Исследование процессов двойного бета-распада 100Мо и 82Se на трековом детекторе NEMO 3

3
12
13
19
21
24
26
30
43
43
45
46
51
54
56
57
62
62
62
62
67
73
73
Оглавление
Введение
1 Эксперимент NEMO 3
1.1 Описание детектора...................................................
1.2 Программное обеспечение для моделирования детектора и анализа данных ....................................................................
1.3 Энергетическая калибровка детектора..................................
1.4 Временная калибровка детектора и времяпролетная методика.............
1.5 Возможные каналы регистрации событий ................................
1.6 Исследование работы детектора с помощью источников 207Bi известной активности .............................................................
2 Исследование фона в детекторе NEMO 3
2.1 Природа и источники фоновых событий в эксперименте NEMO 3 . . . .
2.2 Оценка внешнего фона.................................................
2.3 Содержание 222Rn в трековой камере...................................
2.4 Содержание ^Tl в источниках и трековой камере........................
2.5 Радиоактивные примеси в источниках; внутренний фон...................
2.6 Фон от внешних нейтронов и гамма-квантов высокой энергии.............
2.7 2е-события в медной фольге...........................................
3 Исследование двойного бета-распада 100Мо
3.1 Двухнейтринный двойной бета-распад 100Мо.............................
3.1.1 2е-события в Мо...............................................
3.1.2 Элементы теории двухнейтринного рр-распада....................
3.1.3 Анализ 2р2и распада 100Мо.....................................
3.2 Поиск безнейтринного двойного бетаграспада...........................
3.2.1 2е-события большой энергии (~ 3 МэВ); массовый механизм и
существование правых токов....................................
1
* 3.2.2 Поиск безнейтринного двойного бета-распада с испусканием май-
орона(ов) методом максимального правдоподобия...................79
*
4 Исследование двойного бета-распада 82Эе 83
4.1 Двухнейтринный двойной бета-распад 82Бе................................83
4.1.1 2е-события в Эе ............................................... 83
^ 4.1.2 Анализ 2р2и распада 828е....................................... 84
4.2 Поиск безнейтринного двойного бета-распада 828е........................86
* 4.2.1 2е—события большой энергии (~ 3 МэВ); массовый механизм и
примесь правых токов........................................... 86
4.2.2 Поиск безнейтринного двойного бета-распада с испусканием май-орона(ов) методом максимального правдоподобия.........................88
Заключение 91
»
л
♦
ч
2
4
•*
Введение
і
Нейтринная физика является в настоящее время одним из приоритетных и бурно развивающихся направлений физики элементарных частиц. Такая ситуация сложилась благодаря ряду блестящих результатов, полученных в последние годы и подтвердивших существование нейтринных осцилляций.
Впервые об обнаружении нейтринных осцилляций в 1998 году заявила коллабо-рация Super-Kamiokande [1). Она исследовала потоки нейтрино, рожденные космическими лучами в атмосфере. В результате наблюдений был зарегистрирован дефицит потока i/p по сравнению с vt. Их отношение оказалось почти вдвое меньше предсказанного, причем величина расхождения зависела от направления импульса частиц. Дефицит оказался более ярко выраженным для нейтрино, летящих снизу вверх, по сравнению с горизонтальными нейтрино, то есть зависел от длины пройденного частицей пути. Это послужило веским аргументом в пользу гипотезы осцилляций.
Следующим важным достижением оказалось решение проблемы нехватки солнечных нейтрино. Впервые эта проблема возникла во время измерения потока солнечных нейтрино в хлор-аргонном эксперименте [2]. Наблюдаемый поток ие оказался заметно ♦ меньше предсказанного. Позднее дефицит был подтвержден экспериментами SAGE,
GALLEX, Kamiokande и др. (см. обзор [3]). Ключом к решению оказался эксперимент SNO. Измерение потока солнечных нейтрино с помощью реакций заряженного и нейтрального тока в этом эксперименте показало, что полный поток солнечных нейтрино всех ТИПОВ (ие, t'p и і/т) больше потока электронных нейтрино (ие) и в целом согласуется с предсказанием солнечной модели. Тем самым был доказан факт осцилляций нейтринных ароматов, подтверждена гипотеза осцилляций нейтрино в веществе солнца по механизму Михеева-Смирнова-Вольфенпггейна [4] (так называемое MSW-LMA решение) и измерены соответствующие параметры: разность масс нейтрино Attiq и угол смешивания sin220© (5).
