorandite中的浓度低:U = 0.12 ppm, Th 0.022 ppm (Pavićević [6])。所有不是针对罗兰石(不是源自铊)的背景成分估计的数量在3到15 SNU之间(Neumaier等人。[11)，并可以通过测量监测矿物质(雄黄)含量和三硫化二砷）.

从数据中和表所示1我们用蒙特卡罗模拟估计了平均中微子通量（1．2)在地质时代红铊矿的 使用下列参数(请参阅1．2)): 这个数字相当于10公斤的罗兰石，收集在足够深的位置，作为背景是可以接受的，也就是说，在古深度，其中计算的背景的原子约占46%(见表格第三行)1） 而地质时代和衰变常数的太阳中微子俘获截面现在已经令人满意地了解了吗的是实验未知的。在(中假定的值2．3)不过是根据babacall和其他理论家先前的估计(babacall [12]、Wapstra及奥迪[13， Braun和Talmi [14]、Freedman和Nolte [15]、小川伪称及有田[16])。核矩阵元素如何使占主导地位的中微子俘获通道进入第一激发态可以实验将在下一节概述2．3．同理，总检测效率假定在(2．3)只是一个(乐观的)猜测。很明显，LOREX最困难的问题之一是测量极低浓度的在一种通常非常稀有的材料的可能获得的样品中。本节将讨论可能适合于这一困难任务的方法2．4．

2．3.的2.3 keV状态下中微子捕获概率的确定Pb

从相对丰度关于，即使对所有背景效果进行了校正，也只能提取时间积分产品的太阳能微中子通量和neutrino-capture概率,由原子核基态引出到单个的激发态,根据 能量阈值为，远低于所有其他已经进行(例如GALLEX)或提议进行的射电或地球化学实验的相应阈值。最大能量为422 keV的太阳pp中微子只能被捕获到基态,第一个，第二激发态(，)．从众所周知的衰变系统可以明显看出，2.3 keV态的捕获概率(，奇偶性变化)应该比基态捕获()以及进入第二激发态(贝伦斯和Jaenecke [17])。中向2.3 keV态转变的核矩阵元是不已知的。有一种，而且只有一种可能性(Kienle [18])来从实验上确定这个未知的核矩阵元素，即通过测量束缚态衰变(裸(或类氢)的衰变所以(helium-like),根据 哪里有中子原子核变成质子，其中单色电子-反中微子((bar))和剩下的电子一起被创造绑定（)在子离子的内壳层(主要是K或l壳层)中．的这种衰变的值仅为52 keV。因为中微子的核部分被捕获衰变是相同的，一种测量裸或类氢的束缚态-衰变概率 提供未知的核矩阵元素(对ft值的对数)在．

束缚态衰变概率可与之比较小在两个开创性的实验中，测量了GSI的实验存储环ESR值，为裸的例子荣格等[20.)，以及赤裸的(Bosch等[21)，以及赤裸的(Ohtsubo等人[22])。先进的检测技术衰变，正如在这些实验中所利用的，是“肖特基寿命光谱法”(Litvinov et al. [23)，在那里，被储存和电子冷却的母离子和子离子的信号被稳定地记录下来，产生它们的旋转频率，明确地与它们相应的质量电荷比相关。从这些“肖特基线”中，母离子和子离子的数量都被记录为时间的函数，从而产生衰变概率，因此，核矩阵元素(ft值的对数)搜索。然而，由于母离子和子离子的旋转频率非常小，在这些实验中不能被分辨出来值有关。因此，我们采用了一种特殊的技术，即利用内部气体射流短时间作用去除子离子的单束缚电子。

进行了相应的实验衰减的光(见图3.)用一个相当小的值，我们提出了与上述两个成功实验完全相同的检测技术。然而，由于Tl的毒性，在离子源中使用的安全限制是非常严重的，而且仍然是非常昂贵的，这使得这个实验在过去的18年里一直没有实现。尽管如此，由于这一提议一直被列在高优先级实验的清单上，我们被鼓励去寻找实现它的另一种方式。我们提出了赤裸的“新技术”离子的间接通过主服务器的动态分段进行的生产在碎片分离器(FRS)中的束，以及随后注入到实验存储环(ESR)中的束。决定性的一点是至少10⁶裸露的 离子必须被提供和储存，才能获得最少数量的几个在几个小时的储存时间内腐烂半衰期的裸估计需要120天(高桥和横井[19])。通过过去几年的两项重大成就，这一不可或缺的数字至少达到了10个⁶存储裸离子现在可以达到高可信度(见图4）.

