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 действием протонов высоких энергий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Киановский, Станислав Владимирович

• Киановский, Станислав Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Киановский, Станислав Владимирович

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 Сцинтилляционный 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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 действием протонов высоких энергий»

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 толщине пассивной защиты (больше 10 пробегов гамма кванта). В работе найден метод модификации стандартного пакета Geant4, позволяющего сделать точный расчет этого источника фона при разумных затратах времени вычислении. Полученные результаты являются основой для проектирования экспериментов нового поколения по поиску двойного безнейтринного бета-распада 76Ge.

Основные результаты, представленные к защите

1. Получены впервые результаты измерений сечений образования радиоактивных изотопов 74As, 7IAs, 69Ge, 68Ge, 65Zn и б0Со под действием протонов с энергией 100 МэВ в германии естественного и обогащенного по изотопу 76Ge состава.

2. Расчет скорости образования 68Ge и б0Со на уровне моря на основе экспериментальных данных.

3. Расчет фона от распадов образовавшихся радионуклидов в экспериментах нового поколения по поиску 2ß0v-pacпaдa в германиевых детекторах

7 £% естественного и обогащенного Ge состава.

4. Расчет скорости образования 74As, 68Ge, 68Ga и Со на различных глубинах под землей под действием космического излучения на основе полученных экспериментальных данных по сечениям их образования.

5. Расчет фона в подземных лабораториях в экспериментах нового поколения по поиску 2ß0v-pacnafla в германиевых детекторах естественного и обогащенного Ge состава от распадов, образовавшихся под действием космических лучей радионуклидов.

6. Метод и результаты расчета фона от распадов естественных радионуклидов в материале криостата и окружающей горной породе (эксперимент GERDA).

7. Результаты расчета энергетических спектров от распадов урана, тория и их радиоактивных рядов в германиевых детекторах и полученные значения допустимого содержания урана и тория для получения индекса фона 1СГ3 (кг-год-кэВ)"1.

Научная новизна

1. Впервые измерено сечение образования ряда радиоактивных изотопов под действием протонов с энергией 100 МэВ в обогащенном Ge германии.

2. Впервые рассчитана скорость образования 68Ge и 60Со на уровне моря на основании экспериментальных данных.

3. Разработан метод расчета транспорта гамма-излучения на расстояние более Юти пробегов и рассчитан фон от распадов естественных радиоактивных изотопов в материале криостата и окружающей горной породе (эксперимент GERDA).

Цель работы

Экспериментальное измерение сечений образования радиоактивных изотопов под действием протонов с энергией 100 МэВ в германии естественного и обогащенного по изотопу Ge состава и расчет фоновых эффектов в экспериментах нового поколения по поиску 2р0у-распада 76Ge от космического излучения и внутренних и внешних радиоактивных источников.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и представлялись на научных конференциях Neutrino 2006, рабочих встречах коллаборации GERDA, семинарах ИЯИ и конференция МФТИ.

Публикации

Основные результаты научных исследований по теме диссертации содержатся в 7 публикациях, в т. ч. В 4 публикациях в ведущих научных журналах перечня Высшей аттестационной комиссии.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 99 страниц, 42 рисунка, 19 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Киановский, Станислав Владимирович

Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. S.V. Kianovsky (GERDA Coll), GERmanium detector array, GERDA, Physica Scripta 46 (2006) 2006.

2. S.V. Kianovsky (GERDA Coll), Status of the Germanium detector array (GERDA) in the search of neutrinoless beta beta decays of 76Ge at LNGS, Phys. Atom. Nucl. 69 (2006) 2101.

3. C.B. Киановский, Моделирование подавления внешнего фона в эксперименте по поиску двойного безнейтринного бета-распада, препринт ИЯИ 1179/2007 .

4. И. Р. Барабанов, JI. Б. Безруков, . , С. В. Киановский и др., Измерение сечений образования изотопов 74As, 68Ge, 65Zn и Со при облучении германия натурального и обогащенного изотопного состава протонами с энергией 100 МэВ, препринт ИЯИ1231/2009.

