Експериментальні дослідження подвійного бета–розпаду атомних ядер

Були проаналізовані також дані експерименту „IGEX”, порівняного за чутливістю до експерименту „Heidelberg-Moscow”, та зроблений аналіз об'єднаних даних цих двох експериментів. Показано, що і в об'єднаних даних немає явного піку 02-розпаду ⁷⁶Ge. Завдяки більшій статистиці були встановлені нові обмеження на період напіврозпаду ⁷⁶Ge. Зокрема, з даних отриманих в результаті аналізу сигналів за формою, слідує обмеження на період напіврозпаду ⁷⁶Ge, звідки слідує краще в світі обмеження на масу нейтрино. Аналіз об'єднаного спектру без використання відбору за формою сигналів дає обмеження на період напіврозпаду ядра ⁷⁶Ge на рівні: T_1/2⁰ 2.0 - 2.3 10²⁵ років (90% СL) і T_1/2⁰ 3.2 - 3.8 10²⁵ років (68% СL). Треба відмітити, що цей результат є більш надійним, оскільки відбір подій за формою є досить складною і такою, що майже не підлягає надійній перевірці, процедурою. Фонові спектри, отримані об'єднанням даних експериментів “Heidelberg-Moscow” та “IGEX”, а також результати їх аналізу, показані на Рис. 4.

Далі в підрозділі 7.1 проаналізовані чутливість експериментів до реєстрації 02-розпаду. Показано, що треба розрізняти чутливість експерименту до реєстрації 02-розпаду і граничну чутливість досліду, тобто здатність встановити обмеження на період напіврозпаду, коли ефект не спостерігається. Показано, що енергетична роздільна здатність детектора має вирішальне значення для експериментів, які претендують на спостереження 02-розпаду. Це пов'язано з тим, що фон від подій 22-розпаду ніяк не можна відрізнити від подій 02-розпаду.

В підрозділі 7.2 зроблено огляд найбільш перспективних проектів експериментів по пошуку 02-розпаду ядер. Проекти “GERDA” та “MAJORANA” націлені на пошук 02-розпаду ⁷⁶Ge, з якого планується виготовити напівпровідникові германієві детектори. Метою проекту “CUORE” є пошук 02-розпаду ядра ¹³⁰Te за допомогою тисячі охолоджених до 10 мК кристалів ТеО₂ загальною масою 760 кг. В проекті “ЕХО” пропонується використовувати близько тони збагаченого до 60 - 80% ¹³⁶Хе у вигляді газу під тиском 5 - 10 атм в часово-проекційній камері. Для зниження фону запропоновано також застосувати детектування іонів ¹³⁶Ва²⁺, що виникатимуть в процесі 2-розпаду ¹³⁶Хе. Проект “Super-NEMO” націлений на пошуки 02-розпаду ⁸²Se. Планується помістити в установку близько 100 кг збагаченого ізотопу ⁸²Se у вигляді тонких фольг. Детектор вимірюватиме треки, енергію, час прольоту електронів. Період напіврозпаду ⁸²Se порівняно великий: T_1/2² 10²⁰ років, а отже фон від 22-подій в околі піку 02-розпаду буде достатньо малим. Чутливість цих експериментів очікується на рівні 10²⁵ - 10²⁷ років, що відповідає масі нейтрино 0.1 - 0.05 еВ.

В підрозділах 7.3 - 7.4 проаналізовані можливості підвищення чутливості експериментів по пошуку 2-розпаду ядер ¹¹⁶Cd за допомогою сцинтиляційних кристалів вольфрамату кадмію. Запропоновані два шляхи постановки високочутливого сцинтиляційного експерименту з ¹¹⁶Cd: шляхом занурення кристалів CdWO₄ в рідину, яка відігравала б роль захисту від зовнішнього випромінювання і світловода одночасно (проект “CAMEO”), та з використанням кристалів вольфрамату свинцю в якості світловодів та детекторів активного захисту. Показано, що в рамках обох цих підходів можна поставити дослід з чутливістю до 02-розпаду на рівні 10²⁶ років, що відповідає масі нейтрино ~0.05 еВ. Крім того було продемонстровано, що кристали CdWO₄ можуть бути застосовані в якості болометричних детекторів з високою енергетичною роздільною здатністю, отже чутливість досліду може бути значно вищою, оскільки у випадку високої роздільної здатності не виникає проблеми фону від 22-розпаду ¹¹⁶Cd.

