Изотоп Nd-150, эксперимент DCBA

Е. А. Куров

Изотоп Nd-150, эксперимент DCBA

Введение

Эксперименты по обнаружению безнейтринного двойного бета-распада (0νββ) позволяют определить, являются ли нейтрино майорановскими частицами. Согласно теории лептогенезиса, массивные майорановские частицы играют важную роль в происхождении Вселенной, в частности они обеспечивают преимущество материи над антиматерией; таким образом, понимание природы нейтрино существенно для понимания происхождения ранней Вселенной.
Помимо этого, измерение периода полураспада 0νββ, можно получить эффективную массу нейтрино (<m_ββ>). Из экспериментов по осцилляции нейтрино известны параметры осцилляции нейтрино; и несмотря на то, что они не могут содержать информации об абсолютной массе нейтрино, из них можно предсказать массовые спектры. Один из спектров заключается в том, что все собственные состояния масс (m₁, m₂, m₃) почти совпадают, что называют квазивырожденным (QD – quasi-degenerate) спектром. Два других спектра представляют собой случаи m₂> m₁>> m₃и
m₁<m₂<<m₃, и называются спектрами обратной (IH – inverted-hierarchy) и нормальной (NH – normal-hierarchy) иерархий, соответственно. Значение <m_ββ> составляют 100–500 мэВ, 10–50 мэВ и 1-5 мэВ для QD, IH и NH-спектров, соответственно.

1. Распад Nd-150 и фоновые процессы

Рис.1. Схема распада Nd-150 (a) и фонового события от цепочки распада Bi-214 (b).

На рис. 1 приведены схемы распада Nd-150 и Bi-214, последний из которых относится к естественной цепи распадов U-238. Поскольку период полураспада по каналу 0νββ по оценкам больше 10²⁴лет, то события 0νββ крайне редки. С другой стороны, распады Bi-214 имеют сходство с событиями 0νββ, так как бета-распад Bi-214 до Po-210 с определённой вероятностью (см. рис.2) происходит на возбуждённые состояния, из-за чего происходит испускание электрона внутренней конверсии; при этом разница масс между Bi-214 и Po-214 составляет 3.27 МэВ. Таким образом, для выделения 0νββ событий на фоне распадов Bi-214 необходимо детектировать альфа-частицу, испускаемую при распаде Po-214, т.е. детектировать альфа-частицу, испускаемую с задержкой, примерно равной периоду полураспада T_1/2= 164 мкс. Эта задача осуществляется с помощью т.н. мгновенной аналогово-цифровой электронной системы получения данных
(FADC-based DAQ – flash analog-to-digital data acquisition).

Рис.2. Более подробная схема для Bi-214.

Стоит отметить, что при бета-распаде в отличие от, например, альфа-распада, значительно меньше зависимость вероятности распада от энергии и существенную роль имеет уносимый электронами полный момент импульса J, что приводит к тому, что бета-распад часто происходит на возбуждённые состояния конечного ядра. При дальнейшем распаде из возбуждённого состояния в основное может происходить так называемое явление внутренней конверсии, в ходе которого испускается не гамма-квант, а т.н. конверсионный электрон, энергия которого равна разности энергии ядерного перехода и энергии связи электрона на оболочке, с которой он был испущен. Например, в рассматриваемом ниже детекторе DCBA электроны внутренней конверсии имеют значительный вклад в фон, а также используются для определения энергетического разрешения (см. рис.5).

2. Магнитный детектор треков

Значительная часть экспериментов в области 0νββ-распадов использует калориметры для измерения энергии пучка бета-частиц. Однако, организацией KEK был разработан детектор DCBA (Drift Chamber Beta-ray Analyzer), состоящий из детекторов треков и соленоидного магнита. Проект детектора DCBA представляет собой дальнейшее конструирование детектора MTD (Magnetic Tracking Detector, временное название).

