Изучение и подавление фоновых событий в неускорительных экспериментах по поиску редких процессов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научный центр Российской Федерации Институт Теоретической и Экспериментальной Физики им. А. И. Алиханова

Кобякин Александр Сергеевич

Изучение и подавление фоновых событий в неускорительных экспериментах по поиску редких процессов

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных

частиц

1 8 НОЯ 2010

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2010

004613441

УДК 539.12

Работа выполнена во ФГУП ГНЦ РФ Институт Теоретической и Экспериментальной Физики, г. Москва

Научный руководитель: член-корреспондент РАН,

доктор физ.-мат. наук М.В.Данилов (ФГУП ГНЦ РФ ИТЭФ, г. Москва)

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук А. С. Барабаш

(ФГУП ГНЦ РФ ИТЭФ, г. Москва)

Защита диссертации состоится 14 декабря 2010 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.201.002.01 во ФГУП ГНЦ РФ ИТЭФ по адресу: г. Москва, ул. Б. Черемушкинская, д. 25, конференц-зал института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭФ.

Автореферат разослан 11 ноября 2010 г. Ученый секретать диссертационного совета

кандидат физ.-мат. наук А. А. Смольников (ЛЯП ОИЯИ, г. Дубна)

Ведущая организация: ИЯИ РАН

(г. Москва)

кандидат физ.-мат. наук

Общая характеристика работы Актуальность темы

К концу XX века были фактически завершены построение и экспериментальная проверка Стандартной модели физики элементарных частиц. Тем не менее, уже несколько десятилетий предпринимаются попытки экспериментально отыскать новую физику, не укладывающуюся в рамки Стандартной модели. В данной работе речь пойдег о двух различных направлениях поиска новой физики: двойном /?-распаде, могущем пролить свет на природу нейтрино, и поиске частиц темной материи.

Физика нейтрино является одним из приоритетных направлений развития физики элементарных частиц, в частности благодаря обнаружению нейтринных осцилляций (см., например, [1]). Из существования нейтринных осцилляций напрямую следует наличие у нейтрино ненулевой массы. Соответственно, необходимо изучение других фундаментальных свойств нейтрино, в частности, природы этой частицы: майорановской или дираковской (см., например, [2]). Одними из немногих экспериментов, способных определить природу нейтрино, являются эксперименты по поиску двойного безнейтринного ¡3-распзда.

Двойной /?-расиад представляет собой очень редкий процесс, в котором два нейтрона в ядре одновременно превращаются в два протона, при этом должны вылетать два электрона. Стандартная теория слабого взаимодействия требует, чтобы при этом вылетали два электронных антинейтрино

(А, г) {А, г + 2) + 2е" + 2Р.

Э. Майорана в работе [3] показал, что возможно существование нейтрино, тождественного своей античастице — антинейтрино, при этом все результаты теории слабого взаимодействия остаются верны. Такой тип нейтрино называется майорановским (в отличие от дираковского), их различие существенно только в случае ненулевой массы нейтрино.

Для майорановского нейтрино возможен процесс безнейтринного двойного /?-распада

(А,г)-*(А,г + 2) + 2е~.

В этом случае нарушается сохранение лептонного числа, данный процесс запрещен в рамках стандартной модели. Поскольку слабое взаимо*-^

действие имет V-A структуру, то помимо тождественности нейтрино и антинейтрино требуется еще и переворот спина виртуального антинейтрино в процессе распада. Вероятность этого процесса пропорциональна квадрату массы нейтрино.

Таким образом, изучение двойного /З-распада позволяет не только определить природу массы нейтрино, но и в случае майорановского нейтрино оценить его массу. Для извлечения массы нейтрино из данных по безнейтринному каналу для двойного /З-распада необходимо знание ядерного матричного элемента. Его теоретические оценки затруднительны, а для экспериментальной проверки используемых теоретических моделей можно использовать данные по двухнейтринному каналу распада.

В настоящий момент двухнейтринная мода распада открыта для 10 ядер. Одним из ядер, не входящих в это число, но способных к двойному /?-распаду, является 136Хе. Несмотря на интенсивные исследования, его двухнейтринный распад до сих пор не обнаружен, существуют лишь верхние пределы на его период полураспада, поставленные в эскперимен-тах BNO ([4]) и DAMA ([5]). Исследованию двойного /3-распада изотопа 13бХе и посвящен эксперимент ДЕВИЗ, рассматриваемый в первой части диссертации.

Другой эксперимент, ZEPLIN-III, посвящен поиску темной материи. В настоящее время многочисленные данные об устройстве Вселенной показывают, что ее суммарная кривизна близка к нулю, соответственно, она является плоской, что требует для параметра плотности материи и энегии ÍI значения, близкого к единице. Но по данным спутника WMAP ([6]) наблюдаемая барионная материя во Вселенной вносит в параметр плотности вклад только на уровне 4.6%. Наибольший вклад на уровне 72.6% приходится на долю темной энергии, а оставшиеся 22.8% — вклад от холодной темной материи. В пользу существования темной материи говорят данные по кривым вращения спиральных и эллиптических галактик (см., например, обзор [7]). Также есть надежные данные о существовании темной материи из данных по гравитационному линзированию, например, из наблюдения столкновения двух галактических кластеров в кластере «Bullet», в котором обнаружено значительное смещение гравитационного центра масс сталкивающихся кластеров от положения центра масс видимой материи ([8]). Одновременно в пользу темной материи говорят неоднородности крупномасштабной структуры

Вселенной ([б]), а также модели первичного нуклеосинтеза ([9]).

В настоящее время существует несколько кандидатов на роль темной материи, но ни одна из известных в настоящее время частиц не может рассматриваться в качестве такого кандидата. Теоретики предлагают в качестве основного кандидата \У1МР'ы, или слабовзаимодействующие массивные частицы. Одним из расширений Стандартной модели, предсказывающих существование новых частиц, является теория суперсимметрии, математический аппарат которой был разработан в работе [10]. В этой теории на роль \¥1МР'ов могут претендовать многие частицы, в частности, нейтралино, снейтрино, гравитино и др. (см. обзор [11]).

Во второй части работы подробно рассматривается двухфазный ксе-ноновый детектор ZEPLIN-IП, регистрирующий сигналы от ядер отдачи и измеряющий их энергию с помощью сцинтилляционного и ионизационного сигналов.

Поскольку процессы двойного /3-распада и рассеяния УЛМР'ов на ядрах довольно редкие, то для обоих экспериментов очень важна проблема фона. Данная работа посвящена изучению вклада от фоновых процессов в эксперимент ДЕВИЗ и его уменьшению в эксперименте 2ЕРЬШ-Ш.

Цель работы

Эксперимент ДЕВИЗ проводится разностным методом, поэтому большинство фоновых процессов дают одинаковый вклад как в экспозицию с ксеноном, обогащенным изотопом 136Хе, так и с обедненным ксеноном. Тем не менее, обнаруженный в эксперименте избыток событий в экспозиции с обогащенным ксеноном показал необходимость поиска нестандартных механизмов фона. Целью иследовашш было изучение одного из фоновых механизмов, связанного с рождением радиоактивных изотопов под воздействием фонового излучения и их дальнейшим распадом.

Другая часть работы посвящена активной вето-системе детектора гЕРЫК-Ш, которая предназначена для уменьшения числа событий от нейтронного фона в эксперименте. Целью второй части работы было измерение параметров основных элементов вето-системы и получение оценок для её эффективности.

Научная новизна и практическая ценность работы

Для эксперимента ДЕВИЗ был впервые исследован фоновый механизм, связанный с генерацией изотопов под воздействием фонового излучения и способный давать вклад в эксперимент, проводящийся разностным методом. Был получен качественный и количественный состав изотопов, способный повлиять на результаты эксперимента по поиску двойного /З-раснада 13бХе, а также приведены количественные оценки их вклада в эксперимент ДЕВИЗ. Подобный механизм фона может играть существенную роль в других низкофоновых экспериментах, а его изучение позволит увеличит чувствительность установки ДЕВИЗ к двойному /2-распаду.

