Эксперимент GERDA
поиск двойного безнейтринного бета-распада ⁷⁶Ge

GERDA (GERmanium Detector Array)

    В данном реферате представлен прогресс в развитии нового международного эксперимента.  Основной целью эксперимента  GERDA является поиск двойного безнейтринного бета-распада ⁷⁶Ge. Экспериментальная установка находится в стадии разработки в подземной лаборатории LNGS. GERDA будет функционировать на открытом германиевом полупроводниковом детекторе (обогащенный ⁷⁶Ge), помещенном в жидкий аргон.  На I Фазе осуществляется обогащение существующих детекторов используемых в экспериментах Heidelberg-Moscow и IGEX. На II Фазе добавляются новые детекторы созданные специально для этого эксперимента из обогащенного германия. Используются новые концепции для подавления фона, включая разработку детекторов сегментации и антисовпадений с сцинтилляционными LAr.

Введение

    Германиевый детекторный приемник, GERDA, предназначен для поиска двойного безнейтринного бета (0νββ) распада ⁷⁶Ge. Важность такого поиска придает особое значение доказательству ненулевой массы нейтрино с осцилляциями флэйворных нейтрино. (0νββ) распад является одним из наиболее чувствительных щупов к пока еще неизвестным свойствам, таким как типы нейтрино и их масса.
    Осцилляции нейтрино дают информацию только о Δm² - изменения квадратов масс нейтрино, но не собственные массы. Двойной безнейтринный бета-распад может дать информацию об абсолютном значении массы нейтрино.
Кроме того, нейтрино (с заданными свойствами) само может быть античастицей. Фермионы этого типа называются майорановскими частицами, в отличие от дираковских частиц. Распад (0νββ) нарушает главное лептонное число на две единицы (ΔL = 2), и это возможно только тогда, когда нейтрино является майорановской частицей. В Стандартной Модели нейтрино безмассовые частицы, однако, за пределами Стандартной Модели при включение массивных нейтрино возникают существенные различия между майорановскими и дираковскими нейтрино. Это означает, что наблюдение (0νββ) распада дает уникальную возможность для проникновения далеко за пределы Стандартной Модели.
    Существует три основных моды рассматриваемого ββ распад, а именно:

    Двух нейтринный двойной бета-распада (2νββ) является процессом второго порядка, который является разрешенным для любого закона сохранения. Распад (2νββ) был обнаружен для 10 изотопов (⁴⁸Са, ⁷⁶Ge, ⁸²Se, ⁹⁶Zr, ¹⁰⁰Mo, ¹¹⁶Cd, ¹²⁸Te, ¹³⁰Те, ¹⁵⁰Nd,²³⁸U). Время полураспада для этого процесса лежит от T_1/2 = (7.7 ± 0.7(стат) ± 0.8 (сист))·10¹⁸ лет для ¹⁵⁰Nd до T_1/2 = (7.2 ± 0.3)·10²⁴ лет для ¹²⁸Te. Период полураспада (2νββ) ⁷⁶Ge T_1/2 = (1.3 ± 0.1)·10²¹ лет.

    Двойной безнейтринный бета-распада (0νββ) может совершаться с помощью различных процессов, но каждый из них требует, чтобы нейтрино обладало ненулевой массой и являлось майорановской частицей. Наиболее приближенной теоретической моделью является промежуточный безнейтринный двойной бета-распад с помощью обмена легкими Майорановскими нейтрино или смесь правых токов в слабом взаимодействии. Этот процесс может быть также инициирован обменом суперсимметричных частиц и рассматривается в некоторых суперсимметричных моделях.  Распад (0νββ) является очень чувствительным датчиком для определения  эффективной массы майорановского нейтрино, которая определяется как

где U_ei – матрица смешивания, m_i – соответствующие собственные значения масс. Период полураспада для безнейтринного двойного бета-распада обратно пропорционален квадрату массы майорановского нейтрино:

где G^0ν – фазовый объем, – матричный элемент перехода.
    В (0νχ⁰ββ) распаде майорановские частицы (безмассовые бозоны Голдстоуна) могут вырваться вместе с двумя электронами. Были также предложены несколько других (0νχ⁰ββ) моделей в которых испускается две или более Майораны. Процессы (A,Z) → (A,Z-2) также возможны, например, излучение двух позитронов - двойной β⁺-распад (2νβ⁺β⁺) и двойной электронный захват (2νЕСЕС).
    Экспериментальным подтверждением распада (0νββ) является наблюдение пика в конечной точке Q_ββ в суммарном энергетическом спектре двух электронов. Наиболее чувствительные 0νββ - эксперименты в настоящее время основаны на высокочистой германиевой (HPGe) детекторной технологии. Это связано с сочетанием хорошей энергетической разрешающей способности детекторов при Q-значение ⁷⁶Ge, высокой чистоты кристаллов Ge (очень низкий собственный фон) и высокой эффективности обнаружения сигнала. Распад (0νββ) ⁷⁶Ge проявляется в измеряемом энергетическом спектре через линии 2039 кэВ, Q-значении распада.  Полупроводниковые детекторы, изготовленные из Ge высокой чистоты, обогащенного до ⁷⁶Ge, являются хорошими детекторами для (0νββ) распада, будучи одновременно источником ββ распада и 4π детекторами с превосходным энергетическим разрешением (несколько кэВ) при Q = 2039 кэВ.
    Лучшие пределы (0νββ) распада в ⁷⁶Ge были получены в экспериментах Heidelberg-Moscow (HDM) и IGEX показав нижние пределы о T_1/2 > 1.09·10²⁵лет и T_1/2>1.6·10²⁵лет, соответственно, что приводит к верхнему пределу по эффективной массе майорановского нейтрино <m_ее> < (0.33 ÷ 1.35) эВ. Неопределенность в пределе массы отражает ограниченные знания о матричных ядерных элементах. Часть HdM коллаборации (KKGH) заявила о наблюдение (0νββ) распада в ⁷⁶Ge опираясь на повторный анализ полученных данных, с периодом полураспада (статистическая значимость сигнала 2-3 стандартных отклонения), имея ввиду <m_ее> значение между 0.1 и 0.9 эВ с центральным значением 0.44 эВ.
    Очевидно, что это заявление требует проверки в других экспериментах с увеличенной чувствительностью. Крупнейшие в настоящее время проводимые эксперименты CUORICINO и NEMO-3. CUORICINO расположен в LNGS (Италия) и использует ¹³⁰Те как двойные бета-ядра. Установки CUORICINO представляют собой ряд криогенных болометров из кристаллов теллурита с общей массой 41 кг (33,8% ¹³⁰Те).  NEMO-3 (расположен в LSM, Франция) представляет собой цилиндрический детектор с источником в виде фольги зажатой отслеживающими счетчиками Гейгера, в окружении пластикового сцинтилляционного калориметра в
магнитном поле в 25 Гауссов. Основные изотопы в NEMO-3 являются ¹⁰⁰Mo (7 кг) и ⁸²Se (1 кг). Чувствительность обоих экспериментов в условиях <m_ее> находятся в диапазоне 0.5 эВ.  Следующие этапы этих экспериментов будут CUORE с запланированной общей массой 760 кг и Super-NEMO детектор, с предположительным содержанием примерно 100 кг ¹⁵⁰Nd или ⁸²Se. Текущие CUORICINO и NEMO-3 эксперименты могут подтвердить сигнал (0νββ) для ¹³⁰Те и ¹⁰⁰Mo но не могут опровергнуть утверждение KKGH в случае нулевого результата из-за неопределенности ядерных матричных элементов.
    Эксперимент GERDA направлен на исследование (0νββ) распада ⁷⁶Ge с чувствительностью
T_1/2 >1.6·10²⁶ лет с достоверностью 90% соответствующей <m_ее> в диапазоне от 0.1 до 0.3 эВ.  Используя в I Фазе обновленные детекторов ⁷⁶Ge, которые применялись в предыдущих экспериментах HdM и IGEX (в общей сложности около 18 кг), в GERDA можно будет тщательно исследовать недавние заявленные наблюдения для (0νββ) с высокой статистической точностью. Даже после одного года работы с 15 кг-год статистикой при фоновом уровне 10^-2 событий/(кэВ·кг·лет) можно будет перейти к более высокой чувствительности с 150 кг-год статистики в Фазе II при фоновом уровне 10^-3 событий/(keV·кг·лет) при значении Q_ββ в 2039 кэВ.
    Главная особенность устройства GERDA заключается в использовании криогенного жидкого аргона (LAr) в качестве защиты от гамма-излучения - доминирующим фоном в более ранних экспериментах. Обогащенные германиевые (⁷⁶Ge) детекторы высокой чистоты погружаются непосредственно в криогенную жидкость, которая также выступает в качестве охлаждающей среды. Чтобы достичь уровня фона, необходимого для Фазы II, необходимы новые методы для подавления собственного фона детекторов, который в основном образуется за счет
космологически производимых изотопов. Сегментация детекторов, а также анализ формы импульса и антисовпадений между соседними детекторами, собранными в несколько цепочек, поможет выявить и отобрать фоновые события, происходящие из-за многократного комптоновского рассеяния. Кроме того новая концепция использования сцинтилляционного света LAr как сигнала антисовпадения для дальнейшего фоноподавления находится в стадии разработки. GERDA будут установлен в зале A в LNGS из INFN Италии (1400 м под скалой). Сотрудничество GERDA состоит из около 80 физиков из 13 институтов из 5 стран.