В підрозділі 7.5 описаний проект експерименту по пошуку 02-розпаду ядра ⁴⁸Са за допомогою сцинтиляторів ⁴⁸CaWO₄ (проект “CARVEL”). Показано, що завдяки великій енергії розпаду ⁴⁸Са та сприятливим властивостям кристалів CaWO₄, необхідний рівень фону та достатньо висока роздільна здатність можуть бути досягнуті в порівняно простій установці. Головною проблемою, яка має бути вирішена, є збагачення достатньої кількості ⁴⁸Са. Над цією проблемою зараз працюють вчені Росії та США, так що в перспективі такий експеримент міг би бути здійсненим.

В підрозділі 7.6 описані результати аналізу результатів багатьох експериментів та спеціальних вимірювань з метою визначення радіочистоти сцинтиляторів CaWO₄, ZnWO₄, CdWO₄, GSO, CeF₃ та YAG:Nd. Рівень радіочистоти цих сцинтиляційних кристалів порівнюється з іншими детекторами. Проаналізовані загальні тенденції забрудненості різних матеріалів, з яких виготовляються детектори іонізуючого випромінювання.

В підрозділі 7.7 запропонований метод пошуку спін-залежної взаємодії частинок темної матерії за допомогою кристалів вольфраматів кальцію, цинку, а також кристалів алюмо-ітрієвих гранатів, активованих неодимом, та ортосилікату гадолінію. Суттєвого зниження фону в таких експериментах можна досягнути за рахунок відбору подій, які мають характерну часову структуру. А саме: (1) реєстрація ядра віддачі, утвореного від взаємодією частинки темної матерії з ядром і (2) реєстрація -кванта від розпаду першого збудженого стану ядра. Найбільш цікавим є ядро ⁶⁷Zn, яке входить до складу кристалів ZnWO₄, оскільки час життя першого збудженого рівня цього ядра достатньо високий (? 9 мкс) для того, щоб спробувати відрізнити дві такі події за допомогою розробленої техніки низькотемпературних детекторів.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведені нові вирішення проблеми експериментальних досліджень подвійного бета-розпаду атомних ядер з якомога вищою чутливістю для вивчення властивостей нейтрино та слабкої взаємодії. Отримані нові результати досліджень 2-розпаду ядер ⁶⁴Zn, ⁷⁰Zn, ⁷⁶Ge, ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹⁴Cd, ¹¹⁶Cd, ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴²Ce, ¹⁶⁰Gd, ¹⁸⁰W, ¹⁸⁶W. Проаналізовані можливості подальшого підвищення чутливості експериментів.

Основні результати дисертаційної роботи такі:

1. Розвинутий сцинтиляційний метод для досліджень 2-розпаду атомних ядер.

1.1. В Солотвинській підземній лабораторії ІЯД НАНУ споруджена низькофонова сцинтиляційна установка для вимірювання низьких активностей радіонуклідів в зразках об'ємом до 30 дм³. Чутливість установки до реєстрації ⁴⁰К і ²³²Th в зразку масою 1 кг з точністю 30% за 24 години вимірювань становить 0.04 і 0.007 Бк/кг, відповідно, що порівняно з чутливістю низькофонових напівпровідникових детекторів з надчистого германію. На установці проведено відбір конструкційних матеріалів та сцинтиляційних кристалів для наднизькофонових експериментів, спрямованих на пошук 2-розпаду та інших рідкісних розпадів атомних ядер.

1.2. В Солотвинській підземній лабораторії споруджений наднизькофоновий сцинтиляційний спектрометр з кристалами вольфрамату кадмію, збагаченими ізотопом ¹¹⁶Cd. Спектрометр включає комплекс пасивного та активного захисту з відібраних за рівнем радіочистоти матеріалів. Рівень фону детектора, 0.04 відліків / (рік кеВ кг) на енергії 2-розпаду ¹¹⁶Cd, є одним з кращих серед досягнутих в експериментах по пошуку 2-розпаду.

1.3. Розроблена багатоканальна система реєстрації даних для наднизькофонових установок, яка дозволяє записувати енергію та час події, інформацію про збіги подій в основному детекторі та детекторах активного захисту, форму сцинтиляційних сигналів.