Для эксперимента ZEPLIN-III была впервые создана система активного вето на основе твердых пластмассовых сцинтилляторов и пластика с добавлением гадолиния. Были получены оценки эффективности таг гирования нейтронов и гамма-квантов. Показано, что система обладает высокой эффективностью при подавлении нейтронного фона, что существенно увеличит чувствительность эксперимента к рассеянию \¥1МР'ов на ядрах ксенона. Полученная высокая эффективность также позволит применять подобные системы на основе пластмассовых сцинтилляторов и пластика с добавлением гадолиния в других экспериментах.

Результаты, выносимые на защиту

В работе были рассмотрены некоторые механизмы фоновых процессов в двух экспериментах по поиску редких событий. Для эксперимента ДЕВИЗ по поиску двойного /3-распада 136Хе на защиту выносятся следующие результаты:

1. Построена модель установки на основе пакета программных библиотек СЕАМТ4.

2. Проведено исследование нейтронного фона в окрестности установки, получены уточненные значения фонового потока нейтронов и обнаружены дополнительные источники фона.

3. Получены оценки активностей и спектров испускаемых нейтронов для обнаруженных дополнительных источников.

4. Определен качественный и количественный состав изотопов, рождающихся в установке под воздействием фонового излучения и способ-

ных дать вклад в разницу числа событий в различных экспозициях.

5. Определена величина вклада в фоновое число событий от распада рожденных изотопов для двух экспозиций с различным изотопным составом ксенона. Полученный вклад составляет 11.9 событий для обогащенного и 3.5 события для обедненного ксенона за 2000 часов и не может объяснить наблюдаемый избыток событий в экспозиции с обогащенным ксеноном.

Для эксперимента ZEPLIN-II1 по поиску темной материи на защиту выносятся следующие результаты:

1. Построена модель для изучения сигнала с одиночного пластмассового сцинтиллятора на основе пакета программных библиотек GEANT4.

2. Измерены с помощью оригинальной методики относительные квантовые эффективности для большой партии фотоэлектронных умножителей.

3. Измерены параметры пластмассовых сцинтилляторов для активного вето.

4. Получены кривые зависимости сигнала с ФЭУ от положения точки энерговыделения в сцинтилляторе.

5. Создана модель работы вето-системы в целом на основе пакета программных библиотек GEANT 4.

6. Определена эффективность маркировки событий в основном детекторе, вызванных нейтронами и гамма-квантами, которые могли бы быть ошибочно интерпретированы как сигналы от темной материи, в зависимости от установленных порогов срабатывания отдельных модулей.

Апробация работы и публикации

Основные результаты, изложенные в диссертации, были опубликованы в 4 работах [1 - 4] из списка публикаций автора. Все работы опубликованы в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК. Материалы, представленные в диссертации, докладывались на совещаниях коллаборации ZEPLIN-III и группы эксперимента ДЕВИЗ, на European School of High-Energy Physics 2008 (г. Гербемон-сюр-Семуа, Бельгия), а также на конференции ИСМАРТ-2008 (г.Харьков, Украина).

Личный вклад диссертанта

Диссертант принимал активное участие в эксперименте ДЕВИЗ с 2004 года. Им было полностью проведено исследование вклада от фонового механизма, описанного в диссертации. Также им было проведено исследование нейтронного фона, обнаружен ряд новых источников фоновых нейтронов и измерены их параметры. Диссертантом была создана компьютерная модель установки, получен качественный и количественный состав рождающихся в ней изотопов, а также получена оценка их вклада в число событий в эксперименте.

В эксперименте ZEPLШ-III диссертант принимал активное участие в создании вето-системы и определении её параметров. Им было проведено измерение параметров фотоэлектронных умножителей и пластмассовых сцинтилляторов, созданы компьютерные модели для изучения сигнала от одиночного сцинтиллятора и для изучения работы вето-системы в целом, а также получены оценки эффективности её работы.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Ее объем 98 страниц, включая 33 рисунка и 11 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 68 наименований.

Содержание работы

Во Введении дается краткая характеристика современного состояния двух направлений исследований, посвященных поиску новой физики за пределами Стандартной модели: поиску темной материи и двойного безнейтринного /3-распада. Для двойного /3-распада приводятся основные типы экспериментов, даются их краткие характеристики, а также перечисляются эксперименты, направленные на поиск двойного /3-распада основных изотопов. Для темной материи приведены основные свидетельства ее существования и перечислены возможные кандидаты на роль темной материи. Далее приводятся методики детектирования \У1МР'ов, гипотетических слабовзаимодействующих частиц, которые в данный момент являются основными кандидатами на роль темной ма-

терии, а также перечисляются эксперименты но их поиску прямыми и косвенными методами.

Диссертацию можно разделить на 2 части, посвященные различным экспериментам. Главы 1-2 описывают детектор ДЕВИЗ по поиску двойного (3-распада J36Xe (в первую очередь его двухнейтринного канала), а также рассказывают про оценку фона от радиоактивных изотопов, возникающих в установке под воздействием космического излучения. Главы 3-6 посвящены эксперименту ZEPLIN-III, направленному на поиск WIMP-ов, и работе системы активного вето, предназначенной для маркировки гамма-квантов и нейтронов, дающих сигнал в основном детекторе.

Глава 1 описывает устройство и работу эксперимента ДЕВИЗ по поиску двухнейтринного канала двойного /?-распада 136Хе, приводятся способы обработки данных, а также кратко показаны полученные результаты.

В разделе 1.1 кратко обоснована актуальность исследований двойного /3-распада для данного изотопа, приведены существующие пределы на период полураспада для двухнейтринного канала по данным БНО ИЯИ ([4]) и DAMA ([5]).

В разделе 1.2 приводится подробное описание установки. Она представляет собой времяпроекционную камеру, помещенную в магнитное поле (см. рис. 1). Регистрируются электроны, вылетающие из центрального ксенонового объема, и по форме их траектории в магнитном поле определяются их энергия и направление движения. В разделе подробно описано внутреннее устройство камеры, работа многопроволочных детекторов, приведена общая схема регистрации событий установкой. Описана схема работы регистрирующей электроники и приведен механизм выработки триггера при работе установки.

Раздел 1.3 посвящен описанию алгоритмов обработки событий. Все данные проходили три этапа обработки: в режиме онлайн, когда вводились минимальные ограничения на качество событий, в режиме оффлайн, в котором проводилось полное фитирование треков вылетевших электронов, и визуальный отбор, в процессе которого окончательно отбирались кандидаты в события от двойного /?-распада 136Хе.

В разделе 1.4 приведены предварительные результаты, полученные в эксперименте. Для исключения большей части фоновых событий эксперимент ДЕВИЗ проводился разностным методом. При этом центральная

Рис. 1. Схематический вид установки ДЕВИЗ

часть последовательно заполнялась образцами ксенона с различным изотопным составом: 11атХе — с естественным содержанием изотопов, 136Хе — обогащенным до 93.4% изотопом 136Хе, о6еднХе — обедненным до 2.4% по изотопу 136Хе. В табл. 1 приведено количество отобранных кандидатов в события от двойного (3-распада для каждой экспозиции. Значительный избыток наблюдается в экспозиции с повышенным содержанием 136Хе. С учетом эффективности регистрации событий этот избыток соответствует на порядок меньшему периоду полураспада, чем ранее опубликованные пределы [4, 5].

Таблица 1. Результаты эксиозиций с различным изотопным составом ксенона в центральной части детектора

Экспозиция Концентрация 136Хе, % Время экспозиции, ч Количество кандидатов в события

патХе 8.9 1002 987

136Хе 93.4 2106 3044

обеднХе 2.4 1893 1789

В разделе 1.5 подведен краткий итог изложенного в первой главе материала.

Изучению одной из возможных причин наблюдаемого в эксперименте избытка событий в одной из экспозиций посвящена Глава 2. В ней описывается изучение фона от радиоактивных изотопов, возникших в установке под воздействием фонового излучения. Качественный и количественный состав этих изотопов различен для различного изотопного состава ксеноновой смеси, заполняющей центральную камеру детектора. Их дальнейший распад может давать в установке события с двумя электронами, похожие на двойной /3-распад 136Хе.

В разделе 2.1 приведено краткое описание исследуемого фонового механизма, а также определены составляющие фонового излучения, способные дать в установке радиоактивные изотопы с различным составом в зависимости от состава ксенона. Фактический интерес представляют только мюонная и нейтронная составляющие внешнего фона.

