ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2019, том 82, № 2, с. 100-109

ЯДРА

ПОИСК ДВОЙНОГО БЕЗНЕЙТРИННОГО БЕТА-РАСПАДА

ИЗОТОПА¹⁵⁰Nd С ПОМОЩЬЮ ЖИДКОСТНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО

СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

Ю. М. Гаврилюк¹⁾, В. И. Гуренцов¹⁾, В. В. Казалов¹⁾, В. В. Кузьминов¹⁾,

Г. Я. Новикова¹⁾, С. В. Семенов²⁾, В. В. Синев^1)*, Г. О. Цветков²⁾, Е. А. Янович¹⁾

Поступила в редакцию 19.09.2018 г.; после доработки 19.09.2018 г.; принята к публикации 19.09.2018 г.

Большая энергия двойного безнейтринного бета-распада (0ν2β) изотопа¹⁵⁰Nd и высокое значение

заряда дочернего ядра Z_f делают его одним из наиболее перспективных изотопов для поиска 0ν2β-

распада. Детектор на основе жидкого органического сцинтиллятора, содержащий¹⁵⁰Nd, позволяет

использовать большие массы изотопа. Определены требования к радиационной чистоте использу-

емого Nd. Рассматриваются возможная конструкция крупномасштабного детектора и ожидаемые

результаты.

DOI: 10.1134/S0044002719020028

ВВЕДЕНИЕ

значительных количеств этого изотопа. На Элек-

трохимическом заводе (г. Зеленогорск) разраба-

Поиск двойного безнейтринного бета-распада

тывается центрифужный метод обогащения Nd по

(0ν2β) является одной из наиболее интересных и

изотопу¹⁵⁰Nd и в ближайшей перспективе предпо-

актуальных задач современной экспериментальной

лагается его производство. В НИЦ “Курчатовский

физики. Эта задача связана с определением приро-

институт” разработан лазерный метод обогащения

ды массы нейтрино (дираковской или майоранов-

Nd [3] и получены опытные образцы с обогащением

ской) и возможным нарушением закона сохране-

60% по¹⁵⁰Nd.

ния лептонного числа. Решение этих задач имеет

Поиск 0ν2β-распада изотопа¹⁵⁰Nd предпола-

фундаментальное значение для физики частиц и

гается осуществлять в жидком органическом сцин-

космологии.

тилляторе, содержащем¹⁵⁰Nd (Nd-ЖС).

Поиску 0ν2β в настоящее время посвящены

По сравнению с другими детекторами, исполь-

около десятка действующих или находящихся в

стадии запуска крупномасштабных экспериментов,

зуемыми для поиска 0ν2β-распада (полупровод-

использующих различные изотопы, испытывающие

никовыми и низкотемпературными), Nd-ЖС имеет

двойной бета-распад. До настоящего времени 0ν2β

худшее энергетическое разрешение, однако такой

не обнаружен, и для его периода полураспада (T1/2)

детектор имеет и ряд важных преимуществ, кото-

рые делают его конкурентоспособным:

получены только верхние пределы. Наибольшие

ограничения на значения T1/2 на уровне 10²⁶ лет

энергия распада 150Nd

(3.37

МэВ) и атом-

ный номер являются одними из наибольших сре-

получены в экспериментах GERDA (⁷⁶Ge) [1] и

ди кандидатов для поисков 0ν2β-распада, и, как

KamLAND-Zen collaboration (¹³⁶Хе) [2].

150

следствие,

Nd имеет более высокую вероят-

Целью настоящей работы является анализ воз-

ность 0ν2β-распада по сравнению с другими 2β-

можности осуществления эксперимента по поиску

источниками. Например, фактор фазового объема

0ν2β-распада изотопа¹⁵⁰Nd. Интерес к использо-

для¹⁵⁰Nd оказывается в 32 раза больше, чем у⁷⁶Ge

ванию¹⁵⁰Nd для поиска 0ν2β повысился в связи

[4];

с появлением реальной возможности получения

предварительные оценки показывают, что бла-

годаря большой энергии распада в жидком ор-

¹⁾Институт ядерных исследований Российской академии

наук, Москва, Россия.

ганическом сцинтилляторе может быть получено

²⁾НИЦ “Курчатовский институт”, Москва, Россия.