2.1. Эксперимент DCBA

Принцип действия детектора DCBA основан на том, что пластины из распадающегося элемента (Nd-150 или Se-82) расположены в камере, заполненной смесью He и CO₂ в соотношении 90%:10%. Магнитное поле B направлено параллельно пластинам (см. рис.3), поэтому при перпендикулярном испускании электрона из пластины-источника он движется по спиралевидной траектории, которая, в свою очередь регистрируется за счёт ионизации в камере.

Рис.3 Принцип устройства DCBA

2.2. DCBA-T2

Прототип DCBA-T2 подтвердил возможность принципа детектирования, описанного выше. В значительной степени улучшено разрешение Z-координаты за счёт сближения анодных и считывающих (pickup wire) проводов. Энергетическое разрешение было измерено с помощью точечного источника Bi-207, расположенного в центре камеры. На рис.4 приведены образцы траекторий электронов. На данных графиках число X означает число отсчётов, а числа Y и Z связаны с анодным и считывающим проводами, соответственно.

Рис.4. Образцы треков электронов внутренней конверсии Bi-207

Треки электронов и альфа-частиц можно легко различить, так как импульс альфа-частицы с измеримой длиной трека слишком велик для того, чтобы получилась спиралевидный траектория, и помимо этого, высота импульса на считывающей аппаратуре значительно выше, чем для электрона. Импульс p (МэВ/c) и кинетическая энергия T (МэВ) связаны с углом наклона траектории λ, радиусом траектории r (см) и индукцией магнитного поля B (КГс) следующей формулой:

pcos(λ) = 0.3rB

Кинетическую энергию бета-частицы можно рассчитать по формуле:

    В отличие от привычных двойных бета-распадов (2νββ), имеющих широкий непрерывный энергетический спектр, 0νββ-распады имеют пик в окрестности величины Q (энергии реакции) с шириной пика, зависящей от энергетической разрешающей способности детектора. Поскольку период полураспада 0νββ теоретически на 6 порядков выше, чем 2νββ, то число событий 0νββ вблизи величины Q сравнимо с числом событий 2νββ в той же окрестности. По этой причине энергетическое разрешение должно быть максимально возможным вблизи Q, чтобы возможно различие между 0νββ и 2νββ.
    Основной причиной снижения энергетического разрешения в DCBA является тот факт, что электрон претерпевает многочисленные рассеяния на молекулах газа, что приводит к искажению траектории. Таким образом, желательно уменьшить размеры траектории для снижения числа актов рассеяния. Из уравнения, приведённого ранее, видно, что увеличение B позволяет снизить r при том же значении p.
    В прототипе DCBA-T2, индукция магнитного поля была ограничена до 0.8 КГс в цилиндрическом объёме диаметром 0.5 м. и длиной 1.0 м. Это связано со большим электропотреблением соленоида и сложностями, связанными с его охлаждением. На рис.5 приведен энергетический спектр, полученный на DCBA-T2, из которого видно, что энергетическое разрешение, определяемое, как полная ширина на половине высоты (FWHM) пика, при энергии 0.98 МэВ составляет около 0,15 МэВ. Если аналогично рассмотреть энергетическое разрешение при энергии, равной Q для Nd-150 (3,37 МэВ), то получим значение относительного энергетического расширения, равное 6.5%.

Рис.5. Энергетический спектр электронов Bi-207

Для эффективного поиска 0νββ и получения эффективной нейтринной массы <m_ββ> вплоть до 30-50 мэВ требуется энергетическое разрешение меньше 5.0% при энергии, равной Q. Согласно результатам моделирования с помощью Geant4, индукция магнитного поля должна составлять около 2.4 КГс для достижения энергетического разрешения в 4%.

Рис.6. Результаты моделирования энергетического разрешения в DCBA-T3 с помощью Geant4 при энергиях около 1 МэВ (слева) и 1,5 МэВ (справа).