В разделе 2.2 описаны параметры компьютерного моделирования установки методом Монте-Карло для оценки качественного и количествен-

ного состава рождающихся изотопов. Моделирование проводилось с использованием пакета GEANT 4.9.1 [12, 13] с набором данных по нейтронным сечениям G4NDL 3.12, результаты моделирования анализировались в пакете ROOT 5.18 [14]. При этом рассматривались только экспозиции с обогащенным и обедненным ксеноном, поскольку основная статистика набиралась только в этих экспозициях, a, моделирование каждого изотопного состава требует больших затрат компьютерного времени.

В разделе 2.3 описываются параметры мюонного фона, заложенные при моделировании. Исходный спектр мюонов был взят из PDG [15], а уточненные данные по интенсивностям, особенно в области низких энергий, — из работы [16]. Так как положительно заряженные мюоны не захватываются, то при моделировании рассматривалась только отрицательно заряженная часть спектра.

Раздел 2.4 целиком посвящен нейтронному фону. Поскольку нейтронная составляющая сильно зависит от местных условий, то дополнительно потребовалось провести измерения нейтронного фона в окрестности установки ДЕВИЗ.

В подразделах 2.4.1 и 2.4.2 описана методика измерения нейтронного фона с помощью гелиевых счетчиков СН-01 производства НПЦ «Аспект» и их калибровка. Измерения проводились в двух вариантах, в первом счетчики помещались внутрь блока полиэтилена («одетые» счетчики) для измерения интегрального спектра, а во втором они работали без полиэтилена («голые») и измеряли только тепловую часть спектра, Для калибровки счетчиков использовался плутоний-бериллиевый источник нейтронов ИБН-238, результаты калибровок сравнивались с результатами компьютерного моделирования. Дополнительно с помощью источника были уточнены параметры модели установки путем сравнения результатов измерения скорости счета нейтронов от источника счетчиками под камерой с модельными данными.

В подразделах 2.4.3 и 2.4.4 описаны измерения нейтронного фона на установке и приведены их результаты. Выяснилось, что фон в экспериментальном зале и под установкой сильно различается, причем под установкой он существенно выше. Параметры внешнего нейтронного фона были взяты из работ [17,18]. Модельный спектр внешних нейтронов приведен на рис. 2. Отдельное исследование позволило обнаружить дополнительные источники нейтронного фона, которыми оказались свинцовое

м

I 106

ч: ф

§ 105 х XI

I 104

с*> ^

о

о. ,

с 103

О 2 4 6 8 10

Е, МэВ

Рис. 2. Энергетический спектр нейтронов по данным работ [17, 18]

покрытие пола под камерой и стальные детали магнита, окружающего камеру. Их спектр исследовался с помощью жидкого сцинтиллятора ВС501А, способного разделять события от нейтронов и гамма-квантов по форме импульса. В результате исследования была уточнена интенсивность внешнего фона и получены оценки на активности и спектр дополнительных источников. Полученные потоки и активности:

- внешний нейтронный фон /„ = 8.67 X Ю-3 штук/(см2 с),

- свинец под камерой Арь = 0.083 нейтронов/(кг с),

- стальные части магнита Асгглш = 0.042 нейтронов/(кг с).

Спектры нейтронов, испускаемых свинцом и стальными частями магнита, приведены на рис. 3 и рис. 4.

В разделе 2.5 приведены основные изотопы, возникающие в ксеноне под воздействием фонового излучения но данным моделирования. Одновременно приведены критерии отбора изотопов, представляющих дальнейший интерес, и основные характеристики этих изотопов: период полураспада, выделяющаяся энергия и вероятность регистрации их распада как события от двойного /?-распада 136Хе в установке.

Раздел 2.6 посвящен описанию методики оценки эффективности регистрации распада полученных ранее изотопов как событий от двойного /3-распада 136Хе. Моделирование работы установки в режиме сбора дан-

Произвольные единицы

Рис. 3. Энергетический спектр нейтронов, испускаемых из свинца

Произвольные единицы

Рис. 4. Энергетический спектр нейтронов, испускаемых из стальных деталей

ных осуществлялось методом Монте-Карло с помощью программного пакета GEANT 4. Полученные события записывались в том же формате, как и реальные, и в дальнейшем пропускались через те же программы обработки. Проверка правильности работы программной модели была осуществлена с помощью калиброванного источника 207Bi, а также на основе дополнительного сеанса сбора данных с повышенным содержанием 222Rn в детекторе.

В разделе 2.7 приведен итоговый качественный и количественный состав изотопов, рождающихся в установке под воздействием фонового излучения и способных дать различный вклад в экспозиции с разным изотопным составом ксенона. Также приведен итоговый вклад от данного источника фона в обе экспозиции. Полученные результаты приведены в табл. 2.

Таблица 2. Количество изотопов, возникающих в установке под воздействием фонового излучения за 2000 часов, эффективность регистрации их распадов в качестве двойного /5-распада и итоговое число событий от каждого изотопа за 2000 часов

Число изотопов Эффективн. Число событий

Изотоп Обогащ. Обедн. регистрации, Обогащ. Обедн.

ксенон ксенон х10-6 ксенон ксенон

126J - 5600 3 - 0.0

128 J - 8500 51 - 0.4

130j - 11000 62 - 0.7

132 j 11000 10260 156 1.7 1.6

133j 14500 4760 13 0.2 0.1

134J 24760 2760 230 5.7 0.6

135 J 23600 500 37 0.9 0.0

136j 15000 500 147 2.2 0.1

137Xe 10060 250 120 1.2 0.0

Всего - - - 11.9 3.5

В разделе 2.8 подводится итог проведенному исследованию. По результатам моделирования итоговый вклад от данного источника фона оказывается на два порядка меньше, чем наблюдаемый избыток собы-

тий в одной из экспозиций, таким образом, данный механизм не может объяснить результатов эксперимента.

Во второй части диссертации, начиная с Главы 3, речь идет об эксперименте ZEPLIN-III по поиску \VIMP-ob. В данной главе описывается устройство детектора ЕЕРЬШ-Ш, а также приводятся результаты первого периода его работы.

В разделе 3.1 кратко описан первый период сбора данных детектором ZEPLIN-III. Данный период продолжался с 27 февраля по 20 мая 2008 года. По его итогам были установлены пределы на спин-независимое и спин-зависимое сечения рассеяния ^УШР'ов на уровне 8.1 х Ю-8 пб [19] и 1.9 х Ю-2 пб [20] соответственно для частиц темной материи массой 60 ГэВ при доверительном уровне 90%.

В разделе 3.2 кратко описывается принцип работы детектора. ZEPLIN-III представляет собой двухфазный ксеноновый детектор. Частица, про-взаимодействовавшая в объеме детектора, оставляет после себя сигнал от сцинтилляции в жидком ксеноне и ионизацию, которая в электрическом поле дрейфует к поверхности раздела между газом и жидкостью, на которой проходит извлечение заряда из жидкости в газ, где и происходит электролюминесценция. По соотношению между сигналами от сцинтилляции и электролюминесценции можно разделить события в детекторе, вызванные различными частицами, что существенно увеличивает чувствительность детектора.

В разделе 3.3 подробно описывается конструкция детектора в том виде, в котором он работал в течение первого сенаса сбора данных. Описаны центральная часть детектора, в которой и происходит непосредственно регистрация частиц, система охлаждения на основе жидкого азота, система сбора данных с детектора и пассивная зашита.

Раздел 3.4 посвящен первому периоду работы детектора. В нем приведены методики калибровки детектора и проверки параметров работы его систем, базовые принципы анализа событий, а также результаты обработки собранных данных.

В Главе 4 описывается конструкция системы вето, которая была установлена перед вторым периодом работы вокруг детектора для борьбы с внутренними фонами детектора, дававшими основной вклад в число фоновых событий в течение первого периода работы.