Наконец, в эксперименте KamLAND [6] с реакторными антинейтрино были обнаружены осцилляции с теми же параметрами Атп2 и sin2 20, что и для солнечных
3
нейтрино.
Из факта существования нейтринных осцилляций неизбежно следует существование у нейтрино массы, что подхлестнуло интерес к экспериментам по ее измерению и, в частности, к поиску безнейтринного /9/3-распада (2/50и). Кроме проблемы массы нейтрино, 2/30V распад тесно связан со следующими фундаментальными вопросами физики элементарных частиц (см. обзоры [7, 8, 9]):
• несохранение лептонного числа;
• природа массы нейтрино (майорановская или дираковская);
• иерархия масс нейтрино;
• существование правых токов в слабом взаимодействии;
• нарушение СР-четности в нейтринном секторе;
• существование майорона;
• структура хиггсовского сектора;
• суперсимметрия;
• существование лептокварков;
• существование тяжелого стерильного нейтрино;
• составное нейтрино.
Идея /3/3-распада возникла почти сразу после создания теории /9-распада. Еще в 1935 г. М. Гепперт^Майер [10) впервые указала на возможность существования реакции
(А, г) -> (А,г + 2) + 2е- + 2Р. (1)
В 1937 г. Э. Майорана показал [11], что возможно существование нейтрино, которое тождественно своей античастице - антинейтрино, при этом выводы теории слабого взаимодействия остаются верны. Такой тип нейтрино принято называть майо-рановским в противовес дираковскому (и ф и) и их разделение имеет смысл в случае ненулевой массы нейтрино.
Позднее, в 1939 г., Фари [12] обратил внимание на то, что для майорановских нейтрино возможен процесс безнейтринного /3/9-распада
(А, г) -+ (А,г + 2) + 2е~. (2)
¥
В этом случае происходит нарушение лептонного числа (ДЬ = 2) и данный процесс запрещен в рамках стандартной модели. Переход идет как бы в две стадии: в начале испускаются первый электрон и виртуальное антинейтрино, которое, в силу своей тождественности нейтрино, тут же поглощается ядром и индуцирует испускание второго электрона. Поскольку слабое взаимодействие имеет (У-А) структуру, 4 кроме тождественности и и Р требуется переворот спина виртуального йе. Вероят-
ность этого события, а следовательно и амплитуда 2(30и распада, пропорциональна массе нейтрино.
Таким образом, измерение 2/30и распада позволяет косвенным образом получить информацию о массе нейтрино и его природе (майорановская или дираковская частица), что и обуславливает интерес к поиску этого процесса в течении последних 65 лет.
»
Позднее были сформулированы другие возможные механизмы 2рЪи распада. Наг 1 пример, при наличии правых токов в лагранжиане слабого взаимодействия, обмена
суперсимметричными частицами и т.д. Однако эти возможности нельзя рассматривать отдельно от массового механизма. Экспериментальное обнаружение реакции (2) неизбежно означает, что нейтрино - массивная майорановская частица [13, 14).
Другая интересная возможность - это /9/9-распад с испусканием майорона:
(Л, 2) -> (А,г + 2) + 2е"+*0. (3)
Существование массивного майорановского нейтрино означает несохранение леп-т тонного числа, и одна из возможностей это сделать - спонтанное нарушение гло-
бальной (В-Ь) симметрии. При этом возникает безмассовый голдстоуновский бозон (майоров), связанный с нейтрино. Майорон может играть существенную роль в истории ранней вселенной и в эволюции звезд - с чем и связан интерес к этой частице.
Несмотря на то, что модель стандартного триплетного майорона была опровергнута в эксперименте ЬЕР по измерению ширины распада Z0 бозона (15), по-прежнему возможно существование синглетного майорона [14]. Кроме того, существуют “нестандартные” модели, содержащие безмассовые бозоны, связанные с нейтрино, и нарушающие сохранение лептонного заряда, которые не противоречат данным ЬЕР [16, 17,18,19, 20, 21]. По аналогии такие частицы также принято называть “майоро-нами”.
