Измерение периода полураспада T1/2(2бета 2 ню) 150Nd в эксперименте с пропорционвльной дрейфовой камерой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

од

институт ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

На нравах рукописи

КИРИЧЕНКО ВАЛЕРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ИЗМЕРЕНИЕ ПЕРИОДА ПОЛУРАСПАДА Т,/2(202у) «»N«1 В ЭКСПЕРИМЕНТЕ С ПРОПОРЦИОНАЛЬНО!! ДРЕЙФОВОЙ КАМЕРОЙ

«1.04.16 - ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Автореферат диссертации . на соискание ушной степени канлилата

физико-математических наук

МОСКВА,

1995 г.

УДК 539.1

Работа выполнена в Институте Теоретической и Экспериментальной Физики

Научиые руководители:

доктор физико-математических наук, профессор В. А. ЛЮБИМОВ {ИТЭФ) кандидат физико-математических наук О. Я. ЗЕЛЬДОВИЧ (ИТЭФ)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор В. П. Мартемьяяов РНЦ "Курчатовский Институт" кандидат физико-математических наук А. С. БАРАБАШ (ИТЭФ)

Ведущая организация :

Московский Инженерно Физический Институт

Защита состоится " £ _[ " 1995г. в // часов на заседании

специализированного совета Д.034.01.01 по защите докторских диссертаций в ИТЭФ по адресу :

г.Москва. 117259, Б. Черемушкинская ул., 25, конференц-зал ИТЭФ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭФ. Автореферат разослан 19Я$гГ

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук ^' Ю. В. Терехов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Диссертация посвящена одной из акгуальных проблем физики дементарных частиц - исследованию двойного бета-распада. Особый интерес (ызывают исследования безнейтркнной моды двойного бета-распада, г. к. она юзможиа только вне рамок стандартной модели электрсслабых шнмодействий. Во многах Теориях Великого Объединения у нейтрино ¡стественным образом появляется ненулевая Майорановскач масса, также ¡озможно существование правых лептонных токов, что приводит к :уществованиго безнейтрннного двойного бета распада. В настоящий момент кзнейтрнннып двойной бета-распад не зарегистрирован. Экспериментальные шнные о безнейгринном двойном бета -распаде дают информацию о гохранени« лелтонного числа, ограничения на Майорановскую массу яейтрнно, ограничения на константы сгчзп правых токов. Интерпоетация результатов экспериментов по поиску безкеГприннот двойного бета-распада [например наличие ненулевой Манорановской массы нейтрино ) чувствительна к значению ядерных мафнчных элементов, расчеты которых довольно неопределенны. Исследования разрешенного двухнейтршшога двойною бета распада важны для теории ядра. Экспериментальные данные о 2[52\'-рпепд'1ах возможно большего числа изотопов и сравнение их с теорией шчпо:пгг выбрать адекватную модель для расчета ядерных матричных элементов и, как следствие, более правильно интерпретировать результаты экспериментов по поиску безиентринного двойною бета распада.

Целью дшшон работы являлось исследование двухнейтрннион моды двойного бета распада ,50Ш .

Научная новизна и практическая ценность работы

Результатом исследования двойного бета распад.! япиюеь

наблюдение 202у распада в установке с пропорциональной лрет|ч>:?ой

■л

камерой ( время-проекционная камера - ТРС ). Впервые был опубликован результат

T1/2(2P2V)=(17^J ±().35>10'V-T

Предыдущие данные о 2p2v-pacnaie li0Nd носили противоречивы» характер (предварительные данные группы М.Моу m Калифорнийского Университета указывали на существование 2p2v~pacnaaa ,50N'd на уровне Т1/2 - 9*!0,s лет, тогда как в измерениях группы Института Ядерных Исследований положительный эффект не наблюдался и был поставлен предел Тт > 1.1*10'* лет 90% Ур.Д. ).

Увеличение статистики в два раза и проведение калибровочных измерений позволили уменьшить статистическую и систематическую ошибки. Окончательный результат данной работы

Т, /î{2p2v) = (I.8S^g|| $<Л-±ол!> *>""■•)• 10"лет

важен для физики атомного ядра.