В разделе 4.1 описываются принципиальная конструкция и задачи

I

17

Рис. 5. Сцинтилляционные модули (черного цвета) и полипропиленовые блоки (белого цвета) вето-системы, показанные в процессе сборки. В центральной области будет расположен сам детектор 2ЕРЬШ-Ш

вето-системы. Вето состоит из полипропиленовых модулей с добавкой гадолиния, окруженных слоем пластмассовых сцинтилляторов с соединенными с ними ФЭУ. Основной задачей вето является регистрация нейтронов и гамма,-квантов, давших сигнал в основном детекторе, имитирующий сигнал от частиц темной материи. Также вето играет роль пассивной защиты от внешнего фона.

Раздел 4.2 описывает общий вид вето-системы и механизм её работы. Нейтроны, попадающие в полипропилен, окружающий основной детектор ZEPLIN-Ш, постепенно замедляются и захватываются гадолинием или водородом. При этом испускается характерное гамма-излучение, которое может быть зарегистрировано сцинтилляторами вето. Внешний вид системы вето в процессе сборки изображен на рис. 5.

В разделе 4.3 описывавается пассивная часть вето-системы, состоящая из полипропилена с добавлением гадолиния и внешней свинцовой защиты. Гадолиний был добавлен в полипропилен для существенного увеличения сечения захвата нейтронов. В результате моделирования было установлено, что в результате добавления гадолиния эффективность

регистрации нейтронов возрастает с 55% (без Сс1) до 81% (массовая доля Сс1 0.5%). Подробно описана структура блоков пассивной защиты и их расположение.

Раздел 4.4 посвящен пластмассовым сцинтилляторам, составляющим основную часть активного вето. Приведено описание материала (иРЕн 923А), из которого были изготовлены модули сцинтиллятора, а также описаны их геометрические параметры и расположение вокруг детектора. Подробно описан подбор оптимальных параметров для материалов, играющих роль отражателя вокруг сцинтиллятора, а также измерение базовых характеристик материала сцинтиллятора, проведенные в ИТЭФ на тестовом образце, полученном от производителя. В итоге оптимальным отражающим материалом для обертываниия сцинтилляторов оказался тефлон. Также были получены опорные кривые зависимости числа фотоэлектронов от расстояния между точкой высвечивания и фотоумножителем для дальнейшего моделирования работы вето-системы.

В разделах 4.5 и 4.6 приводятся базовые параметры работы фотоумножителей и электроники системы сбора данных для вето. Описана работа системы оцифровки данных, системы синхронизации событий между вето и основным детектором. Приведено описание формирования триггера для двух различных режимов работы вето-системы: ведомого, когда она получает триггер от основного детектора гЕРЬШ-Ш, и независимого, в котором формируется собственный триггер в зависимости от установленных порогов срабатывания отдельных модулей. Приведена оценка необходимого временного окна вокруг триггера для записи событий, чтобы избежать потери информации.

Раздел 4.7 подводит итог описанию устройства вето-системы и еще раз подчеркивает ключевые моменты в её работе.

В Главе 5 речь идет об измерении параметров ключевых компонентов вето-системы: фотоумножителей и пластмассовых сцинтилляторов. Эти параметры далее закладывались в модель работы вето-системы для получения оценок эффективности ее работы.

В разделе 5.1 кратко описываются измеряемые параметры компонентов вето-системы. Для фотоумножителей измерялась квантовая эффективность, то есть количество фотоэлектронов, испускаемых в среднем из фотокатода на один падающий фотон. Для сцинтилляционных модулей исследовалась зависимость количества фотоэлектронов на единицу

выделившейся в сцинтилляторе энергии от положения точки энерговыделения вдоль сцинтиллятора.

Раздел 5.2 целиком посвящен измерению параметров фотоумножителей. Основным исследуемым параметром была квантовая эффективность. Для её оценки сначала определялись относительные квантовые эффективности всех ФЭУ двумя способами. Для этого для каждого ФЭУ измерялись спектр одиночных фотоэлектронов от спонтанной термоэлектронной эмиссии из фотокатода и спектр сигналов от вспышки светоди-ода.

Первый способ определения квантовой эффективности использовал статистический подход, в котором число фотоэлектронов определялось по ширине пика в спектре. Ширина пика, полученного от вспышки све-тодиода, определяется в основном распределением Пуассона для числа испущенных фотоэлектронов, так что

й

//V

где а — определенное по ширине пика стандартное отклонение, ¡1 — положение максимума пика, а N — среднее число испущенных фотоэлектронов для событий, попавших в пик.

Другой метод определял число фотоэлектронов путем деления номера канала, в котором находился максимум пика от светодиода, на номер канала, в котором находился максимум пика от однофотоэлектронных событий.

Таким образом были получены относительные квантовые эффективности для всех 52 ФЭУ. Измерения абсолютной эффективности проводились производителем для 3 отобранных ФЭУ. Получив результаты их абсолютной калибровки и зная относительные эффективности были определены абсолютные эффективности всех ФЭУ. График соотношения между абсолютными эффективностями, полученными двумя различными методами, представлен на рис. б.

В разделе 5.3 описывается измерение параметров пластмассовых сцин-тилляторов. Основным параметром, играющим важную роль для моделирования их работы, является техническая длина ослабления (ТДО). Это расстояние вдоль модуля, на котором исходный световой сигнал затухает в е раз с учетом свойств материала, геометрии модуля и отражающих свойств материала, которым обернут сцинтиллятор. Для измерения

(метод однофотоэлектронного спектра)

Рис. 6. Квантовые эффективности всех ФЭУ, полученные двумя различными методами. Закрашенными кружками показаны ФЭУ, чьи абсолютные эффективности были измерены производителем

ТДО была собрана схема совпадений с использованием второго сцинтил-лятора из Nal. В качестве источника использовался 22Na, дающий два гамма-кванта по 511 кэВ от аннигилляции испущенных позитронов. Проводилось несколько измерений для различных расстояний между источником и ФЭУ, прикрепленным к концу пластмассового сцинтиллятора. Для полученных спектров определялось положение края комптоновского спектра, поскольку пик полного поглощения был практически не виден. В результате получалась зависимость положения края комптоновского спектра от расстояния между источником и ФЭУ, из которой в дальнейшем извлекалась величина ТДО. Пример полученной кривой показан на рис. 7.

Подобные кривые были получены для всех сцинтилляционных модулей. На их основе была создана схема моделирования сигнала с ФЭУ для отдельных модулей, которая использовалась при моделировании работы вето-системы в целом. В нее были заложены усредненные зависимости числа фотоэлектронов от расстояния до источника для 5 различных геометрий модулей. Полученные усредненные зависимости приведены на рис. 8.

Расстояние от источника до ФЭУ, см

Рис. 7. Зависимость положения пика комптоновского рассеяния гаммаг квантов от расстояния между источником и ФЭУ для одного из модулей

Расстояние от источника до ФЭУ, см

Рис. 8. Усредненные зависимости числа фотоэлектронов от расстояния до источника сигнала для пяти различных типов модулей

В разделе 5.4 кратко приведены основные моменты проделанной работы по измерению параметров ключевых компонентов вето-системы.

Глава б посвящена моделированию работы вето-системы в целом, оптимизации параметров добавления гадолиния в пластик и получению оценок эффективностей маркировки вето-системой нейтронов и гамма-квантов, давших сигнал в основном детекторе, который может быть ошибочно интерпретирован как сигнал от темной материи, как событий, не имеющих отношения к WIMP-ам.

В разделе 6.1 кратко сформулирована основная задача моделирования работы вето-системы. Для оценки эффективности маркировки модель вето работала совместно с моделью работы основного детектора ZEPLIN-III.

В разделе 6.2 приведено описание основных параметров модели. Модель вето-системы делалась на основе программного пакета GEANT 4.9.1. В разделе подробно описаны все включенные в модель элементы. Для получения спектра нейтронов, образующихся в основном в результате (a, ri) реакций от а-частиц, возникающих при распаде нестабильных изотопов, использовался программный пакет SOURCES [21], полученный с его помощью спектр нейтронов закладывался в GEANT для дальнейшего моделирования.

В разделе 6.3 описывается подбор с помощью моделирования оптимальных параметров добавления гадолиния. Он смешивался с эпоксидным клеем и заливался в пазы, проделанные в пластиковых блоках. В результате моделирования оптимальными параметрами оказались массовая доля гадолиния 0.5%, ширина пазов 2 мм и шаг пазов 10 мм.

