М. И. Маликова Изотопы 116Cd, 130Te и эксперименты COBRA, CUORE Введение     Одна из важнейших проблем современной физики частиц – измерение массы нейтрино и определение, является ли оно Дираковским или Майорановским. Существование безнейтринного двойного бета-распада могло бы стать доказательством Майорановского характера нейтрино, а также проверкой его массы. Поиски такого распада требуют наличия источника изотопов, распадающихся по каналу двойного бета-распада, а также низкофоновой установки.     Для изотопов 130Te, 116Cd  запрещены процессы β-распада энергетически и возможны процессы двойного β-распада: 130Te → 130Xe + 2e− + 2e 116Cd → 116Sn + 2e− + 2e Рис.1. Схема двойного β-распада изотопа 130Te Рис.2 Схема двойного β-распада изотопа 116Cd     Энергия безнейтринного двойного β-распада: Qββ(130Te) = 2528 кэВ и  Qββ(116Cd) = 2813.5 кэВ, эти значения выше, чем большинство γ-лучей от природного фона, что повышает эффективность детектирования этих распов. Такое большое значение энергии распада увеличивает вероятность этого распада по правилу Сарджента.     Природное изотопное содержание 130Te – 34.2%. Этот показатель является наибольшим среди всех изотоп, для которых потенциально возможно наблюдение ββ0ν распадов. Значит, обогащение этого изотопа проводить не надо. 1. Эксперимент COBRA     Эксперимент COBRA (Cadmium Zinc Telluride 0-Neutrino Double-Beta Research Apparatus) – эксперимент по поиску безнейтринного двойного β-распада, который основан на использовании большого количества полупроводниковых детекторов CdZnTe (CZT) при комнатной температуре. Детектор находится в Национальной лаборатории Гран Сассо в Италии на уровне 1400м под слоем горных пород (~3800 м водного эквивалента [3]). Пучки космических мюонов ослабевают в 6 раз. CZT полупроводниковые детекторы содержат 9 образцов изотопов, которые могут испытывать безнейтринный двойной β-распад, включая позитронную моду и захват электронов. 116Cd является основным изотопом для изучения безнейтринного распада, т.к. он имеет Qββ = 2813.5 кэВ. Его энергия распада находится выше самого энергетичного γ-излучения изотопа 208Tl (Qγ = 2614.6 кэВ). Величина запрещенной зоны для  составляет 1.6 эВ, поэтому его можно использовать в составе полупроводника при комнатных температурах  1.1. Устройство детектора   Рис.3 Слой детектора, содержащий 16 CPG детекторов     Для проверки работоспособности и эффективности выделения сигнала системы был построен прототип детектора COBRA, который состоял из 64 CPG (Co-Planar Grid) детекторов. Детекторы имеют размеры 1×1×1 см3 и расположены в 4 слоя. Каждый слой – это 4×4 детектора. Они окружены защитой из сверхчистой меди толщиной 5 см и сверхнизкоактивного свинца  c активностью < 3 Бк/кг толщиной 5 см и обычного свинца толщиной 15 см [4]. Снаружи защита окружена стенками из борированного полиэтилена толщиной 5 см, чтобы не допустить попадание радона внутрь детектора. Пример модуля приведен на рис.3.     По сравнению со стандартными кремниевыми или германиевыми полупроводниковыми детекторами, CdZnTe детекторы показывают большой разброс таких параметров, как энергетическое разрешение и эффективность. Они могут показать ухудшение или, по крайней мере, изменение параметров во времени, следовательно, необходимые измерения следует производить сразу после доставки и подключения, что непросто при требованиях низкого фона.     CdZnTe, по сравнению с Ge и Si, – достаточно новый полупроводниковый материал, и технологии выращивания его кристаллов еще не достигли того же уровня.     Бинарные и тройные кристаллы  сложнее выращивать из-за напряжений в кристалле, возникающих из-за различных атомных радиусов. Это приводит к тому, что для Si и Ge доступны очень однородные монокристаллы огромных размеров, а кристаллы CdZnTe часто страдают из-за различных неровностей, вкраплений, т.е. различных дефектов. Чтобы получить хороший детектор, необходимо, чтобы активный объем кристалла был достаточно однороден. Это достигается уменьшением объемов кристалла. Из слитка обычно вырезают небольшие кубические или плоские детекторы площадью в несколько см² и толщиной 1–10 мм. Таким образом, для детектора создается 3-мерный массив из маленьких кубиков. 