Руководитель проекта О.И. Кочетов - JINR

Проект NEMO
Исследование процессов двойного бета распада в эксперименте NEMO
Аннотация
Участники от ОИЯИ: В.Б. Бруданин, Р.В. Васильев, Ц.Д. Вылов, В.Г. Егоров, А.А.
Клименко, О.И. Кочетов, В.Э. Коваленко, И.Б. Немченок, А.А. Смольников, И. Е. Смирнова,
В.А.Тимкин, В.И. Третьяк, Д.В. Философов, Ю.А. Шитов
Объединенный институт ядерных исследований, ДЛЯП (Дубна)
Руководитель проекта: О.И. Кочетов (kochet@jinr.ru)
Введение
Безнейтринный двойной бета распад (0νββ) это тест физики за пределами Стандартной
Модели (СМ) - нарушение лептонного числа и определение природы нейтрино
(Майорановская или Дираковская), абсолютная шкала массс нейтрино и иерархии нейтрино,
и др. Для однозначного обнаружения 0νββ-распада необходимо провести несколько
экспериментов различными методами с разными источниками. Эксперименты NEMO-2,3
подтвердили работоспособность используемой методики и с их помощью были получены
важные результаты, часть из которых лучшие в мире. Двойной нейтринный бета распад
(2νββ) является процессом второго порядка в слабом взаимодействии. Прецизионное
измерение 2νββ-распада очень важно поскольку он дает неустранимый фон в области 0νββсигнала. Эти результаты также можно использовать для теста ядерной структуры и
теоретических вычислений ядерных матричных элементов (ЯМЭ) 0νββ-распада.
NEMO-3 технику можно экстраполировать на ~100 кг источника c чувствительностью
(1-2) х 1026 лет (SuperNEMO). Только треко-калориметрическая методика NEMO-3 и TPC
позволяют напрямую регистрировать ββ-распад. Три года R&D программы SuperNEMO
проходят успешно. Ключ к достижению цели – энергетическое разрешение калориметра,
выбор изотопа и радиоактивная чистота. Цель SuperNEMO – чувствительность <mν> ~ 0.05
эВ, что сравнимо с планами других 0νββ-экспериментов следующего поколения.
Эксперимент NEMO-3. В 1989 году коллаборация NEMO начала R&D программу с целью
создания серии детекторов (NEMO-2,3) для поиска 0νββ-распада на уровне чувствительности
по эффективной массе нейтрино на уровне 0.1 эВ. Эти детекторы должны были основываться
на прямой регистрации двух электронов с помощью трекового детектора в сочетании с
измерением энергий каждого электрона с использованием сцинтилляционного калориметра.
Детектор NEMO-3 . NEMO-3 детектор (трековые газовые детекторы +
сцинтилляционный калориметр + магнитное поле) способен измерять не только
суммарную энергию электронов в ββ - распаде, но и все остальные параметры этого
процесса одновременно для всех практически интересных ββ - изотопов с общей массой
до 10 кг. NEMO-3 (Рис. 1) имеет форму тора и представляет собой модульную
конструкцию, состоящую из 20 сегментов. Регистрирующая система NEMO-3 включает в
себя трековый детектор на основе 6180 гейгеровских газовых счетчиков и калориметр,
состоящий из 1940 пластмассовых сцинтилляторов, просматриваемых низкофоновыми
ФЭУ. При трехметровой длине дрейфовых гейгеровских ячеек в трековой камере удалось
добиться хорошего пространственного разрешения вершин треков. Трековый объем
детектора (~ 20 м3) заполняется из специальной проточной газовой системы рабочей
смесью 95% гелия, 4% этилового спирта, 1% аргона и 0.1% воды. Сцинтилляционные
детекторы выполняют несколько функций: регистрацию энергий электронов, излучаемых
в процессе двойного бета-распада; режектирование фоновых γ – квантов; измерение
1
времяпролетных характеристик и выдачу быстрого сигнала триггера. Сцинтилляторы
формируют две концентрические цилиндрические стены, которые определяют
Рис. 1. Схема детектора NEMO-3.
Рис. 2. ββ-изотопы в детекторе NEMO-3.