（1)由于铅离子源输出量的显著提高和光束损耗的降低，使若干在两个实验中，离子已经可以安全地运送到FRS。根据已知的飞行碎片截面和原子电荷态的分布，这将得到大约10个⁵裸露的 离子注入到ESR中。(2）通过随机冷却和注入离子在内层轨道上的存储相结合，进行了多次后续注入可以在没有任何损失的情况下应用已存储的离子(碎片的rf堆积)。这一技术在过去几年中已成功应用于几次试验。

由于这些重要的步骤，达到10⁶裸储存(并冷却)离子是可行的。因此，本新程序用于测定裸衰变概率以及太阳中微子被捕获的横截面-已于2010年6月获得GSI国际实验委员会(ESR-proposal 100)的批准。六天的射束时间和最高优先权A被分配。这项决定的副本载于本提案的补编内。实验现在正在进行日程安排。考虑到FRS-ESR设施中高优先级实验的“等待名单”，它在未来18个月内实现是可靠的。

２.４.超低量的提取与检测Pb在红铊矿

地球物理LOREX项目的关键要求之一是对中微子引起的痕量的超灵敏、定量探测出现在红铊矿。10公斤罗兰石(TlAsS₂某人估计原子的取决于各个罗兰石样品在Allchar处的开采深度。这意味着必要的分离因子约为10^20.之间的和同位素丰度(70%)。对于寿命极短的放射性同位素，通过测量其衰变辐射(低水平计数，LCC)，可能可以直接获得这种极端量级的分离因子。为，它的半衰期约为1700万年，考虑到探测电子俘获衰变的难度，这是不可能的。

因此，对于LOREX，直接检测和计数原子被提出，无论是用质谱的方法或测量特征原子跃迁辐射。这些方法对小样本容量的固有限制极大地帮助了初始化学Pb-Tl分离，该分离因子已建立为10¹³(Pavićević及Bruechle [24])。对于Allchar lorandite，铅含量已被发现约为1.5 ppm (Pavićević [6])。因此，在初始化学Pb- tl分离后，20 mg的铅样品与a/ Pb-ratio ~将获得的。样品中还会含有~10的残留量¹²Tl原子。

这些方法在原则上适合于检测在痕量水平考虑的是低能量质谱(特别是ICP-MS，即电感耦合等离子体质谱)、高能质谱(即AMS，加速器质谱)和激光诱导原子能谱。后者特别包括共振电离质谱法(RIMS)和最近发展的原子陷阱痕量分析(ATTA)。每种情况的质量标准为Pb/Tl分离因子和/Pb和整体检测效率。后者对于测量数据的相关统计准确性至关重要²⁰⁵铅浓度。总之，明确的检测²⁰⁵铅原子的统计不确定度小于10%，需要一种能提供完全分辨分离的方法从在水平,其他的铅同位素级别，检测效率原子的最好但至少．

高能AMS依赖于离子加速到能量，分子通过剥离片的分裂被完全摧毁，能量损失的差异提供了剩余离子的化学元素识别，强大的离子束探测器可以从重离子核物理研究中获得。低质量放射性同位素的微量浓度已被可靠地测量降低到．然而，对于较重的原子核，在典型的重离子加速器中，由于能量损失散失增加和相对电荷分辨率降低，电荷分离不太明显。之前的实验/在每核子束能量约6 MeV时分离(Ernst et al. [25];亨宁和舒尔[26)产生的分离因子为10²到10^3.之间的和但这对10个国家来说是远远不够的⁷上述因素。此外，这些研究的总体效率被发现低于，在最乐观的外推中，很难看到如何能更好地实现价值．

然后，基于高能离子存储环中的肖特基质谱仪的最新发展，提出了一种AMS的新变体，该变体在离子加速到几百GeV每核子能和完全剥离(Radon等人[27])。位于德国达姆施塔特的GSI亥姆霍兹中心的重离子存储-冷却环ESR，是唯一适合为“等压线问题”提供一个明确的解决方案的，而“等压线问题”是串联电源的一个严重障碍。在高能同步加速器中加速后，所有的原子物种都可以完全电离,并转移到ESR，在那里它们将被电子冷却，影响所有存储离子的共同急剧速度。在这种情况下，ESR的旋转频率只取决于质量-电荷对于完全剥离的原子，离子的比例等于．因此，不同核电荷的等压线出现在广泛分离的转速频率和容易解决。一种方法还可以消除任何等压分子污染，这通常是基于串联的AMS最严重的障碍。