Опыт работы с ТРС (1m*0,Sm*û.4m) будет полезен при осуществлении проекта ИТЭФ с большой ТРС (3.2м*3.2м*!.6м), предназначенной для исследования безнейтринного двойного бета распада на урозне - 10-4тет . lia защиту выносятся :

1) Наблюдение 2Д2у- распада |5".\г(1 . Впервые опубликован результат

T„2(2p2vHL7±i» ±0.Л">)*1С|9лет

2) Методику регистрации и аначиза двух электронных событий в пропорциональной дрейфовой камере.

3) Расчеты эффективности установки к 2p2v-pacnaiy lîuNd методом "Монте-Карло".

4) Калибровочные измерения со специально приготовленными источниками, загрязненными радионуклидами -JSU и -:,:Th рядов.

5) Результат измерения периода пшураспада l?"Nd в установке с пропорциональной дрейфовой камерой

T,/j|2P2vN(1.88:«ftf - o.w^' ).Ю19лет

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации были опубликованы в работах /1-6' . Материалы, представленные в диссертации, докладывались автором в 19931994гг. на семинаре ИТЭФ , сессии ОЯФ РАН . международной конференции "Слабые и электромагнитные взаимодействия МОШО^'94" (ФранцияЛ994), Результаты работы представлялись также на международной конференции "1СНЕР'94" (Англия, 1994). Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Ее объем 45страниц, включая 5 таблиц и 16 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 43 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована акту&чьность решаемых в диссертации задач и приводится план расположения материала.

В первой главе кратко изложено современное состояние исследований двойного бета-распада. В §2 приведена таблица изотопов - кандидатов на двойной бета-распад. Сильная зависимость вероятности 2р0у-распада от энергии прнвод1гг к тому, что среди всех изотопов - кандидатов на двойной бета распад, выделяются 11 наиболее интересных, у которых энергия перехода более 2МэВ . Даже среди этих 11 изотопов, 1МК£) - один нз самых перспективных, из-за ем большой энергии перехода и большого кулоновского фактора. Интерпретация результатов экспериментов по поиску 2р0\--распачи (например наличие ненулевой Майорановекон массы нейтрино ) чувствительна к значению ядерных матричных 'элементов, расчеты которых довольно неопределенны. Измерение разрешенных 2(52»,-расиачов возможно большего числа изотопов и сравнение их с теорией помогут выбрать адекватную модель для расчета ядерных матричных элементов и, как следствие, более правильно интерпретировать результаты экспериментов по поиску 2р0\>- распада. В

о

приведена таблица положительных результатов последних лет по измерению 2Р2у-распадов.

Во агорой главе приводятся результаты изучения различных фоновых процессов в установке с ТРС . В § 1 кратко описан проект ИТЭФ с большой ТРС в магнитном поле (Рис. 5) .

Размер ТРС—3.2м*3.2м* 1.6м , диаметр магнита~5.5м . В установке может экспонироваться до 10кг исследуемого изотопа. Установка расчитана на измерение 2С0\'-распада на уровне Т,У2 ~ 1024лет .

Для отработки методики и изучения фоновых процессов была сконструирована и построена ТРС размером 1м х 0.8м х 0.4м (Рис 2). Твердые источники 15СШ , расположены на майларовой пленке, разделяющей два газовых объема. Источник 150.\'ё содержит 40.8г изотопа 150М(1.

И И

Magnet

Anticosmtc counters coll

Рас. 2 Схема установки с ТРС (1мх0.8мх0.4м)в мапштном поле 800гс.

В §2 подробно описана методика регистрации и анализа двухэлектронных событий в ТРС . Показано, что трековая информация позволяет иметь низкий уровень фона. Получен коэффициент подавления фона более 107. Приведена оценка остающихся фонов. Оценка фона от внутреннего загрязнения источников 150Ш , ва1Ш радиоактивными рядами проводилась после дополнительных измерений со специально приготовленными калибровочными источниками, загрязненными ^и или ^ТЪ .

