Физика слабых взаимодействий

1. Коллаборация NEMO/SuperNEMO.

1) Эксперимент NEMO-3.

В подземной лаборатории LSM (Франция) усилиями ученых ИТЭФ, ОИЯИ (Россия), IN2P3/CNRS (Франция) и ученых из США и Чехии был создан уникальный трековый детектор NEMO-3 (см. Рис. 1). В 2003-2011 г.г. на этом детекторе были выполнены измерения с 7 различными изотопами одновременно (⁴⁸Ca, ⁸²Se, ⁹⁶Zr, ¹⁰⁰Mo, ¹¹⁶Cd, ¹³⁰Te, ¹⁵⁰Nd). Детектор позволяет не только измерять полную энергию электронов, но и фиксировать энергию отдельных электронов и фиксировать угловое распределение электронов в двойном бета-распаде. Для всех этих изотопов были получены наиболее точные значения периодов полураспада по каналу 2β2ν и одни из лучших ограничений на безнейтринный двойной бета-распад и распады с испусканием майорона. В частности, для 2β0ν-распада ¹⁰⁰Мо  получен предел T_1/2 > 1.1·10²⁴ лет, что приводит к органичению <m_n> < 0.3-0.6 эВ. Это ограничение сравнимо с лучшими результатами, полученными для других изотопов. В настоящее время обработка результатов продолжается.

Рис. 1. Детектор NEMO-3 в процессе сборки.

2) Эксперимент SuperNEMO-Demonstrator.

Этот детектор является первым из 20 модулей будущего эксперимента SuperNEMO. В настоящее время идет сборка этого детектора в подземной лаборатории LSM (Модан, Франция). Схема установки показана на Рис. 2. В центре детектора помещен тонкий источник (~ 50 мг/см²) , содержащий 7 кг ⁸²Se. С обеих сторон он окружен трековыми промежутками, содержащими 2000 гейгеровских счетчиков, и стенками калориметра (~ 500 отдельных счетчиков). В результата, треки электронов будут определяться по сигналам с гейгеровских счетчиков, а энергия электронов измеряется сцинтилляционными счетчиками. Энергетическое разрешение составляет ~ 4% (FWHM) при энергии 3 МэВ. За 2.5 года измерений будет достигнута чувствительность к 2b(0n)-распаду ⁸²Se на уровне 6.5·10²⁴ лет (<m_n> ~ 0.2-0.4 эВ). В эксперименте SuperNEMO будет исследоваться 100 кг ⁸²Se и чувствительность за 5 лет измерений составит ~ 10²⁶ лет (<m_n> ~ 0.04-0.1 эВ). Набор данных на установке SuperNEMO-Demonstrator начнется в 2017 г., а на установке SuperNEMO в 2022 г. Работы ведутся в рамках коллаборации SuperNEMO, включающей ученых из Франции, Великобритании, Чехии, США, Финляндии, Словакии (всего 80 человек). Отметим, что группа ИТЭФ является одним из основателей коллаборации. Сотрудники ИТЭФ будут принимать участие в сборке, наладке и физическом запуске установки, ее эксплуатации, калибровках, наборе и обработке данных. Главная зона ответственности группы ИТЭФ — создание и установка в детектор сверхчистых источников из ⁸²Se.

Рис. 2. Схема установки SuperNEMO Demonstrator (правая стенка калориметра на рисунке отодвинута, чтобы показать внутреннее устройство детектора).

1. Коллаборация MAJORANA.

1) Эксперимент Majorana-Demonstrator.

