М. Д. Киселев Изотоп 136Xe. Эксперименты EXO, NEXT, KamLAND-Zen Введение Рис. 1. Общая схема двойного бета-распада изотопа  по безнейтринной (двухнейтринной) моде    Таблица 1. Характеристики изотопа 136Xe. Экспериментальные данные [1]. A N Jπ Распростра-ненность T1/2, лет Избыток массы Δ, МэВ Eсв, МэВ εсв, МэВ Bn, МэВ Bp, МэВ Моды распада Масса ядра, МэВ 136 82 0+ 8.857% > 2.4·1021 -86.425±0.007 1141.897±0.008 8.396 8.080 9.925 2β− 126569.165 1. Эксперимент EXO (The Enriched Xenon Observatory) Введение     The Enriched Xenon Observatory (EXO) – эксперимент, в задачи которого входит поиск и исследование двойного безнейтринного 0νββ‑распада ядра 136Xe. Обнаружение такого вида распада поможет сделать выводы не только о строении ядра 136Xe, но и о фундаментальных свойствах нейтрино. Эксперимент EXO можно разделить на два эксперимента, в зависимости от способа регистрации события распада:     – EXO-200 ставит задачу обнаружения распада по регистрации сцинтилляций и электрического сигнала [3], образующегося электронами ионизации в жидком 136Xe. В этой части эксперимента проводятся измерения двухнейтринного канала двойного β-распада 136Xe. Также здесь устанавливаются ограничения сверху и снизу на скорость безнейтринного двойного β-распада. EXO-200 продолжает собирать данные для того, чтобы сделать эти ограничения более точными, или потенциально обнаружить распад.     – nEXO ("next EXO") – регистрация событий путем идентификации продукта распада 136Xe  (иона 136Ba2+) с целью обнаружения двойного безнейтринного β-распада. Основная сложность заключается в поиске метода уменьшения всех типов фона.     Есть много преимуществ в использовании элементов благородной группы, в частности, ксеноновых. Например, сравнительно легко очищать жидкий ксенон (LXe, Liquid Xenon), что позволяет использовать его повторно в других детекторах. Изотоп 136Xe может быть обогащен с использованием тех же методов центрифугирования, что используются для других делящихся ядерных изотопов. Энергия распада 136Xe 2.48 МэВ [2], что выше многих гамма-линий урана. Гамма-лучи из естественно встречающихся радиоактивных изотопов являются фоном, который может создать большие трудности при поиске двойного бета-распада или вообще сделать интересующий нас распад недостижимым для обнаружения. Сжиженные благородные газы, такие как LXe, являются естественными радиационными детекторами, и поэтому в конструкции детектора не используются материалы, которые могли бы принести дополнительный радиоактивный фон. Кроме того, можно добиться большего энергетического разрешения путем детектирования как ионизационных электронов, так и сцинтилляционных фотонов от распада ксенона. Наконец, ксенон потенциально позволяет полностью избавиться от фона путем выделения сигнала, относящегося к рождению дочернего иона бария.  Описание установки EXO-200     В этом эксперименте используется 200 кг сжиженного ксенона, обогащенного 136Xe до 80%. Жидкий 136Xe помещается в пластиковую цилиндрическую емкость. Эта емкость около 35 см в длину и 40 см в диаметре.     Для регистрации электрического сигнала от ионизации 136Xe необходимо наличие катода и анода. Катод находится в плоскости сечения, проходящей перпендикулярно оси цилиндрической емкости, на равном расстоянии от торцов. Катод представляет собой сетку из тонких проводков фосфористой бронзы. Аноды находятся на торцах. Они имеют вид решетки, сделанной, как и катод, из фосфористой бронзы. Катод в форме решетки необходим для выявления координаты электронов, образующих сигнал. Для создания внутреннего электрического поля детектора служат медные кольца, идущие по краю емкости с внешней стороны. Рис.2. Иллюстрация процесса ионизации и излучения атомов под действием электронов, образованных в результате двойного ββ-распада.     