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