Схема GERDA, основные характеристики и ожидаемая чувствительность

    Принципиальная схема эксперимента GERDA основана на более раннем предложении расположить открытые Ge детекторы внутри криогенного щита большого объема. Эта идея основана на наблюдениях того, что фоновые сигналы в значительной мере контролируются внешним излучением. Открытые Ge детекторы будут погружены прямо в жидкий аргон. Криогенный объем окружен слоем сверхчистой воды, играющей роль дополнительного нейтронного и гамма щита, как показано на эскизе принципиальной схемы GERDA, изображенном на рис. 1.

Рис.1. Эскиз принципиальной схемы GERDA.

    Чувствительность, достижимая в экспериментах по двойному бета распаду с известной экспозицией и фоновым коэффициентом, была рассчитана с использованием метода Монте-Карло на основе Баесовой статистики и отображена на рис. 2(а) и рис. 2(b). 90% вероятность получения нижних пределов периода полураспада выше, чем изображенные значения, как функция экспозиции для данного фонового коэффициента дана на рис. 2(a). Рис. 2(b) показывает верхние ограничения, которые могут быть наложены на эффективную массу нейтрино с 90% вероятностью.

a)

b)

Рис 2. Ожидаемые чувствительности в зависимости от экспозиции и фоновых условий. Предсказываемое наблюдение безнейтринного двойного бета распада 76Ge также отображено. a) Ожидаемая 90% вероятность нижнего предела полураспада для безнейтринного двойного бета-распада отображена в зависимости от экспозиции при различных фоновых условиях. b) Верхние ограничения, которые могут быть наложены на эффективную массу нейтрино с 90% вероятностью, учитывая значение матричного элемента < M0ν> = 3.92