1.2. Фоновые события     Для детектирования очень редкого распада ββ0ν необходимо выявить источники радиоактивного фона и принять меры по его уменьшению. Эта задача затрудняется, так как существует множество фонов в различных местоположениях и множество неизвестных факторов, таких как ширина мертвого слоя в полупроводниках. Различные комбинации примесей и свойств детектора могут давать похожие энергетические спектры. Например, гамма-излучение имеет широкий спектр, и трудно определить, возникло ли оно внутри детектора, в покрытии или в несущих конструкциях. Основной фон дает загрязнение трансурановыми элементами и продуктами их распада. Также остается роль космического излучения, в котором мюоны могут быть захвачены ядром, испустив при этом нейтрон, который может порождать γ‑излучение в области спектра безнейтринного двойного β-распада 116Cd. 1.3. Регистрация сигнала Рис.4 Схематическое изображение CPG детектора, анодная плоскость сверху, катодная − снизу [1].     Технология CPG была разработана как метод детектирования положения частиц при условии обедненности дырками в полупроводнике CdZnTe. Энергетическое разрешение таких полупроводников находится в области σ ≈ 2%  при энергии 662 кэВ. Одна сторона CPG детектора представляет собой равно распределенный по поверхности катод, а противоположная сторона представляет собой две анодные сетки, имеющие форму вставленных друг в друга гребенок (см. рис.4).      Когда внутри происходит β-распад , то вылетающие электроны взаимодействуют с чувствительным элементов и рождают электронно-дырочные пары. Так как между анодами и катодом приложено напряжение, то процесса рекомбинации части электронов с дырками не происходит. Треки электронов определяются по сигналу с анодов. В зависимости от длительности импульса, поступающего на анод,  и отношения накопленного заряда на одном и другом аноде определяется энергия электронов и их пространственное положение. Вводят понятие глубины взаимодействия z, где z определяется как расстояние от поверхности анода детектора, выраженное в виде доли от длины детектора. Т.е. положение катода соответствует z = 1.     При очень низких глубинах происходят искажения в реконструированной энергии из-за геометрической формы конструкции CPG детектора. На поверхности катода загрязнение α-источниками приводит к возникновению дополнительных фоновых событий. Оба эти эффекта могут быть эффективно устранены с помощью информации о глубине взаимодействия z. Способность таких детекторов идентифицировать события на боковых поверхностях полезно для дополнительного уменьшения фона. Тесты с α-источниками показали, что взаимодействие в непосредственной близости от боковых поверхностей детектора приводят к искажению импульса частицы. Таким образом, анализируя форму импульса, можно отбирать фоновые значения. Эффективность отбора составляет около 80%. Также анализ формы импульса может обнаружить и отбросить события, которые схожи с электронными по параметрам глубины и энергии; отсеять многовершинные события, не соответствующие вылету двух электронов. 1.4. Результаты и перспективы     Первый уровень (4×4 детектора) был установлен в ноябре 2011 года. Потом последовательно добавлялись еще 3 уровня, и последний был установлен в конце 2013 года. Чувствительность эксперимента на 2015 год для безнейтринного двойного β-распада T1/2(116Cd) ~1020 лет на порядки меньше, чем чувствительность других полномасштабных экспериментов.  Относительная эффективность сигнала в плоскости катода составила 95%, а для боковых стенок 82%. Было измерено значение фона: 1 событие/(кэВ·кг·год). Основную часть фона составляет загрязнение от α‑источников. Был зарегистрирован сигнал от 210Po. Это связано с попаданием радона внутрь детектора. Энергетическое разрешение детектора меняется в широком диапазоне σ ≈ 0.4–1.1% в области энергий безнейтринного двойного β-распада 116Cd [3]. Это разрешение тесно связано с разрешением приборов, регистрирующих импульсы частиц.     Для получения периода полураспада на уровне других экспериментов необходимо расширять масштабы эксперимента  примерно в 1000 раз. К 2016 году планируется запустить прототип масштабного эксперимента, который будет в 6 раз больше имеющихся 64 детекторов. В этом эксперименте планируется улучшить энергетическое разрешение путем изменения характеристик электронных систем детектора. Также совершенствуются методы получения CZT кристаллов.     