хорошее энергетическое разрешение (несколько

^*E-mail: vsinev@inr.ac.ru

процентов);

100

ПОИСК ДВОЙНОГО БЕЗНЕЙТРИННОГО БЕТА-РАСПАДА ИЗОТОПА

101

наибольшая энергия внешнего гамма-излучения

Nd представлены на рис. 1. По оси ординат отло-

от естественных радиоактивных изотопов состав-

жено значение световыхода в процентах относи-

ляет 2.6 МэВ (²⁰⁸Tl в ряду²³²Th), что существенно

тельно ненагруженного сцинтиллятора — псевдо-

меньше энергии 0ν2β. Это значительно упрощает

кумол (РС) + 2 г BPO с абсолютным значением

проблему внешнего гамма-фона по сравнению с

световыхода 14 000 фотонов/МэВ. Сцинтиллятор

другими кандидатами на 0ν2β, например,⁷⁶Ge и

на основе карбоксилата Nd (Nd(TMHA)₃) сохра-

няет высокий световыход (∼11 000 фотонов/МэВ)

¹³⁶Хе.

вплоть до концентрации Nd 20 г/л. Карбокси-

Опыт работы больших супернизкофоновых де-

лат Nd дает возможность создавать детекторы

текторов на основе ЖС, например, Borexino [5], по-

сравнительно небольшого объема (∼ несколько

казывает возможность создания большого детек-

м³) с высокой концентрацией¹⁵⁰Nd и достаточно

тора на основе Nd-ЖС для поиска 0ν2β-распада

высокой прозрачностью. Проект такого детектора

с большой массой изотопа.

был представлен в [6]. Сцинтиллятор, содержащий

Использование Nd-ЖС для поиска

0ν2β-

бета-дикетонатные комплексы, имеет достаточно

распада было впервые рассмотрено в [6], где были

высокий световыход только при малых концентра-

получены образцы Nd-ЖС и предложена возмож-

циях неодима (1-2 г/л). Их использование мо-

ность создания крупномасштабного детектора.

жет оказаться предпочтительнее при растворении в

Аналогичный эксперимент по поиску

0ν2β-

уже существующих и проектируемых сцинтилляци-

распада изотопа 130Te в жидком органическом

онных установках большого масштаба (Borexino,

сцинтилляторе разрабатывается на установке

KamLand, SNO+). Они могут возгоняться при

SNO+ [7].

сравнительно невысоких температурах и, следо-

вательно, подвергаться глубокой очистке методом

Создание детектора на основе 150Nd требу-

сублимации непосредственно перед вводом в сцин-

ет разработки методик синтеза устойчивого Nd-

тиллятор. Кроме того, бета-дикетонаты редкозе-

содержащего соединения, растворимого в ЖС, и

мельных элементов, как правило, гарантируют бо-

очистки всех элементов сцинтиллятора от радиоак-

лее высокую стабильность Nd-ЖС.

тивных элементов, главным образом, тория.

Параметры образцов, как карбоксилатов, так

и бета-дикетонатных комплексов, оставались ста-

бильными в пределах 5% за все время работы

ЖИДКИЙ СЦИНТИЛЛЯТОР

с ними (∼1.5 года). Более подробно результаты

С РАСТВОРЕННЫМ Nd

представлены в [8] и [9].

Поглощение света в большом детекторе Nd-

Создание Nd-содержащего сцинтиллятора яв-

ЖС определяет энергетическое разрешение де-

ляется одной из главных проблем эксперимента.

тектора и в итоге его фоновые характеристики.

Сцинтиллятор должен удовлетворять нескольким

При ухудшении разрешения в область регистрации

основным требованиям: иметь высокий световой

0ν2β начинают проникать события от естествен-

выход и высокую прозрачность, допускать высо-

ной радиоактивности и 2ν2β-распада. С помощью

кую концентрацию Nd в органическом раствори-

спектрофотометра UV-VIS были измерены спек-

теле без существенной потери световыхода и про-

тры поглощения света неодимом, растворенным в

зрачности, обладать высокой стабильностью пара-

воде (в виде соли хлорида неодима) и органиче-

метров при проведении длительных измерений. Как

ском растворителе РС (в виде Nd(TMHA)₃). На

правило, эти требования противоречат друг другу, и

рис. 2 представлены измеренные спектры поглоще-

надо искать оптимум.