5. I. Barabanov, L. Bezrukov, ., S. Kianovsky et. al., Shielding of the GERDA experiment against external background, Nucl. Instr. Methods A606 (2009) 790-795.

6. И. P. Барабанов, Л. Б. Безруков, . С. В. Киановский и др., Измерение сечений образования изотопов 74As, 68Ge, 65Zn и Со при облучении германия натурального и обогащенного изотопного состава протонами с энергией 100 МэВ, ЯФ 73, №7, 1144-1149 (2010).

7. И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, С. В. Киановский и др., Сечения образования ве под действием протонов с энергией 100 МэВ на германиевых мишенях естественного и обогащенного состава и фон в экспериментах по поиску 2[Юу-распада 7бОе, ЯФ 73, №9 (2010).

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Киановский, Станислав Владимирович, 2010 год

1. Н. V. Klapdor-Kleingrothaus et al., "Evidence for Neutrinoless Double Beta Decay", Mod. Phys. Lett. A 16 (2001) p. 2409.

2. T. Araki et al. (KamLAND Collaboration), "Measurement of Neutrino Oscillation with KamLAND: Evidence of Spectral Distortion", Phys. Rev. Lett. 94 8 (2005).

3. R. N. Mohapatra et al., Rep. Prog. Phys. 70 1757 (2007).

4. В. M. Лобашев, Измерения массы нейтрино в бета-распаде трития", Вест. РАН, 73, №1, 14-27 (2003).

5. V. М. Lobashev, The search for the neutrino mass by direct method in the tritium beta-decay and perspectives of study it in the project KATRIN, Nucl. Phys. A, 719, 153-160 (2003).

6. M. Г. Щепкин, Двойной бета-распад и масса нейтрино, УФН 143, 4, 513-551 (1984).

7. F. Т. Avignone, G. S. King, Yu. G. Zdesenko, Next generation double-beta decay experiments: metrics for there evaluation, New Journal Phys. 7, 6 (2005).

8. T. Bernatowicz et al., Neutrino mass limits from a precise determination of PP-decay rates of 128Te and 130Te, Phys. Rev. Lett. 69, 2341-2344 (1992).

9. A. M. Bakalyarov et al., Results of the experiment on investigation of Germanium-76 double beta decay. Experimental data of Heidelberg-Moscow collaboration November 1995 August 2001, Phys. Part. Nucl. Lett. 2, 77 (2005).

10. C.E. Aalseth et al., Recent results of the IGEX 76Ge double beta decay experiment, Phys. Atom. Nucl. 63, 1225-1228 (2000).

11. H. Ejiri et al., Limits on the Majorana neutrino mass and right-handed weak currents by neutrinoless double p decay of 100Mo, Phys. Rev. С 63, 065501 (2001).

12. A.Alessandrello et. al., New Experimental Results on Double Beta Decay of 130Te, Phys. Lett. В 13, 486 (2000).

13. I. Ogawa et al, Double beta decay study of 48Ca by CaF2 scintillator, Nucl. Phys. A 721, 525-528 (2003).

14. P. Belli et al., Search for double beta decay of zinc and tungsten with low background ZnW04 crystal scintillators, Nucl. Phys. A 826 3-4, 256-273 (2009).

15. P. G. Bizzeti et al., New results of Cd-116 beta beta decay experiment, Nucl. Phys. Proc. Suppl. 110, 389-391 (2002).

16. A. Barabash (NEMO Collab.), NEMO 3 double beta decay experiment: Latest results, J. Phys.: Conf. Ser. 173, 012008 (2009).

17. C.Arnaboldi et al., Results from a search for the 0 neutrinoless double beta-decay of 130Te, Phys. Rev. C, 78, 035502 (2008).

18. M. Pedretti, CUORE experiment: the search for neutrinoless double beta decay, Intern. J. Mod. Phys. A, 23, 3395 (2008).