Процесс ионизации схематически изображен на рис. 2. Электроны, образующиеся в результате двойного β-распада приводят не только к ионизации атомов 136Xe, но и, взаимодействуя с ними, вызывают излучение, которое тоже детектируется. Детектировать как электрические сигналы, так и сцинтилляции нужно для того, чтобы, во-первых, повысить разрешающую способность детектора, и, во-вторых, зафиксировать область, в кото­рой произошел распад. Действительно, световой сигнал поступает на фотодиоды практически мгновенно, а электрический сигнал приходит с запаздыванием. Это запаздывание связано с процессом ионизации, который требует некоторого времени. Измерив разность времен поступления светового и электрического сигналов, можно вычислить пространственную область, в которой произошел распад.     Фотодиоды представляют собой круглые плоские пластинки диаметром 1,6 см, соединенные электрическим контактом по семь штук. Их количество с каждого торца детектора составляет по 234 штуки.     Емкость, заполненная ксеноном, погружается в медный криостат. Для поддержания ксенона в жидком состоянии при давлении в 1.5 атм. и температуре 170 К, используется циркулирующая криогенная жидкость, заполняющая криостат. Помимо каналов, выводящих криогенную жидкость к холодильным установкам, есть каналы для вывода информации от датчиков электрических и световых сигналов. Для дополнительной термоизоляции криостата создана вакуумная прослойка между внутренней и внешней оболочками. С внешней стороны экспериментальную установку окружает слой свинца, толщиной в 25 см, для защиты от внешнего радиационного фона.     Экспериментальный комплекс установлен в соляной шахте на глубине 655 м в г. Карлсбад, штат Нью-Мехико. Важнейшей задачей эксперимента является стремление максимально уменьшить внешний радиационный фон. Именно поэтому комплекс установлен глубоко под землей. Кроме того, для создания деталей конструкции использовались материалы с самыми минимальными радиационными фонами. Также установка располагается в так называемых «чистых» комнатах, где выполняются строжайшие меры по соблюдению радиационной «чистоты». Некоторые результаты эксперимента EXO     Первая фаза проекта EXO (EXO-200), является одним из самых чувствительных экспериментов. В эксперименте EXO-200 изучается канал двухнейтринного двойного β-распада 136Xe. Что же касается безнейтринного канала, то заявлений об обнаружении данного распада коллаборацией EXO еще не поступало. Хотя при обработке данных наблюдаются сигналы, схожие по характеристикам с сигналами, которые должны получаться при детектирования 0νββ-распада ядра 136Xe, их статистика все же очень мала для того, чтобы делать какие-либо выводы. На рис. 3 показана зависимость количества отсчетов для различных изучаемых каналов от энергии в логарифмическом масштабе для событий с высокой множественностью (MS) и единичной (SS). Видно, что события 0νββ очень малоинтенсивные, и находятся в «фоновой» области, поэтому нет смысла говорить о действительном обнаружении этого канала. Рис. 3. Измерения различных каналов в эксперименте EXO, [6]. События, отвечающие характеристикам 0νββ-распада, выделены вертикальными линиями.     Для сравнения, обратимся к рис. 4, на котором изображены данные по измерению 2νββ-распада ядра 136Xe. Очевидно, что такие события идут с интенсивностью, на несколько порядков превышающей интенсивность событий 0νββ. Рис. 4. Измерение канала 2νββ-распада в эксперименте EXO [5].     В результате обработки экспериментальных данных c детектора EXO-200, было получено самое точное среди всех ядер измерение периода полураспада ядра 136Xe по каналу 2νββ [5]: T1/2(2νββ) = [2.165 ± 0.016(stat) ± 0.059(sys)]·1021 лет.     