В разделе 6.4 приведены итоговые эффективности маркировки нейтронов и гамма-квантов в зависимости от величины порога срабатывания отдельных модулей и от числа сработавших модулей. Полученные кривые для нейтронов и гамма-квантов приведены на рис. 9 и 10 соответственно.

Для нейтронов при срабатывании хотя бы одного модуля при нулевом пороге эффективность маркировки составила 79.8 ± 2.0%, а при пороге в 6 фотоэлектронов — 67.6 ± 1.9%, при этом для двух сработавших модулей при пороге в 6 фотоэлектронов она составляет 57.4 ± 1.5%. Это связано с тем, что при захвате нейтрона гадолинием выделяется не один, а несколько энергичных гамма-квантов, направления вылета кото-

Число сработавших модулей

Пороговое число фотоэлектронов

Рис. 9. Зависимость эффективности маркировки вето-системой нейтронных событий в основном детекторе от величины порога срабатывания модулей и от числа сработавших модулей

Число сработавших модулей

Пороговое ЧИСЛО 14 36 фотоэлектронов

Рис. 10. Зависимость эффективности маркировки вето-системой событий от гамма-квантов в основном детекторе от величины порога срабатывания модулей и от числа сработавших модулей

рых слабо связаны друг с другом, поэтому высока вероятность того, что они вызовут срабатывания в разных модулях.

При нулевом пороге срабатывания модулей для гамма-квантов будет зарегистрировано 27.3 ± 1.5% из тех, что оставили сигнал в основном детекторе. Для порога в 6 фотоэлектронов эта величина составит уже 14.6 ± 1.5%, а если требуется одновременное срабатыване двух модулей при данном пороге, то эффективность маркировки составит всего 8.6 ± 1.4%. Это связано с тем, что гамма-кванты в основном выделяют энергию в пределах только одного модуля.

В разделе 6.5 подведены итоги моделирования работы вето-системы и оценки эффективности маркировки ею нейтронов и гамма-квантов. В течение второго периода работы детектора ZEPLIN-Ш величина фонового счета без учета работы вето должна была составить 0.4 события в год. При эффективности маркировки ложных событий вето системой около 65% итоговый фоновый счет в основном детекторе снижается до величины 0.14 событий в год. Это внесет существенный вклад в результат, полученный детектором ЕЕРЬШ-Ш, в случае, если в искомой области будет обнаружено ненулевое число событий. Таким образом, установка активной вето-системы позволит существенно улучшить окончательный результат работы детектора

В Заключении подведены итоги проделанной работы и суммированы полученные результаты.

Для эксперимента ДЕВИЗ по поиску двойного распада 136Хе были получены следующие результаты:

1. Построена модель установки на основе программного пакета СЕАМТ4.

2. Проведено исследование нейтронного фона в окрестности установки, уточнено значение фонового потока нейтронов и обнаружены дополнительные источники фона.

3. Для обнаруженных источников получены оценки их активностей и спектров испускаемых нейтронов.

4. Получен качественный и количественный состав изотопов, рождающихся в установке под воздействием фонового излучения и способных дать вклад в разницу числа событий в различных экспозициях.

5. Получена величина вклада в фоновое число событий от распада рожденных изотопов для двух эксиозиций с различным изотопным составом ксенона. Полученный вклад составляет 11.9 событий для обога-

щенного и 3.5 события для обедненного ксенона за 2000 часов и не может объяснить наблюдаемого избытка событий в экспозиции с обогащенным ксеноном.

Для эксперимента гЕРЬШ-Ш по поиску темной материи были получены следующие результаты:

1. Построена модель для изучения сигнала с одиночного пластмассового сцинтиллятора на основе программного пакета СЕАЫТ4.

2. Измерены с помощью оригинальной методики относительные квантовые эффективности для большой партии фотоэлектронных умножителей.

3. Измерены параметры пластмассовых сцинтилляторов для активного вето.

4. Получены кривые зависимости сигнала с ФЭУ от положения точки энерговыделения в сцинтллляторе.

5. Создана модель работы вето-системы в целом на основе программного пакета СЕА1^Т4.

6. Определена эффективность маркировки событий в основном детекторе, вызванных нейтронами и гамма-квантами, которые могли бы быть ошибочно интерпретированы как сигналы от темной материи, в зависимости от установленных порогов срабатывания отдельных модулей.

Список публикаций автора по теме диссертации

[1] В. А. Белов, О. Я. Зельдович, А. С. Кобякин. Исследование источников фона, связанных с образованием радиоактивных изотопов в эксперименте «ДЕВИЗ» (23-распад). Ядерная физика 71, 1057-1061 (2008).

[2] В.А.Белов, ..., А.С.Кобякин и др. Измерение фона от 22211п в эксперименте «ДЕВИЗ». Ядерная физика 72, 1-5 (2009).

[3] В.А.Белов, ..., А.С.Кобякин и др. Измерение нейтронного фона в эксперименте ДЕВИЗ. Приборы и техника эксперимента №5, 13-18 (2010).

[4] D. Yu. Akimov, ..., A.S.Kobyakin et al. The ZEPLIN-III anticoincidence veto detector. Astroparticle Physics 34, 151-163 (2010).

Цитируемая литература

[1] Y. Fukuda et al. Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos. Physical Review Letters 81(8), 1562-1567 (1998).

[2] A. Bettini. Status and perspectives of neutrino physics. Nuclear Physics В - Proceedings Supplements 151(1), 270-278 (2006).

[3] E. Majorana. Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone. Nuovo Cimento 14, 171-184 (1937).

[4] Ju. M. Gavriljuk et al. Results of a search for 2/3 decay of 136Xe with high-pressure copper proportional counters in Baksan Neutrino Observatory. Ядерная физика 69, 2174-2178 (2006).

[5] R. Bernabei et al. Investigation of /3/3 decay modes in 134Xe and 136Xe. Physics Letters В 546, 23-28 (2002).

[6] G. Hinshaw et al. Five-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Observations: data processing, sky maps, and basic results. The Astrophysical Journal Supplement Series 180, 225-245 (2009)

[7] M. Kamionkowski. Possible relics from new physics in the early universe: Inflation, the cosmic microwave background and particle dark matter. arXiv: astro-ph/9809214vl

[8] D. Clowe et al. A direct empirical proof of the existence of dark matter. The Astrophysical Journal Letters 648, L109-L113 (2006).

[9] F. Iocco et al Primordial nucleosynthesis: From precision cosmology to fundamental physics. Physics Reports 472(1-6), 1-76 (2009).

[10] Ю. А. Гольфанд, E. П. Лихтман. Расширение алгебры генераторов группы Пуанкаре и нарушение Р-инвариантности. Письма в ЖЭТФ 13(8), 452-455 (1971).

[11] G. Bertone, D. Hooper, J. Silk. Particle dark matter: evidence, candidates and constraints. Physics Reports 405, 279-390 (2005).

[12] S. Agostinelli et al. Geant4 — a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 506(3), 250-303 (2003).

[13] J.Allison et al. Geant4 developments and applications. IEEE Transactions on Nuclear Science 53(1), 270-278 (2006).

[14] R. Brun, F. Rademakers. ROOT — An object oriented data analysis framework. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 389(1-2), 81-86 (1997).

[15] W.-M. Yao et al. Review of Particle Physics. Journal of Physics G 33 (2006).

[16] O. C. Allkofer, K. Carstensen, W. D. Dau. The absolute cosmic ray muon spectrum at sea level. Physics Letters B 36(4), 425-427 (1971).

[17] W. N. Hess et al. Cosmic-ray neutron energy spectrum. Physical Review 116(2), 445-457 (1959).

[18] G. Heusser. Low-radioactivity background techniques. Annual Review of Nuclear and Particle Science 45, 543-590 (1995).

[19] V. N. Lebedenko et al. Results from the first science run of the ZEPLIN-III dark matter search experiment. Physical Review D 80, 052010 (2009).

[20] V. N. Lebedenko et al. Limits on the spin-dependent WIMP-nucleon cross sections from the first science run of the ZEPLIN-III experiment. Physical Review Letters 103, 151302 (2009).

[21] W.B.Wilson et al. Sources: A code for calculating (alpha, n), spontaneous fission, and delayed neutron sources and spectra. Progress in Nuclear Energy 51(4-5), 608-613 (2009).

