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

• Автор: Коваленко, Вера Эдуардовна
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 116 с. : ил.

1 Элементы теории двойного бета-распада
1.1 Двойной бета-распад
1.1.1 Двухнейтринный двойной бета-распад
1.1.2 Безнейтринный двойной бета-распад
1.1.3 Двойной бета-распад на возбуждённые уровни дочернего ядра
1.2 Обзор экспериментов двойного бета-распада
2 Детектор NEMO 3
2.1 Источники двойного бета-распада в NEMO
2.2 Сцинтилляционный калориметр
2.3 Трековый детектор спектрометра
2.4 Магнитная система и защиты детектора
2.4.1 Магнитная система
2.4.2 Защита детектора из железа
2.4.3 Нейтронная защита детектора
2.5 Электроника, триггер и система сбора информации в NEMO 3
2.5.1 Характеристики типов триггера
2.6 Мониторирование и контроль параметров установки
2.7 Калибровка детектора
2.7.1 Система калибровки с помощью лазера
2.7.2 Энергетическая калибровка детектора
2.7.3 Временная калибровка детектора
3 Программное обеспечение и анализ данных NEMO 3
3.1 Программное обеспечение для поиска и восстановления треков
3.1.1 Клеточный автомат для поиска треков
3.1.2 Апробация методики на прототипе детектора NEMO-2
3.1.3 Результаты применения программы трекинга в эксперименте
NEMO
Оглавление ii
3.2 Программное обеспечение для моделирования детектора и анализа
данных
3.2.1 Программа математического моделирования
3.2.2 Математическое моделирование прохождения нейтронов и расчёт эффективности защит
3.3 База данных NEMO
3.4 Анализ данных
3.4.1 Определение типа детектируемой частицы
3.4.2 Критерии предварительного отбора событий
3.4.3 Каналы анализа событий
4 Исследование фона в детекторе NEMO 3
4.1 Возможные источники фоновых событий в эксперименте NEMO 3
4.2 Определение содержания 222Rn в трековой камере по еа-событиям
4.3 Исследования внешнего фона
4.4 Проверка оценки содержания 222Rn по внутренним е7-событиям
4.5 Исследования внутреннего фона
4.5.1 Канал 677(7] Для оценки содержания 208Т1 в источниках
4.5.2 Оценка фона в источниках по одноэлектронным событиям
4.5.3 Одноэлектронные события с вершинами на проволочках
4.6 Проверка оценки фона
4.6.1 Анализ спектра внутренних е7 событий
4.6.2 Анализ событий в медной фольге
5 Исследование процессов ДД-распада 100Мо
5.1 ДД-распад 100Мо на основной уровень 100Ru
5.1.1 Измерение периода ДД2г/-распада 100Мо
5.1.2 Поиск безнейтринного двойного бета-распада 100Мо
5.2 ДД-распад 100Мо на возбуждённые уровни 100Ru
5.2.1 Измерение периода ДД2и(0+ —> 0|)-распада 100Мо
5.2.2 Поиск ДД0г/(0+ —» О^-распада 100Мо
5.2.3 Поиск ДД2^(0+21")-распада 100Мо
5.2.4 Поиск ДД01/(0+ —► 21")-распада 100Мо
Заключение

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 (ДООі/). Наблюдение (З/ЗОу 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 ((3(32и), 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 /ЗрОи 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 сцинтил
Глава 2. Детектор NEMO З

ПЕРЕД калиброві Ширина а * 5.12і

ПОСЛЕ кали Ширина а * 0.66нс I

Рис. 2.12: Разность измеренных и вычисленных времён каждой пары сработавших ФЭУ, согласно выражению 2.2 для набора данных с калибровочным источником 60Со перед (красным цветом) и после (синим цветом) временной калибровки.
В качестве начальных значений параметров корректировочных кривых использовались параметры, полученные из лазерной калибровки отдельных сцинтилля-ционных блоков. Пользуясь набранной статистикой, было возможно получить корректировочные кривые времени в зависимости от заряда на ФЭУ не для индивидуального ФЭУ, а лишь для каждого отдельного типа сцинтилляционного блока. Таких типов в NEMO насчитывается 7 (см. подробнее раздел 2.2): IN, ЕС, ЕЕ, L1, L2, L3 и L4, каждый тип блока имеет свою индивидуальную форму. Предполагалось, что в целом блоки одного типа должны обладать приблизительно одинаковыми характеристиками, что позволяет использовать для них одну корректировочную кривую. Из-за ограниченного энергетического диапазона для данных с источникам 60Со было решено применять предварительно найденные кривые по экспозициям с нейтронным источником. Результат одной из калибровок по данным с источником 60Со показан на рис. 2.12.
Были получены калибровочные кривые и индивидуальные временные сдвижки, используя данные всевозможных комбинаций. Для определения качества калибровки использовались как обычные /3/1-экспозиции, так с калибровочным источником 207Bi. Используя информацию о том, что более энергетичный гамма-квант испускается 207Bi по отношению к менее энергетичному с задержкой ~133 пс,