1.4. Вперше застосовано аналіз форми сцинтиляційних сигналів для дискримінації подій в сцинтиляційному детекторі з кристалами ¹¹⁶CdWO₄, що дозволило приблизно в 4 рази підвищити чутливість експерименту по пошуку 2-розпаду ядра ¹¹⁶Cd.

1.5. Досліджені сцинтиляційні властивості, відгук до -частинок, форма сцинтиляційних сигналів та розроблено методику дискримінації частинок за формою в сцинтиляторах CaWO₄, ZnWO₄, PbWO₄, GSO(Ce), CeF₃, показані можливості їх застосування в чутливих експериментах з метою пошуку і дослідження 2-розпаду ізотопів кальцію, вольфраму, цинку, гадолінію, церію. Запропонований метод пошуку спін-залежної взаємодії частинок темної матерії за допомогою кристалів вольфраматів кальцію та цинку, а також алюмо-ітрієвих гранатів, активованих неодимом.

1.6. Розроблена методика вимірювань радіочистоти сцинтиляційних кристалів на рівні чутливості 10-⁶ Бк/кг для ²²⁸Th, ²²⁶Ra, ²²⁷Ac, 10-⁴ Бк/кг для -активних радіонуклідів та 10-² - 10-⁴ Бк/кг для -активних радіонуклідів. Досліджені активності та особливості (вікова рівновага, для кристалів CdWO₄ - просторовий розподіл в об'ємі кристалів) слідових домішок радіонуклідів в сцинтиляторах CaWO₄, ZnWO₄, CdWO₄ (як з природним розподілом ізотопів кадмію, так і збагачених ¹¹⁶Cd), PbWO₄, GSO(Ce), CeF₃.

1.7. Вперше досліджені сцинтиляційні властивості, форма сцинтиляційних сигналів, ступінь радіочистоти алюмо-ітрієвого гранату, активованого неодимом (YAG:Nd). Показана можливість використання цього сцинтилятору для пошуку 2-розпаду ізотопів неодиму.

1.8. Показано, що кристали CdWO₄ можуть бути застосовані в якості болометричних детекторів з високою енергетичною роздільною здатністю на рівні 5 кеВ в широкому діапазоні енергій, що робить їх надзвичайно перспективними детекторами для пошуку 02-розпаду ¹¹⁶Cd.

2.Експериментально досліджені різні моди і канали 2-розпаду ядер ⁴⁸Ca, ⁶⁴Zn, ⁷⁰Zn, ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹⁴Cd, ¹¹⁶Cd, ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴²Ce, ¹⁶⁰Gd, ¹⁸⁰W, ¹⁸⁶W.

2.1.Виміряний період напіврозпаду ядра ¹¹⁶Cd відносно 22-розпаду:

T_1/2 = 2.9^+0.4-_0.3 10¹⁹ років.

2.2.Встановлене нове обмеження на період напіврозпаду відносно 02 розпаду ¹¹⁶Cd на основний стан ядра ¹¹⁶Sn (тут і далі всі обмеження з довірчою імовірністю 90%)

T_1/2 (о.с. 0⁺) 1.7 10²³ років.

2.3.Встановлені нові обмеження на періоди напіврозпаду ¹¹⁶Cd відносно 02-розпаду на збуджені стани ядра ¹¹⁶Sn

T_1/2 (о.с. 2⁺) 2.9 10²² років.

2.4.Встановлені нові обмеження на періоди 02-розпаду ядра ¹¹⁶Cd з випромінюванням майоронів - одного (М1), двох (М2) і т.зв. bulk майорона (М^bulk)

T_1/2 (М1) 0.8 10²² років.

2.5.З експериментального обмеження на 02-розпад ¹¹⁶Cd отримані одні з найбільш жорстких обмежень на ефективну масу нейтрино майоранівської природи:

m 1.7 еВ,

параметри домішок правих токів в слабкій взаємодії:

2.5 10-⁸,

2.2 10-⁶,

та параметр порушення R-парності в мінімальній суперсиметричній СМ з порушенням R-парності:

7 10-⁴.

2.6.З обмеження на 02-розпад ¹¹⁶Cd з вильотом майорона отримане одне з найбільш жорстких обмежень на константу зв'язку нейтрино з майороном:

g_M 4.6 10-⁵.

2.7.Експериментально досліджені процеси 2-розпаду ядра ¹⁶⁰Gd. Встановлені обмеження на періоди напіврозпаду ядра ¹⁶⁰Gd відносно 02-розпаду на основний та перший збуджений стани ядра ¹⁶⁰Dy

T_1/2 (о.с. 0⁺, 2⁺) 1.3 10²¹ років.