внутреннюю и внешнюю поверхности детектора. Для обеспечения ~ 4π – геометрии
верхняя и нижняя плоскости установки имеют дополнительные ряды сцинтилляционных
блоков между рядами ячеек гейгеровских счетчиков. Общая масса сцинтилляторов 7200
кг, площадь рабочей поверхности всех сцинтилляторов ~ 50 м2. Источники двойного бета
– распада, изготовленные из обогащенных изотопов, выполнены в виде тонкослойных
фольг и помещаются непосредственно в газовый объем трековой части установки. В
2
настоящее время в NEMO-3 одновременно измеряются семь ββ – изотопов (48Ca, 82Se,
96Zr, 100Mo, 116Сd, 130Te, 150Nd) общей массой около 10 кг.
Основное преимущество эксперимента NEMO-3 это возможность регистрации треков и
измерение энергии обоих электронов ββ-распада, что позволяет анализировать
практически все характеристики двойного бета-распада: суммарную энергию электронов,
спектры одиночных электронов, угловые корреляции и т.д. Эту уникальную информацию
невозможно получить в геохимических и калориметрических экспериментах.
Событие двойного бета-распада устанавливается в соответствии с требованиями наличия
двух треков отрицательной кривизны с общей вершиной на фольге-источнике и
выделение энергий в соответствующих пластмассовых сцинтилляторах. Используемая в
калориметре время-пролетная методика позволяет отбирать события когда два
электрона вылетают из фольги одновременно. Остальные фоны в двухэлектронный
сигнал оцениваются путем наблюдения контрольных каналов.
Кроме активного подавления фона предусмотрена многослойная пассивная защита,
включающая в себя: сами пластмассовые сцинтилляторы, медь (катушки соленоида),
железо и комбинацию из деревянных блоков и танков с борированной водой для защиты
от нейтронов.
Конструкция NEMO-3 позволяет вводить внутрь установки радиоактивные источники для
проведения временной калибровки (60Co) и абсолютной энергетической калибровки (90Sr,
207Bi) сцинтилляторов. Калибровочный источник нейтронов располагается снаружи
установки. В этом случае комптоновские электроны от гамма-квантов, сопровождающих
захват нейтронов в веществе, используются для калибровки трековой камеры. Кроме
абсолютных энергетических калибровок, проводимых несколько раз в год, в установке
NEMO-3 осуществляются относительные энергетические калибровки с помощью лазера.
Для защиты от космического фона установка NEMO-3 расположена в подземной
лаборатории LSM, построенной в ответвлении 13-километрового автомобильного туннеля
Фрейджюс, соединяющего Францию и Италию. Толщина скальных пород над
лабораторией равна 1700 м (4800 метров водного эквивалента). В этих условиях фон от
космического излучения составляет всего 4 мюона/м2/сутки.
Фон NEMO-3
NEMO-3 детектор позволяет измерять индивидуальные траектории и энергии частиц, и
таким образом восстанавливать топологию конечного состояния и кинематику событий.
За счет идентификация частиц e-, e+, α, and γ удалось достичь прекрасного подавления
фона. Использование время-пролетной методики позволяет подавить фон от внешних
частиц, пересекающих детектор. Кроме того активное подавление фона в NEMO-3
достигается благодаря следующим критериям отбора полезных событий (ββ-распад):
трековый детектор позволяет различать заряженные частицы с общей вершиной на
поверхности фольги-источника; точное измерение времени дает возможность отделить
полезные события от событий, обусловленных заряженными частицами, пролетевшими
детектор насквозь; магнитное поле (~ 25 гс) за счет искривления траектории заряженных
частиц позволяет идентифицировать электронно-позитронные пары, произведенные
гамма-квантами в фольгах-источниках. Как результат фон в эксперименте NEMO-3
понимается, контролируется и устраняется на беспрецендентно высоком уровне.
2νββ-распад на основное состояние
В эксперименте NEMO-3 проводятся измерения 2νββ-распада для семи изотопов с
высокой статистикой. Например, спектр сумм энергий и угловое распределение
3
электронов для 100Mo представлены на Рис. 3, а результаты периодов полураспада в
Таблице 1.
Рис. 3. Распределение суммы энергий двух электронов и угловое распределение для 100Mo.
Табл. 1. Результаты измерений 2νββ-распада в эксперименте NEMO-3, S/B отношение
сигнал/фон.