Что же касается периода полураспада по каналу 0νββ, то для него получена лишь оценка снизу [6]: T1/2(0νββ) > 1.1·1025 лет.  2. Эксперимент NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC)  Введение     Neutrino Experiment with a Xenon TPC (NEXT) – один из наиболее прецизионных экспериментов по изучению безнейтринного двойного β-распада с использованием время-проекционной камеры (TPC), содержащей радиационно чистый газообразный ксенон (~100 кг), обогащенный изотопом 136Xe (>90%). Детектор NEXT-100 отличается очень хорошим разрешением по энергии (<1%, [7], [9]), низким уровнем фона и достаточно массивным рабочим телом. Конструкция NEXT-100 оптимизирует энергетическое разрешение благодаря использованию пропорционального электролюминесцентного усиления, что обеспечивает высокий поток фотонов в качестве сигналов. Кроме того, детектор является сравнительно компактным, так как газообразный ксенон содержится в нем под большим давлением. Описание TPC установки NEXT-100     NEXT является первым экспериментом, использующим газовую TPC под большим давлением (HPGXe TPC) с системой получения данных SOFT (Separated Optimized FuncTions). Конструкция содержит асимметричную TPC [9] с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ, PMTs) за прозрачным катодом и с позиционно-чувствительными силиконовыми ФЭУ (SiPMs) за анодом, [8]. TPC установки NEXT-100 заполнена 100 кг газообразного ксенона (ρ~50 кг) под давлением около 10 бар при комнатной температуре. TPC имеет цилиндрическую форму. Рис. 5. Иллюстрация асимметричной SOFT TPC, [8].     В состав TPC входят фотоэлектронные умножители (PMTs), обладающие линейностью, большим динамическим диапазоном детектирования и быстрым временем отклика. Они предназначены для измерения полной выделенной энергии в TPC и для детектирования первичного сцинтилляционного света (рис. 5). Их размер достаточно мал (~2.5 см), они устойчивы к высоким давлениям (~5-10 бар), а также чувствительны к ультрафиолетовому излучению (фиксируют до 20% сигнала на длине волны 120 нм).     Силиконовые ФЭУ (SiPMs) служат для трекинга (отслеживания) частиц распада. SiPMs образуют сетку, которая является пространственно-детектирующим аналогом системы координат. Они расположены на расстоянии порядка 1 см друг от друга, создают низкую нагрузку на один канал и несут информацию о зарядах частиц, участвующих в распаде. Размер каждого SiPM около 1 мм2. Рис. 6. Принципиальная схема устройства установки NEXT-100.     Как уже было упомянуто выше, установка NEXT-100 содержит асимметричную TPC (рис. 6), т.е. торцевые приборы этой камеры выполняют принципиально различные функции и, соответственно, имеют различное устройство. В рассматриваемой TPC с одного конца расположен энергетический блок («energy plane»), с другого – трековый блок («tracking plane»).     Энергетический блок состоит из 60 PMT, расположенных за катодом TPC. Он предназначен для проведения калориметрических измерений и измерения t0 – времени начала исследуемого события («start-of-event time»). Эти PMT помещены в индивидуальные резервуары с медными стенками и сапфировыми окошками для того, чтобы их собственная конструкция не была нарушена под действием высокого давления ксенона.     Трекинг же осуществляется плотной сеткой SiPM, описанных ранее, которые улавливают сигнал от вторичных сцинтилляций (рис. 5). Трековый блок расположен за анодом TPC в непосредственной близости от области, в которой происходит электролюминесценция ксенона (EL region), и используется для топологической реконструкции (пространственной визуализации) событий.     Эксперимент NEXT располагается в Canfranc Underground Laboratory. Это научный объект подземного типа, который находится в бывшем железнодорожном тоннеле Somport под Monte Tobazo в Канфранке, Испания.  