Этих методов может быть недостаточно, потому что для эффективной регистрации сигналов от безнейтринного двойного β-распада надо понижать фон до 0.01-0.005 событий/(кэВ·кг·год). Одним из решений для достижения ультранизкофоновой среды является эксплуатация CdZnTe детекторов в жидких сцинтилляторах.  2. Эксперимент CUORE     Эксперимент CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) – подземная криогенная обсерватория для поиска двойного β-распада.  Детектор расположен в поземной Национальной лаборатории Гран Сассо в Италии на уровне 1400 м под землей. Поиски безнейтринного двойного β‑распада осуществляются для изотопа 130Te с использованием большого массива кристаллов TeO2, которые являются в то же время и источниками распада и детекторами. 2.1. Метод регистрации     В эксперименте CUORE для исследования двойного β-распада используется болометрический детектор. Болометр – это калориметр, работающий при низких температурах, в котором вся энергия частиц преобразуется в фононы. Перераспределение фононов в системе приводит к изменению температуры. Низкие температуры приводят к тому, что при небольших изменениях температуры электрическое сопротивление тела значительно изменяется. Таким образом, по изменению электрического сопротивления тела можно измерить изменение температуры и, соответственно, энергию первичной частицы. Рис.5. Схематическое представление работы криогенного детектора при регистрации сигнала.     В данном эксперименте используется кристалл TeO2, который является диэлектриком. Только в диэлектриках возможно эффективное превращение энергии частиц в фононы. Для того, чтобы детектор эффективно регистрировал сигнал от двойного β-распада, нужны температуры порядка мК. При таких низких температурах у диэлектрика уменьшается теплоемкость, и изменение сопротивления становится достаточным для его определения. В данном эксперименте используются нейтронно-легированные германиевые терморезисторы (Ge-NTD). На рис. 5 представлена принципиальная работа криогенного детектора. Сопротивление термистора имеет резкую зависимость от температуры:  R(T) = R0·exp(T/T0)γ, где параметры R0, T0 и γ зависят от уровня легирования датчика [5]. Типичные значения этих параметров для эксперимента CUORE: R0 = 1.15 Ω, T0 = 3.35 K, γ = 0.5. Болометры работают при температуре ~7–10 мК, что требует очень мощного рефрижератора (криогенное устройство, которое в процессе охлаждения использует смесь двух изотопов гелия 3He и 4He).     Важным преимуществом болометров является их черезвычайно высокое энергетическое разрешение (σ ≈ 5 КэВ), превышающее энергетическое разрешение аналогичных германиевых детекторов, что очень важно для регистрации безнейтринного двойного распада. Энергетическое разрешение болометров ограничено только термодинамическими флуктуациями тепловых фононов и не зависит от энергии частицы, которую она потратила на образование фононов. Недостатком таких болометров является тот факт, что электрические сигналы, снимаемые с детектора, очень медленные, порядка миллисекунд. Значит, различные электромагнитные наводки могут мешать регистрации малых сигналов.  2.2. Строение детектора CUORE     Детектор CUORE имеет модульную структуру. Он представляет собой массив из 988 TeO2 болометров, каждый из которых – кубик  5×5×5 см3 весом 750 грамм. Общая масса кристалла TeO2 составляет 741 кг. Массив будет состоять из 19 башен, как показано на рис. 6. Каждая башня состоит из 13 модулей, каждый из которых состоит из 4-х кристаллов. На рис. 7. представлен детектор COURE вместе с криогенной камерой. Рис.6 Слева: модуль, состоящий из 4х кристаллов TeO2, заключенных в медный каркас. Справа: модель детектора CUORE, состоящего из 19 башен модулей.     Рефрижератор изготавливается из специальных низкоактивных материалов. Тем не менее, уровень его радиоактивности может быть выше, чем допускают требования чувствительности, поэтому детектор отделяется от криостата трехсантиметровыми стенками из сверхнизкоактивного свинца (Roman lead)  с активностью < 4 мБк/кг. Боковые стенки, окружающие криостат, состоят из 2-х слоев свинца 10 см толщиной. Внутренний слой имеет активность 16 мБк/кг, а внешний – 150 мБк/кг. Свинцовая защита окружена коробом из борированного полиэтилена толщиной 10 см, который играет роль герметичного контейнера для исключения попадания внутрь радона. Криостат, детектор и защита помещаются в клетку Фарадея, чтобы исключить электромагнитные возмущения, так же дающие вклад в фон. Клетка Фарадея в основном нужна для других экспериментов в детекторе CUORE по поиску темной материи и солнечных аксионов, т.