2.3.1. DCBA-T3

Для достижения вышеупомянутого энергетического разрешения проводится конструирование прототипа DCBA-T3. Основными отличиями T3 от T2 являются индукция магнитного поля, расстояние между считывающими проводами и пластина-источник. В случае T2 они составляют 0,8 КГс и 6 мм, соответственно, а также используется одна пластина размером 24×24 см². В T3 величина индукции магнитного поля ограничена 3 КГс, расстояние между считывающими проводами составляет 3 мм, и используются несколько пластин размером 45×45 см², состоящие из 5.6% Nd-150. За счёт уменьшения размеров траектории возможно энергетическое разрешение менее 100 КэВ на всём энергетическом диапазоне от 0.5 до 3,0 МэВ, что означает достижение относительного энергетического разрешения в 5% при энергии 3.37 МэВ. Ранее были приведены схематическое изображение DCBA-T3 и результаты моделирования для энергетического разрешения.

Рис.7. Схема DCBA-T3

Рис.8. SCSM для DCBA-T3

2.3.2. Сверхпроводящий соленоидный магнит (SCSM) для DCBA-T3

Для обеспечения упомянутых выше значений индукции магнитного поля в DCBA-T3 будет использоваться т.н. SCSM (Superconducting Solenoid Magnet), обеспечивающий не только необходимые значения B, составляющее 2.4 КГс (что требуется для того, чтобы радиус траекторий не превышал 5 см, т.е. ширины каждой из камер), но и обеспечивает значительное снижение потребления электроэнергии за счёт уменьшения систем охлаждения. В частности, несмотря на то, что индукция магнитного поля была увеличена от 0.8 до 2.,4 КГс, а рабочий объём – от 1.2×10⁵ см³ до 3×10⁵ см³, потребление электроэнергии фактически не изменилось при переходе от DCBA-T2 к DCBA-T3.

2.4. Проект MTD

Для дальнейшего поиска 0νββ при увеличении периода полураспада до 10²⁶ лет необходимо по меньшей мере 100 моль вещества-источника. Если предположить наличие 100% обогащённый источник Nd-150, то полный вес пластин-источников будет составлять около 150 кг. Основываясь экспериментах на DCBA-T2 и DCBA-T3, предложена идея крупномасштабного детектора MTD (Magnetic Tracking Detector, временное название), схема которого приведена на рис.9. MTD имеет внешний диаметр 2.6 м и длину 3.5 м и позволяет разместить до 80 м² пластин-источников. Если плотность пластин составляет 40 мг/см², то в каждом из модулей можно разместить до 30 кг источника. Таким образом, 5 модулей MTD обеспечат наблюдение 0νββ до периода полураспада порядка 10²⁶ лет при 100% обогащённом Nd-150. Если использовать природный Nd (степень обогащения Nd-150 – 5,6%), то потребуется установка 100 модулей, что вызывает значительные технические сложности.

Рис.9. Схематическое изображение MTD

Заключение

Подводя итоги, стоит сказать, что детекторы DCBA/MTD способны обнаруживать не только события 2νββ, но и 0νββ. После окончания конструирования DCBA-T3 и проверки энергетического разрешения при энергии, равной Q для Nd-150, возможна установка детекторов DCBA-T3 в подземной лаборатории за счёт компактности детектора, SCSM и систем охлаждения. Несмотря на то, что обогащение Nd пока не представляется возможным, в будущем с помощью проекта MTD будут достижимыми значения <m_ββ> до 30 мэВ, что соответствует периоду полураспада 0νββ примерно от 10²⁵до 10²⁶ лет.

Литература

N. Ishihara et al //2012 J. Phys.: Conf. Ser. 375 042017
N. Ishihara et al // 2010 Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 623 457–459
M. Kawai et al // 2014 Prog. Theor. Exp. Phys. 023H01
Kato et al. // 2003 Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 498 430–442
Arnold, R. et al. // 2015 Phys.Rev. D92 072011