Некоторые результаты эксперимента NEXT     Так же, как и в эксперименте EXO, коллаборация NEXT не заявляла об обнаружении 0νββ-распада ядра 136Xe. До сих пор NEXT удается лишь делать кое-какие прогнозы об ожидаемых результатах. Проводится очень большое количество моделирований в среде GEANT4 с целью поиска критериев выделения интересующего распада из достаточно интенсивного фона событий. На рис. 7 мы можем видеть, какие элементы создают наибольший фон в эксперименте. Из распределения ясно, что в фоновом сигнале превалируют 214Bi и 208Tl. Рис. 7. Распределение вклада в общий фон различных элементов в эксперименте NEXT, [10].     Сигнал от 0νββ-события определяется пиком в спектре распада 2νββ (далее будем обозначать величину энергии этого пика Qββ). С одной стороны, высокое разрешение по энергии в эксперименте исключает большинство событий с энергиями близкими, но отличными от Qββ. С другой стороны, так как 136Xe имеет достаточно большой период полураспада в исследуемой моде, оптимальная идентификация фона является обязательной для того, чтобы отобрать события, энергия которых попадает в разрешенное энергетическое окно максимально точно.     Для 2νββ-событий была получена следующая оценка: T1/2(2νββ) = (2.21 ± 0.11)·1021 лет.     Величина Qββ для 136Xeдостаточно высока (~2458 кэВ), поэтому большая часть фона остается за пределами так называемой области интересов RoI (Region of Interest).     Анализ получаемых данных проводится с использованием нескольких последовательных критериев отбора: -первоначально делается отсечка (или, как принято называть, «cut») по энергии с целью уменьшения объема данных, записанных в процессе предварительной обработки; -отбираются события, полностью содержащиеся в рабочем объеме; -энергия получившихся отобранных событий («истинные» события, «true» events) уширяется в соответствии с энергетическим разрешением установки; -делается окончательный cut в энергетическом окне полученных в предыдущем пункте RoI; -последним делается топологический анализ событий путем их вокселизации (от англ. voxel – 3D-аналог пикселя, который используется при пространственной реконструкции движения физических объектов). Отбор в этом случае делается по тем событиям, которые имеют топологию типа «one wire two blobs» (рис. 8). Рис. 8. Пример топологии типа «one wire two blobs», [10].     Такой «топологический отбор» делается из следующих соображений. Средняя энергия, приходящаяся на один электрон при двойном β-распаде, составляет около 1250 кэВ, а при давлении в 10 бар электрон может пройти в ксеноновой среде порядка 15 см. Траектория электрона в основном определяется многократным рассеянием в газе, поэтому может иметь произвольную форму в топологической реконструкции. Пролетая в ксеноне, каждый электрон теряет примерно 70 кэВ/см, тем самым оставляя за собой ионизационный трек, а по окончании своего движения теряет не менее 200 кэВ, колеблясь около одной точки (отсюда получаем «two blobs» в результате реконструкции). Но так как происходит двойной β-распад, то электроны должны образовываться в одной вершине, поэтому оба ионизационных трека соединяются в непрерывный трек-сигнал («one wire»).     С учетом всех вышеперечисленных критериев производился анализ полученных в ходе экспериментов данных. Была получена оценка периода полураспада изотопа 136Xe по каналу 0νββ, [10]: T1/2(0νββ) ≈ 1.1·1026 лет.     Эта величина отвечает эффективной массе двух нейтрино ~100 мэВ (имеются в виду нейтрино в спектре 2νββ-распада, для которого сигнал 0νββ является пиком распределения). Эта оценка получена после 5 лет набора экспериментальной статистики (экспозиция – ). Экспериментальное распределение можно увидеть на рис. 9. а б Рис. 9. [9], [10]. а – полное распределение количества событий по энергиям экспериментальных данных с детектора NEXT-100 за 5 лет эксперимента со значением экспозиции 500 кг·год. б – то же распределение, но в увеличенном масштабе, в окрестности пика предполагаемого 0νββ-события.     