The Enriched Xenon Observatory

Введение

    The Enriched Xenon Observatory (EXO) – эксперимент, в задачи которого входит 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, образующегося электронами ионизации в жидком ¹³⁶Xe. Регистрация события путем идентификации продукта распада – иона ¹³⁶Ba⁺⁺, вторая часть эксперимента EXO.

Физика процесса

    Двойной ββ-распад ядра – особый вид β-распада. β-распад возникает в том случае, если нейтрон в ядре находится в нестабильном состоянии. В процессе реакции нейтрон испускает электрон и антинейтрино и становится протоном. Но есть ядра, в которых единичный β-распад энергетически запрещен. В подобных ядрах возникает возможность двойного ββ-распада. Такой вид распада впервые был экспериментально обнаружен в 1986 году, при этом предсказан задолго до этого. Существует достаточно много изотопов, включая ¹³⁶Xe, для которых ββ-распад теоретически предсказан. Процесс распада заключается в том, что два нейтрона, входящие в состав ядра испускают по электрону и электронному антинейтрино, при этом превращаясь в протоны. Период полураспада составляет 10²⁰ лет, что больше времени жизни Вселенной примерно в 10 млрд. раз. Поэтому если наблюдать за ββ-распадом 8 млрд. ядер, то за время, охватывающее период от рождения Вселенной до наших дней, удастся обнаружить только 1 распад [1].
    Не исключена возможность двойного безнейтринного 0νββ-распада. Эта реакция экспериментально не обнаружена. Если такой вид распада существует, то можно сделать сразу несколько выводов о фундаментальных свойствах нейтрино. Во-первых, нейтрино является собственной античастицей. Во-вторых, масса нейтрино не нулевая, она связана с периодом полураспада 0νββ-распада. И, наконец, в-третьих, для осуществления подобной реакции лептонное число не должно сохраняться. Как видно, возможность двойного безнейтринного распада ведет к выявлению неполноты теоретического построения стандартной модели.
    На данный момент периоды полураспада T_1/2 в реакции 2νββ определены для следующих ядер (см. Табл. 1) [2], в таблице также указаны энергии распада.

    Период полураспада ядра ¹³⁶Xe 2νββ-распада пока не зафиксирован, но по приблизительным оценкам составляет величину, представленную в Табл.1.
    Спектры единичного β-распада и двойного ββ-распада различаются (см. Рис.1). Как известно трехчастичные распады имеют сплошной спектр, а двухчастичные дискретный. Отсюда, определяя спектр энергий электрона, можно сделать вывод о виде распада. На самом деле следует ожидать спектр двойного безнейтринного 2νββ-распада размытым в некоторой энергетической области. Для получения более корректных данных требуется достаточно высокое разрешение измеряемых энергий.

Рис.1. Спектры 0νββ-распада и 2νββ-распада ядра ¹³⁶Xe.

Описание установки EXO-200

    Часть эксперимента, которая отвечает за выявление события двойного ββ-распада ядра ¹³⁶Xe путем регистрации сцинтилляций и электрического сигнала, вызываемого электронами ионизации, называется EXO-200 [3]. В этом эксперименте используется 200 кг сжиженного ¹³⁶Xe, обогащенного до 80%. Жидкий ¹³⁶Xe помещается в пластиковую цилиндрическую емкость (Рис.2). Эта емкость имеет порядка 35 см в длину и 40 см в диаметре.

Рис.2. Половина пластиковой емкости, в которую помещается жидкий ¹³⁶Xe.

    Для регистрации электрического сигнала необходимо наличие катода и анода. Катод находится в плоскости сечения, проходящей перпендикулярно оси цилиндрической емкости, на равном расстоянии от торцов. На Рис.2, где представлена половина емкости, можно видеть катод в виде тонких проводков из фосфористой бронзы, образующих сетку. 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 поддержания внешнего электрического поля служат медные кольца, идущие по краю емкости с внешней стороны.