В третьей главе приводятся результаты расчетов эффективности установки к 2[52у- распаду . Эффективность время— проекцинной камеры к

И

регистрации ' 2p2v- распада 15(JNd расчитывалась методом статистических испытаний, методом Монте-Карло. В программе была реализована схема "последовательных" соударений. В этой схеме производится разыгрывание каждого взаимодействия электрона с ядром атомов среды. В начале главы приведено описание процессов взаимодействия электронов с веществом. Вероятность 2p2v-распада для перехода на основной уровень дочернего ядра, проинтегрированная по импульсам нейтрино j взята из работы М. Дои с соавторами П/ . Использовались табличные значения для фермиевского фактора, учитывающего влияние кулоновского поля ядра на отдельный электрон.

События 2р2у-распада 1M)Nd , сгенерированные программой Монте-Карло, были пропущены через программы распознавания треков, фитирования импульса, определения направления движения . Процедура обработки была той же, что и для реальных событий. Эффективность время-ироекиионной камеры к 2(52v-распаду l50Nd составила 2.Ш при ограничениях на энергию каждого электрона 0.25МэВ<Е,Д^<2.0МэВ и ограничениях на сумму энергий 0.9МэВ<Е,+Е2<2.5МэВ .

Для проверки программ моделирования и проверки всей процедуры обработки были изготовлены и экспонировались в камере специально приготовленные калибровочные источники, загрязненные радионуклидами или ulTh рядов. Использовались абсолютные калибровки источников с ^U или ^Тп , полученные в измерениях на низкофоновом Gc спектрометре. С точностью 101 показано совпадение спектров суммарной энергии двухэлектронных событий от калибровочных источников и спектров для событий, сгенерированных программой Монте-Карло и прошедших всю процедуру обработки.

В четвертой главе приводятся релльташ измерения периода полураспада Tw(2p2v) '•<uN'd . В 1993» наша группа в согрудничесзие с группой из 1>НО НЯИ наблюдала 2P2v-pacnaa ,50N'd и впервые опубликовала результат /I/ Т|д(2Р2у) = <1.7!»>±а35)х КИ'лет

В настоящее время статистика удвоена. На Рис. 3 а) и б) представлены спектры суммарной энергии двухзлектронных событий из источников и

«'N(1 . Офаничение на энергию каждого из ■электронов 0.25МэВ<Г,,Е1<2.0МэВ.

В,*М

.1, П.....

12 3 4 Е1«£2 ММ)

а) б) '

Рис. 3 Спектры суммарной энергии двух электронов для событий а) из источника б) из источника «»'N<1 .

Непрерывная кривая на рис. анспехтр событии 2р2у-распада , сгенерированных методом Монте-Карло.

Для уменьшения влияния фона от внешних -/-каантов рабочие источники с

обогаШенным неодимом (92% обогащения изотопом 1Я)М) и природным -

неодимом (содержания изотопа !50\с1 - 5.6%) были помещены в камеру я

экснонировачись одновременно. Матая величина внутреннего загрязнения

рабочих источников и позволяет проводить процедуру вычитания.

Заметно существенное превышение сигнала над фоибм для источника ""М .

Отношение сигнал/фон составляет 4/1 . Период полураспада определялся

разностным методом. Положительный эффект составляет 23±6событий с

суммарной энергией от 0.9МзВ до 2.5МэВ . На Рис. 4 а) и б) представлены

разностные (разность между счетом от источников 15пМс1 и м,М<! ) спектры :

а) спектр суммы энергий двух электронов и б) спектр энергий каждого из

18 г

| I!

¡1

о

Л

1В г

Г

I

5 -

1 2 3 4 а

Е1-Е2 1Яе«3

ю

атектронов, • членов пар, при ограничении на сумму энергий 0.9МэВ<Е1+Е3<2.5МэВ . Сллошнями кривыми показаны моите-кардовские спектры, нормированные на эффект. Видно неплохое согласие экспериментальных спектров и спектров для событий, сгенерированных методом Моате-Карло.

Е1*Е2 (пм )

г з

Е1 ОЯ и I Не« 1

3) , б)

Рис. 4 а) Разностный спектр суммарной энергии двух электронов . б) Разностный спектр энергии элехтроиов, членов пар. Сплошные кривые - результаты расчетов по методу Монте-Карпо.