Из рис. 9б хорошо видно, что пик приходится на значение энергии, практически совпадающее с Qββ ~ 2458 кэВ. Поэтому данные события являются очень серьезными претендентами на 0νββ-события. 3. Эксперимент KamLAND-ZeN (Kamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector – Zero Neutrino double beta decay search) Рис. 10. Схематическое изображение эксперимента KamLAND-ZeN. Внешняя сфера (диаметр ~13 м) – детектор KamLAND, цветом отмечен внутренний баллон (диаметр ~3 м) эксперимента KamLAND-ZeN, [14]. Описание установки KamLAND-ZeN и результаты эксперимента     Kamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector – Zero Neutrino double beta decay search (KamLAND-ZeN) – эксперимент в рамках проекта KamLAND, использующий детектор этого проекта, внутрь которого помещен баллон, заполненный 136Xe. Эксперимент KamLAND-ZeN (рис. 10) начался летом 2011 года. В качестве источника двойного β-распада в жидкий сцинтиллятор KamLAND было помещено вначале 320 кг обогащенного изотопом 136Xe газообразного ксенона, заключенного в прозрачный нейлоновый баллон меньшего диаметра. Позднее масса активной среды (ксенона) была увеличена до 383 кг. Параметры ZeN-баллона Диаметр, м 3.08 Объем. м3 17 Толщина оболочки, мкм 25 Прочность оболочки, кг/см 3 Прочность соединительных частей, кг/см 2 Утечка ксенона, кг/год <0.26 Прозрачность оболочки 99% Содержанке U, г/г (грамм изотопа на грамм рабочего вещества) 2·10-12 Содержание Th, г/г 3·10-12 Содержание 40К, г/г 2·10-12     Ход эксперимента KamLAND-ZeN осуществлялся в несколько фаз. Рассмотрим их. Фаза 1 началась в октябре 2011 года и продолжалась вплоть до июня 2012 года. Чувствительность к поиску безнейтринного двойного β-распада 136Xe была сильно ограничена тем, что в фоновых событиях был обнаружен достаточно большой пик от метастабильного состояния изотопа серебра 110mAg. С целью избавления от этой «помехи» сотрудники коллаборации KamLAND начали разработку методов очистки рабочего объема от 110mAg. В действие эти методы вступили при переходе от фазы 1 к фазе 2, поэтому их мы обсудим позже. Несмотря на то, что в рабочем объеме детектора образовывались эти «помехи», удалось сделать некоторые оценки периодов полураспада 136Xe. А именно, [12]: по каналу 2νββ: T1/2(2νββ) = [2.30 ± 0.02(stat) ± 0.12(sys)]·1021 лет ; для канала 0νββ получена оценка снизу: T1/2(0νββ) > 1.9·1025 лет.     Как видим, даже с учетом наличия в рабочем объеме сопутствующих изотопов, которые усложняют задачу обработки, полученные после фазы 1 результаты находятся в достаточно хорошем согласии с результатами эксперимента EXO.     Как видим, даже с учетом наличия в рабочем объеме сопутствующих изотопов, которые усложняют задачу обработки, полученные после фазы 1 результаты находятся в достаточно хорошем согласии с результатами эксперимента EXO. Рис. 11. Экспериментальное распределение по энергии различных изотопов, образовавшихся в ZeN-баллоне после фазы 1, [12].     Рассмотрим схему метода очистки рабочего пространства ZeN-баллона от «помех» в виде 110mAg и, собственно, переход от фазы 1 к фазе 2. Суть разработанного метода очистки заключается в следующем. Из ZeN-баллона после фазы 1 откачивался весь ксенон в отдельную очистительную систему. Оставшийся рабочий объем содержал в себе, по сути, только 110mAg. Этот рабочий объем заменялся новым ZeN-баллоном, который после помещения в детектор KamLAND на свое прежнее место также  соединялся со своей отдельной очистительной (дистиллирующей) системой. В ней новый ZeN-баллон претерпевал трехкратный цикл очистки, после чего заполнялся уже очищенным ксеноном, который был откачан из предыдущего рабочего объема и к этому моменту уже очищенный. Рис. 12. Экспериментальное распределение по энергии различных изотопов, образовавшихся в ZeN-баллоне после фазы 2, [12].     