Эксперимент COBRA

Краткие сведения о нейтрино

    В Стандартной Модели нейтрино описывается как безмассовая дираковская частица с нулевым зарядом, относящаяся к лептонам. Существует три разновидности (или, как часто говорят, аромата) нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Стоит заметить, сто среди всех частиц Стандартной Модели нейтрино занимают особую роль. Во-первых, оно является единственной элементарной частицей с нулевым зарядом, а это означает, что нейтрино учувствует только в слабых взаимодействиях. Следовательно, оно почти не взаимодействует с веществом и для его регистрации необходимы высокоточные приборы. Во-вторых, нейтрино является единственной элементарной частицей, масса которой до конца неизвестна (строго говоря, сам факт существования массы у нейтрино уже не укладывается в рамки Стандартной Модели). В третьих, ввиду электронейтральности нейтрино до сих пор остается открытым вопрос о тождественности нейтрино и антинейтрино (если нейтрино и антинейтрино тождественны, то мы уже не можем говорить о нем как о дираковской частице).

    Несмотря на то, что за последние полвека было проведено множество нейтринных экспериментов, многие свойства этой частицы до сих пор не изучены.

Двойной бета-распад

    Хорошо известно, что масса атомного ядра зависит от числа протонов и нейтронов в нем, а также величины энергии связи. Стоит также отметить, что ядра с одинаковым числом нуклонов A (такие ядра называются изобарами), но разным зарядом Z имеют разные энергии и, следовательно, разные массы. Зависимость энергии связи от заряда ядра для ядер-изобар имеет квадратичный характер (формула Бете-Вайцзеккера).

E_св = a₁A - a₂A^2/3 - a₃Z²/A^1/3 - a₄(A/2 - Z)²/A + a₅A^-3/4,
M(Z,A) = Zm_p + (A-Z)m_n - E_св/c².

    Ввиду всеобщего закона природы, согласно которому все объекты стремятся перейти в состояния с минимальной энергией, вполне возможными представляются переходы в пределах этой «массовой параболы» (для ядер с четным числом нуклонов «массовая парабола» расщепляется на две параболы, соответствующие четно-четным и нечетно-нечетным ядрам соответственно; это расщепление легко можно объяснить, если учесть силы спаривания). Часть таких переходов к настоящему времени прекрасно изучена. Это так называемые бета-распады, происходящие за счет взаимопревращений протонов и нейтронов. Всего существует три разновидности бета-переходов: бета-плюс, бета-минус и электронный захват.

    При бета-распадах массовое число A всегда остается неизменным, в то время как заряд ядра уменьшается или увеличивается на единицу. Однако для 35 природных изотопов с энергетической точки зрения возможны и распады, при которых число протонов в ядре изменяется на двойку (так называемые двойные бета-распады). Эти распады могут протекать по двум возможным каналам.

(A,Z) → (A,Z+2) + 2e^- + 2_e    (2νββ),
(A,Z) → (A,Z+2) + 2e^-              (0νββ).

    Первый из этих процессов был предложен М. Гепперт-Майер в 1935 г. Вычисленный ей период полураспада составляет 10¹⁷ лет. Этот процесс не нарушает сохранения лептонного числа и никоим образом не противоречит Стандартной Модели.
    Куда более интересной представляется вторая из приведенных мод распада (безнейтринный двойной бета-распад). Она совершенно не может быть оправдана в рамках Стандартной модели. Дело в том, что здесь мы имеем дело не просто с несохранением ароматных лептонных чисел (как в нейтринных осцилляциях), но и с несохранением полного лептонного числа. Изучение этого процесса может внести существенный вклад в наши знания о фундаментальных свойствах нейтрино. Сразу отметим, что процесс этот возможен лишь в том случае, когда нейтрино является массивной майорановской частицей. Теоретические расчеты показывают, что даже если такой процесс возможен, то его вероятность крайне мала (ожидаемый период полураспада10²⁵ лет). Экспериментально его можно обнаружить по двум электронам с энергией, соответствующей энергии ядерного перехода. При этом экспериментально измеряемой величиной является период полураспада, определяемый из соотношения.

где a – распространенность изотопа в природе, ε – эффективность, M – масса используемого вещества, t - время измерения, B – фоновый коэффициент (событий/год/кэВ/кг), ΔE – энергетическое разрешение
    Период полураспада можно связать с массой майорановского нейтрино

где G^0ν – фазовый объем, – матричный элемент перехода, <m_ee> – эффективная масса майорановского нейтрино

где U_ei – матрица смешивания Понтекорво-Маки-Накагава-Саката, m_i – соответствующие собственные значения масс.
    На рисунке изображены спектры этих двух мод (по оси абсцисс отложена суммарная энергия двух электронов, отнесенная к энергии распада). Отметим, что мода, предложенная М. Гепперт-Майер имеет непрерывный спектр, в то время как суммарная энергия электронов безнейтринного распада однозначно фиксируется законами сохранения энергии и импульса.

Стоит отметить, что двойной бета-распад не сводится к двум вышеописанным каналам. В настоящее время широко обсуждаются и другие его моды.

(A,Z) → (A,Z-2) + 2e⁺ + 2ν_e       (β⁺β⁺),
e^- + (A,Z) → (A,Z-2) + e⁺ + 2ν_e    (β⁺/EC),
2e^- + (A,Z) → (A,Z-2) + 2ν_e              (EC/EC).

    На рисунке изображена ожидаемый спектр, который может быть получен на смонтированной на сегодняшний день версии детектора.

