Андрей Афанасьев

Эксперимент CUORE

    В данной работе описывается готовящийся сейчас эксперимент CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events – подземная криогенная обсерватория редких событий, в переводе с итальянского “cuore” – сердце), первая стадия которого названа CUORICINO (то есть, “сердечко”).

Цель эксперимента

    CUORE – эксперимент по поиску и изучению редких событий, под этим которыми подразумеваются такие процессы, как безнейтринный двойной бета-распад, а также возможные реакции, инициированные частицами небарионной темной материи. Эти явления объединяет одно – для их регистрации необходим детектор с ультранизким уровнем шумов, что подразумевает, прежде всего, максимально чистые с точки зрения радиоактивности, материалы детектора. Кроме того, критически важным является в таких экспериментах нижний порог регистрации, Здесь очень полезными оказываются криогенные детекторы, разработанные в последние несколько лет, которые, в отличие от обычных "ионизационных" детекторов, чувствуют выделившееся тепло.

Актуальность эксперимента

    Недавние успехи экспериментов по поиску нейтринных осцилляций вызывают значительный интерес в мире физики элементарных частиц. Эксперимент Super-Kamiokande (Япония) указал в 1998 году на осцилляции атмосферных нейтрино. В 2001 году эксперимент SNO, проводящийся в подземной лаборатории Sudbury в Канаде, подтвердил эти наблюдения также и для солнечных нейтрино. Наличие осцилляций однозначно свидетельствует о наличии у нейтрино ненулевой массы. Стандартная Модель, до сих пор блестяще описывавшая явления физики микромира, постулирует нулевую массу нейтрино. Таким образом, обнаружение массы этой частицы должно пролить свет на прошлое и будущее Вселенной. Для построения новых теорий нужны, однако, не столько качественные, сколько количественные ответы. В ближайшие годы такие эксперименты как MINOS, KamLAND, CNGS и другие, использующие искусственные источники нейтрино от реакторов и ускорителей, сумеют не только подтвердить результаты своих коллег, но и померить параметры осцилляций с высокой точностью. Однако осцилляционные эксперименты способны измерить только разницу между квадратами масс трех известных нам типов нейтрино - электронным, мюонным и тау-нейтрино, но не абсолютные значение массы. Наиболее чувствительным способом определения абсолютной шкалы массы нейтрино является на сегодняшний день поиск безнейтринного двойного бета-распада – 2β(0ν) – в различных ядрах. Как и нейтринные осцилляции, процесс возможен, если нейтрино имеет массу. Кроме того, нейтрино в этом случае должно быть майорановской частицей, то есть должно быть тождественно своей античастице. С экспериментальной точки зрения наблюдение 2β(0ν)-распада означает регистрацию моноэнергетического пика от двух излученных в распаде электронов и измерению периода полураспада изотопа-источника 2β-распада. По найденному значению периода полураспада можно вычислить массу нейтрино. Если этот процесс действительно существует, вероятность его чрезвычайно низка: речь идет о регистрации нескольких событий в год на фоне огромного количества событий, имитирующих пик от 2β(0ν)-распада. Экспериментальный поиск 2β(0ν)-распада имеет богатую, более чем полувековую историю. Несмотря на это, он до сих пор не был обнаружен. Традиционно, эти эксперименты причислялись к классу небольших проектов. Во многом это было связано с дороговизной и технологическими сложностями процедуры обогащения, необходимой для получения изотопа - потенциального 2β-распадчика. Как правило, речь шла о нескольких сотнях грамм исследуемого изотопа. Однако времена "малых" 2β экспериментов прошли. Расчеты показывают, что масса самого легкого электронного нейтрино, которую и меряет 2β-эксперимент, не превышает 0.1 эВ. Для достижения такой невероятно высокой чувствительности современные 2β-проекты планируют использовать сотни килограмм, а иногда и тонны исследуемого изотопа. К числу таких проектов относится и эксперимент CUORE, предложенный группой миланских ученых во главе с профессором Этторе Фиорини.

