Эксперимент NEMO (Neutrino Ettore Majorana Observatory)

Введение

    Интерес к безнейтринному двойному бета-распаду значительно возрос в последние годы, после того, как были обнаружены осцилляции нейтрино в экспериментах для солнечных, атмосферных, реакторных и ускорительных нейтрино. Данные эксперименты показали, что нейтрино имеет ненулевую массу, однако они не пролили свет на природу массы нейтрино (дираковское или майорановское) и не дали никакой информации по поводу абсолютной величины массы, так как данные эксперименты показывают лишь величину Δm² . Обнаружение и изучение (0νββ) распада могут сделать прозрачными некоторые проблемы физики нейтрино:

• несохранение лептонного числа
• природа нейтрино (дираковская или майорановская частица)
• определение абсолютной массы
• тип иерархии масс нейтрино ( нормальная, инвертированная или вырожденная)
• нарушение СР инвариантности для лептонов.

    Эксперименты по исследованию двойного бета-распада делятся на 3 категории:

• геохимические
• радиохимические
• прямые

    В геохимическим методе определяют содержание продуктов ββ-распада, накопленных за геологическое время минералами, которые в заметных количествах содержат потенциально ββ-активные элементы. Преимущество данного метода состоит в очень большом времени экспозиции, но исследуемые изотопы должны распадаться либо на изотопы, отсутствующие в природе (²³⁸Pu) , либо на химически инертные газы (¹³⁰Xe, ¹²⁸Xe, ⁸²Kr). Эти эксперименты имеют высокую чувствительность, регистрируют мельчайший избыток дочерних ядер, но не могут детально проследить время жизни образца, что делает полученные результаты менее достоверными.
    Радиохимические эксперименты, в отличие от геохимических, накапливают продукты ββ-распада в искусственно приготовленных образцах. Здесь довольно малая продолжительность экспозиции, но можно контролировать историю (время жизни) образца.
    Общий недостаток этих двух косвенных экспериментов состоит в том, что в них невозможно разделить разные моды и каналы ββ-распада.
    В прямых экспериментах события ββ-распада регистрируются в реальном времени. Самая большая проблема прямых экспериментов – это очень большое время жизни ядер и и время распада по ββ каналу распада. Решающим фактором здесь является предельное уменьшение фона от других радиоактивных излучений (космическое излучение, радиоактивность окружающей среды, радиоактивные примеси в детекторе, взаимодействие ядер детектора с фоновыми нейтронами, электромагнитными помехами и т.п.) С целью уменьшения фона тщательно подбираются материалы установки, детекторы окружаются активной и пассивной защитой от внешних излучений. Исследования проводят в подземных низкофоновых лабораториях, чтобы устранить мюонную компоненту космического излучения.
    Рассматриваются 2 типа прямых экспериментов – с «активным» источником (материал с ββ-изотопом входит в состав активного объема детектора) и с «пассивным» источником (слой источника помещен между детекторами). Преимущество второго метода состоит в том, что можно выделять искомые события на основании обширной информации, тем самым заметно снижая фон. Также становится возможным изучение спектра энергий каждого вылетающего при ββ-распаде электрона, их угловое распределение и другие параметры. Но из-за самопоглощения электронов источником эффективность регистрации событий невысока.
    При использовании «активного» источника эффективность регистрации стремится к 100%. В качестве детекторов используют сцинтилляторы и полупроводниковые детекторы. Большинство детекторов могут измерять лишь полную энергию ββ-распада.
    Первый эксперимент по поиску ββ-распада был проведен в 1948 году при помощи гейгеровских счетчиков. До 1960-х годов чувствительность прямых экспериментов на основе счетчиков относительно предела периода полураспада не превышала 10¹⁸ лет. В начале 70-х чувствительность подскочила до 10²¹ лет для безнейтринного распада. Сейчас чувствительность около 10²⁵ лет для безнейтринного распада.