Подписано к печати 29.10.10 г. Формат 60x90 1/16

Усл. печ. л. 4,72 Уч.-изд. л.1,75 Тираж 100 экз. Заказ 567

Отпечатано в ИТЭФ, 117218, Москва, Б.Черемушкинская, 25

Введение

Двойной /?-распад.

Темная материя.

1 Детектор ДЕВИЗ

1.1 Введение.

1.2 Описание установки.

1.3 Обработка событий.

1.4 Полученные результаты.

2.2 Параметры моделирования.22

2.3 Мюонный фон.23

2.4 Нейтронный фон.24

2.4.1 Методика измерения нейтронного фона .24

2.4.2 Калибровка счетчиков .25

2.4.3 Измерения фона.29

2.4.4 Заключение.36

2.5 Моделирование возникновения изотопов под воздействием фонового излучения.36

2.6 Оценка эффективности регистрации распада изотопов как событий от двойного /?-распада 136Хе.38

5.4 Заключение.78

6 Монте-Карло моделирование системы вето 79

6.1 Введение.79

6.2 Описание модели.79

6.3 Подбор параметров для добавления гадолиния.81

6.3.1 Массовая доля гадолиния.81

6.3.2 Параметры пазов для заливки смеси эпоксидного клея и оксида гадолиния.83

6.4 Эффективность маркировки событий системой вето.83

6.5 Заключение.88

Заключение 90

Литература 92

Введение

К концу XX века были фактически завершены построение и экспериментальная проверка Стандартной модели физики элементарных частиц. Стандартная модель включает в себя 3 поколения фундаментальных частиц, кварков и лептонов, из которых состоит все вещество, а также три различных взаимодействия: электромагнитное, сильное и слабое, — вместе с их частицами-переносчиками. Единственной частицей Стандартной модели, которая до сих пор не найдена экспериментально, является бозон Хштса, предсказанный Хиггсом в работе [1]. Тем не менее, уже несколько десятилетий предпринимаются попытки экспериментально отыскать новую физику, не укладывающуюся в рамки Стандартной модели. В этой работе речь пойдет от двух таких экспериментах, ДЕВИЗ и ZEPLIN-III. Первый из них предназначен для поиска двойного /?-распада, от наличия или отсутствия безнейтринной моды которого зависят ответы на фундаментальные вопросы физики нейтрино. Второй нацелен на поиски ^УШР'ов, частиц, являющихся одними из кандидатов на роль темной материи.

Двойной (3-распад

Физика нейтрино является одним из приоритетных направлений развития физики элементарных частиц, в частности благодаря обнаружению нейтринных осцил-ляций (см., например, [2]). Из существования нейтринных осцилляций напрямую следует наличие у нейтрино ненулевой массы. Соответственно, необходимо изучение других фундаментальных свойств нейтрино, в частности, природы этой частицы: майорановской или дираковской (см., например, [3]). Одними из немногих экспериментов, способных определить природу нейтрино экспериментально, являются эксперименты по поиску двойного безнейтринного /3-распада.

Двойной /3-распад представляет собой очень редкий процесс, в котором два нейтрона в ядре одновременно превращаются в два протона, при этом должны вылетать два электрона. Стандартная теория слабого взаимодействия требует, чтобы при этом вылетали два электронных антинейтрино:

Л, г) -> (А, г+ 2) + 2е~ + 2й.

Э. Майорана в работе [4] показал, что возможно существование нейтрино, тождественного своей античастице — антинейтрино, при этом все результаты теории слабого взаимодействия остаются верны. Такой тип нейтрино называется майораг-новским в отличие от дираковского, их различие существенно только в случае ненулевой массы нейтрино.

Для майорановского нейтрино возможен процесс безнейтринного двойного ¡3-распада:

А, г) (А, г+ 2) + 2е~

В этом случае нарушается сохранение лептонного числа, данный процесс запрещен в рамках стандартной модели. Поскольку слабое взаимодействие имет У-А структуру, то помимо тождественности нейтрино и антинейтрино требуется еще и переворот спина виртуального антинейтрино в процессе распада. Вероятность этого процесса пропорциональна квадрату массы нейтрино.

Таким образом, изучение двойного /3-распада позволяет не только определить природу массы нейтрино, но и в случае майорановского нейтрино оценить его массу. Для извлечения массы нейтрино из данных по безнейтринному каналу для двойного ^-распада необходимо знание ядерного матричного элемента. Его теоретические оценки затруднительны, а для экспериментальной проверки используемых теоретических моделей можно использовать данные по двухнейтринному каналу распада.

В настоящее время есть два основных типа экспериментов: калориметрический и трековый. В калориметрическом детекторе вещество источника и вещество детектора обычно совладают, хотя возможно чередование слоев источника и детектора. Измеряется суммарное энергия, уносимая при распаде двумя электронами. При этом в идеале ожидается непрерывный спектр для двухнейтринного канала распада и моноэнергетическая линия для безнейтринного канала распада. Преимуществами детекторов такого типа являются возможность использовать большую массу исследуемого изотопа и высокая чувствительность к особенностям энергетического спектра. Недостатками являются высокие требования к уровню фона и энергетическому разрешению, а также то, что не все способные к двойному /3-распаду вещества удобно использовать в качестве источников. В настоящее время к экспериментам на основе калориметрических детекторов относятся, например, CUORE ([5]) и его прототип CUORICINO ([6]), использующие охлажденные до криогенных температур кристаллы Те02, MAJORANA ([7]) и GERDA ([8]) на основе кристаллов германия.

Другим типом детектора является трековый, в котором источником является слой активного материала, достаточно тонкий для того, чтобы дать образовавшимся электронам возможность вылететь из материала и оставить след в окружающем трековом детекторе. Трековая информация позволяет выделить события с двумя электронами с вершиной в активном веществе и определить их энергию. Преиму-щетсвом такого вида детекторов являются дополнительные критерии отбора событий, большой коэффициент подавления фона, возможность использования большего числа различных изотопов. К недостаткам относится относительная малость массы источника и, соответственно, увеличившиеся размеры установки, невысокие эффективность и энергетическое разрешение. На основе трекового детектора проводятся такие эксперименты, как ЕХО([9]) на основе ксенона, MOON ([10]), исследующий двойной /?-распад изотопа 100Мо, NEMO-3 ([11]) изучающий сразу несколько различных изотопов, и другие.

В настоящий момент двухнейтринная мода распада открыта для 10 ядер. Одним из ядер, не входящих в это число и способных к двойному /?-распаду, является 13бХе. Несмотря на интенсивные исследования, его двухнейтринный распад до сих пор не обнаружен, существуют лишь верхние пределы на его период полураспада, поставленные в эскпериментах BNO ([12]) и DAMA ([13]). Исследованию двойного ß-распада изотопа 136Хе и посвящен эксперимент ДЕВИЗ, рассматриваемый в первой части данной работы.

Темная материя

В настоящее время многочисленные данные об устройстве Вселенной показывают, что ее суммарная кривизна близка к нулю, соответственно, она является плоской, что требует для параметра плотности материи и энегии О значения, близкого к единице. Но по данным спутника WMAP ([14]) наблюдаемая барионная материя во Вселенной вносит в параметр плотности вклад только на уровне 4.6%. Наибольший вклад на уровне 72.6% приходится на долю темной энергии, а оставшиеся 22.8% — вклад от холодной темной материи. В пользу существования темной материи говорят данные по кривым вращения спиральных и эллиптических галактик (см. обзор [15]). Также есть надежные данные о существовании темной материи из данных по гравитационному линзированию, например, из наблюдения столкновения двух галактических кластеров в кластере «Bullet», в котором обнаружено значительное смещение гравитационного центра масс сталкивающихся кластеров от положения центра масс видимой материи ([16]). Одновременно в пользу темной материи говорят неоднородности крупномасштабной структуры Вселенной ([14]), а также модели первичного нуклеосинтеза ([17]).