Isotope
100
Mo
82
Se
116
Cd
150
Nd
96
Zr
48
Ca
130
Te
Mass (g)
6914
932
405
37.0
9.4
7.0
454
Q (keV)
3034
2995
2805
3367
3350
4272
2529
T1/2 [1019 years]
0.711  0.002 (stat)  0.054 (syst)
9.6  0.3 (stat)  1.0 (syst)
2.8  0.1 (stat)  0.3 (syst)
0.920 00..025
022 (stat)  0.072 (syst)
2.3  0.2 (stat)  0.3 (syst)
4.4 00..54 (stat)  0.4 (syst)
76  15 (stat)  8 (syst)
S/B
40
4
7.5
2.8
1
6.8
0.25
2νββ и 0νββ -распады на возбужденные состояния
2νββ-распад 100Mo на возбужденные состояния 0+1 и 2+1 100Ru исследовался, используя
данные, полученные в эксперименте NEMO-3. После анализа данных, полученных в
результате набора данных в течение 8024 часов, определен период полураспада 2νββраспада 100Mo на возбужденное состояние 0+1: T1/2 =[5.7+1.3-0.9 (стат.) ± 0.8(сист.)] ∙ 1020 лет.
Отношение сигнал/фон ~ 3. Не наблюдалось событий 0νββ-распада 100Mo на
возбужденное состояние 0+1. Как результат получено ограничение на период полураспада
T1/2 (0+ → 0+1) > 8.9 ∙ 1022 лет (90% С.L.). Исследование ββ-распада на 2+1 состояние
позволило определить пределы на 2νββ-моду: T1/2 (0+ → 2+1) > 1.1∙ 1021 лет (90% С.L.) и
0νββ-моду: T1/2 (0+ → 2+1) > 1.6∙ 1023 лет (90% С.L.).
0νββ исследования
Обмен легкими нейтрино (массовый механизм)
0νββ-распад посредством обмена легкими Майорановскими нейтрино проявляется как
пик при конечной энергии двух электронов, размазанный вследствие конечного
4
энергетического разрешения детектора. «Хвосты» энергетического распределения 2νββраспада 100Mo и 82Se представлены на Рис. 4.
Рис. 4. “Хвосты” энергетических спектров 100Mo и 82Se, где ожидается 0νββ-сигнал, после
695 дней набора данных.
Табл. 2. Ограничения для периода полураспада 0νββ и соответствующие ограничения на
эффективную массу нейтрино.
Isotope
100
Mo
82
Se
150
Nd
96
Zr
48
Ca
T1/2 ()
> 5.8 x 1023
> 2.1 x 1023
> 1.8 x 1022
> 8.6 x 1021
> 1.3 x 1022
<m> (eV)
< 0.6 - 1.3
< 1.2 – 2.2
< 1.7 – 2.4, < 4.8 – 7.6
< 7.4 – 20.1
< 29.6
Другие экзотические механизмы
Другие экзотические механизмы такие как правые токи (V+A) и излучение Майорона
могут также иметь место при 0νββ-распаде. Они могут проявляться в изменении формы
распределения суммы энергий двух электронов. Методом максимального
правдоподобия был проведен анализ отклонения формы спектра суммы энергий от
вычисленной формы спектра 2νββ-распада. Полученные ограничения на период
полураспада экзотических процессов, параметр (V+A) Лагранжиана λ и константы связи
Майорон-нейтрино приведены в Табл. 3
Табл.3
100
Mechanism
Mo T1/2 (y)
(V +A) current
> 3.2 x 1023
n=1
> 2.7 x 1022†
n=2
> 1.7 x 1022
n=3
> 1.0 x 1022
n=7
> 7.0 x 1019
λ < 1.8 x 10-6;
†g < (0.4 – 1.8) x 10-4
82
Se T1/2 (y)
> 1.2 x 1023
>1.5 x 1022
> 6.0 x 1021
> 3.1 x 1021
> 5.0 x 1020
Проект SuperNEMO
Проект SuperNEMO (трековый детектор + калориметр + магнитное поле) ~ 100 кг изотопов
82
Se или 150Nd с целью достичь чувствительности по периоду полураспада 0νββ ~ 1026 лет
(что соответствует ~ 0.05 эВ эффективной Майорановской массы нейтрино). Проект
находится на стадии R&D. В коллаборацию входят около 80 ученых из 12 стран мира.
5
Программа R&D сфокусирована на 4 основных областях исследования: обогащение
изотопов, трековый детектор, калориметр и производство ультра-низкофоновых
материалов и их измерение.
