Исследование фона в экспериментах по поиску двойного безнейтринного бета распада 76Ge от космического излучения и естественной радиоактивности с использованием экспериментальных сечений образования радиоактивных изотопов 74As,68Ge,65Zn и 60Co под действие

• Автор: Киановский, Станислав Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 99 с. : ил.

Оглавление
Введение

1 Экспериментальная ситуация по 2р0у-распаду

1.1 Основные представления о двойном бета-распаде

1.2 Экспериментальная чувствительность к 2р0у-распаду

1.3 Методы регистрации двойного бета-распада

1.4 Эксперименты по поиску 2р-распада

1.5 Обзор основных экспериментов по поиску 2р0у-распада

1.5.1 Heidelberg - Moscow

1.5.2 IGEX (International Germanium EXperiment)

1.5.3 NEMO 3 (Neutrino Ettore Majorana Observatory)
1.5.4 CUORE (Cryogénie Underground Observatory for Rare Events)
1.5.5 Majorana
2 Гамма-фон в эксперименте GERDA
2.1 Эксперимент GERDA (GERmanium Detector Array)
2.2 Используемое программное обеспечение
2.3 Источники фона в эксперименте
2.4 Внешний фон криостата
2.5 Расчет медной защиты
2.6 Фон окружающей горной породы
2.7 Активные методы подавления фона
2.8 Внутренний фон кристаллов
3 Эксперимент по измерению сечений образования радионуклидов в германии под действием протонов с энергией 100 МэВ
3.1 Схема эксперимента
3.2 Облучение мишени пучком протонов
3.3 Энергия протонов на мишени и монохроматичность пучка
3.4 Измерение спектров излучения образованных изотопов
3.4.1 Полупроводниковый спектрометр
3.4.2 Сцинтилляциоиный спектрометр
3.5 Обработка результатов измерений
3.6 Эффективность регистрации 74As в спектрометре Nal (Т1)
3.7 Результаты эксперимента и их анализ

4 Активация германия космическим излучением
4.1 Активации германия на уровне моря
4.2 Активация германия в подземной лаборатории
4.2.1 Энергетический спектр мюонов под землей
4.2.2 Поток протонов и нейтронов под землей
4.2.3 Скорость активации германия в подземной лаборатории
4.2.4 Оценка предельной чувствительности эксперимента
Заключение
Литература

Введение
Актуальность темы диссертации
Одним из фундаментальных физических открытий последних лет является открытие нейтринных осцилляций. Из существования нейтринных осцилляций следует наличие отличной от нуля массы нейтрино, по крайней мере, у двух типов нейтрино, а скорее всего у всех трех. В связи с этим встает вопрос о природе этой массы - майорановская или дираковская и ее величине. Анализ всех имеющихся нейтринных данных показывает, что наиболее вероятное значение массы электронного нейтрино находится в области нескольких мэВ. Единственной возможностью исследовать эту область масс является поиск двойного безнейтринного бета-распада. Эта задача является одной из основных задач экспериментальной нейтринной физики низких энергий. Современные экспериментальные данные за исключением одной работы [1] дают для нейтринной массы только верхние пределы, и общепринятая точка зрения состоит в том, что для решения вопроса необходимы новые эксперименты с более высокой чувствительностью. Однако, учитывая специфику связи экспериментально полученных данных с получаемым пределом для массы нейтрино, это возможно только в случае существенного снижения уровня фона на 2-3 порядка. В связи с этим детальный анализ фона и методов его снижения является одной из центральных задач подготовки экспериментов нового поколения. Одним из наиболее трудно устранимых источников фона в детекторах нового поколения является активация материалов детектора под действием космических лучей. Сделанные в настоящее время оценки основаны на различных ядерно-физических моделях и не обладают достаточной степенью надежности. В настоящей работе получены экспериментальные данные по сечениям образования радиоактивных изотопов в материале германия под действием высокоэнергичных частиц, что позволяет получить более корректные оценки. Другой важной проблемой является учет фона, связанного с радиоактивностью от окружающих детектор материалов с примесью естественных радиоактивных элементов при большой
кристаллов. Поэтому, при данных размерах установки и степени чистоты материалов, фон криостата является, наряду с внутренним фоном кристаллов, определяющим общий уровень фона, и таким образом, чувствительность установки.
Средний пробег гамма-кванта с энергией 2.615 МэВ в жидком аргоне составляет 21.2 см. Таким образом, расстояние от стенок криостата до кристаллов составляет порядка 10 средних длин пробега гамма-кванта. Поэтому для выполнения расчетов обычным способом требуется значительное время (несколько десятков суток) для набора приемлемой статистики. Для ускорения расчетом был использован принцип дискриминации гамма-квантов по энергии. Суть метода в том, что мы из всех гамма-квантов отбираем только те, которые могут дать событие в области 2р0у-распада. Использовались следующие подходы:
1. Дискриминация по энергии. При движении гамма-кванта через криогенную жидкость, его энергия контролировалась на каждом шаге, и при достижении порога треккинг данного гамма-кванта прекращался. В большинстве случаев, для того чтобы гамма-квант потерял всю энергию, требуется около 15 столкновений, а для того, чтобы его энергия упала ниже порога (1.8 МэВ) обычно требуется не больше 4х столкновений. Поэтому данный метод позволил поднять производительность программы 5-9 раз.
2. Дискриминация по углу. Основана на том, что потери энергии при комптоновском рассеянии зависят от угла рассеяния. Идея данного метода состоит в том, что события с энергией выше заданного порога создаются практически исключительно гамма-квантами излученными внутри некоторого телесного угла.
Энергия гамма-кванта, после единичного акта комптоновского рассеяния выражается следующей формулой:
Епт0 т