Исследование процессов двойного бета-распада 100Mo в эксперименте NEMO 3

Начиная с момента его открытия, нейтрино было постоянно объектом усиленных экспериментальных исследований, так как знание природы нейтрино открывало новые горизонты в понимании слабых взаимодействий. Совсем недавно эксперименты по нейтринным осцилляциям недвусмысленно продемонстрировали, что нейтрино имеет массу, и что эта масса есть суперпозиция собственных значений нейтринных масс. Была получена важная информация об углах смешивания и о разностях трёх собственных значений нейтринных масс, однако из этих экспериментов нельзя было определить абсолютное значение массы нейтрино. Данную задачу могут решить эксперименты по изучению бета-спектра трития или, в случае майорановского нейтрино, эксперименты по поиску и измерению двойного безнейтринного бета-распада (ррОи). Наблюдение РРОи может стать наиболее обещающим из существующих на сегодняшний день тестом майорановской природы нейтрино, то есть ответить на вопрос: есть ли у нейтрино своя античастица или же нейтрино и антинейтрино тождественны и неразличимы. В отличие от двойного двухнейтринного бета-распада (/?/?2и), безнейтринный распад предполагает нарушение закона сохранения лептонного числа на две единицы, а также требует изменения спиральности, которое может происходить только для массивных нейтрино или при существовании правых лептонных токов. Таким образом, изучение процессов двойного бета-распада сегодня — один из наиболее актуальных разделов ядерной физики и физики частиц.

Измерение суммарной кинетической энергии двух электронов, равной энергии распада, было бы экспериментальным подтверждением регистрации двойного безнейтринного бета-распада. В модели распада за счёт обмена массивных майо-рановских нейтрино период полураспада процесса ррОи обратно пропорционален фазовому множителю, квадрату ядерного матричного элемента (ЯМЭ) и квадрату эффективной массы нейтрино.

В настоящее время два эксперимента по поиску двойного безнейтринного бета-распада находятся в активной стадии набора данных: COURICINO (эксперимент на болометрах, из ТеОг) и NEMO 3 (Neutrino Ettore Majorana Observatory) — эксперимент, который одновременно способен зарегистрировать в трековой камере следы испускаемых частиц и измерить калориметром из пластмассовых сцинтилляторов их энергию и время между их срабатываниями.

Данная работа посвящена моделированию и интерпретации данных эксперимента NEMO 3 для изучения процессов двойного бета-распада 100Мо.

Диссертация состоит из настоящего введения, пяти глав и заключения.

В первой главе приводятся элементы из теории нейтрино и процессов двойного бета-распада и краткий обзор важнейших экспериментов в данной области исследований.

Глава 2 посвящена описанию детектора NEMO 3 и принципов его работы. Приведены результаты измерений характеристик детектора и методика его калибровки.

Глава 3 состоит из описания программного обеспечения для анализа данных эксперимента: программы нахождения треков, пакета программ для математического моделирования установки, базы данных. Сформулирована методика анализа данных и приведены основные критерии отбора событий.

В главе 4 изложены основные этапы исследования и оценки фона в детекторе NEMO 3 с помощью экспериментальных данных. Обсуждаются основные источники фона и методы их обнаружения. Приведены результаты измерения всех составляющих фона.

Глава 5 посвящена описанию результатов анализа данных по исследованию различных процессов двойного бета-распада 100Мо в эксперименте NEMO 3. Приводятся результаты измерения /?/?2г/-распада 100Мо на основной уровень дочернего ядра 100Ru. Излагается методика получения предела на безнейтринный распад, даются окончательные результаты измерений. Также описывается анализ данных по измерению /?/?-распада 100Мо на возбуждённые уровни 2+ и 0+ дочернего ядра. Приводятся результаты измерения периода /?/?2/у-распада на уровень 0+ и пределы измерений периодов безнейтринной моды распада на уровни 0+ и 2+ и /3/32 f-распада на уровень 2f.

В заключении излагаются основные результаты диссертации.

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, выполнены в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ и докладывались на научных семинарах ЛЯП и ЛВТА ОИЯИ, LAL (Орсе, Франция) на международном совещании «Software Engineering, Neural Nets, Genetic Algoritms, Expert Systems, Symbolic Algebra and Automatic Calculations in Physics Research (AIHENP'96)» (Лозанна, Швейцария, сентябрь 1996 г.), 9-ой международной конференции «Вычислительное моделирование и компьютерные расчеты в физике» (Дубна, сентябрь 1996 г.), Международной Баксанской школе по космическим лучам (Баксан, апрель 2001 г.), IV и V Международных конференциях «Новая физика в неускорительных экспериментах» (Дубна, NANP'03, июнь 2003 г. и NANP'05, июнь 2005 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ в 6 научных журналах: Nucl. Instr. and. Meth.— 3, Z.Phys. — 1, Письма в ЖЭТФ — 1, Ядерная.

— V. Kovalenko and NEMO Collaboration, «Cellular Automaton and Elastic Net for Event Reconstruction in the NEMO-2 Experiment», Nucl. Instr. and Meth. A389 (1997) 169.