В эксперименте Майорана предполагается провести поиск безнейтринного двойного бета-распада ⁷⁶Ge с чувствительностью к эффективной массе майорановского нейтрино на уровне 0.01-0.04 эВ. На первом этапе создается уникальная низкофоновая многокристальная установка MAJORANA-DEMONSTRATOR, содержащая ~ 30 кг HPGe кристаллов из обогащенного германия и ~ 10 кг натуральных HPGe кристаллов и размещенная в подземной лаборатории SURF (Южная Дакота, США) на глубине 4200 м в.э. Схема установки показана на Рис. 3. HPGe детекторы размещены в двух криостатах, которые окружены слоями пассивной защиты (5 см электролитической меди, 5 см обычной меди, 45 см чистого свинца, 10 см борированного полиэтилена). Снаружи установка окружена активной защитой (пластический сцинтиллятор). Все компоненты детектора и пассивной защиты изготовлены из низкофоновых материалов. Для этой цели в подземной лаборатории было налажено производство деталей установки из низкофоновой электролитической меди. С целью максимального подавления фона используются HPGe детекторы специального типа (с «точечным контактом») и будет применяться анализ сигнала по форме импульса. Такие детекторы были впервые внедрены в практику экспериментов по поиску 2b-распада именно коллаборацией Майорана. Энергетическое разрешение HPGe детекторов составляет ~ 2 кэВ (FWHM) при энергии 2 МэВ. Предполагается достичь уровня фона в области 2b(0n)-распада ⁷⁶Ge ~ 10^-3 событий/кэВ·кг·год. Работы ведутся в рамках коллаборации Майорана, включающей 20 институтов и  85 человек (США, Канада, Япония, Россия). Отметим, что группа ИТЭФ является одним из основателей коллаборации. В настоящее время идет набор данных. Сотрудники ИТЭФ принимают участие в наладке и физическом запуске установки, ее эксплуатации, калибровках, наборе и обработке данных. В результате, безнейтринный двойной бета-распад Ge-76 будет изучен с рекордной чувствительностью (как на основное, так и на возбужденные состояния дочернего ядра Se-76). Кроме того, полученные данные в области низких энергий (0.5 – 6 кэВ) будут использоваться для поиска темной материи (WIMP). 

Рис. 3. Схема установки Majorana-Demonstrator.

2) Эксперимент LEGEND.

В 2016 году группа ИТЭФ вошла во вновь созданную коллаборацию LEGEND, основной целью которой является создание установки с весом обогащенных HPGe детекторов 1000 кг и поиск безнейтринного двойного бета-распада с чувствительностью ~ 6·10²⁷ лет (чувствительность к массе нейтрино ~ 0.01-0.04 эВ). На первом этапе предполагается создание в Гран Сассо (Италия) установки с весом обогащенных HPGe детекторов 200 кг. Сотрудники ИТЭФ примут участие в создании проекта, в сборке и отладке детекторов, в эксплуатации установки,  в наборе и обработке данных.

III. LUCINEUR/CUPID-Mo.

Предлагается провести поиск  безнейтринного двойного бета-распада ¹⁰⁰Mo с помощью низкотемпературных болометрических детекторов на основе кристаллов Li₂MoO₄ (и/или ZnMoO₄). В основном, будет использован имеющийся в ИТЭФ Mo-100, который ранее использовался в эксперименте NEMO-3 (молибден извлечен из композитных источников по специальной технологии). Кроме того, для обеспечения низкого уровня фона, исходный материал будет подвергнут сверхглубокой очистке от различных примесей, включая радиоактивные примеси (перегонка в вакууме и перекристаллизация из раствора). Предполагается вырастить примерно 15 кг кристаллов из обогащенного Мо-100 (вес ¹⁰⁰Мо в этих кристаллах составит ~ 7 кг). Кристаллы будут выращены в Институте неорганической химии (Новосибирск), где разработана и успешно опробована технология выращивания кристаллов ZnMoO₄ и Li₂MoO₄ больших размеров. Для проведения эксперимента в подземной лаборатории Модан (Франция) и/или Гран Сассо (Италия)) будет создана низкофоновая установка. Полученные кристаллы будут испытаны в условиях подземной лаборатории в режиме сцинтилляционного низкотемпературного болометра (рабочая температура 15-20 mK). Одновременно будет регистрироваться как тепловой, так и сцинтилляционный сигналы. Будет также проводится отбор по форме импульса. Планируемое энергетическое разрешение составит ~ (5-10) кэВ. Все это позволит полностью убрать фон от альфа частиц и обеспечить практически нулевой фон в исследуемой области в эксперименте по поиску безнейтринного двойного бета-распада Мо-100. Все предварительные испытания будут проводится на имеющихся установках в подземных лабораториях Модан (Франция) и Гран Сассо (Италия). Основной эксперимент будет выполнен в одной из этих лабораторий (либо в обеих).  Следующим этапом станет поиск безнейтринного двойного бета-распада ¹⁰⁰Mo с использованием  ~ 200-500 кг кристаллов  Li₂MoO₄/ ZnMoO₄ (эксперимент CUPID-Mo). Чувствительность к массе нейтрино составит ~ 0.01-0.02 эВ.