Методика эксперимента

    Для регистрации 2β-распада будет использоваться сравнительно новая для физики элементарных частиц технология – болометрия. Вкратце, суть ее заключается в следующем. Кристалл теллура охлаждается до ультранизкой температуры, близкой к абсолютному нулю. При таких температурах кристалл оказывается в таком специфичном состоянии, когда даже ничтожное изменение температуры вызывает значительное изменение электрического сопротивления тела. Таким образом, в отличие от стандартной для физики частиц методики измерения ионизационного сигнала, болометры меряют тепловой сигнал. Излученные в процессе двойного бета-распада электроны теряют свою кинетическую энергию в кристалле, что приводит к выделению тепла и изменению температуры кристалла. Изменение температуры влечет за собой изменение сопротивления, которое можно померить. По величине изменения сопротивления судят об амплитуде сигнала. Огромным преимуществом болометров является их чрезвычайно высокое энергетическое разрешение, превышающее даже аналогичное разрешение германиевых детекторов. Высокое разрешение необходимо для снижения фона в исследуемом энергетическом интервале. Однако у новой технологии есть и свои подводные камни. Электрические сигналы, снимаемые с детектора, очень медленные - порядка миллисекунд, а это значит, что очень трудно будет бороться со всевозможными электромагнитными наводками, мешающими регистрации малых сигналов. Группа Фиорини стала одним из пионеров болометрии. Именной ей принадлежит лучшее на сегодняшний день ограничение на период полураспада ¹³⁰Te, померенное тем же способом. В настоящее время эта технология активно используется и в других, родственных с 2β-распадом областях, например, для поиска темной материи.

Оборудование планируемого эксперимента CUORE

    Эксперимент CUORE является естественным продолжением успешного эксперимента MiDBD по поиску 2β(0ν)-распада с использованием болометрической техники. Хорошие результаты, полученные в эксперименте, показали, что болометрическая техника вполне может соперничать с традиционными калориметрическими экспериментами на германии.

   Детектор CUORE будет представлять собой плотно упакованный массив из 988 TeO₂ болометров, каждый из которых – кубик 5х5х5 см3 весом 750 грамм. Массив будет состоять из 19 башенок, выстроенных как показано на рисунке. Каждая башенка в свою очередь будет насчитывать 13 модулей по 4 кристалла. Конструкция детектора оптимизирована для поиска событий, требующих сверхнизкого уровня шума: 2β(0ν)-распада ¹³⁰Te (относительное содержание этого изотопа – 33.8%), холодной тёмной материи, солнечных аксионов и редких ядерных распадов. Предшествующий CUORE эксперимент MiDBD, в котором использовалось 20 кристаллов 3×3×6 см3 весом 340 грамм, был завершен, а в 2002 году была построена одна башенка CUORE в рамках эксперимента меньшего масштаба, названного CUORICINO. Ожидаемая чувствительность, основанная на расчетах по методу Монте-Карло и экстраполяции текущих результатов, составляет 0.02-0.05 эВ для <m_ν>.
    Как уже было сказано, детектор CUORE будет состоять из 988 TeO₂ болометров. Принцип действия этих болометров хорошо изучен. Оксид теллура является диэлектрическим и диамагнитным материалом. Согласно закону Дебая, теплоёмкость кристалла при низких температурах пропорциональна отношению T/T_D³, где T_D – температура Дебая для TeO₂. Таким образом, при условии, что температура очень низка, даже небольшое выделение энергии в кристалле приведет к вполне измеримому росту температуры. Это изменение температуры может быть зарегистрировано с помощью термодатчиков и в частности с помощью нейтронно-легированных германиевых терморезисторов. Эти устройства были разработаны и произведены в Берклиевской Национальной Лаборатории имени Лоренца (LBNL) и на кафедре материаловедения Калифорнийского университета в Беркли, они уникальны по однородности отклика и чувствительности благодаря контролю над их облучением нейтронами с помощью нейтрон-поглощающих фольг, помещаемых в реактор вместе с германием. Кристаллы TeO₂ для детектора CUORE произведены компанией Shanghai Quinhua Material Company (SQM) в Шанхае.
    Единичный болометр детектора CUORE состоит из кристалла TeO₂ размером 5×5×5 см³, который является одновременно детектором и источником. Термодатчиками являются специально изготовленные нейтронно-легированные германиевые терморезисторы. Эти высоколегированные резисторы с сопротивлением 100-200 кОм, имплантированные в кремниевую микросхему размером 1 мм³, прикреплены к каждому поглотителю для калибровки и стабилизации сигнала болометра в течение длительных периодов работы. Воспроизводимость параметров детекторов была проверена в эксперименте MiDBD, где 20 детекторов работали одновременно. В эксперименте CUORE кристаллы сгруппированы в модули по четыре и удерживаются медными рамками, скрепленными медными столбиками. В качестве теплового сопротивления и для скрепления кристаллов, между медью и TeO₂ вставлены тефлоновые блоки. Между кристаллами существует зазор 6 мм. Поскольку 4 детектора механически соединены, некоторые из тефлоновых блоков касаются одновременно двух кристаллов. Результаты тестов ясно показали, что такая технология является жизнеспособной. 13 модулей по 4 детектора будут объединены с помощью двух вертикальных медных полос в башенку.