Результати, перераховані в п. 2.1 - 2.7, увійшли до огляду Review of Particle Physics [Phys. Rev. B, Vol. 592 (2004) P. 1] (розділи “Majoron Searches in Neutrinoless Double Decay”, P. 401 - 402, “Double- Decay”, P. 447 - 450).

2.8.Встановлені найбільш жорсткі обмеження період напіврозпаду ядра ¹⁶⁰Gd відносно 22-розпаду на основний та перший збуджений стани ¹⁶⁰Dy

T_1/2 (о.с. 0⁺) 1.9 10¹⁹ років.

2.9.Вперше експериментально досліджені різні моди та канали процесів 2-розпаду ізотопів вольфраму: ¹⁸⁰W та ¹⁸⁶W. Зокрема, період напіврозпаду ядра ¹⁸⁰W відносно 02-розпаду на основний стан ядра ¹⁸⁰Os обмежений на рівні

T_1/2 (о.с. 0⁺) 1.1 10²¹ років.

2.10.Встановлені експериментальні обмеження на різні моди та канали 2-розпаду ядер ⁴⁸Ca, ⁶⁴Zn, ⁷⁰Zn, ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹⁴Cd, ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴²Ce (дослідження ¹⁰⁸Cd, ¹¹⁴Cd та ¹³⁸Ce здійснені вперше) на рівні чутливості T_1/2 10¹⁷ - 10²⁰ років.

3.З аналізу даних вимірювань з наднизькофоновими германієвими детекторами (експерименти “Heidelberg-Moscow” та “IGEX”) одержане нове обмеження на період напіврозпаду ядра ⁷⁶Ge відносно безнейтринного подвійного бета-розпаду: T_1/2 2.5 (4.2) 10²⁵ років 90% (68% CL), звідки слідує найбільш жорстке обмеження на масу нейтрино майоранівської природи:

m 0.31 (0.24) еВ.

4.Досліджені можливості підвищення чутливості експериментів по пошуку 02-розпаду з використанням сцинтиляційного методу до рівня T_1/2 10²⁶ - 10²⁷ років.

4.1.Показано, яким вимогам мають задовольняти експерименти для реєстрації та встановлення обмеження на процес 02-розпаду.

4.2.Запропоновано проект експерименту (проект “CAMEO”) по пошуку 02-розпаду ¹¹⁶Cd з чутливістю T_1/2 10²⁶ років. Проаналізовані можливості підвищення чутливості експерименту до рівня T_1/2 10²⁷ років, що відповідає масі нейтрино m 0.02 еВ.

4.3.Показані можливості використання сцинтиляторів вольфрамату свинцю в експерименті по пошуку 02-розпаду ¹¹⁶Cd з чутливістю T_1/2 10²⁶ років.

4.4.Запропоновано проект експерименту (проект “CARVEL”) по пошуку 02-розпаду ⁴⁸Ca з чутливістю T_1/2 10²⁶ років, що відповідає масі нейтрино 0.04 - 0.09 еВ.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, V.N.Kuts, A.S.Nikolaiko, V.I.Tretyak, Yu.Zdesenko, The research of 2 decay of ¹¹⁶Cd with enriched ¹¹⁶CdWO₄ crystal scintillators // Phys. Lett. B. - 1995. - Vol. 344. - P. 72 - 78.

2. С.Ф.Бурачас, Ф.А.Даневич, Ю.Г.Здесенко, В.В.Кобычев, В.Д.Рыжиков, В.И.Третяк, О возможности поиска 2-распада ¹⁶⁰Gd с помощью сцинтилляторов GSO // Ядерная физика. - 1995. - Том. 58. - С. 195 - 199.

3. А.Ш.Георгадзе, Ф.А.Даневич, Ю.Г.Здесенко, В.В.Кобычев, Б.Н.Кропивянский, В.Н.Куц, В.В.Музалевский, А.С.Николайко, О.А.Понкратенко, В.И.Третяк, Поиск -распада природных изотопов вольфрама // Письма в ЖЭТФ. - 1995. - Том.61. - С. 869 - 873.