В настоящее время существует несколько кандидатов на роль темной материи. К ним относится барионная темная материя (например, массивные астрофизические компактные объекты), но результаты недавних измерений, в том числе данные спутника WMAP, показали, что максимальный вклад от данного вида объектов не может обеспечить необходимого количества темной материи. Другими кандидатами являются нейтрино, поскольку в результате обнаружения нейтринных осцил-ляций ([2]) было надежно установлено, что они должны обладать массой. Тем не менее, суммарная масса нейтрино всех трех типов в соответствии с [18] должна быть существенно выше, чем имеющиеся на данный момент ограничения сверху на ее величину по данным эксперимента Heidelberg-Moscow ([19]) или ограничения на разность масс различных типов нейтрино по данным осцилляторных экспериментов KamLAND ([20]) или MINOS ([21]). Таким образом, ни одна из известных в настоящее время частиц не может рассматриваться в качестве кандидата на роль темной материи. Теоретики предлагают в качестве основного кандидата WIMP'bi, или слабовзаимодействующие массивные частицы. В суперсимметричном расширеюга стандартной модели на роль WIMP'ob могут претендовать многие частицы, в частности, нейтрально, снейтрино, гравитино и др. (см. обзор [22]). Одновременно существуют и другие альтернативы, не связанные с новыми частицами, в частности, модифицированная ньютоновская динамика (МОНД, см. [23]). Тем не менее, наиболее вероятным объяснением феномена темной материи в данное время является гипотеза о наличии во Вселенной некоторого количества WIMP'ob, которые и вносят вклад в параметр плотности.

Для регистрации частиц темной матери могут быть использованы как прямые методы, основанные на регистрации ядер отдачи в мишени от процессов упругого и неупругого рассеяния, при этом характерная энергия ядер отдачи составляет несколько десятков кэВ, так и косвенные, в которых регистрируется продукты ан-нигилляции WIMP'ob.

В косвенных экспериментах могут регистрироваться нейтрино, как, например, в нейтринных телескопах ANTARES ([24]), AMANDA ([25]), IceCube ([26]), гамма-кванты, как, например, в экспериментах EGRET ([27]), AMS ([28]), MAGIC ([29]), позитроны, как в эксперименте PAMELA ([30]), или антипротоны, например, в экспериментах PAMELA ([30]) и CAPRICE ([31]).

Прямые эксперименты по поиску WIMP'ob тем или иным способом измеряют энергию, выделяющуюся при рассеянии частицы на ядре. Для регистрации ядра отдачи и измерения его энергии используются ионизационные, сцинтилляционные, тепловые детекторы или их комбинации. Предпочтительно использовать не один метод регистрации энергии, а их комбинацию, поскольку соотношение между различными сигналами позволяет идентифицировать фоновые события и, таким образом, выделять события рассеяния частиц на ядрах. Такими комбинированными детекторами, измеряющими одновременно тепловыделение и ионизацию, являются CDMS ([32]) и EDELWEISS ([33]), представляющие собой криогенные германиевые детекторы. К детекторам, измеряющим одновременно тепловыделение и сцинтилляцию, относятся дететоры на основе пузырьковых камер, в частности, COUPP ([34]) на основе пузырьковой камеры, заполненной жидким CF3I. Детекторы, измеряющие одновременно сцинтилляцию и ионизацию, обычно делаются на основе благородных газов, к ним относятся, например, эксперименты ZEPLIN-II ([35]), ZEPLIN-III ([36]) и Xenon 10 ([37]), представляющие собой двухфазные детекторы на основе ксенона.

Во второй части работы будет подробно рассмотрен детектор ZEPLIN-III, регистрирующий сигналы от ядер отдачи и измеряющий их энергию с помощью сцин-тилляционного и ионизационного сигналов.

Заключение

В работе были рассмотрены некоторые механизмы фоновых процессов в двух экспериментах по поиску редких событий. Для эксперимента ДЕВИЗ по поиску двойного /3-распада 136 Хе были получены следующие результаты:

1. Построена модель установки на основе программного пакета СЕАМТ4.

2. Проведено исследование нейтронного фона в окрестности установки, уточнено значение фонового потока нейтронов и обнаружены дополнительные источники фона.

3. Для обнаруженных источников получены оценки их активностей и спектров испускаемых нейтронов.

4. Получен качественный и количественный состав изотопов, рождающихся в установке под воздействием фонового излучения и способных дать вклад в разницу числа событий в различных экспозициях.

5. Получена величина вклада в фоновое число событий от распада рожденных изотопов для двух экспозиций с различным изотопным составом ксенона. Полученный вклад составляет 11.9 событий для обогащенного и 3.5 события для обедненного ксенона за 2000 часов и не может объяснить наблюдаемый избыток событий в экспозиции с обогащенным ксеноном.

Для эксперимента ZEPLIN-ПI по поиску темной материи были получены следующие результаты:

1. Построена модель для изучения сигнала с одиночного пластмассового сцин-тиллятора на основе программного пакета СЕАЫТ4.

2. Измерены с помощью оригинальной методики относительные квантовые эффективности для большой партии фотоэлектронных умножителей.

3. Измерены параметры пластмассовых сцинтилляторов для активного вето.

4. Получены кривые зависимости сигнала с ФЭУ от положения точки энерговыделения в сцинтилляторе.

5. Создана модель работы вето-системы в целом на основе программного пакета GEANT 4.

6. Определена эффективность маркировки событий в основном детекторе, вызванных нейтронами и гамма-квантами, которые могли бы быть ошибочно интерпретированы как сигналы от темной материи, в зависимости от установленных порогов срабатывания отдельных модулей.

В заключение хотелось бы выразить глубокую благодарность моему научному руководителю М. В. Данилову за помощь и поддержку во время выполнения работы, ценные замечания и советы. Автор глубоко благодарен Д.Ю.Акимову, В. А. Белову и О. Я. Зельдович за плодотворное сотрудничество и помощь в работе, которую трудно переоценить. Также хотелось бы поблагодарить А. А. Буренкова, В. В. Кириченко, а также английских коллег из университета Эдинбурга Ч. Гхага и Э. Дж. Варне за ценные обсуждения и советы. Отдельное спасибо всем участникам коллаборации ZEPLIN-III и группы эксперимента ДЕВИЗ за плодотворную совместную работу.

1. P.W. Higgs. Broken symmetries, massless particles and gauge fields. Physics Letters 12, 132-133 (1964).

2. Y. Fukuda et al. Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos. Physical Review Letters 81(8), 1562-1567 (1998).

3. A. Bettini. Status and perspectives of neutrino physics. Nuclear Physics B — Proceedings Supplements 151(1), 270-278 (2006).

4. E. Majorana. Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone. Nuovo Cimento 14, 171-184 (1937).

5. C. Arnaboldi et al. CUORE: a cryogenic underground observatory for rare events. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 518, 775-798 (2004).

6. C. Arnaboldi et al New limit on the neutrinoless 3(3 decay of 130Te. Physical Review Letters 95, 142501 (2005).

7. C. E. Aalseth et al. The proposed Majorana 76Ge double-beta decay experiment. Nuclear Physics B — Proceedings Supplements 138, 217-220 (2005).

8. S.Schonert et al. The GERmanium Detector Array (Gerda) for the search of neutrinoless (3(3 decays of 76Ge at LNGS. Nuclear Physics B — Proceedings Supplements 145, 242-245 (2005).

9. M.Danilov et al. Detection of very small neutrino masses in double-beta decay using laser tagging. Physics Letters B 480, 12-18 (2000).

10. H. Nakamura et al. Multilayer scintillator responses for Mo observatory of neutrino experiment studied using a prototype detector MOON-1. Journal of the Physical Society of Japan 76, 114201 (2007).

11. R. Arnold et al. First results of the search for neutrinoless double-beta decay with the NEMO 3 detector. Physical Review Letters 95, 182302 (2005).

12. Ju. M. Gavriljuk el al. Results of a search for 2(3 decay of 136Xe with high-pressure copper proportional counters in Baksan Neutrino Observatory. Ядерная физика 69, 2174-2178 (2006).

13. R.Bernabei et al. Investigation of /?/? decay modes in 134Xe and 136Xe. Physics Letters В 546, 23-28 (2002).

14. G. Hinshaw el al. Five-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Observations: data processing, sky maps, and basic results. The Astrophysical Journal Supplement Series 180, 225-245 (2009)

15. M. Kamionkowski. Possible relics from new physics in the early universe: Inflation, the cosmic microwave background and particle dark matter.arXiv: astro-ph/9809214vl

16. D.Clowe et al. A direct empirical proof of the existence of dark matter. The Astrophysical Journal Letters 648, L109-L113 (2006).