    Эксперимент GERDA будет выполнен в несколько фаз, каждая из которых даст значимые физические результаты. В Фазе I GERDA существующие 18 кг детекторов из обогащенного германия, которые использовались в экспериментах IGEX и Heidelberg-Moscow, будут обновлены и использованы как голые детекторы в жидком аргоне. После двух лет сбора данных, соответствующих экспозиции 30 кг-лет, мы сможем или подтвердить предсказываемое наблюдение, или опровергнуть его, как можно увидеть из рис. 2а и рис. 2 b. Если предсказание корректно, для (0νββ) распада ⁷⁶Ge с периодом T_1/2 = 1,2*10²⁵ лет ожидается около 13 событий на фоне 3х событий внутри окна 10 кэВ вокруг Q_ββ после двух лет измерений. Если не будет наблюдаться никаких событий, то предел для периода полураспада будет составлять T_1/2 > 3·10²⁵ лет (90% C.L.), или, переведенный в эффективную массу нейтрино, <m_ее> < 0.3 - 0.9эВ, в зависимости от используемого ядерного матричного элемента (например, используя скорректированный матричный элемент <M^0ν>= 3.92 и верхний предел в 0.27 эВ может быть установлен с 90% вероятностью.
    Во II Фазе будут добавлены около 22 кг новых детекторов из ⁷⁶Ge и итоговая масса будет около 40 кг. Новые детекторы будут иметь правильную коаксиальную геометрию с сегментным электродным снятием показаний, увеличивающим разрешающую способность одно- и многопозиционных событий. После сбора данных, соответствующего экспозиции 150 кг·год, и полагая, что фон уменьшится до 10^-3событ/(кэВ·кг·лет), предел для периода полураспада улучшится до > 1.5·10²⁶ лет (90% C.L.). Это переводит в верхний предел для эффективной массы нейтрино в 0.09 - 0.29 эВ (0.11 эВ принимая < M^0ν> = 3.92).
    На Рис. 3 показан график разрешенных областей эффективной Майорановской электронно-нейтринной массы в зависимости от легчайшей массы нейтрино. На графике области, соответствующие чувствительности двух фаз GERDA отображены вместе с предсказываемым детектированием, отмеченным выше. Фаза I покроет область чувствительности, требуемой для тщательного изучения предсказания, и фаза II охватит вырожденную иерархию масс нейтрино. Если не будет найдено сигнала для (0νββ) распада, для покрытия области с инверсной иерархией потребуется эксперимент с тонным масштабом (фаза III) с дальнейшим уменьшением фона до
10^-4событ/(кэВкглет).

Рис. 3: График, отображающий чувствительность трех фаз GERDA для масштабов эффективной Майорановской электронной массы нейтрино. Область, отмеченная зеленым – это инверсная иерархия, область с нормальной иерархией показана красным.

Установка GERDA

    Схематическое изображение установки GERDA показано на рис. 4.

Рисунок 4: схематическое изображение созданного комплекса GERDA.

    Вакуумно-изолированный криостат из нержавеющей стали диаметром 4.2 м и высотой (в том числе входная трубка) в 8.9 м с внутренним объемом 70 м³, будет содержать 98 тонн LAr. Внутренняя цилиндрическая оболочка криостата покрыта внутренним сверхчистым OFE Cu слоем с максимальной толщиной 6 см и общей массой около 20 тонн (см. рис. 5).  Криостат погружен в емкость для воды с диаметром 10 м и общей высотой 9.4 м. Водный слой служит также как гамма и нейтронный щит и, оборудован 66-ю ФЭУ, в качестве детектора Черенкова для достаточного отсекания космических мюонов (рис.6). Пластиковые сцинтилляционные панели на вершине детектора общей площадью около 20 м² будут маркировать мюоны, которые входят через входную трубку.

Рис. 5. Криостат из нержавеющей стали с внутренним медным экраном высокой чистоты.

Рисунок 6: Водный Черенковский детектор оборудованный 66-ю фотоумножителями.

    Комплекс Ge детектора, как показано на рис.7(а), имеет гексагональную структуру и состоит из отдельных цепочек детектора. Чистая комната и радиационно-непроницаемый затвор в верхней части установки позволяют вставлять и удлинять отдельные цепочки детекторов, не загрязняя криогенного объема. Калибровочные источники могут быть вставлены близко к детекторам. Детекторная цепочка может включать в себя вплоть до пяти независимых Ge детектирующих модулей. Конструкции таких модулей приведены на рис.7(б) и 7(с) р-типа (Фаза I) и сегментированные n-типа Ge диоды (Фаза II).

a) Сборка Ge детекторов - 7 гирлянд с пятью детекторами в каждой

Ge детектор p-типа для фазы I

Сегментированный коаксиальный Ge детектор n-типа

Рисунок 7. Ge детекторная система и отдельный детекторы.

    Верхний инфраструктурный комплекс располагается на надстройке. Ее главной составляющей является чистая комната в которой находится затворная система для вставки детекторов в криогенный объем. Основные части затворной системы: внутренний и внешний затворы, а также две кабельных трубы. Внутренняя содержит систему рельс для размещения цепочек детекторов в системе (рис.8).

Рис.8. Рельсовая система для размещения детекторов цепочками в системе.

