2
Оглавление
Введение...................................................................4
1 Экспериментальная ситуация но 2р0у-распаду...............................8
1.1 Основные представления о двойном бета-распаде.......................10
1.2 Экспериментальная чувствительность к 2р0у-расиаду...................14
1.3 Методы регистрации двойного бета-распада............................16
1.4 Эксперименты по поиску 2р-раснада...................................17
1.5 Обзор основных экспериментов по поиску 2р0у-распада.................20
1.5.1 Heidelberg - Moscow............................................20
1.5.21GEX (International Germanium EXperiment).......................22
1.5.3 NEMO 3 (Neutrino Ettore Majorana Observatory)..................23
1.5.4 CUORE (Cryogénie Underground Observatory for Rare Events)......24
1.5.5 Majorana.......................................................27
2 Гамма-фон в эксперименте GERDA..........................................29
2.1 Эксперимент GERDA (GERmanium Detector Array)........................29
2.2 Используемое программное обеспечение................................32
2.3 Источники фона в эксперименте.......................................33
2.4 Внешний фон криостата...............................................34
2.5 Расчет медной защиты................................................41
2.6 Фон окружающей горной породы........................................45
2.7 Активные методы подавления фона.....................................48
2.8 Внутренний фон кристаллов...........................................51
3 Эксперимент но измерению сечений образования радионуклидов в германии под действием протонов с энергией 100 МэВ......................59
3.1 Схема эксперимента..................................................60
3.2 Облучение мишени пучком протонов....................................60
3.3 Энергия протонов на мишени и монохроматичность пучка................62
3.4 Измерение спектров излучения образованных изотопов..................65
3.4.1 Полупроводниковый спектрометр..................................65
3.4.2 Сцинтилляционный спектрометр...................................66
3.5 Обработка результатов измерений.....................................69
3.6 Эффективность регистрации 74As в спектрометре Nal (Т1)..............71
3.7 Результаты эксперимента и их анализ.................................73
3
4 Активация германия космическим излучением..............................76
4.1 Активации германия на уровне моря..................................76
4.2 Активация германия в подземной лаборатории.........................81
4.2.1 Энергетический спектр мюонов под землей..........................82
4.2.2 Поток протонов и нейтронов под землей............................86
4.2.3 Скорость активации германия в подземной лаборатории..............87
4.2.4 Оценка предельной чувствительности эксперимента..................91
Заключение...............................................................93
Литература...............................................................96
4
Введение
Актуальность темы диссертации
Одним из фундаментальных физических открытий последних лет является открытие нейтринных осцилляций. Из существования нейтринных осцилляций следует наличие отличной от пуля массы нейтрино, по крайней мере, у двух типов нейтрино, а скорее всего у всех грех. В связи с этим встает вопрос о природе этой массы - майорановская или дираковская и се величине. Анализ всех имеющихся нейтринных данных показывает, что наиболее вероятное значение массы электронного нейтрино находится в области нескольких мэВ. Единственной возможностью исследовать эту область масс является поиск двойного безнейтринного бета-распада. Эта задача является одной из основных задач экспериментальной нейтринной физики низких энергий. Современные экспериментальные данные за исключением одной работы [1] дают для нейтринной массы только верхние пределы, и общепринятая точка зрения состоит в том, что для решения вопроса необходимы новые эксперименты с более высокой чувствительностью. Однако, учитывая специфику связи экспериментально полученных данных с получаемым пределом для массы нейтрино, это возможно только в случае существенного снижения уровня фона на 2-3 порядка. В связи с этим детальный анализ фона и методов его снижения является одной из центральных задач подготовки экспериментов нового поколения. Одним из наиболее трудно устранимых источников фона в детекторах нового поколения является активация материалов детектора под действием космических лучей. Сделанные в настоящее время оценки основаны на различных ядерно-физических моделях и не обладают достаточной степенью надежности. В настоящей работе получены экспериментальные данные по сечениям образования радиоактивных изотопов в материале германия под действием высокоэнергичных частиц, что позволяет получить более корректные оценки. Другой важной проблемой является учет фона, связанного с радиоактивностью от окружающих детектор материалов с примесью естественных радиоактивных элементов при большой
5
толщине пассивной защиты (больше 10 пробегов гамма кванта). В работе найден метод модификации стандартного пакета Geant4, позволяющего сделать точный расчет этого источника фона при разумных затратах времени вычислении. Полученные результаты являются основой для проектирования экспериментов нового поколения по поиску двойного безиейтринного бета-распада 76Ge.
Основные результаты, представленные к защите
1. Получены впервые результаты измерений сечений образования радиоактивных изотопов 74As, '‘As, 69Ge, 68Ge, 65Zn и 60Co под действием протонов с энергией 100 МэВ в германии естественного и обогащенного по изотопу ?6Ge состава.
2. Расчет скорости образования 68Ge и 60Со на уровне моря на основе экспериментальных данных.
3. Расчет фона от распадов образовавшихся радионуклидов в экспериментах нового поколения по поиску 2р0у-распада в германиевых детекторах естественного и обогащенного 76Ge состава.
4. Расчет скорости образования 74As, 68Ge, 68Ga и (,0Со на различных глубинах под землей под действием космического излучения на основе полученных экспериментальных данных по сечениям их образования.
5. Расчет фона в подземных лабораториях в экспериментах нового поколения по поиску 2р0у-распада в германиевых детекторах естественного и обогащенного 76Ge состава от распадов, образовавшихся под действием космических лучей радионуклидов.
6. Метод и результаты расчета фона от распадов естественных радионуклидов в материале криостата и окружающей горной породе (эксперимент GERDA).
7. Результаты расчета энергетических спектров от распадов урана, тория и их радиоактивных рядов в германиевых детекторах и полученные
значения допустимого содержания урана и тория для получения индекса фона 103 (кг год кэВ)'1.
Научная новизна
1. Впервые измерено сечение образования ряда радиоактивных изотопов под действием протонов с энергией 100 МэВ в обогащенном /6Ge германии.
2. Впервые рассчитана скорость образования 68Ge и 60Со на уровне моря на основании экспериментальных данных.
3. Разработан метод расчета транспорта гамма-излучения на расстояние более Юти пробегов и рассчитан фон от распадов естественных радиоактивных изотопов в материале криостата и окружающей горной породе (эксперимент GERDA).
Цель работы
Экспериментальное измерение сечений образования радиоактивных изотопов под действием протонов с энергией 100 МэВ в германии
ПС\
естественного и обогащенного по изотопу Ge состава и расчет фоновых эффектов в экспериментах нового поколения по поиску 2р0у-распада 7 Ge от космического излучения и внутренних и внешних радиоактивных источников.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и представлялись на научных конференциях Neutrino 2006, рабочих встречах коллаборации GERDA, семинарах ИЯИ и конференция МФТИ.
Публикации
Основные результаты научных исследований но теме диссертации содержатся в 7 публикациях, в т. ч. В 4 публикациях в ведущих научных журналах перечня Высшей аттестационной комиссии.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 99 страниц, 42 рисунка, 19 таблиц.
- Київ+380960830922