В §3 описано влияние различных факторов на систематическую ошибку результата. Показано, что основной вклад в систематическую ошибку вноси г ошибка от определения эффективности установки к 2¡^2v- р;;сиалу .

Окончательны!! результат

В §4 дано сравнение с теоретическими предсказаниями. В заключении иршкменм основные результаты работы • Наблюдение 2{5-V р;к илча 151'N<1 . Впервые опубликован результат Т,„(202^(17^® ±п..15 >10"дст

• Наблюдение 2р2м-расиада на таком уровне стало возможным благодаря тому, что с помощью трековой методики в ТРС на уровне моря доствшут низкий уровень фона. Получен коэффициент подавления фона более 107. Использование трековой методики в проекте ИТЭФ с большой ТРС,, в установке,содержащей до Юкг изотопа, позволит достигнуть предел Т!/2 ~ 10м лет для безнейтринного двойного бета-распада.

• Методом Монте-Карло расчитана эффективность регистрации 5П2у-распада ,501\'с1 в установке с прототипом ТРС . Использование калибровочных источников, загрязненных радионуклидами 258и и М5ТЬ рядов, позволило проверить правильность расчетов эффективности установки, корректность всей процедуры обработки и поставить экспериментальные ограничения на число фоновых событий от внутреннего загрязнения источников 150Ш , «»'Ш .

• После увеличения статистики в два раза из измерений образцов ,50Ш (92% обогащения) и »»N<1 (природный изотопный состав) найдено, что

Т,/2(2Р2у)«(1.88+о;Ц -).Ю19лет

ЛИТЕРАТУРА

L-B. А. Артемьев,... В. В. Кириченко, и др., НАБЛЮДЕНИЕ 2(52у-РАСПАДА 150Nd В ЭКСПЕРИМЕНТЕ С ВРЕМЯ-ПРОЕКЦИОННОЙ КАМЕРОЙ, Письма в ЖЭТФ 58,4, 262, (1993). 2. V. A. Artemiev, ... V. V. Kirichenko. et al., OBSERVATION OF'»Nd 2p2v DECAY IN THE TIME PROJECTION CHAMBER EXPERIMENT, preprint ГГЕР 66-94, Submitted to Phys. Lett.

V. Kirichenko et al., OBSERVATION OF 2(i2v DECAY OF >»Nd IN THE TIME PROJECTION CHAMBER EXPERIMENT ia Proceedings of the MORIOND'94 "ELECTROWEAK INTERACTIONS AND UNIFIED THEORIES", Meribel, France, March 12-19, 1994 (in press). O. Ya. Zei'dovich - V. V. Kirichenko,et al., HALF-LIFE MEASUREMENT FOR l50Nd 2p2v DECAY IN THE TIME PROJECTION CHAMBER EXPERIMENT, i» Proceedings of the ICHEP94, (ia press). 2.V. A. Artemiev, ... V. V. Kirichenko, et al., The Xe double-beta-decay track experiment, Nucl. Instrum. Methods A303, 309 (1991).

43- А. Артемьев, ... В. В. Кириченко,и ар.. Фоновые процессы в эксперименте по поиску 2[}-раснада >-v'Xe , ЯФ 54. 1485, (1991).

2.V. A. Artemicv, ... V. V. Kirichenko, et al., The search for шХе 2p2v decay with a proportional-drift detector, Phys.Lett. В 280, 159 (1992).

6.В. А. Лртемьев, ... В. В. Кириченко, и др., Результаты эксперимента но поиску 2[}-распада !JftXe в пролорционально-дренфот м детекторе, ПТЭ , No.2, 88, (1992).

1. М. Doi et a!., Progr. Theor. 1'hys.. v. 66, 1739, (1981).

лозпаезно к печати ЛЬ. >or,ra? Gur.-G l/ifi Оссети.тгч.

Усд.-печ.л.С,75 Тарах: Uii зкз. £окяз 425

Отгмчзтяно в ШЭД, 11725?, Москва. В.Ч^ремз'ихииская.г'а