    Детектор целиком будет собран на медной раме из 19 башенок. Башенки будут механически присоединены к верхней пластине из бескислородной меди, которая будет эластично подвешена внутри смесительной камеры рефрижератора растворения (самая холодная точка). Рама и смесительная камера рефрижератора растворения, которые термически связаны, формируют теплоотвод, в то время как тефлоновые блоки создают тепловое сопротивление, задерживающее охлаждение болометров.

    Болометры работают при температуре ~7-10 мК, что потребует очень мощного рефрижератора растворения. Были произведены оценки для следующих паразитных источников тепла: перенос тепла остаточным гелием во внутренней вакуумной камере; тепло, излучаемое защитным экраном детектора (температура 50 мК); энергия колебаний. Понадобиться система, подобная той, что использует коллаборация Nautilus для охлаждения двухтонной гравитационной антенны. Одной из важных особенностей конструкции рефрижератора является отверстие диаметром 50 мм для прямого доступа в смесительную камеру, чтобы закрепить детектор на упругом подвесе, что позволит уменьшить вибрации детектора. Сосуд Дьюара, внутри которого расположится рефрижератор, должен иметь оболочку из жидкого азота, что позволит обойтись без специальной изоляции, которая несколько радиоактивна. Также будет использована мощная защита для поглощения внешней радиации. Часть массивной свинцовой защиты будет помещена внутри криостата, а часть – вовне. Это позволит экранировать сосуд Дьюара, а также уменьшить количество свинца. Трехсантиметровые стенки детектора будут изготовлены из сверхнизкоактивного свинца (Roman lead) с активностью ²¹⁰Pb < 4 мБк/кг. Рефрижератор растворения будет изготовлен из специальных низкоактивных материалов. Тем не менее, уровень его радиоактивности может быть выше, чем допускают требования чувствительности. Верх детектора будет защищен двумя слоями свинца площадью 1×1 м², в которых будет проделано отверстие диаметром 10 см, для медного штифта, который удерживает детектор, и горловин внутренней и внешней радиационной защиты рефрижератора, имеющих температуру 50 и 600 мК соответственно. Нижний слой, расположенный ближе к детектору будет иметь толщину 10 см и будет сделан из высококачественного свинца с активностью ²¹⁰Pb 16 Бк/кг. Верхний слой, также 10 см толщины, будет изготовлен из современного свинца с активностью ²¹⁰Pb 150 Бк/кг. Другой слой свинца толщиной 17 см и размером 40×40 см² будет помещён непосредственно над верхней пластиной детектора. Он будет изготовлен из низкоактивного свинца с активностью ²¹⁰Pb 16 Бк/кг. Конфигурация защиты такова, что наименьший путь от внутренней вакуумной камеры и смесительной камеры до детектора будет проходить через 20 см свинца. Наконец, вокруг сосуда Дьюара будут расположены два 10 см слоя свинца с активностями ²¹⁰Pb 16 Бк/кг для внутреннего слоя и 150 Бк/кг для внешнего слоя. Свинцовая защита будет окружена коробом из борированного полиэтилена толщиной 10 см, который также будет играть роль герметичного контейнера для исключения попадания радона. Он будет постоянно омываться сухим азотом. Сосуд Дьюара, детектор и защита будут заключены в клетку Фарадея, чтобы исключить электромагнитные возмущения, которые также являются источниками фона, хоть и низкоэнергетичного, важного при поиске темной материи и солнечных аксионов. Основным критерием