4. S.Ph.Burachas, F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, H.V.Klapdor-Kleingrothaus, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, V.N.Kuts, A.Muller, V.V.Muzalevsky, A.S.Nikolaiko, O.A.Ponkratenko, V.D.Ryzhikov, A.S.Sai, I.M.Solsky, V.I.Tretyak, Yu.G.Zdesenko, Large volume CdWO₄ crystal scintillators // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Research A. - 1996. - Vol. 369. - P. 164 - 168.

5. А.Ш.Георгадзе, Ф.А.Даневич, Ю.Г.Здесенко, В.Н.Куц, В.В.Кобычев, Б.Н.Кропивянский, А.С.Николайко, О.А.Понкратенко, В.И.Третяк, Бета-распад ¹¹³Cd // Ядерная физика. - 1996. Том. 59. - С.5 - 9.

6. А.Ш.Георгадзе, Ф.А.Даневич, Ю.Г.Здесенко, В.В.Кобычев, Б.Н.Кропивянский, В.Н.Куц, В.В.Музалевский, А.С.Николайко, О.А.Понкратенко, В.И.Третяк, Оценка активностей радиоактивных примесей в кристаллах вольфрамата кадмия // Приб. и техника эксперимента. - 1996. - Том. 2. - С. 45 - 51.

7. F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, J.Hellmig, M.Hirsch, H.V.Klapdor-Kleingrothaus, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, V.N.Kuts, A.Muller, A.S.Nikolaiko, F.Petry, O.A.Ponkratenko, H.Strecker, V.I.Tretyak, M.Vollinger, Yu.Zdesenko, Investigation of ⁺⁺ and ⁺/EC decay of ¹⁰⁶Cd // Z. Physik A. - 1996. - Vol. 355. - P. 433 - 437.

8. T.Fazzini, P.G.Bizzeti, P.R.Maurenzig, C.Stramaccioni, F.A.Danevich, V.V.Kobychev, V.I.Tretyak, Yu.G.Zdesenko, Pulse-shape discrimination with CdWO₄ crystal scintillators // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Research A. - 1998. - Vol. 410. - P. 213 - 219.

9. F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, A.S.Nikolaiko, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, Yu.Zdesenko, Limits on Majoron modes of ¹¹⁶Cd neutrinoless 2 decay // Nucl. Phys. A. - 1998. - Vol. 643. - P. 317 - 328.

10. F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, A.S.Nikolaiko, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, S.Yu.Zdesenko, Yu.G.Zdesenko, P.G.Bizzeti, T.F.Fazzini, P.R.Maurenzig, New results of ¹¹⁶Cd double decay study with ¹¹⁶CdWO₄ scintillators // Phys. Rev. C. - 2000. - Vol.62. - P.045501, 9 p.

11. G.Bellini, B.Caccianiga, M.Chen, F.A.Danevich, M.G.Giammarchi, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, E.Meroni, L.Miramonti, A.S.Nikolayko, L.Oberauer, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, S.Yu.Zdesenko, Yu.G.Zdesenko, High sensitivity quest for Majorana neutrino mass with the BOREXINO counting test facility // Phys. Lett. B. - 2000. - Vol. 493. - P. 216 - 228.

12. G.Bellini, B.Caccianiga, M.Chen, F.A.Danevich, M.G.Giammarchi, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, E.Meroni, L.Miramonti, A.S.Nikolayko, L.Oberauer, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, S.Yu.Zdesenko, Yu.G.Zdesenko, High sensitivity 2 decay study of ¹¹⁶Cd and ¹⁰⁰Mo with the BOREXINO counting test facility (CAMEO project) // Eur. J. Phys. C. - 2001. - Vol. 19. - P. 43 - 55.

13. F.A.Danevich, V.V.Kobychev, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, Yu.G.Zdesenko, Quest for double beta decay of ¹⁶⁰Gd and Ce isotopes // Nucl. Phys. A. - 2001. - Vol. 694. - P. 375 - 391.

14. Yu.G.Zdesenko, F.A.Danevich, V.I.Tretyak, Has neutrinoless double decay of ⁷⁶Ge been really observed? // Phys. Lett. B. - 2002. - Vol. 546. - P. 206 - 215.

15. F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, V.V.Kobychev, S.S.Nagorny, A.S.Nikolaiko, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, S.Yu.Zdesenko, Yu.G.Zdesenko, P.G.Bizzeti, T.F.Fazzini, P.R.Maurenzig, activity of natural tungsten isotopes // Phys. Rev. C. - 2003. - Vol. 67. - P. 014310, 8 p.