17. F. Iocco et al. Primordial nucleosynthesis: From precision cosmology to fundamental physics. Physics Reports 472(1-6), 1-76 (2009).

18. D. Perkins. Particle Astrophysics. Oxford: Oxford University Press, 2003.

19. H. V. Klapdor-Kleingrothaus et al. Latest results from the HEIDELBERG-MOSCOW double beta decay experiment. European Physical Journal A 12(2), 147-154 (2001).

20. S.Abe et al. The KamLAND collaboration. Precision measurement of neutrino oscillation parameters with KamLAND. Physical Review Letters 100, 221803 (2008).

21. D.G.Michael et al. MINOS Collaboration. Observation of muon neutrion disappearance with the MINOS detectors in the NuMI neutrino beam. Physical Review Letters 97, 191801 (2006).

22. G. Bertone, D. Hooper, J. Silk. Particle dark matter: evidence, candidates and constraints. Physics Reports 405, 279-390 (2005).

23. M. Milgrom. A modification of the Newtonian dynamics as a possible alternative to the hidden mass hypothesis. The Astrophysical Journal 270, 365-370 (1983).

24. J. A.Aguilar et al Transmission of light in deep sea water at the site of the ANTARES neutrino telescope. Astroparticle Physics 23(1), 131-155 (2005).

25. M. Ackermann et al. Limits to the muon flux from neutralino annihilations in the Sun with the AMANDA detector. Astroparticle Physics 24(6), 459-466 (2006).

26. H. Landsman. Icecube, the world's largest dark matter detector. arXiv: astro-ph/0612239

27. D. Hooper, B. L. Dingus. Limits on supersymmetric dark matter from EGRET observations of the Galactic center region. Physical Review D 70, 113007 (2004).

28. A. Jacholkowska et al. Indirect dark matter search with diffuse gamma rays from the Galactic Center with the Alpha Magnetic Spectrometer. Physical Review D 74 023518 (2006).

29. D. Elsasser, K. Mannheim. MAGIC and the search for signatures of supersymmetric dark matter. New Astronomy Reviews, 49, 297-301 (2005).

30. M. Casolino et al. Launch of the space experiment PAMELA. Advances in Space Research 42, 455-466 (2008).

31. M. Boezio et al. The cosmic-ray antiproton flux between 3 and 49 GeV. The Astrophysical Journal 561 787-799 (2001).

32. D. S. Akerib et al. New results from the Cryogenic Dark Matter Search experiment. Physical Review D 68, 082002 (2003).

33. A. Broniatowski et al. A new high-background-rejection dark matter Ge cryogenic detector. Physics Letters В 681 305-309 (2009).

34. W. J. Bolte et al Development of bubble chambers with enhanced stability and sensitivity to low-energy nuclear recoils. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 577, 569-573 (2007).

35. H.Wang. The ZEPLIN II dark matter detector status. Nuclear Physics В — Proceedings Supplements 138 52-55 (2005).

36. D. Yu. Akimov et al. The ZEPLIN-III dark matter detector: Instrument design, manufacture and commissioning. Astroparticle Physics 27(1), 46-60 (2007).

37. J. Angle et al. First results from the XENONIO dark matter experiment at the Gran Sasso National Laboratory. Physical Review Letters 100, 021303 (2008).

38. В. А. Артемьев и др. Девиз трековый детектор ИТЭФ для исследования двойного /3-распада. Приборы и техника эксперимента №2, 49-60 (2005).

39. В. А. Белов и др. Измерение фона от 222Rn в эксперименте «ДЕВИЗ». Ядерная физика 72, 1-5 (2009).

40. В. А. Белов, О. Я. Зельдович, А. С. Кобякин. Исследование источников фона, связанных с образованием радиоактивных изотопов в эксперименте «ДЕВИЗ» (2/3-распад). Ядерная физика 71, 1057-1061 (2008).

41. S. Agostinelli et al. Geant4 — a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 506(3), 250-303 (2003).

42. J.Allison et al Geant4 developments and applications. IEEE Transactions on Nuclear Science 53(1), 270-278 (2006).

43. R. Brun, F. Rademakers. ROOT — An object oriented data analysis framework. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 389(1-2), 81-86 (1997).

44. W.-M. Yao et al. Review of Particle Physics. Journal of Physics G 33 (2006).

45. О. C. Allkofer, K. Carstensen, W. D. Dau. The absolute cosmic ray muon spectrum at sea level. Physics Letters В 36(4), 425-427 (1971).

46. В. А. Белов и др. Измерение нейтронного фона в эксперименте ДЕВИЗ. Приборы и техника эксперимента №5, 13-18 (2010).

47. Г. С. Видякин и др. Нейтронный пропорциональный счетчик с пониженным уровнем собственного фона. Приборы и техника эксперимента №4, 70-73 (1989).

48. В. Т. Price, С. С. Horton, К. Т. Spinney. Radiation shielding. London — New York — Paris: Pergamon press, 1957.

49. JI. P. Вишняков и др. Под редакцией Д. М. Карпиноса. Композиционные материалы. Киев: Наукова Думка, 1985.

50. W. N. Hess el al. Cosmic-ray neutron energy spectrum. Physical Review 116(2), 445-457 (1959).

51. G. Heusser. Low-radioactivity background techniques. Annual Review of Nuclear and Particle Science 45, 543-590 (1995).

52. F. Arneodo et al. Calibration of BC501A liquid scintillator cells with monochromatic neutron beams. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 418, 285-299 (1998).

53. M.J.Carson et al. Neutron background in large-scale xenon detectors for dark matter searches. Astroparticle Physics 21, 667-687 (2004).

54. E. Browne et al. Edited by С. M. Lederer, V. S. Shirley. Table of isotopes, 7th edition. New-York — Chichester — Brisbane — Toronto: A Wiley-Interscience Publication, John Wiley & sons, inc., 1978.

55. Evaluated Nuclear Structure Data File (ENSDF). http: //www.nndc.bnl.gov/ensdf.

56. Б. С. Джелепов, JI. H. Зырянова. Влияние электрического поля атома на бета-распад. Москва — Ленинград: Издательство АН СССР, 1956.

57. V. N. Lebedenko et al. Results from the first science run of the ZEPLIN-III dark matter search experiment. Physical Review D 80, 052010 (2009).

58. V. N. Lebedenko el, al. Limits on the spin-dependent WIMP-nucleon cross sections from the first science run of the ZEPLIN-III experiment. Physical Review Letters 103, 151302 (2009).

59. R. Trotta et al. The impact of priors and observables on parameter inferences in the constrained MSSM. Journal of High Energy Physics 12, 24 (2008).

60. Б.А.Долгошеин, В.H. Лебеденко, Б.У.Родионов. Новый метод регистрации следов ионизирующих частиц в конденсированном веществе. Письма в ЖЭТФ 11(11), 513-515 (1970).

61. D. Yu. Akimov et al. The ZEPLIN-III anti-coincidence veto detector. Astroparticle Physics 34, 151-163 (2010).

62. Amcrys-H. Scintillation Materials and Detectors, http: //www.amcrys-h.com/ index.html.

63. E. J. Barnes. A high efficiency veto to increase the sencitivity of ZEPLIN-III, a WIMP detector. AIP Conf. Proc. 1166, 230-235 (2009).

64. Electron Tubes Ltd. 9302KB series datasheet. http://electrontubes.com/pdf/9302KB.pdf.

65. Г. С. Ландсберг. Оптика. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2003.

66. V. Senchyshyn et al. Accounting for self-absorption in calculation of light collection in plastic scintillators. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 566(2), 286-293 (2006).

67. H. M. Araújo et al. The ZEPLIN-III dark matter detector: Perfomance study using an end-to-end simulation tool. Astroparticle Physics, 26(2), 140-153 (2006).

68. W.B.Wilson et al. Sources: A code for calculating (alpha, n), spontaneous fission, and delayed neutron sources and spectra. Progress in Nuclear Energy 51(4-5), 608-613 (2009).