Вследствие малости константы слабого взаимодействия ДО-распад, как процесс более высокого порядка, наблюдаем только тогда, когда обычный /9-распад либо за-
5
прещен по энергии, либо сильно подавлен. Существует примерно 36 ядер, для которых возможны 0-0_-псрсходы [22].
Экспериментально разрешенный 00-распад с испусканием (анти)нейтрино был впервые обнаружен в геохимических экспериментах с ,30Те [23] в конце 40-х годов. В 1967 г., также в геохимическом эксперименте, был открыт 20-распад ^Se [24]. И только в 1987 году 2р2и распад 82Se был измерен в прямом эксперименте М. Моу при помощи время-проекционной камеры (ТРС) [25].
В настоящее время 202v мода распада измерена для 10-ти ядер (см. табл. 1). Следует отметить большие статистические ошибки этих измерений, связанные с чрезвычайно низкой скоростью процесса. Тем не менее, прецизионное измерение параметров 2р2и распада важно для теории строения атомного ядра и техники расчета ядерных матричных элементов (ЯМЭ) 00 перехода.
Наблюдать безнейтринный /30-распад проще с экспериментальной точки зрения, т.к. это - двухчастичный распад. Сигнал представляет собой пик в полном (суммарном) спектре с энергией, равной энергии 00 перехода (рис. 1), и шириной, определяемой разрешением установки. Однако, в силу малой массы нейтрино обнаружить его до сих пор не удалось. В таблице 1 приведены нижние пределы для нескольких ядер, измеренные на сегодняшний день.
Часть коллаборации Гейдельберг-Москва (эксперимент с 76Ge в лаборатории Гран-Сасо) полагает, что в их спектре есть указание на существование искомого пика 1 [26, 27]. Но стоит отметить, что пока этот результат не может считаться статистически значимым (согласно оценке авторов, пик превышает уровень фона на « 4ст). Кроме того, появилась обширная критика полученного результата [28, 29, 30], к тому же альтернативный анализ части данных существование пика не подтверждает [31].
Как видно (табл. 1), наибольший прогресс с точки зрения чувствительности к 200v и массе нейтрино был достигнут в эксперименте Гейдельберг-Москва [32], который в данный момент уже прекратил набор статистики, но продолжает обработку полученных данных. Две другие крупные установки, Cuorecinno [33] (болометр из кристаллов Те02) и NEMO 3 (34, 35, 36], находятся в стадии набора данных.
Разрабатывается также целый ряд экспериментов с планируемой чувствительностью к массе нейтрино на уровне (0.03-0.1) эВ, которые находятся в стадии развития, и, возможно, будут осуществлены в ближайшем будущем (см. обзоры [37]). Среди них можно выделить проект Supcr-NEMO [38], который является логичным продолжением NEMO 3. В настоящее время коллаборация начала R&D по улучшению
Сказывается период полураспада Т^2 = [1.19^o6] • 1025 лет, что соответствует массе нейтрино (т„) = 0.44Ід;з4 эВ. Ошибки даны в интервале 3<т.
6
«
•*
«і
энергетического разрешения сцинтилляционного калориметра.
Е, КэВ
Рис. 1: Спектры полной энергии электронов для пяти типов двойного бета-распада 100Мо (двухнейтринный, безнейтринный, безнейтринный с испусканием майорона). п - т. н. спектральный индекс, определяющий форму спектра (см стр. 79)
Двойной бета распад с испусканием майорона(ов) отличается от 202и распада по форме спектра полной энергии электронов (рис. 1). Его поиски на сегодняшний день также не дали положительных результатов, а установленные для различных ядер пределы даны в табл. 1.
Как уже отмечалось, наибольший энтузиазм вызывает массовый механизм без-нейтринного 00-распада, в связи с открытием непулевой массы нейтрино. В этом случае скорость распада зависит от массы нейтрино как
(Т^Т‘ = (Ы)2. циу2 . С*. (4)
где: С?о»/ - кинематический фазовый объем конечных лептонов, вычисляемый аналитически, Мо„ - матричный элемент ядерного перехода (ЯМЭ), в расчетах которого существуют большие неопределенности, и (т„) - “эффективная” масса нейтрино.
7