Взаимодействие нейтрино в D₂O

Для решения проблемы солнечных нейтрино и, в частности, исследования нейтринных осцилляций необходимы независимые измерения потоков электронных нейтрино ν_e, а также мюонных ν_μ и тау нейтрино ν_τ. На установке SNO можно измерять поток и энергетический спектр электронных нейтрино F(ν_e) и поток всех нейтрино F(ν_x). Поток неэлектронных нейтрино - это разность

F(ν_μ u ν_τ) = F(ν_x) - F(ν_e)

На SNO эти потоки можно измерять используя то обстоятельство, что нейтрино по-разному могут взаимодействовать с тяжелой водой.

 Реакции с заряженными токами

ν_e + d → p + p + e^-

Когда нейтрино попадает в ядро дейтерия происходит обмен W-бозоном. В результате нейтрон в дейтерии превращается в протон, а нейтрино в электрон. Как самый легкий продукт реакции электрон получает почти всю энергию нейтрино. Его скорость выше, чем скорость света в воде. Возникающее черенковское излучение регистрируется фотоумножителями, сигналы с которых пропорциональны энергиям нейтрино.
Отклонения в форме экспериментального спектра нейтрино от теоретических предсказаний может свидетельствовать в пользу нейтринных осцилляций.
Для SNO стандартная модель Солнца предсказывает около 30 реакций с заряженными токами за сутки.

Реакции с нейтральными токами

_x + d → p + n + _x

В этой реакции происходит обмен Z-бозоном. В результате дейтрон разрушается, а освободившийся нейтрон термализуется в результате рассеяния в тяжелой воде. Затем нейтрон захватывается ядром. гамма-кванты из этой (n,) реакции рассеиваются на электронах, которые в свою очередь генерируют черенковское излучение, которое регистрируется фотоумножителями.
Эта реакция одинаково чувствительна к нейтрино всех трех типов. Эффективность детектирования зависит от эффективности захвата нейтрона ядром. Она не высока для дейтерия. Поэтому на  SNO созданы две отдельные системы для нейтральных токов. На рисунке показан захват нейтрона ядром ³⁵Cl. На второй стадии эксперимента в тяжелую воду будет добавлена соль NaCl.
Для SNO стандартная модель Солнца предсказывает около 30 нейтронов в сутки.

Рассеяние на электронах

e^- + _x → e^- + _x

Этот процесс не специфичен для тяжелой воды. В обычной происходит то же самое. Рассеяние происходит на всех типах нейтрино, но на электронных нейтрино оно раз в 6 более вероятно. В конечном состоянии энергия делится между электроном и нейтрино, поэтому спектроскопическая информация здесь скудная, зато информация о направлении хорошая.
Для SNO стандартная модель Солнца предсказывает около 3 событий в сутки.

Системы для нейтральных токов

Эффективность процесса со слабым током зависит от эффективности реакции (n,). Для дейтерия она около 25% в объеме D₂O. В SNO имеется две системы, повышающих эффективность детектирования процесса с нейтральными токами.

1. Пропорциональные счетчики с Гелием-3

   У   ³He очень большое сечение захвата тепловых нейтронов, в результате образуется энергетичная протон-тритонная пара, вызывающая импульс в пропорциональном счетчике. Пропорциональные счетчики (трубки общей длиной 800 м) равномерно размещены (висят на проволоках) в объеме D₂O. Так общий их объем велик, они должны быть изготовлены из ультрачистого материала (никеля). Содержание урана и тория в них должно быть меньше, чем несколько частей на триллион по весу.

2. Хлористый натрий

   В этом варианте в тяжелую воду добавляется более двух тонн хлористого натрия (NaCl). У ³⁵Cl большое сечение захвата тепловых нейтронов, который сопровождается каскадом гамма-квантов с максимумом в области 8 МэВ. Эффективность захвата около 83%. Фоном для этого процесса могуть быть нейтроны от фотодезинтеграции дейтрона, вызванной в основном гамма-квантами с энергиями 2.45 МэВ и 2.63 МэВ от цепочек распада ²³²Th и ²³⁸U. Таким образом соль и вода должны быть очень чистыми.

Вода (H₂O & D₂O)

Водяная система SNO должна быть способна поддерживать очень высокую степень чистоты больших объемов воды. В частности концентрация элементов из радиоактивных цепочек урана и тория должна быть в миллионы раз меньше, чем в обычной воде. Внешний слой обычной воды служит для поглощения гамма-квантов и нейтронов от естественной радиоактивности скальных пород. Для 1000 т тяжелой воды примеси должны быть меньше 10^-14г/г  воды, а для легкой (обычной) воды весом 7000 т меньше 10^-13г/г.