А. А. Просняков

Изотоп ⁷⁶Ge и эксперименты MAJORANA, GERDA

Изотоп ⁷⁶Ge

    Германиевые детекторные приемники, GERDA и Majorana-Demonstrator, предназначены для поиска двойного безнейтринного бета-распада (0νββ) ⁷⁶Ge. На рисунке ниже представлена схема распада этого изотопа.

Рис. 1. Схема распада изотопа ⁷⁶Ge.

    Период полураспада ⁷⁶Ge по каналу 2νββ равен: T_1/2 = (1.926 ± 0.094)·10²¹ лет.
    Экспериментальным подтверждением искомого распада является наличие пика в конечной точке энергетического спектра двух электронов.
    Ниже представлена форма спектра различных мод распада германия.

Рис. 2. Спектр различных мод распада ⁷⁶Ge.

    На рисунке выше по оси абсцисс отложена энергия в кэвах, а по оси ординат – относительная вероятность вылета двух электронов с соответствующей суммарной энергией. Индекс n различает моды распада (n = 1 – безнейтринный распад с одним майороном; n=3, 7 – безнейтринные распады с двумя майоронами; n = 5 – двунейтринный распад; узкий пик – распад без вылета нейтрино и майоронов).
    Наиболее чувствительные 0νββ – эксперименты проводятся со сверхвысокочистым германием (HPGe). Это связано с хорошей разрешающей способностью детекторов ⁷⁶Ge, очень низким собственным фоном и высокой эффективностью обнаружения сигнала. Искомый распад 0νββ проявляется в спектре на линии 2039 кэВ.
    Ранее лучшие пределы 0νββ-распада были получены в экспериментах Heidelberg-Moscow и IGEX, показав нижние пределы T_1/2 > 1.09·10²⁵ лет и T_1/2 > 1.6·10²⁵ лет, соответственно, что приводит к верхнему пределу по эффективной массе майорановского нейтрино <m_ν> < (0.33 ÷ 1.35) эВ.

Эксперимент GERDA (GERmanium Detector Array)

Основная идея эксперимента состоит в использовании в качестве пассивной защиты жидкого инертного газа (аргона), который может быть очищен от радиоактивных примесей до высокой степени чистоты. На рисунке 3 представлена принципиальна схема эксперимента.

Рис. 3. Принципиальная схема эксперимента GERDA.

    Жидкий аргон (LAr) используется в качестве защиты от гамма-излучения – доминирующего фона в более ранних экспериментах. Обогащённые германиевые детекторы погружаются непосредственно в криогенную жидкость, которая так же используется для охлаждения. Вакуумно-изолированный криостат содержит 98 тонн LAr и погружен в большой бак с водой, высота и диаметр которого 10 метров.
    На рисунке 4 представлена схема эксперимента GERDA.

Рис. 4. Схема эксперимента GERDA.

     Внутренняя цилиндрическая оболочка криостата покрыта сверхчистым медным слоем с максимальной толщиной 6 см и массой около 20 тонн. На рисунке 5 изображён криостат из нержавеющей стали с внутренним медным экраном высокой чистоты.

Рис. 5. Криостат с внутренним медным экраном.

    Водный слой также служит как гамма и нейтронная защита и как Черенковский детектор, для чего оборудован 66-ю ФЭУ. На рисунке 6 представлен водный Черенковский детектор, который нужен для отсеивания космических мюонов. Пластиковые сцинтилляционные панели на вершине детектора маркируют мюоны, которые выходят через входную трубку.

Рис. 6. Водный Черенковский детектор, оборудованный 66-ю ФЭУ.

Рис. 7. Сборка германиевых детекторов.

    Комплекс Ge-детекторов имеет гексагональную структуру и состоит из отдельных цепочек. Детектирующая цепочка может включать в себя вплоть до пяти детектирующих модулей. На рисунке 7 представлена сборка Ge‑детекторов: семь гирлянд с пятью детекторами в каждой.
    Интересно отметить, что в эксперименте в основном используются HPGe – детекторы, использовавшиеся в экспериментах H-M (Heidelberg-Moscow) и IGEX  (International GErmanium Experiment). Вся установка размещена в подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия) на глубине 3500 метров.
    Сам эксперимент проводится в две фазы. В Фазе I использовалось 17.9 кг детекторов из обогащённого германия, которые использовались в экспериментах H-M и IGEX, которые были обновлены и использованы как голые детекторы в жидком аргоне. Сбор данных начался в 2011 году, а в 2013 были получены первые результаты. В результате был измерен период полураспада ⁷⁶Ge по 2ν-каналу: , что согласуется с результатами предыдущих экспериментов. Данные для 0ν-моды были получены в июне 2013 г. При ожидаемых 2.5 событиях от фона было зарегистрировано 3 реальных события. В результате на уровне 90% достоверности был установлен предел T_1/2(0ν) > 2.1·10²⁵, что соответствует чувствительности к эффективной массе майорановского нейтрино <m_ν> < (0.2 ÷ 0.4) эВ.
    В Фазе II была вдвое увеличена масса ⁷⁶Ge (около 40 кг) и предполагалось снизить индекс фона в области 0ν-распада до ~10^-3 событий/(кэВ·кг·год) (на фазе I был 10^-2). В этом случае за три года измерений чувствительность составит T_1/2(0ν) >  2·10²⁶ лет (<m_ν> < (0.06 ÷ 0.2) эВ). Также для детекторов была применена технология BEGe (Broad Energy Germanium). В марте 2015 была проведена калибровка спектром ²²⁸Th с исключением LAr и дискриминацией по форме импульса (рис. 8).