此外，ESR提供了重质材料的最终检测极限，高电荷离子:甚至一个单一的储存的和电子冷却的离子可以被明确地检测到(见图)5）.ESR的高分辨率和最终检测灵敏度使得“肖特基质谱(SMS)”能够为超过180种核素提供新的和精确的原子质量(Litvinov等人。[23])。其他重质量放射性同位素的相关研究已经证明了所需的分离因子，但总体效率还不能超过对于质量在200左右的重离子，由于离子源效率，需要多次剥离，以及加速器链中所经历的一般传输损耗，以达到所需的高能量。我们现在要考虑的一种变体是将一个较低的电荷态注入同步加速器，然后在注入时以非常高的效率将其剥离到存储环中。这实际上消除了一个汽提阶段，从而产生广泛的电荷态分布，从而提高了效率。估计在附近或者更好的是，确切的数值需要通过实验来确定。因此，AMS的这种“存储环变体”已经取得了长足的进展，但最终能够达到的整体检测效率仍是未知的。

在过去的几十年里，人们提出了几种基于激光光谱技术的痕量分析方法，并取得了成功。这些方法获得的高选择性是共振激光与原子相互作用的结果。不同元素的原子由于其原子结构的不同而与光以显著不同的频率共振相互作用。同一元素的不同同位素的原子表现出同位素位移，即由核质量和电荷半径的变化引起的共振频率的微小变化。通过精确地将激光频率调到特定同位素的共振频率上，人们可以选择性地激发、电离或操纵该同位素的原子，同时对其他同位素和元素的影响要小得多。

目前，最近发展起来的原子阱痕量分析方法出现了，但也有一些值得注意的地方，这是一种非常有前途的方法。原子阱痕量分析(ATTA)是一种基于激光的原子计数方法，最初由阿贡国家实验室开发(Chen et al. [28])。它的设备由激光和桌面大小的真空系统组成。其中心是一个磁光阱，即MOT (Raab et al. [29])。MOT利用激光束捕获所需同位素的原子。当激光频率被调谐到目标同位素共振的低频侧的几个自然线宽之内时，只有这个特定同位素的原子被捕获。其他同位素的原子要么在到达陷阱前被偏转，要么被允许通过陷阱而不被捕获。探测方法(如灵敏的CCD相机)充分利用了光子爆发光谱的高选择性。单个原子可以被捕获并观察100毫秒或更长时间，在此期间10⁶可以诱导多达10个荧光光子⁴光子可以被探测到。这些优势使单个原子以高信噪比计算，而且，由于选择性取决于在一次突发中检测到的光子数量，它们也确保了极好的选择性。事实上，ATTA不受其他同位素、元素或分子的污染。

对于目前的提议，我们建议关注在GSI- Darmstadt ESR重离子存储环上肖特基扫描的发展。在测试和先导实验中必须回答的关键问题是整体检测效率(包括从离子源到存储环的所有步骤)或者更好的(参见上面的推理)离子是可以实现的。同时，我们将仔细观察在铅同位素微量分析方面的ATTA技术的进展和发展。灵敏度的提高是样本量的关键。目前从阿尔查哈矿获得10公斤罗兰石订单的建议接近目前痕量技术所需的样本量。但现在还没有。我们认为，探测技术的任何进一步改进都有可能增加必要的安全裕度。然而，这需要认真的发展和研究。不过，任何进展都可能不仅有利于当前建议但一般采用放射性同位素微量分析。

3.总结

研究表明，LOREX的四个主要问题中的前两个，即lorandite的年龄和背景诱导量²⁰⁵已成功解决Pb问题，并接近最终结论。特别是，宇宙成因核素侵蚀速率的确定对于获得第一个但可靠的古深度估计和背景量具有决定性作用。此外，还证明了裸层的界-贝塔衰变概率的测量方法²⁰⁵Tl可以提供未知中微子捕获概率进入的第一激发态²⁰⁵Pb。在GSI Helmholtzentrum上进行相应的实验已被接受。最后证明了少量的²⁰⁵在具有单离子探测灵敏度的GSI离子存储环上，利用肖特基噪声技术可以测定预期的铅原子。考虑到目前解决LOREX的四个问题所需要的所有最先进的技术，我们得出结论，在可预见的未来，期待太阳pp中微子通量在过去420万年平均的第一个结果是现实的。这个数字很可能仍然有很大的误差幅度，在50%甚至更多，在68%的CL。然而，我们期望这种准确性可以随着时间的推移而提高，并且如Pavićević等人所讨论的，它可能会接近≤30%的水平。[30.]．

承认

作者感谢FWF - Wien通过赠款P 20594支持这个项目。

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