3. Экспериментальные методы наблюдения 2β-распада

    Двойной β-распад является самым редким типом радиоактивного распада. Во всех случаях, в которых достоверно установлен этот тип распада, периоды полураспада больше 10¹⁸ лет, что на несколько порядков превышает время существования Вселенной.
    Основная трудность, с которой сталкиваются при проведении экспериментов по изучению двойного β-распада, обусловлена малой вероятностью события, необходимостью проведения длительных экспериментов, максимального снижения фоновых событий и тщательного анализа результатов эксперимента. Поэтому для поиска двойного β-распада используются различные методы , которые можно разделить на три большие группы:

• геохимические,
• радиохимические,
• прямое наблюдение.

    Использование геохимических методов обусловлено возможностью увеличения продолжительности наблюдений до времен ~10⁹ лет. В этих экспериментах анализируются древние минералы, имеющие возраст несколько миллиардов лет и выделяются продукты 2β-распада.
    Число изотопов, которые могут быть исследованы геохимическим методом, ограничено тем, что в результате их распада должны образовываться изотопы, отсутствующие в образце в момент его образования. Поэтому одной из основных ошибок определения периода полураспада в этом методе является неопределенность в истории минерала, содержащего исследуемый изотоп, изменение содержания исходных ядер в образце, неконтролируемое изменение химического состава образца в результате обмена с окружающей средой продуктов деления урана и тория, в частности, инертных газов криптона Kr и ксенона Xe.

Таблица 6

Процентное содержание изотопов Kr (Z = 36) и Xe (Z = 54) в природной смеси изотопов

    Преимуществом радиохимических методов, несмотря на относительную непродолжительность экспозиции, является возможность более надежно контролировать историю образца и первоначальное содержание химических элементов в образце.
    В ряде геохимических и радиохимических экспериментов выбирались образцы минералов, содержащих селен Se и теллур Te, которые в результате 2β-распада превращаются в инертные газы криптон Kr и ксенон Xe, которые затем извлекаются из образца. Масс-спектроскопический анализ выделявшихся газов позволяет установить процентное содержание различных изотопов. Период полураспада исследуемого изотопа рассчитывается на основании соотношения

где M_исх − исходное количество материнского изотопа, M_конечн − количество дочернего продукта
2β-распада, t − возраст минерала, s − коэффициент сохранности дочернего продукта за время t.
    Одной из основных проблем в данном методе является определение возраста образца t.
    Двойной β-распад ¹³⁰Te впервые был обнаружен в результате геохимического анализа теллурида висмута Bi₂Te₃ шведских рудных месторождений возраст которых составляет (1.5±0.5) млрд. лет. После термической обработки был исследован изотопный состав Xe, образующегося в результате распада Te. Оказалось, что изотопный состав Xe, извлеченного из руды сильно отличается от изотопного состава атмосферного Xe. В результате анализа фоновых условий было показано, что ¹³⁰Xe образуется в 2β⁻-распаде

¹³⁰Te → ¹³⁰Xe + e⁻e⁻ + _ee

и оценен период полураспада T_1/2^2β2ν(¹³⁰Te) ≈ 10²¹ лет. Позже этот результат был подтвержден в прямых экспериментах. Измеренный период двойного β-распада ¹³⁰Te (2.7±0.1)·10²¹ лет.
    На рис. 7 показаны ядра-изобары A = 130 , , , , . Изотоп может образовываться как в результате 2β⁻-распада , так и в результате 2β⁺-распада . Распады

→ + e⁻ + _e,
→ + e⁺ + ν_e

запрещены законом сохранения энергии.

Рис. 7. Ядра-изобары A = 130 , , , ,

    В результате геохимических опытов были получены оценки 2β-распадов изотопов
⁸²Se (T_1/2 ~10²⁰ лет) и 128Te (T_1/2 ~10²⁴ лет).
    2β⁻2_e-распад обнаружен на изотопе ²³⁸U. Период двойного β⁻-распада изотопа ²³⁸U [Turkevich A.L., Economou T.E., Cowan A. Phys. Rev. Lett. 1991, V67, 3211] был измерен радиохимическим методом. Для этого из нескольких тонн урана ²³⁸U был выделен продукт двойного β⁻-распада ²³⁸Pu

²³⁸U → ²³⁸Pu + 2e⁻ + 2_e

и получен период полураспада ²³⁸U относительно двойного β-распада.