16. F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, V.V.Kobychev, B.N.Kropivyansky, A.S.Nikolaiko, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, S.Yu.Zdesenko, Yu.G.Zdesenko, P.G.Bizzeti, T.F.Fazzini, P.R.Maurenzig, Search for 2 decay of cadmium and tungsten isotopes: Final results of the Solotvina experiment // Phys. Rev. C. - 2003. - Vol. 68. - P. 035501, 12 p.

17. F.A.Danevich, A.Sh.Georgadze, V.V.Kobychev, A.S.Nikolaiko, O.A.Ponkratenko, V.I.Tretyak, S.Yu.Zdesenko, Yu.G.Zdesenko, P.G.Bizzeti, T.F.Fazzini, P.R.Maurenzig, Two-neutrino 2 decay of ¹¹⁶Cd and new half-life limits on 2 decay of ¹⁸⁰W and ¹⁸⁶W // Nucl. Phys. A. - 2003. - Vol. 717. - P. 129 - 145.

18. P.Belli, R.Bernabei, R.Cerulli, C.J.Dai, F.A.Danevich, A.Incicchitti, V.V.Kobychev, O.A.Ponkratenko, D.Prosperi, V.I.Tretyak, Yu.G.Zdesenko, Performances of a CeF₃ crystal scintillator and its application to the search for rare processes // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Research A. - 2003. Vol. 498. - P. 352 - 361.

19. Yu.G.Zdesenko, F.A.Danevich, V.I.Tretyak, Sensitivity and discovery potential of the future 2 decay experiments // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. - 2004. - Vol. 30. - P. 971 - 981.

20. Ф.А.Даневич, Ю.Г.Здесенко, С.С.Нагорний, С.С.Юрченко, Застосування штучних нейронних мереж для аналізу форми імпульсів у сцинтиляторах CdWO₄ // Зб. наук. праць ІЯД. - 2004. Том. 1. - С. 126 - 133.

21. І.І.Веретянников, Ф.А.Даневич, Ю.Г.Здесенко, В.В.Кобичев, С.С.Нагорний, Д.В.Пода, Оптимізація детектора на основі сцинтиляційного кристала вольфрамату кадмію для експерименту по пошуку 2-розпаду ядра ¹¹⁶Cd // Зб. наук. праць ІЯД. - 2004. Том. 2. - С. 163 - 172.

22. V.I.Tretyak, F.A.Danevich, S.S.Nagorny, Yu.G.Zdesenko, On the possibility to search for 2 decay of initially unstable ( radioactive) nuclei // Europhysics Letters. - 2005. - Vol. 69. P. 41 - 47.

23. Yu.G.Zdesenko, F.T.Avignone III, V.B.Brudanin, F.A.Danevich, S.S.Nagorny, I.M.Solsky, V.I.Tretyak, Scintillation properties and radioactive contamination of CaWO₄ crystal scintillators // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. - 2005. - Vol. 538. - P. 657 - 667.

24. Yu.G.Zdesenko, F.T.Avignone III, V.B.Brudanin, F.A.Danevich, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, S.S.Nagorny, V.I.Tretyak, Ts. Vylov, CARVEL experiment with ⁴⁸CaWO₄ crystal scintillators for the double decay study of ⁴⁸Ca // Astroparticle Physics. - 2005. - Vol. 23. - P. 249 - 263.

25. F.A.Danevich, V.V. Kobychev, S.S.Nagorny, V.I.Tretyak, YAG:Nd crystals as possible detector to search for 2 and decay of neodymium // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. - 2005. - Vol. 541. - P. 583 - 589.

26. F.A.Danevich, V.V. Kobychev, S.S.Nagorny, D.V.Poda, V.I.Tretyak, S.S.Yurchenko, Yu.G.Zdesenko, ZnWO₄ crystals as detectors for 2 decay and dark matter experiments // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. - 2005. - Vol.544. - P. 553-564.

27. F.A.Danevich, A.Sh. Georgadze, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, S.S. Nagorny, A.S. Nikolaiko, D.V. Poda, V.I. Tretyak, I.M. Vyshnevskyi, S.S. Yurchenko, B.V. Grinyov, L.L. Nagornaya, E.N. Pirogov, V.D. Ryzhikov, V.B. Brudanin, Ts. Vylov, A. Fedorov, M. Korzhik, A. Lobko, O. Missevitch, Application of PbWO₄ crystal scintillators in experiment to search for 2 decay of ¹¹⁶Cd // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. - 2006. - Vol. 556. - P. 259 - 265.