к. все возмущения низкоэнергетичны. Основной критерий выбора материалов для всех деталей детектора CUORE – низкая активность. Рис.7 Схематическое представление эксперимента CUORE 2.3. Эксперимент CUORICINO     Детектор CUORCINO – первый прототип детектора CUORE, построенный в 2002 году. Он анализировал данные с 2003 по 2008 год. Детектор состоял из 62 кристаллов TeO2, которые образовывали одну башню. Все компоненты детектора: кристаллы TeO2, медный каркас, куда закрепляется кристалл, и тефлоновые держатели очищаются от всех возможных радиоактивных примесей. Потом эти детали собираются в комнате, очищенной от различных загрязнений (например, радона). Криогенный детектор работал при температуре 10 мК. Общая экспозиция составила 19.75 лет·кг для изотопа 130Te. Энергетическое разрешение составило σ ≈ 6.3 кэВ. Был достигнут уровень фона в области спектра безнейтринного двойного β-распада 0.169 событий/(кэВ·кг·год), что соответствует чувствительности по каналу ββ0ν: T1/2(130Te) > 2.8·1024 лет, <mν> < 0.3 − 0.7 эВ  [5].     В CUORICINO основными источниками фона были радиоактивные элементы из трансурановых цепочек распада. Основной фон вносит α‑излучение, так как почти все γ-излучение имеет энергии меньше, чем энергия безнейтринного двойного β-распада.  С помощью метода Монте-Карло было определено, что около 30-40% фона в области энергий безнейтринного двойного β-распада приходится на поверхности медных конструкций. Медные конструкции загрязнены элементами 238U, 232Th, 210Pb. Около 10% фона было связано с загрязнением болометрических поверхностей теми же изотопами. Второй по величине вклад в фон (около 30%) вносится γ-излучением от 208Tl. Таким образом, эксперимент с прототипом CUORICINO выполнил свою основную задачу и определил основные источники фона. 2.4. Эксперимент CUORE-0     Этот эксперимент – заключительный шаг перед началом эксперимента CUORE, который был запущен в 2012 году. Он  был направлен на подтверждение эффективности и целесообразности создания CUORE. Детектор состоит из 52 кристаллов, которые образуют одну башню. Общая масса TeO2 составляет 39 кг. Благодаря детальному анализу фона в эксперименте CUORICINO в детекторе CUORE-0 были предприняты все меры, чтобы уменьшить фон от значений 0.169 событий/(кэВ·кг·год) до значений 0.01 событий/(кэВ·кг·год). Во-первых, была увеличена толщина свинцовой защиты между криостатом и кристаллами, что позволило уменьшить фон от γ-излучения 208Tl. Во-вторых, были усовершенствованы методы по очистке медных конструкций и поверхностей кристаллов TeO2 и сборка при условиях минимального загрязнения. 2.5. Результаты и перспективы     К сентябрю 2013 года были получены данные о фоне и энергетическом разрешении для 11 кг изотопа . Величина фона составила 0.063±0.006 событий/(кэВ·кг·год) и энергетическое разрешение σ ≈ 5.2 кэВ [7]. Среди фоновых событий доминирует γ-излучение от изотопа , потому что эксперимент CUORE-0 проводился в том же криостате, что и CUORICINO. Фон от α-частиц составил 0.020±0.001 событий/(кэВ·кг·год). При таких результатах для эксперимента CUORE-0 значение фона для CUORE ожидается на уровне 0.01 событий/(кэВ·кг·год). Для такого фона ожидается достичь чувствительности  к ββ0ν-распаду на уровне T1/2(130Te) > 1026 лет.     Таким образом, эксперимент CUORE, который начнет получать экспериментальные данные в 2016 году, является самым чувствительным из всех экспериментов ββ0ν-распада. В перспективах эксперимента CUORE – поиск безнейтринного двойного β-распад в области <mν> < 10 мэВ . Основная задача – снижение фона, потому что он является основным ограничением для чувствительности CUORE.  Литература Björn Wonsak // Phys.Procedia 61 (2015) 295-299 (2015-11)  J. Eberta, M. Fritts (The COBRA Collaboration) // Advances in High Energy Physics Volume 2013 (2013, Article ID 703572, 6 pages J. Eberta, M. Fritts (The COBRA Collaboration) // arXiv:1507.08177v2 [physics.ins-det] 18 Nov 2015 Joachim Ebert, Daniel Gehre, (The COBRA Collaboration) // arXiv:1509.04113v1 [nucl-ex] 14 Sep 2015 Luca Pattavina // 2013 J. Phys.: Conf. Ser. 447 012066 N. Moggi, D. R. Artusa // EPJ Web of Conferences 90, 03004 (2015) D. R. Artusaa, F. T. Avignone // Nuclear and Particle Physics Proceedings02/2015; 265-266