T_1/2 () = (2.0±0.6)·10²¹ лет.

Энергия 2β⁻2_e-распада Q(2β⁻2_e) ≈ 1.1 МэВ.
    Основным недостатком гео- и радиохимического методов является невозможность детально исследовать продукты 2β-распада, их энергетические и пространственные распределения.
    Такие возможности открываются в прямых экспериментах по изучению 2β-распада. Однако при проведении прямых экспериментов по 2β-распаду экспериментаторы также сталкиваются с целым рядом проблем.

• Длительность проведения эксперимента требует повышенной стабильности и надёжности физической аппаратуры в течение всего времени проведения эксперимента, длящегося в течение тысяч часов.
• Космическое излучение создает высокий уровень фона. Поэтому, как правило, эксперименты по наблюдению 2β-распада выполняются в подземных низкофоновых лабораториях, обеспечивающих защиту от мюонной компоненты космического излучения. Значительный фон обусловлен радиоизотопами естественных цепочек радиоактивного распада ²³⁸U, ²³²Th, радиоизотопами, образующимися под действием нейтронов космических лучей, нейтронов спонтанного деления и нейтронов, образующихся в реакции (α,n).
• Радиоактивность окружающей среды максимально снижается системой активной и пассивной защиты экспериментальной установки от внешних источников излучения.
• Содержание радиоактивных изотопов в материалах самого детектора уменьшается специальными методами получения максимально чистых материалов детектора.

Рис. 8. Ядра-изобары A = 238 , , .

    Точность прямых экспериментов по измерению 2β-распада значительно повышается за счет возможности более детально анализировать продукты распада. В двухнейтринном β⁻-распаде энергия 2β⁻-распада распределяется между двумя электронами и двумя электронными антинейтрино. Обычно электронные антинейтрино не регистрируются. Поэтому каждый электрон будет иметь энергию от нуля до максимальной энергии 2β-распада Q_2β2ν. Суммарный спектр двух электронов в этом случае также будет иметь энергетическое распределение от нуля до максимальной энергии 2β⁻-распада (рис. 9).

Рис. 9. Спектр суммарной энергии электронов в двухнейтринном 2β⁻-распаде.

    В случае двухнейтринного е-захвата практически вся энергия распада уносится нейтрино. Регистрация этого распада возможна лишь по рентгеновскому излучению при переходе электронов образовавшегося атома (A,Z−2) с более высоко расположенных атомных уровней или электронов внутренней конверсии.
    В случае 2β-распада на возбужденные состояния ядер (A,Z±2) часть энергии 2β-распада уносится
γ-квантами распада возбужденных состояний ядер (A,Z±2).
    Регистрация событий 2β⁺-распада более сложна, так как часть энергии 2β⁺-распада уносится
γ-квантами аннигиляции позитронов.
    Прямые эксперименты по наблюдению 2β-распада обычно делятся на два типа.

• Эксперименты с активным источником, в которых исследуемый радиоизотоп входит в состав вещества детектора, что обеспечивает высокую эффективность регистрации событий распада. Однако в этих экспериментах можно измерять только полную энергию электронов, которую они теряют в рабочем объеме детектора.
• Эксперименты с пассивным детектором позволяют более надежно учесть и минимизировать фоновые условия эксперимента. В этих экспериментах можно измерять энергетические спектры электронов 2β-распада и их угловые распределения. В экспериментах с пассивным детектором относительно проще учесть фоновые условия эксперимента, так как есть возможность измерить энергетические спектры детектора с исследуемым радиоизотопом и без него.

    Первым прямым экспериментом был эксперимент, в котором измерен двойной β-распад изотопа ⁸²Se [Elliot S.R., Hahn A.A., Moe M.K. Phys. Rev. Lett. 1987, V59, 2020]. Эксперимент выполнен в 1987 г. в Калифорнийском университете.

⁸²Se → ⁸²Kr + 2e⁻ + 2_e.

    B течение 21 тыс. часов с помощью время-проекционной камеры, в которую была помещена селеновая фольга массой M ≈ 14 г, обогащенная до 97% изотопом ⁸²Se, измерялись спектры электронов. Период полураспада относительно 2β2ν-распада оказался равным

    Полученный результат находится в хорошем согласии с ранее полученными результатами геохимического анализа [K. Marti, S.V.S. Murty, Phys. Lett. B 163, 71 (1985)]

лет.