— I. Kisel, V. Kovalenko, et al., «Cellular Automaton and Elastic Net for Event Reconstruction in the NEMO-2 Experiment», Nucl. Instr. and Meth. A387 (1997) 433.

— R. Arnold, ., V. Kovalenko, et al., «Double-/? Decay of 116Cd, Z. Phys. С 72 (1996) 239−247.

— R. Arnold,., V. Kovalenko, et al., «Study of 2/?-decay of 100Mo and 82Se using ^ the NEMO 3 detector», Письма в ЖЭТФ, vol. 80, iss.6, (2004) 429−433.

— О. Kochetov, ., V. Kovalenko, et al., «First results of NEMO-3», Ядерная физика, том 67, N11, (2004) 2018;2024.

— R. Arnold, V. Kovalenko, et al., «Technical design and perfomance of the NEMO 3 detector», Nucl. Instr. and Meth. A536 (2005) 79−122.

— R. Arnold,., V. Kovalenko, et al., «First Results of the Search for Neutrinoless Double-Beta Decay with the NEMO 3 Detector», Phys. Rev. Letters, PRL 95, 182 302 (2005).

— R. Arnold,., V. Kovalenko, et al., «Measurement of double beta decay of 100Mo to excited states in the NEMO 3 experiment», submitted to Nuclear Physics. m.

Основные результаты, полученные в диссертации, следующие:

• Разработана методика временной калибровки сцинтилляционного калориметра детектора NEMO 3 и проведена временная калибровка калориметра.

• Создано программное обеспечение для поиска и восстановления треков в детекторе NEMO 3 на основе применения алгоритма клеточного автомата.

• Разработана и опробована на практике методика оценки фона, с помощью которой по данным эксперимента NEMO 3 были измерены или определены напрямую все компоненты фона.

• Получены следующие физические результаты:

1. Изучен /?/?21л-распад 10°Мо на основной уровень дочернего ядра 100Ru и измерен с рекордной точностью период полураспада 100Мо:

T½(pp2v) = [7.11 ± 0.02(стат) ± 0.54(сисг)] х 1018лег.

Впервые с высокой точностью измерены спектры суммарной энергии двух электронов, парциальной энергии каждого из электронов, а также угловое распределение электронов в /?/?2^-распаде 100Мо.

2. Установлен лучший в измерениях с 100Мо нижний предел на /?/?01/-распад 100Мо за счёт массового механизма и получен соответствующий верхний предел на эффективную майорановскую массу:

Т½(рр0и) > 4.6×1023лет- (ти) < (0.7−2.8)эВ (на 90% у.д.).

3. Установлен новый нижний предел на /?/?0^-распад 100Мо для механизма с привлечением правых токов и получен соответствующий верхний предел на константу связи А:

Тф (рр0и) > 1.7×1023лет- (А) < 2.5 х Ю-6 (на 90% у.д.).

4. Изучен /?/?2гАраспад 100Мо на возбуждённый уровень Of дочернего ядра 100Ru и измерен с рекордной точностью период полураспада:

Т1(/2)(0+ Of) = 5.7lUistat.) ± 0.8{syst.) • 102олег.

Впервые в эксперименте по исследованию процессов /3/3-распада на возбуждённые уровни измерены все характеристики распада: энергетические и угловые распределения электронов и гамма-квантов, суммарной энергии электронов, суммарной энергии гамма-квантов, полной зарегистрированной энергии распада.

5. Получен лучший нижний предел на /?/?0г/-распад на возбуждённый уровень Of в измерениях с 100Мо:

Т1(/°2)(0+ Of) > 8.9 • 1022 лег (на 90% у.д.).

6. Установлен нижний предел на /?/?2г/-распад на возбуждённый уровень 2f:

Т$(0+ 2+) > 1.1 • 1021 лег (на 90% у.д.).

7. Получен лучший нижний предел на /?/?0г/-распад на возбуждённый уровень 2f в измерениях с 100Мо:

Т$(0+ 2f) > 1.6 • 1023 лег (на 90% у.д.).

В заключении считаю необходимым выразить искреннюю благодарность доктору физико-математических наук В. Б. Бруданину за ценные замечания, справедливую критику, горячий интерес и поддержку во время выполнения работы.

Автор глубоко признательна Ц. Вылову за прозорливость и многостороннее содействие в работе.

Считаю своим долгом поблагодарить В. М. Горожанкина за ценные замечания при редактировании текста диссертации.

Искренне благодарю О. И. Кочетова, В. И. Третьяка и Р. Арнольда за конструктивные советы, постоянную помощь в научном творчестве, а также всех коллег из коллаборации NEMO во главе с профессором С. Жуллианом за многолетнее плодотворное сотрудничество и помощь в выполнении данной работы.

Выражаю признательность своим коллегам, сотрудникам НЭОЯСиРХ за дружеское отношение, поддержку, полезные обсуждения и дискуссии.

Заключение

.