Рис.3. Процесс ионизации и излучения атомов 136Xe под действием электронов, образованных в результате двойного ββ-распада.

    Процесс ионизации схематически изображен на Рис.3. Электроны, образующиеся в результате двойного ββ-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 незамедлительно, а электрический сигнал приходит с запозданием. Запаздывание связано с процессом ионизации, который требует время. Получив разность времен поступления светового и электрического сигналов, можно вычислить местоположение, в котором произошел распад.

Рис.4. Фотодиоды.

    Фотодиоды представляют собой круглые плоские пластинки диаметром 1,6 см, соединенные электрическим контактом по семь штук (Рис.4). На Рис.5 изображены фотодиоды с внешней стороны емкости.
    С внутренней стороны, куда фотодиоды направлены регистрирующей частью, они представлены на Рис.2. Их количество с каждого торца составляет по 234 штуки.

Рис.5. Фотодиоды, представленные с внешней стороны емкости.

    Емкость, заполненная ксеноном, погружается в медный криостат (Рис.6). 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, также располагают каналы для вывода информации от датчиков электрических и световых сигналов. Для дополнительной термоизоляции криостата создана вакуумная прослойка между внутренней и внешней оболочками (Рис.6). С внешней стороны экспериментальную установку замыкает слой свинца, толщиной в 25 см, для защиты от внешнего радиационного фона.

Рис.6. Схематическое изображение емкости, погруженной в криостат.

    Экспериментальный комплекс установлен в соляной шахте на глубине 655 м в г. Карлсбад, штат Нью-Мехико. Важнейшей задачей эксперимента является стремление максимально уменьшить внешнее радиационное влияние. Именно поэтому комплекс установлен глубоко под землей (655м). Кроме того, для создания деталей конструкции использовались материалы с самыми минимальными радиационными свойствами. Также установка располагается в так называемых «чистых» комнатах, где выполняются строжайшие меры по соблюдению радиационной «чистоты».

Регистрация ионов Ba

    Еще одним возможным методом выявления события двойного ββ-распада ядра ¹³⁶Xe служит регистрация продуктов распада [4]. Ожидается, что образовавшийся ион ¹³⁶Ba⁺⁺, сразу захватит электрон и превратится в ион ¹³⁶Ba⁺. Получившийся ион ¹³⁶Ba⁺ можно идентифицировать в силу его уникальных люминесцентных свойств. Идея метода заключается в том, что лазер, работающий на длине волны, соответствующей переходу 6²S_1/2→6²P_1/2 (Рис.7), приводит ион в возбужденное состояние. Излучение иона происходит вследствие перехода: 6²P_1/2→5⁴D_3/2. Регистрация светового сигнала данной частоты, позволяет сделать вывод о наличии иона ¹³⁶Ba⁺.

Рис.7. Структура рассматриваемых энергетических уровней иона ¹³⁶Ba⁺.

Заключение

    Разработка и установка оборудования для эксперимента EXO-200 является частью большой программы по исследованию двойного безнейтринного 0νββ-распада. В дальнейшем будет происходить увеличение объема вещества детектора от 1т до 10т. Те результаты, которые могут быть достигнуты в таких экспериментах представлены в Табл. 2. [3].

    Как видно из таблицы, с ростом массы детектирующего вещества, то есть ксенона, появляется возможность оценки периода полураспада 0νββ с большим масштабом. В случае, если нейтрино является собственной античастицей, то можно сделать оценку для массы. В таблице представлены два результата, рассчитанных по разным моделям.

Ссылки

1. http://www-project.slac.stanford.edu/exo/
2. http://www-project.slac.stanford.edu/exo/Talks/ackerman_PPC2010.pdf
3. Lisa J. Kaufman, J. Phys.: Conf. Ser. 203 (2010) 012067
4. K. O’Sullivan, J. Phys.: Conf. Ser. 120 (2008) 052056

декабрь 2010 г.