    Энергетическая диаграмма двойного β⁻-распада ⁸²Se показана на рис. 10.

Рис. 10. Ядра-изобары A = 82 ⁸²Se, ⁸²Br, ⁸²Kr.

Энергия 2β⁻-распада  ⁸²Se Q_2β = 2.8 МэВ. β⁻-распад запрещен по энергии.

Таблица 7

2β⁻-распад ⁸²Se

    При построении детекторов 2β-распада их конструируют из отдельных детектирующих устройств − сцинтилляторов, полупроводниковых детекторов, искровых счетчиков, криогенных детекторов, время-проекционных камер, трековых калориметров.
    На рис. 11–15 показаны некоторые экспериментальные установки, на которых проводятся эксперименты по изучению двойного β-распада.
    В эксперименте EXO-200 (Enriched Xenon Observatory) исследуется 2β-распад изотопа ¹³⁶Xe. В эксперименте используется 200 кг обогащенного до 80% сжиженного ¹³⁶Xe. Основой детектора
EXO-200 является цилиндрическая время-проекционная камера длиной 35 см и диаметром 40 см (рис. 11).

Рис. 11. Процесс ионизации и излучения атомов ¹³⁶Xe под действием электронов, образованных в результате 2β-распада.

Рис. 12. Структура энергетических уровней иона 136Ba+.

    В центре камеры находится катод, представляющий собой сетку из фосфоро-бронзовой проволоки. На катоде определяются координаты электронов 2β-распада. Аноды находятся на торцах камеры и так же как катод имеют сетчатую структуру. На торцах время-пролетной камеры за сетчатым анодом расположена система фотодиодов, имеющих форму круглых пластинок диаметром 1.6 см. Электроны, образующиеся в результате 2β-распада приводят к ионизации атомов ¹³⁶Xe и вызывают излучение, которое детектируется фотодиодами. По разности времен прихода сигналов на фотодиоды и сигналов от ионизации определяется место детектора, в котором произошел распад ¹³⁶Xe. Время-проекционная камера погружена в медный креостат для поддержания ксенона в жидком состоянии под давлением 1.5 атм и температуре 170° К.
    Дополнительной возможностью наблюдения 2β-распада ¹³⁶Xe служит регистрация образующегося в результате 2β распада иона ¹³⁶Ba⁺ (рис. 12). Пассивной защитой экспериментальной установки служит слой свинца толщиной 25 см.

Эксперимент CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events)

    Основная цель эксперимента CUORE – изучение 2β-распада ¹³⁰Te, содержащегося в кристалле TeO₂. Детектор располагается в подземной лаборатории Gran Sasso (Италия). Детектор состоит из 988 кристаллов TeO₂, каждый весом 750 г и объемом 5×5×5 см³. Каждый кристалл является одновременно источником и детектором 2β⁻-распада. При 2β⁻-распаде происходит изменение температуры кристалла, которая измеряется германиевыми термисторами. Детектор представляет собой цилиндр из 19 башен по 52 кристалла в каждой (рис. 13). Болометры работают при температуре ~10 мК и поддерживаются при этой температуре мощной рефрижераторной установкой. Детектор окружен мощной свинцовой защитой.

a)	б)	в)
г)
Рис. 13. Детектор CUORE: a – модуль, содержащий 4 кристалла, б – вид отдельной башни, в – сборка из 19 башен, г – общий вид детектора.

Детектор SuperNemo (Neutrino Ettore Majorana Observatory)

    Детектор представляет собой модульную планарную структуру, состоящую из 20 идентичных секций. В центре каждой секции помещается источник ⁸²Se массой 7 кг и толщиной 40 мг/см². Детектор регистрирует энергию электронов с помощью пластических сцинтилляторов. Треки будут восстанавливаться с помощью информации с гейгеровских счетчиков. На рис. 14 показаны виды одного модуля сверху и с торца.

Рис. 14. Виды одного из модулей детектора SuperNEMO.

Детектор окружен водной защитой. В настоящее время испытывается один модуль. Детектор предполагается разместить в подземной лаборатории Фрежюс (Франция).

Рис. 15. Принципиальная схема детектора SuperNEMO: (а) – прямоугольная фольга источника между двумя плоскими трековыми камерами; (b) – демонстрационный блок; (c) – модульная структура.