Рис. 4. Фотография сборки низкотемпературных болометров. Справа (сверху) ZnMoO₄ весом 334 г; Справа (внизу)  Li₂¹⁰⁰MoO₄ весом 186 г.

Список основных публикаций:

[1] R. Arnold et al., First Results of the Search for Neutrinoless Double-Beta Decay with the NEMO 3 Detector, Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 182302.

[2] R. Arnold et al., Technical design and performance of the NEMO 3 detector, Nucl. Instr. Meth. A 536 (2005) 79.

[3] R. Arnold et a., Limits on different majoron decay modes of 100Mo and 82Se for neutrinoless double beta decays in the NEMO-3 experiment Nucl. Phys. A 765 (2006) 483.

[4] R Arnold et al., Measurement of double beta decay of 100Mo to excited states in the NEMO 3 experiment Nucl. Phys. A 781 (2007) 209.

[5]  J. Argyriades et al., Measurement of the double-β decay half-life of 150 Nd and search for neutrinoless decay modes with the NEMO-3 detector, Phys. Rev. C 80 (2009) 032501.

[6] J. Argyriades et al., Measurement of the two neutrino double beta decay

half-life of Zr-96 with the NEMO-3 detector, Nucl. Phys. A 847 (2010) 168.

[7] R. Arnold et al., Probing new physics models of neutrinoless double beta decay with SuperNEMO, Eur. Phys. J. C 70 (2010) 927.

[8] R. Arnold et al., Measurement of the Decay Half-Life of 130Te with the NEMO-3 Detector, Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 062504.

[9] R. Arnold et al., Search for neutrinoless double-beta decay of

100 Mo with the NEMO-3 detector, Phys. Rev. D 89 (2014) 111101(R).

[10] R. Arnold et al., Results of the search for neutrinoless double-β decay in

100Mo with the NEMO-3 experiment, Phys. Rev. D 92 (2015) 072011.

[11] R. Arnold et al., Measurement of the Double-Beta Decay Half-Life and Search for the Neutrinoless Double-Beta Decay of 48Ca with the NEMO-3 Detector, Phys. Rev. D 93 (2016) 112008.

[12] R. Arnold et al., Measurement of the 2νββ decay half-life of 150Nd and a search for 0νββ decay processes with the full exposure from the NEMO-3 detector, Phys. Rev. D 94 (2016) 072003.

[13] R. Arnold et al., Measurement of the 2νββ Decay Half-Life and Search for the 0νββ Decay of

 116Cd with the NEMO-3 Detector, Phys. Rev. D 95 (2017) 012007.

[14] N. Abgrall et al., The Majorana Demonstrator Neutrinoless Double-Beta Decay Experiment, Adv. HEP 2014 (2014) 365432.

[15] N. Abgrall et al., The MAJORANA DEMONSTRATOR radioassay program, Nucl. Instr. Meth. A 828 (2016) 22.

[16] N. Abgrall et al., Search for Pauli Exclusion Principle Violating Atomic Transitions and Electron Decay with a P-type Point Contact Germanium Detector, Eur. Phys. J. C 76 (2016) 619.

[17] A.S. Barabash et al., Enriched Zn100MoO4scintillating bolometers to search for 0ν2β decay of 100Mo with the LUMINEU experiment, Eur. Phys. J. C 74 (2014) 3133.

[18] A.S. Barabash et al., First test of an enriched 116CdWO4 scintillating bolometer for neutrinoless double beta decay searches, Eur. Phys. J. C 76 (2016) 487.

Список участников от ИТЭФ: А.С. Барабаш, В.А. Дитлов, С.И. Коновалов, Е.А. Пожарова, В.А. Смирнитский, В.И. Юматов.