Рис. 8. Калибровка спектром ²²⁸Th с исключением LAr
и дискриминацией по форме импульса.

 Эксперимент Majorana

    Этот эксперимент представляет собой объединение усилий коллабораций GERDA-Majorana (он также может считаться экспериментом GERDA-III). В нём планируется использовать 1 тонну ⁷⁶Ge. Будет использоваться отличная от схемы защиты эксперимента GERDA схема пассивной защиты, состоящая из слоёв сверхчитой меди, свинца и полиэтилена. Вся установка будет расположена в подземной лаборатории. Использование HPGe-детекторов (с высоким энергетическим разрешением), проведение анализа сигнала по форме импульса, антисовпадений и использование низкофоновых конструктивных материалов позволяет снизить уровень фона в районе 0ν-распада до 2·10^-4 событий/(кэВ·кг·год), что в свою очередь позволить достичь чувствительности
T_1/2(0ν) >  2·10²⁷ лет (<m_ν> < (0.01 ÷ 0.04) эВ эВ).
    Однако окончательная схема этого эксперимента будет определена только после получения результатов экспериментов GERDA-II и Majorana-Demonstrator. В эксперименте Majorana-Demonstrator исследуется 40 кг HPGe-детекторов (30 кг обогащённого германия и 10 кг натурального германия). Сама установка состоит из двух криостатов, окружённых пассивной и активной защитой. На рисунке 9 представлена схема установки Majorana-Demonstrator.

Рис. 9. Схема установки Majorana-Detector.

    Установка размещена в подземной лаборатории SURF (Sanford Underground Research Facility) в США. Планируемая чувствительность за три года измерений (начало в 2014 г.) должна составить T_1/2(0ν) >  7·10²⁶ лет (<m_ν> < (0.09 ÷ 0.3) эВ. Этот эксперимент имеет модульную реализацию, которая позволяет собрать и проверить каждый из модулей по отдельности, давая возможность быстрого развёртывания и имея схожесть лишь с небольшим числом уже действующих экспериментов.
    Сам эксперимент проводится в два этапа. На первом этапе прототип криостата, сделанный из коммерческой меди, был загружен тремя гирляндами натуральных германиевых детекторов и был помещён внутрь щита. Он собирал данные с июня 2014 до июля 2015. Этот этап служил тестом перед вторым этапом, в котором будет использоваться электролитическая медь в модулях 1 & 2. В настоящее время проводится анализ данных, но, например, была проведена калибровка на спектр ²²⁸Th. На рисунке 10 показаны спектры до и после дискриминации по форме импульса.

Рис. 10. Энергетический спектр до и после дискриминации по форме импульса  на калибровочных данных ²²⁸Th.

Рис. 11. Детекторы модуля 1, и этот же модуль, помещённый внутрь щита.

    На втором этапе используется уже собранный модуль 1, который содержит 17 кг обогащённого германия и 6 кг натурального германия. Этот модуль был помещён внутрь защиты и в настоящее время собирает данные для ввода в эксплуатацию. На рисунке 11 показан сам модуль, а так же он же, помещённый внутрь щита. На последнем этапе будет использован модуль 2, содержащий 12 кг обогащённого и 9 кг натурального германия. Сборка этого модуля должна завершиться к концу 2015 года.

 Результаты на 2015 год

    В 2013 году были получены результаты эксперимента GERDA-I, которые оказались точнее результатов более ранних экспериментов Heidelberg-Moscow и IGEX. Также идёт сбор данных в эксперименте GERDA-II, который должен предположительно завершиться в 2016 году. Так же в конце 2015 должен завершиться сбор данных в эксперименте Majorana-Demonstrator. Его результаты должны быть сопоставимы с результатами GERDA-II.

 Литература

1. arXiv:1507.07612v1;
2. arXiv:0811.2446v1;
3. arXiv:0809.5207v2;
4. Барабаш А.С. // Успехи физических наук. 2014. Том 184, №5 С. 524-530;
5. GERDA Collaboration, Results on ββ decay with emission of two neutrinos or Majorons in ⁷⁶Ge from GERDA Phase I. Eur. Phys. J. C (2015) 75:416
6. https://www.mpi-hd.mpg.de/gerda/
7. http://nuclphys.sinp.msu.ru/students/dbd.htm