выбора материалов для всех деталей детектора CUORE являлась низкая активность. Особое внимание уделено детекторам, кристаллы для которых которые будут выращены из сверхчистой TeO₂ пудры. Воздействие на них космических лучей также будет минимизировано. Большое внимание будет уделено обработке поверхностей. После обработки на станке, детали из сверхчистой меди и тефлона будут подвергнуты специально процедуре очистки поверхности, которая будет гарантировать требуемый низкий уровень активности этих деталей, напрямую примыкающих к детекторам. Модули будут собираться под землей в специальных чистых комнатах с низкой концентрацией радона, во избежание загрязнения детектора продуктами распада радона.
    Интерфейсная электроника, подающая ток смещения на терморезисторы, а также получающая и обрабатывающая выходное напряжение будет установлена после криогенной системы. Сейчас разрабатываются два возможных решения, отличающиеся в основном холодным буферным каскадом, устанавливаемым между детектором и предусилителем, имеющим комнатную температуру. Терморезисторы будут соединяться при помощи экранированной витой пары. Конструкция электроники основывается на следующих принципах:

• минимизация шумов схемы смещения и предусилителя;
• возможность управления диапазоном откликов болометров;
• измерение характеристик болометра "на месте";
• высокий уровень удалённого программирования с целью избежать необходимости ручной установки параметров "на месте", которая может помешать измерениям болометра.

    Детектор CUORE будет расположен в подземных помещениях LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) на глубине 3400 м под поверхностью.

Эксперимент CUORICINO

    В 2002 году была построена одна башенка детектора CUORE. Она была помещена в смесительную камеру рефрижератора растворения, который использовался в миланском эксперименте MiDBD. Этот эксперимент был назван CUORICINO, и он является не только тестовой площадкой для CUORE, но также позволит точнее измерить значение <m_ν>, полученное с помощью обогащенных галлиевых детекторов. Эксперимент CUORICINO позволит доказать применимость технологии MiDBD к большим детекторам, а также проверить в уменьшенных масштабах технологии CUORE.
    Детектор CUORICINO состоит из 62 TeO₂ болометров, объединенных в башенку. Полная масса TeO₂ составляет почти 40 кг. Башенка состоит из 13 модулей, 11 из которых сделаны как описывалось выше для детектора CUORE, а 2 оставшихся набраны из 18 кристаллов TeO₂ размером 3×3×6 см³, которые использовались в эксперименте MiDBD. Эти меньшие кристаллы весят по 330 грамм каждый, 14 из них сделаны из природного теллура, а 4 – из обогащенного: два из ¹³⁰Te (относительное содержание 75%) и два из ¹²⁸Te (относительное содержание 82.3%).
    Модули объединены медными рамками и стержнями как описывалось выше для детектора CUORE. Весь детектор помещён в короб с толщиной стенок 1 см, изготовленный из сверхнизкоактивного свинца (Roman lead) с активностью ²¹⁰Pb < 4 мБк/кг.
    Интерфейсная электроника каждого детектора размещена при комнатной температуре и состоит из дифференциального предусилителя, управляемого по напряжению, и фильтра защиты от наложения спектров. Пара нагрузочных резисторов (металлических плёнок, сопротивлением 30 ГОм), работающих при комнатной температуре служат для настройки каждого болометра одинаковым образом.