Детектор NEMO 3

    Эксперимент NEMO 3 по двойному бета-распаду начался в феврале 2003 года. Целью данного эксперимента является обнаружение безнейтринного (0νββ) распада, поиск эффективной майорановской массы нейтрино на уровне 0.1 эВ, а также точное изучение двойного бета-распада с помощью детектирования двух электронов в 7 изотопах: ¹⁰⁰Mo, ⁸²Se, ⁴⁸Ca, ⁹⁶Zr, ¹¹⁶Cd, ¹³⁰Te, ¹⁵⁰Nd. К сожалению, после анализа данных никаких доказательств существования (0νββ) распада у ¹⁰⁰Mo и ⁸²Se не было найдено.
    В эксперименте применяется прямое детектирование двух электронов из ββ-распада в трековой камере и калориметре. Данная концепция начала разрабатываться более 10 лет назад и в итоге были проделаны исследования по развитию технологии очистки материала детектора и источника, построению трековой камеры из гейгеровских ячеек, испытанию калориметра. Два прототипа NEMO 1 и NEMO 2 были опробованы и показали работоспособность данных технических решений. С помощью детектора NEMO 2 исследовались источники и величина фона, были проведены измерения 2νββ-распадов на нескольких изотопах, после чего был создан детектор NEMO 3, работающий на тех же принципах, но с более низким уровнем радиоактивного фона, что позволило проводить измерения на источниках ββ-изотопов с массой до 10 кг.
    Трековый эксперимент детектирует не только полную энергию, но и другие параметры процесса, например, энергию каждого электрона, угол между ними, координаты события в источнике.
    С июня 2002 года детектор NEMO 3 работает в подземной лаборатории Модана во Франции, расположенной на глубине 4800 м в.э. В феврале 2003 года, после окончательной настройки установки NEMO 3 были получены данные, касающиеся изучения двойного бета-распада.
    Детектор цилиндрической формы состоит из 20 одинаковых секторов. Фольги образуют вертикальный цилиндр диаметром 3.1м и высотой 2.5м, который делит на 2 части трековый объем детектора, состоящего из 6180 открытых ортогональных дрейфовых трубок длиной 2.7м, которые работают в гейгеровском режиме в газовой смеси гелия и спирта при избыточном давлении 7мбар. Газоразрядные счетчики регистрируют прохождение заряженной частицы в трековой камере.
    Для измерения энергий частиц и времени их пролета в объеме трековой камеры используются пластиковые сцинтилляторы, покрывающие вертикальные стенки трекового объема детектора и пространство на крышках цилиндра. Калориметр состоит из 1940 блоков пластиковых сцинтилляторов, соединенных световодами с низкофоновыми ФЭУ. Каждый блок имеет толщину 10 см, что обеспечивает высокую эффективность регистрации фотонов. Вообще детектирование гамма-излучения позволяет измерить внутреннюю радиоактивность фольг источников и распознать фоновые события. На рис.2 показан один сектор детектора.

Рис.1. Детектор NEMO 3.

Рис.2. Вид сектора после размещению в нем фольги из теллура.

    Между сцинтилляционным калориметром и защитой из железа расположена цилиндрическая обмотка, создающая магнитное поле в трековом объеме детектора (25 Гс) с силовыми линиями вдоль вертикальной оси детектора. Оно используется для определения знака заряда регистрируемой частицы.
    Детектор покрыт 20см слоем низкорадиоактивного железа – для защиты от гамма-излучения. Снаружи железа расположены резервуары с борированной водой для замедления быстрых и захвата тепловых нейтронов.
    Детектор NEMO 3 идентифицирует электроны, позитроны, альфа-частицы, т.е. проводит прямое детектирование низкоэнергетических частиц от естественной радиоактивности..

Источники ββ-распада.

    Отбор ядер проводился по следующим критериям:

• естественная распространенность изотопа в природе (не менее 2%)
• энергия перехода
• уровень фона вокруг области энергии перехода
• значения ядерных матричных элементов для двухнейтринной и безнейтринной мод распада
• возможность уменьшения радиоактивного загрязнения изотопов.

    Таким образом были отобраны следующие изотопы: ¹⁰⁰Mo, ⁸²Se, ⁹⁶Zr, ¹¹⁶Cd, ¹⁵⁰Nd.

Наибольший интерес коллаборации был направлен на изотоп ¹⁰⁰Mo, но технологии NEMO позволяют исследовать одновременно несколько источников. Поэтому также были проведены исследования с ⁴⁸Ca, ¹³⁰Te.

В 20 секторах детектора были размещены различные фольги с изотопами (12 секторов ¹⁰⁰Mo, 2 сектора - ¹³⁰Te, 2 - ⁸²Se и по одной ¹¹⁶Cd, ¹⁵⁰Nd, ⁹⁶Zr, ⁴⁸Ca. Фольги изготовлены в виде узких полом длиной 2.5м и шириной около 65мм. Каждый сектор содержит по 7 таких полос.

Сцинтилляционный калориметр

    Калориметр измеряет энергии частиц, их время пролета, а также запускает триггер. Состоит из 1940 счетчиков, каждый из которых состоит из пластикового сцинтиллятора, световода и ФЭУ (училение ФЭУ выбрано так, чтобы можно было регистрировать частицы с энергиями до 12 МэВ). Сцинтилляторы расположены внутри газовой смеси трековой камеры, что сводит к минимуму потери энергии при детектировании электронов. ФЭУ укреплены за пределами камеры.