Описание эксперимента

    Эксперимент COBRA проводится в Национальной Лаборатории Гран-Сассо (LNGS), являющейся одним из четырех экспериментальных структурных подразделений Национального Института Ядерной Физики (INFN). В настоящее время в LNGS ведется работа над 15 нейтринными экспериментами (один из них COBRA). В этих экспериментах в общей сложности участвуют 750 ученых из 22 стран. При этом используются как нейтрино естественного происхождения (атмосферные, солнечные), так и ускорительные нейтрино из CERN (проект CNGS). В настоящее время все инженерные мероприятия на COBRA завершены и идет накопление экспериментальных данных.

    Основная идея эксперимента состоит в использовании большого количества полупроводниковых кристаллов CZT (Cadmium-Zinc-Telluride). Рассмотрим основные преимущества использования CZT.

1. Преимуществом использование полупроводников является из высокое энергетическое разрешение и возможность получать (выращивать) их в достаточно чистом виде.
2. Детектор работает при комнатной температуре. Это значит, что экспериментаторы не сталкиваются со сложностями, связанными с охлаждением. Это приобретает особую важность, когда речь заходит о подземных лабораториях.
3. CdZnTe содержит 9 изотопов, являющихся потенциальными кандидатами на двойной безнейтринный бета-распад, причем все эти потенциальные 9 распадов изучаются в одном эксперименте. Наиболее перспективным изотопом является ¹¹⁶Cd. Энергия его распада 2.8 МэВ, что превышает энергию даже самой высокоэнергетичной естественной гамма-линии 2.614 МэВ от ²⁰⁸Tl. Таким образом, существенно упрощается решение вопроса о том, как быть с фоновыми помехами. Другим весьма перспективным изотопом является ¹³⁰Te- (его естественная распространенность примерно 34%). Энергия его распада также достаточно высоко (2.53 МэВ). (см. таблицу)

   Изотоп	Сод. в ест. смеси, %	Q кэВ	Мода распада
   70Zn	0.62	1001	β-β-
   114Cd	28.7	534	β-β-
   116Cd	7.5	2809	β-β-
   128Te	31.7	868	β-β-
   130Te	33.8	2529	β-β-
   64Zn	48.6	1096	β+/ЕС
   106Cd	1.21	2771	β+β+
   108Cd	0.9	231	ЕС/ЕС
   120Te	0.1	1722	β+/ЕС

4. Один и тот же материал используется и как источник распадающихся изотопов, и как детектор электронов. Помимо того, что данный фактор упрощает техническую сторону эксперимента и снижает финансовые затраты, он также позволяет снизить фон от естественной радиоактивности.
5. Детектор состоит из модулей, что обеспечивает возможность его модернизации. Так, в будущем планируется сооружение детектора из 64 000 кристаллов общей массой 400 кг (см. рисунок). Кроме того, наличие нескольких модулей также решает некоторые вопросы с фоном (высокоэнергетические гамма-кванты регистрируются сразу несколькими детекторами, в то время как двойной бета-распад регистрируется как одиночное событие).
6. CdZnTe детекторы вызывают интерес и имеют применение не только в фундаментальной физике, но и в других областях: материаловедении, гамма-астрономии, медицинской физике и дозиметрии.

Экранирование.

    Экранирование является одним из наиболее существенных аспектов в любом низкофоновом эксперименте. В COBRA, в первую очередь, требуется экранировка от гамма-квантов, мюонов и нейтронов. О защите от гамма-квантов уже говорилось выше. Достаточно лишь упомянуть о том, что 15 сантиметровая свинцовая оболочка решает этот вопрос. Что касается мюонов, то здесь вопрос экранировки несколько более сложен. Дело в том, что практически все мюоны имеют космическое происхождение, в результате чего обладают большой энергией. Однако для учета их вклада используется тот факт, что они имеют высокую ионизирующую способность, что позволяет использовать технологию вето
    Больше всего проблем возникает с нейтронами. Для сравнения, в LNGS поток нейтронов на три порядка превосходит поток мюонов. Нейтроны не обладают электрическим зарядом и их регистрация весьма сложна. Однако в результате их взаимодейставия с веществом возникают ядра отдачи. Сигналы от ядер отдачи  могут быть приняты за полезный сигнал. Более того, изотоп ¹¹³Cd (12.22% в естественной смеси) имеет очень высокое сечение захвата тепловых нейтронов.
    Сразу стоит остановится на вопросе о том, откуда эти нейтроны вообще берутся. В подземных условиях LNGS нейтроны по своему происхождению делятся на два вида. Во-первых, это нейтроны от радиоактивных распадов в земной коре. Прежде всего это процессы деления, а также реакции (α,n), в котором альфа-частицы от естественных источников взаимодействуют с легкими ядрами горных пород. Такие нейтроны обладают малой энергией (< 10 МэВ) и от них легко защититься. Во-вторых, это нейтроны, имеющие космическое происхождение (энергия нейтронов > 10 МэВ). Именно нейтроны второго типа вносят наибольший вклад в помехи.
    На рисунке изображен смоделированный спектр нейтронов внутри детектора для четырех различных типов защиты, имеющих одинаковую толщину. На сегодняшний день оптимальному варианту экранирования соответствует многослойная защита, содержащая как традиционные свинец и пластик, так и сложные композитные материалы.

Список использованных материалов

1. http://www.lngs.infn.it
2. http://www.cobra-experiment.org
3. K. Zuber “COBRA – A new approach to double beta decay” Eur Phys J C 33, s01, s817–s819 (2004)
4. Г.В. Клапдор-Клайнгротхаус, А.Штаудт «Неускорительная физика элементарных частиц»

декабрь 2010 г.