    Детектор работает при температуре примерно 10 мК с колебаниями, не превышающими 1 мК. Детекторы откалиброваны с помощью комбинированных радиоактивных источников ²³⁸U и ²³²Th, помещенных снаружи рефрижератора растворения. В соответствии с результатами прошлых тестов модулей, энергетическое разрешение (ширина на половине высоты) пятисантиметровых детекторов будет тем же самым, что и для детекторов, использовавшихся в эксперименте MiDBD и составит примерно 5 кэВ при энергии 2β-распада (2528 кэВ) и примерно 1 кэВ возле порога (10 кэВ). Калибровочный спектр пятисантиметровых детекторов, полученный с помощью радиоактивных источников ²³⁸U и ²³²Th представлен на рисунке.
    Ожидаемый фон составляет примерно 0.1 отсчёт/(кэВ^.кг^.год) (примерно половина от фона в эксперименте MiDBD), что позволит достигнуть чувствительности в определении <m_ν> примерно 0.1-0.7 эВ (в зависимости от величины матричного элемента, используемого при извлечении <m_ν> из периода полураспада ¹³⁰Te).

Другие эксперименты

    В случае обнаружения положительного эффекта, то есть наблюдения 2β(0ν)-распада, необходимо будет подтвердить результат, используя другой изотоп. И такие проекты уже есть, в частности, коллаборации GENIUS и MAJORANA планируют исследовать изотоп ⁷⁶Ge.

Эксперименты, которые будут реализованы в ближайшие ~5-10 лет

• CUORE (¹³⁰Te, низкотемпературный детектор)
• GERDA (⁷⁶Ge, HPGe детектор)
• MAJORANA (⁷⁶Ge, HPGe детектор)
• EXO (¹³⁰Xe, TPC + Ba⁺)
• SuperNEMO (⁸²Se, трековый детектор)

Литература

1. CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) – LNGS:
   http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/contents/lngs_en/research/experiments_scientific_info/experiments/proposed/cuore/
2. CUORICINO (a first step in the CUORE project) – LNGS:
   http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/contents/lngs_en/research/experiments_scientific_info/experiments/current/cuoricino/
3. CUORE Cryogenic Underground Observatory for Rare Events:
   http://crio.mib.infn.it/wig/Cuorepage/CUORE.php?1
4. CUORICINO Cryogenic Underground Observatory for Rare Events:
   http://crio.mib.infn.it/wig/Cuoricinopage/CUORICINO.php
5. Эксперимент CUORE - еще одна попытка взвесить нейтрино:
   http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=c975be15-1cbb-4b3e-9236-67f502e368cc&_Language=ru
6. 6. 03.03.03 hep-ex за февраль 2003 года: избранные статьи:
   http://www.scientific.ru/journal/news/0303/hep-ex-2003-02.html
7. A. Alessandrello et al.: The first step toward CUORE: Cuoricino, a thermal detector array to search for rare events, Nucl. Phys. B (Proc. Suppl) 87 (2000) 78.
8. C. Arnaboldi et al.: CUORE: A Cryogenic Underground Observatory for Rare Events. Subm. to NIM B (2002)
9. O. Cremonesi: Neutrinoless double beta decay: present and future, Nucl.Phys. B (in the press).
10. A. Alessandrello et al: A Cryogenic underground Observatory for Rare Events: CUORE, an update.
11. CUORE Collaboration - Physics Potential and Prospects for the CUORICINO and CUORE Experiments.

декабрь 2006 г.