ANNOTATION

Danevich F.A. Experimental research of double beta decay of atomic nuclei

A thesis (manuscript) for the Doctor of Sciences degree (Physics and Mathematics). Speciality 01.04.16 - physics of nuclei, elementary particles, and high energy. Institute for Nuclear Researches National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2006.

Results of 2 decay experiments performed with the help of low-background crystal scintillators are presented. The low-background set-up based on CdWO₄ crystals of large volume (100 - 200 cm³) was build in the Solotvina Underground Laboratory (Ukraine) to check radioactive contamination of different materials. The sensitivity of the set-up for detection of ⁴⁰K and ²²⁸Th contamination in ~1 kg sample was estimated as 0.04 Bq/kg and 0.007 Bq/kg, respectively (for a measuring time 24 h and with a statistical accuracy of 30%). This facility was also used to measure the radio-purity of scintillators with a ~ Bq/kg sensitivity by applying pulse-shape discrimination and time-amplitude analysis. The super-low background scintillation spectrometer with enriched ¹¹⁶CdWO₄ crystal scintillators with improved passive and active shielding was developed. A record background rate of 0.04 counts / (yr keV kg) in 2.5 - 3.2 MeV energy interval was reached in this set-up. It has allowed to carry out high sensitivity experiment to search for 2 processes in cadmium and tungsten isotopes. In particular, the half-life of the two neutrino 2 decay of ¹¹⁶Cd has been measured. The most stringent half-life limit on the neutrinoless 2 decay of ¹¹⁶Cd has been established . The restrictions on the Majorana neutrino mass and right-handed admixtures in the weak interaction were obtained comparing this bound with theoretical calculations. Neglecting right-handed contribution the restriction was set. The value of the R-parity violating parameter of minimal SUSY standard model was restricted by the T_1/2 limit. Moreover, using the experimental bound on the 02 decay with one Majoron emission and theoretical calculations, the effective Majoron-neutrino coupling constant was restricted. All these results are among the strongest constraints obtained up to date in the direct 2 decay experiments with ⁷⁶Ge, ⁸²Se, ¹⁰⁰Mo, ¹³⁰Te, and ¹³⁶Xe.

New half-life bounds at the level of 10¹⁷ 10²¹ yr were set for various 2 processes in ⁶⁴Zn, ⁷⁰Zn, ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹⁴Cd, ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴²Ce, ¹⁶⁰Gd, ¹⁸⁰W, and ¹⁸⁶W by using low-background CdWO₄, GSO, and ZnWO₄ crystal scintillators.

The claim of discovery of the 02 decay of ⁷⁶Ge [Mod. Phys. Lett. A 16 (2001) 2409] was considered critically and firm conclusion about, at least, prematurity of such a claim was derived on the basis of a simple statistical analysis of the measured spectra. This result was also proved by analyzing the cumulative data sets of the Heidelberg-Moscow and IGEX experiments. It allows to establish the highest worldwide half-life limit on the 02 decay of ⁷⁶Ge. This bound corresponds to the most stringent constraint on the Majorana neutrino mass.

Energy resolution, / ratio, pulse-shape discrimination for rays and particles, and radioactive contamination were studied with CaWO₄, ZnWO₄, CdWO₄, PbWO₄, GSO, CeF₃, yttrium-aluminum garnet doped with neodymium (YAG:Nd) crystal scintillators. Applicability of these scintillators to search for 2 decay was discussed.