От NEMO-3 к SuperNEMO
SuperNEMO 0νββ-проект следующего поколения имеет целью экстраполировать успешно
зарекомендовавшую себя в эксперименте NEMO-3 технику на детектор со ~ 100 кг
обогащенных изотопов. В этом эксперименте планируется использовать калориметрию и
трекинг в сочетании с модульной структурой, улучшив такие критичные параметры
детектора как: энергетическое разрешение и радиоактивная чистота источника.
Ожидаемое развитие характеристик SuperNEMO в сравнении с прототипом NEMO-3
представлено в Табл. 4.
Табл. 4. Ключевые параметры NEMO-3 и SuperNEMO
Parameter
NEMO-3
100
Mo
7 kg
18%
≤ 20 μBq/kg
≤ 300 μBq/kg
8% (FWHM)
≥ 2 1024 y
≤ 0.3 – 0.7 eV
Isotope
Mass of isotopes
Efficiency
208
Tl internal contamination in source foils
214
Bi internal contamination in source foils
Energy resolution for e- 3 MeV
Sensitivity for T10/2
Sensitivity for neutrino mass ‹mν›
SuperNEMO
Se and/or 150Nd
100 kg
~ 30%
≤ 2 μBq/kg
≤ 10 μBq/kg (82Se)
4% (FWHM)
≥ 1 1026 y
≤ 0.05 – 0.09 eV
82
Табл. 5. Ожидаемая чувствительность в сравнении с другими проектами.
Experiment
kg
T1/2 yr, 90%
CL
m*, meV
Start-up
timescale
Status
76
15
>1.9 1025
230-560
1990
finished
76
15
(0.7-4.2) 1025
(4)
150-920
1990
finished
7
2 1024 (2011)
340-590
2003
running
Isotope
HM
Ge
KDHK claim
Ge
NEMO 3
100
CUORICINO
130
11
>3 1024
260-610
2002
finished
CUORE
130
Te
210
1.3 1026
40-92
2011
approved
GERDA-I
76
Ge
15
3 1025
180-440
2009
approved
GERDA-II
76
~31
2 1026
70-170
2011
approved
EXO 200
136
160
6.4 1025
270-380
2008
approved
EXO 1t
136
Xe
800
2 1027
50-68
2015
R&D
Se/150Nd
100+
1 1026
40-110
2011
R&D
151
1.5 1026
38-96
?
R&D
SuperNEMO
COBRA
Mo
Te
Ge
Xe
82
116
Cd
6
Форма № 26
Предлагаемый план-график и необходимые ресурсы для осуществления проекта NEMO
оборудование
Основные узлы и
Наименование узлов и систем установки,
ресурсов, источников финансирования
Стоимость
узлов (тыс.$)
установки.
Потребности
в ресурсах
1. Материалы для калориметра
(стирол, алюминий, р-терфинил,
POPOP)
2. Электроника для стенда
тестирования сцинтилляторов
3. Материалы и оборудование для
проведения калибровок
калориметра (создание
имплантированных альфаисточников 148Gd и 239Pu,
химическое оборудование для
проведения работ)
4. Компьютеры
и ресурсов
1 год
2 год
21
7
7
3
3
3 год
7
3
2
2
33
12
12
9
400
400
400
ООЭП ЛЯП
1500
500
500
500
Затраты из бюджета
33
12
12
9
Вклады коллаборантов.
Средства по грантам.
Вклады спонсоров
Средства по договорам.
Другие источники и т.д.
45
15
средства
Нормо-часы
1200
Бюджет
2
Внебюдже
тные
6
ОП ОИЯИ
ресурсы
финансирования
Необходимые
распределению финансирования
3
Итого
Источники
Предложения Лабораторий по
Руководитель проекта
О.И. Кочетов
7
15
15
Форма № 29
Смета затрат по проекту «NEMO
№№
Наименование статей затрат
пп
Полная
1 год
2 год
3 год
стоимость
Прямые затраты на Проект
1.
Компьютерная связь
6
2
2
2
2
ООЭП ЛЯП (нормо-час)
1500
500
500
500
3.
ОП ОИЯИ (нормо-час)
1200
400
400
400
4.
Материалы
33
12
12
9
5.
Оборудование
6.
Оплата НИР, выполняемых по
10
5
5
Командировочные расходы
45
15
15
15
Итого по прямым расходам
94 тыс.$
34 тыс.$
34 тыс.$
26 тыс.$
договорам
7.
8
9