    Кабельные трубы содержат линейные шкивы для опускания отдельных цепочек детекторов в криогенный объем. Внутренняя система блокировки может быть отделена от криогенных цистерн круговым затвором. Прямоугольные затворы отделяют внутренние от внешних замков и внешний замок от чистой комнаты. Затворная система поддерживается с помощью стальных балок, которые лежат на надстройке.

Фаза I и Фаза II детекторов

    Все IGEX и HDM детекторы были описаны и испытаны, были получены те же энергии, что и ранее. На 2009 год они были сняты со своих криостатов и находились на обновлении, затем они должны были быть установлены в подвес Фазы I. В LNGS установлено чистое подземное сооружение для проверки детектора (R&D). Успешно разработан и проверен процесс обновления HdM и IGEX детекторов. Кроме того разработаны оптимальные процедуры для работы с открытыми Ge детекторами в LAr с одним из прототипов детекторов (из необогащенного Ge). Изучается как долгосрочная стабильность, так и периодическое изменение температуры между комнатой и LAr (88K). Прототип детектора работает в жидком аргоне в LNGS с начала 2006 года, он прошел более чем через 40 циклов охлаждения и нагревания. Обогащенные материалы для второго этапа эксперимента, 35,5 кг германия обогащенного до 87% -88% в ⁷⁶Ge в виде GеО₂, были произведены в России и перевезены из Сибири в Германию в стальном цилиндре, предназначенном для уменьшения космогенной активации. Материал в настоящее время хранится на глубине 500 м под землей. Детекторы Фазы II будут фрагментированы на коаксиальные n-типа, по примеру ныне работающего прототипа. Сегментации помогут определить события многократных комптоновских рассеяний, в качестве фоновых в интересующей нас области с высокой эффективностью в зависимости от источника и местоположения. Рис.7(с) показывает 18-сегментный прототип детектора (3 вдоль z и 6 вокруг φ), установленный в его медном подвесе и с присоединенным прототипом комптоновского кабеля. Подвес состоит всего из 30г меди и 7 г тефлона. Требования к чистоте материалов являются строгими, так как они находятся очень близко к детекторам. 18 сегментов считываются с помощью новой контактной схемы. Прототип детектора был тщательно протестирован в обычном испытательном криостате. Энергетическое разрешение всех сегментов ядра были около 3keV на 1.3 MeV.

Результаты на октябрь 2010 года

    В 2010 г были установлены сначала одиночный, а позднее цепочка из трех не обогащенных открытых детекторов с низким фоном. В ходе их работы были получены определенные результаты, в частности никаких линий от урана, тория или их вторичных частиц в собранной статистике не обнаруженно. Это обеспечивает строгие пределы достигнутой радиочистоты, которые удовлетворяют заявленным требованиям. Однако появилась одна ярко выраженная непредвиденная особенность на энергетическом спектре. Этот сигнал порождается, ⁴²K вторичной частицей ⁴²Ar. Кроме того есть и другие явления в интересующем нас диапазоне. В настоящее время ведется работа по уменьшению вклада ⁴²Ar(⁴²K).
    Что касается Фазы II, то было принято очень важное решение, применить для детекторов технологию BEGe. Очистка германия для 2 фазы прошла успешно.
    Ведутся работы по настройке установок и обеспечению их стабильной работы. Также ведется разработка и внедрение нового программного обеспечения учета и анализа полученных данных.

Источники информации:

1. The GERmanium Detector Array for the search of neutrinoless - decays of ⁷⁶Ge at LNGS
   http://www.mpi-hd.mpg.de/gerda/reportsLNGS/proposal_21sept.pdf
2. Karl Tasso Knöpfle, MPI Kernphysik, Heidelberg on behalf of the GERDA collaboration, Status and Progress of GERDA ‘The GERmanium Detector Array’
   http://dbd09.phys.sci.osaka-u.ac.jp/presentation/K_Knoepfle.pdf
3. A. Garfagnini, Search of Neutrinoless Double Beta Decay of ⁷⁶Ge with the GERmanium Detector Array, GERDA
   http://nuclphys.sinp.msu.ru/conf/lpp14/200809/Garfagnini.pdf

декабрь 2010 г.