19. J. Detwiler, The MAJORANA neutrinoless double-beta decay experiment, NDM06, Sept. 4, Paris (2006).

20. S. Schönert, et al. (Gerda Collab.), The GERmanium Detector Array (GERDA) for the search of neutrinoless ßß decays of 76Ge at LNGS, Nucl. Phys. В 145 (2005) 242.

21. S. Agostinelli et al. (Geant4 Collab.), Nucl. Instrum. Methods A 506, 250 (2003).

22. Э. Сторм, X. Исраэль, Сечения взаимодействия гамма-излучения (для энергий 0,001 100 МэВ и элементов с 1 по 100), М., Атомиздат, 1973, 256 с.

23. I. Barabanov, L. Bezrukov, S. Kianovsky et al., Shielding of the GERDA experiment against external background, Nucl. Instr. Methods A606 (2009) 790795.

24. M. Altmann, A. Caldwell et al., Background reduction in neutrinoless double ß decay experiments using segmented detectors A Monte Carlo study for the GERDA setup, Nucl. Instr. Methods A 570, 479 (2007).

25. A. Caldwell, К. Krôninger et al., Pulse shapes from electron and photon induced events in segmented high-purity germanium detectors, Eur. Phys. J. С 52, 19 (2007).

26. D. Budjas, M.B. Heider et al., Pulse shape discrimination studies with a Broad-Energy Germanium detector for signal identification and background suppression in the GERDA double (3 decay experiment, J. Instrum. 4, 10007 (2009).

27. S. Schônert, A. Smolnikov et al., Pulse shape analysis of scintillation signals from pure and xenon-doped liquid argon for radioactive background identification, J. of Instrumentation 3, 8007 (2008).

28. R. B. Firestone, Table of Isotopes, eighth ed., Wiley, New York, 1996.

29. Б. Л. Жуйков, В. M. Коханюк, Ю. Г. Габриелянц и др., Радиохимия 36, 499 (1994).

30. И. Р. Барабанов, JI. Б. Безруков, С. В. Киановский и др., Измерение сечений образования изотопов 74As, 68Ge, 65Zn и Со при облучении германия натурального и обогащенного изотопного состава протонами с энергией 100 МэВ, препринт ИЯИ 1231/2009.

31. А. Н. Шубин, В. Н. Корноухов, М. Альтман и др., Новые требования к обогащенным изотопам для экспериментов по изучению безнейтринного двойного Р-распада, АЭ, 101, 2, 135-140 (2006).

32. G. F. Steyn, S. J. Mills, F. M. Nortier, et al., Production of Fe-52 via proton-induced reactions on manganese and nickel, Appl. Radiat. Isot. 41, 315 (1990).

33. I. Spahn, G. F. Steyn, F. M. Nortier, et al., Excitation functions of natGe(p, xn) 71, 72, 73, 74As reactions up to 100 MeV with a focus on the production of 72As for medical and 73As for environmental studies, Appl. Radiat. Isot. 65, 1057 (2007).

34. F. M. Nortier, S.J.Mills, G.F.Steyn, Excitation functions and yields of relevance to the production of Ga-67 by proton bombardment of Zn-nat and Ge-nat up to 100 MeV, Appl. Radiat. Isot. 42, 353 (1991).

35. G. Rudstam, Z. Naturf. 21A, 1027 (1966).

36. J. F. Ziegler, Nucl. Instrum. Methods 191, 419 (1981).

37. A. V. Dementyev and N. M. Sobolevsky, Radiat. Meas., 30, 553 (1999).

38. M. Knapp, P. Grabmayr et al., The GERDA muon veto Cherenkov detector, Nucl. Instr. Methods A 610, 280 (2009).

39. И. В. Ракобольская, В. И. Гуренцов и др., Исследование мюонов сверхвысоких энергий. Метод рентгеноэмульсионных камер, М. «Наука», 1975.