Трековый детектор спектрометра

Рис.3. Вид сверху крышки одного сектора с подробным изображением гейгеровской ячейки

    Состоит из дрейфовых ячеек, которые работают в гейгеровском режиме. Ячейки расположены концентрическими слоями вокруг фольги с источниками – с каждой стороны от фольги по 9 слоев. Всего в 20 секторах расположены 6180 гейгеровских счетчиков.
    На рис.3 показана элементарная ячейка в поперечном разрезе, образующая правильный восьмиугольник диаметром 3см. Состоит из центральной анодной проволочки, которая окружена 9-10 заземленными катодными проволочками. 1-2 дополнительные проволочки от примыкающих ячеек предотвращают электростатические разряды между соседними ячейками. Все проволочки изготовлены из нержавеющей стали. Они натянуты между верхней и нижней крышками детектора. В составе газовой смеси около 95% гелия, 4% спирта, 1% аргона и 0.15% воды. Рабочее напряжение на анодной проволочке 1800 В. Когда заряженная частица пересекает ячейку, она ионизирует газ, производя примерно 6 электронов на см вдоль своей траектории. Расположение анодной и катодных проволочек приводит к неоднородному электрическому полю, поэтому все электроны дрейфуют с разной скоростью к анодной проволочке. Измеряя время дрейфа можно восстановит поперечную координату частицы в ячейке. Лавина вблизи анодной проволочки образует плазму, движущуюся с постоянной скоростью к катодным электродам, и по разности времен регистрации катодных сигналов вычисляют вертикальную координату.

Магнитная система

    Магнитная обмотка опоясывает детектор. Она состоит из 10 секторов с 203 медными кольцами. Ток в обмотке 29 А поддерживает магнитное поле на уровне 25 Гс.

Защита из железа

    Окружает магнитную обмотку и сделана из 10 частей, покрывает крышки детектора (165 тонн, по 6 тонн на каждую). Толщина железа 20 см.

Нейтронная защита

    Оставшиеся после прохождения через железную защиту и обмотку 5 % событий (е⁺е^-) и (е^-е^-)из-за фотонов могут быть подавлены путем уменьшения потока нейтронов. Нейтронная защита замедляет быстрые нейтроны до тепловых и уменьшает количество тепловых и медленных нейтронов. Защита состоит из 3 частей: 1- под центральной башней сцинтилляторов (состоит из парафина толщиной 20см), 2- из дерева толщиной 28см покрывает крышки детектора, 3- 10 резервуаров с борированной водой толщиной 35см, разделенных прослойками из дерева, окружает наружную стенку детектора.
    Калибровка детектора проводилась лазером. Для того, чтобы отличить электроны, возникающие вне фольги источника, от электронов, вылетевших одновременно из фольги, применяется времяпролетная методика отбора событий.

Анализ данных

    Данные с установки в подземной лаборатории передаются в вычислительный центр в Лионе (Франция), где происходит отбор подходящих событий, определение типа детектируемой частицы.

Радиоактивный фон

    Может быть разделен на 3 категории:

• внутренняя радиоактивность источника
• внешняя радиоактивность от гамма-излучения
• радон внутри рабочего объема детектора

    В период первого запуска детектора (февраль 2003 – сентябрь 2004) основной вклад в фоновые события был от диффузии радона внутрь камеры из-за утечки воздуха

Результаты

    Получены величины полураспада по 2νββ каналу распада для исследуемых ядер:

    Не обнаружено никаких доказательств существования 0νββ канала распада для исследуемых ядер. Пределы для периода полураспада по безнейтринному каналу и эффективной майорановской массы приведены ниже

    Периоды полураспада по двухнейтринному каналу эксперимента NEMO 3 получены с большей точностью, чем в предыдущих экспериментах. По данным на 2009 год планируется создать новый детектор SuperNEMO (рис.4), который будет запущен в 2011 году, а заработает в полную силу к 2014 году. Предполагается использовать ту же экспериментальную технику что и в экспериментах NEMO 2 и NEMO 3 для исследования 100кг ⁸²Se. Чувствительность новых измерений ожидается в районе 10²⁶ лет для периода полураспада.

Рис.4: Принципиальная схема детектора SuperNEMO:
а – прямоугольная фольга источника между двумя плоскими трековыми камерами;
b – демонстрационный блок;
c – модульная структура.

Список литературы

1. Коваленко В.Э. – Исследование процессов двойного бета-распада ¹⁰⁰Mo в эксперименте NEMO 3 (диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук), ОИЯИ, Дубна, 2006
2. A.S.Barabash, V.B.Brudanin – Investigation of double beta decay with the NEMO-3 detector, 2010
3. A.S.Barabash – NEMO-3 and SuperNEMO double beta decay experiments,2006
4. Yu.A.Shitov – A search for neutrinoless double beta decay:from NEMO-3 to SuperNEMO,2010
5. L.Vala – Results of NEMO 3 and Status of SoperNEMO,2009

Статьи 2-5 можно найти на http://arxiv.org

декабрь 2010 г.