The demands of the future high sensitivity 2 decay experiments, aiming to observe the neutrinoless 2 decay or to advance restrictions on the neutrino mass to m 0.01 eV, were considered and requirements for their sensitivity and discovery potential were formulated. Two projects of high sensitivity 2 experiments were proposed. The unique features of the CTF and BOREXINO set-ups were proposed to use for a high sensitivity study of ¹¹⁶Cd neutrinoless 2 decay (CAMEO project). The sensitivity of the CAMEO experiment (in terms of the T_1/2 limit for 02 decay) was estimated as 10²⁶ yr with 65 kg of ¹¹⁶CdWO₄ crystals. The last value corresponds to a limit on the neutrino mass of m 0.06 eV. Moreover, with 1000 kg of ¹¹⁶CdWO₄ crystals located in the BOREXINO apparatus the neutrino mass limit can be pushed down to m ~ 0.02 eV. The CARVEL experiment to search for the 02 decay of ⁴⁸Ca with the help of enriched ⁴⁸CaWO₄ crystal scintillators has been considered. Despite rather high radioactive contaminations of a CaWO₄ crystal used in the pilot experiment, the background rate of the CaWO₄ detector in the energy region 3.6 - 5.4 MeV (energy window of the ⁴⁸Ca neutrinoless 2 decay) was reduced down to 0.07 counts / (yr keV kg). With ~100 kg array of the ⁴⁸CaWO₄ crystals the sensitivity of the CARVEL experiment was estimated. This value corresponds to the neutrino mass constraint m < 0.04 - 0.09 eV.

Keywords: double beta decay, neutrino, weak interaction, low counting experiment, scintillation detector, half-life, half-life limit, radioactivity

АНОТАЦІЯ

Даневич Ф.А.Експериментальні дослідження подвійного бета-розпаду атомних ядер

Дисертація (рукопис) на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук по спеціальності 01.04.16 фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій. Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ, 2006.

Представлені результати експериментальних досліджень 2-розпаду атомних ядер. За допомогою сцинтиляторів CdWO₄, збагачених ізотопом ¹¹⁶Cd, був виміряний період напіврозпаду ¹¹⁶Cd відносно 22-розпаду. На інші моди та канали 2-розпаду ¹¹⁶Cd встановлені нові обмеження, зокрема для 02-переходу на основний стан ¹¹⁶Sn, звідки слідують обмеження на майоранівську масу нейтрино m 1.7 еВ та інші параметри теорії. Нові обмеження на рівні 10¹⁷ 10²¹ років встановлені на періоди напіврозпаду відносно різних мод і каналів 2-розпаду ядер ⁶⁴Zn, ⁷⁰Zn, ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹⁴Cd, ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴²Ce, ¹⁶⁰Gd, ¹⁸⁰W, ¹⁸⁶W. Нове обмеження на масу нейтрино майоранівської природи m 0.24 еВ отримане з аналізу даних експериментів по пошуку 2-розпаду ⁷⁶Ge. Досліджені сцинтиляційні властивості, форми сцинтиляційних сигналів та радіочистота сцинтиляторів CaWO₄, ZnWO₄, CdWO₄, PbWO₄, GSO, CeF₃, YAG:Nd.

Ключові слова: подвійний бета-розпад, нейтрино, слабка взаємодія, низькофонові вимірювання, сцинтиляційний детектор, період напіврозпаду, обмеження на період напіврозпаду, радіоактивність.

АННОТАЦИЯ

Даневич Ф.А.Экспериментальные исследования двойного бета-распада атомных ядер Диссертация (рукопись) на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.16 физика ядра, элементарных частиц и высоких энергий. Институт ядерных исследований НАН Украины, Киев, 2006.

Представлены результаты экспериментальных исследований 2-распада атомных ядер. С помощью сцинтилляторов CdWO₄, обогащенных изотопом ¹¹⁶Cd, был измерен период полураспада ¹¹⁶Cd относительно 22-распада. На другие моды и каналы 2-распада ¹¹⁶Cd установлены новые ограничения, в частности для 02-перехода на основное состояние ¹¹⁶Sn, откуда следуют ограничения на майорановскую массу нейтрино m 1.7 эВ и другие параметры теории. Новые ограничения на уровне 10¹⁷10²¹ лет установлены на периоды полураспада относительно разных мод и каналов 2-распада ядер ⁶⁴Zn, ⁷⁰Zn, ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹⁴Cd, ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴²Ce, ¹⁶⁰Gd, ¹⁸⁰W, ¹⁸⁶W. Новое ограничение на массу нейтрино майорановской природы m 0.24 эВ получено из анализа данных экспериментов по поиску 2-распада ⁷⁶Ge. Исследованы сцинтилляционные свойства, формы сцинтилляционных сигналов и радиочистота сцинтилляторов CaWO₄, ZnWO₄, CdWO₄, PbWO₄, GSO, CeF₃, YAG:Nd.

Ключевые слова: двойной бета-распад, нейтрино, слабое взаимодействие, низкофоновые измерения, сцинтилляционный детектор, период полураспада, ограничение на период полураспада, радиоактивность.

Размещено на Allbest.ru