Помимо этого переход к фазе 2, которая началась в декабре 2013 года и продолжалась до осени 2015 года, сопровождался увеличением массы рабочего вещества 136Xe до 383 кг, [14].     Сравнивая распределения после проведения фазы 1 и фазы 2 (рис. 11 и рис. 12 соответственно), сразу можем увидеть, что фон от 110mAg в фазе 2 стал значительно меньше. Расчеты показали, что фон уменьшился почти на 2 порядка, [13].     В новых условиях была вновь сделана оценка снизу для канала 0νββ. Она оказалась следующей: T1/2(0νββ) > 1.3·1025 лет.     По распределению, например на рис. 11, видно, что статистика 0νββ-событий для 136Xe не позволяет заявлять об открытии, а лишь дает нам указание на то, что события, схожие по характеристикам с 0νββ-распадом, имеют место в данном эксперименте.     При детальном рассмотрении вопроса о появлении фона в виде 110mAg выяснилось, что метастабильное состояние серебра могло переместиться в рабочую область детектора с реактора Fukusima, а также получиться в результате воздействия высокоэнергетического космического излучения на ядра 136Xe. Небольшой вклад в образование 110mAg вносит также реакция взаимодействия 136Xe с водородной мишенью (водород в некотором количестве неизбежно будет находиться в ZeN-баллоне). Но самым неожиданным для сотрудников коллаборации KamLAND-ZeN стал тот факт, что 110mAg (T1/2 = 249.76 дн) в большом количестве содержался в почве в районе Тохоку, где и были изготовлены ZeN-баллоны для эксперимента.     Следует отметить, что эксперимент KamLAND-ZeN в 2015 году не прекратил свою работу, а лишь начал подготовку к новой фазе. Ожидается, что масса активной среды будет увеличена до 600-800 кг. Также участники коллаборации KamLAND занимаются разработкой новых методов уменьшения фона, которые могут способствовать набору большей статистики в будущем. Заключение     В качестве заключения рассмотрения экспериментов по изучению двойного β-распада изотопа 136Xe приведем таблицу, в которой представлены основные результаты, полученные в ходе экспериментов: Таблица 2. Результаты изучения двойного β-распада изотопа Эксперименты T1/2(2νββ), 1021 лет T1/2(0νββ), 1025 лет EXO 2.165 ± 0.075 > 1.1 NEXT 2.21 ± 0.11 ≈ 1.1 KamLAND-ZeN 2.30 ± 0.14 > 1.3     Как видно из сравнения результатов трех экспериментов, оценки периода полураспада изотопа 136Xe по 2νββ- моде в пределах погрешности находятся в достаточно хорошем согласии друг с другом, несмотря на то, что каждый эксперимент имеет свой уникальный подход к измерениям. А для 0νββ-моды распада, хотя и найдена только оценка снизу для периода полураспада, важно отметить, что во всех экспериментах получен один и тот же порядок величины T1/2(0νββ) (~1025 лет). При этом видно, что значащие числа также практически совпадают друг с другом.  Литература База данных «Центр данных фотоядерных экспериментов НИИЯФ МГУ». Searching for Double Beta Decay with the EXO Experiment. Lisa J. Kaufman// J. Phys.: Conf. Ser. 203 (2010) 012067. K. O’Sullivan// J. Phys.: Conf. Ser. 120 (2008) 052056. J. B. Albert et al. (EXO Collaboration)// Phys. Rev. C, 89, 015502 (2014). Nature 510, 229–234 (12 June 2014). NEXT Collaboration Web. D. Lorca, J. Martın-Albo, F. Monrabal, on behalf of the NEXT Collaboration, ''The NEXT experiment: A high pressure xenon gas TPC for neutrinoless double beta decay searches,'' arXiv:1202.0721 [physics.ins-det]. [NEXT Collaboration], ''NEXT, a HPGXe TPC for neutrinoless double beta decay searches,'' arXiv:0907.4054v1 [hep-ex]. Searching for Double Beta Decay with the NEXT Experiment. A. Gando et al., (KamLAND-Zen Collaboration)// Phys. Rev. C 85, 045504 (2012). Bruce Berger (May 2015), KamLAND-Zen-CIPANP-20150521. Masayuki Koga (July 2015), KamLAND-Zen current result and future prospects, PPC2015. K. Asakura et al. // ''Results from KamLAND-Zen,'' arXiv:1409.0077v1 [physics.ins-det].