ния света карбоксилатом неодима в псевдокумоле

Разработаны два типа Nd-ЖС, в которых

с помощью 10-см кварцевой кюветы в диапазоне

используются два вида соединений неодима:

концентраций от 2.6 до 51 г.

карбоксилаты и бета-дикетонаты. Были синте-

На основе полученной зависимости поглоще-

зированы: соединение Nd карбоксилат неодима

ния света от концентрации Nd были проведены

(Nd(TMHA)₃) и неодима (III) с фторированны-

модельные расчеты собирания света для событий

ми бета-дикетонами:

1,1,1,5,5,5-гексафтор-2,4-

0ν2β-распада в большом сферическом детекторе

пентандионом (гексафторацетилацетоном (Н-hfa))

при различных концентрациях Nd и различных

1,1,1,2,2,6,6,7,7,7-декафтор-3,5-гептандионом

размерах детектора. Рассмотрено два варианта для

(Н-dfa) и нейтральными лигандами — 1,2-димето-

площади покрытия поверхности внешней сферы

ксиэтаном (dme) (СН₃ОСН₂СН₂ОСН₃) и дигли-

детектора фотоэлектронными умножителями с со-

мом (diglyme) (СН₃О(СН₂СН₂О)₂СН₃).

временными фотокатодами высокой чувствитель-

Результаты измерения световыхода сцинтилля-

ности: 40 и 60%. Результаты расчетов представле-

торов обоих типов в зависимости от концентрации

ны на рис. 3.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019

ПОИСК ДВОЙНОГО БЕЗНЕЙТРИННОГО БЕТА-РАСПАДА ИЗОТОПА

103

Энергетическое разрешение, %

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

Радиус сферы, м

Рис. 3. Энергетическое разрешение Nd-ЖС-детектора в зависимости от радиуса центральной сферы и концентрации

Nd. Кривые: сплошные — площадь покрытия ФЭУ 40%, штриховые — 60%. Цифрами показана концентрация неодима:

1 — 7.5, 2 —5.0, 3 —2.5, 4 — 1.0.

Полученные результаты позволяют сделать вы-

различного объема с энергетическим разрешени-

вод, что при радиусе центральной сферы детектора

ем 4%. Для детектора большого объема (когда

0.5-4.0 м и при концентрации¹⁵⁰Nd 1-5 г/л можно

эффективность регистрации гамма-квантов, со-

обеспечить энергетическое разрешение при реги-

провождающих бета-распад²⁰⁸Tl, равна ∼100%)

страции 0ν2β-распада¹⁵⁰Nd на уровне 4-6%. Под

результаты расчета представлены на рис. 4. Доля

термином “энергетическое разрешение” мы будем

событий от распада²⁰⁸Tl, попадающих в область

понимать здесь отношение ширины на полувысоте

0ν2β, составляет 2.1 × 10-2. Для распада²¹⁴Bi

распределения к среднему значению. Возможен

это значение равно 8.5 × 10-4. С уменьшением

также вариант детектора с более высокой кон-

детектора, когда его размер становится сравним

центрацией¹⁵⁰Nd [6]. Примем далее энергетиче-

с пробегом вылетающих гамма-квантов, эта доля

ское разрешение линии Q0ν2β 4% как возможный

уменьшается. Например, для детектора объемом

нижний предел для больших сцинтилляционных

10 л эта доля составляет 5.2 × 10-3 и 2.1 × 10-5

детекторов с Nd-ЖС.

соответственно. Фоновые события от распада

²¹⁴Bi могут быть полностью дискриминированы,

поскольку вслед за бета-распадом²¹⁴Bi происхо-

ФОНЫ ДЕТЕКТОРА С Nd-ЖС

дит альфа-распад²¹⁴Ро (E = 7.687 МэВ, T1/2

Внутренние радиоактивные примеси

= 164 мкс). Для²⁰⁸Tl подобная дискриминация

затруднительна, поскольку нет последующего

Наибольшая энергия внешнего гамма-излучения

от естественных радиоактивных изотопов состав-

альфа-радиоактивного ядра с маленьким периодом

полураспада, а предшествующий ему альфа-

ляет 2.614 МэВ (²⁰⁸Tl в ряду²³²Th), что суще-

распад²¹²Bi происходит с T1/2 = 60.5 мин.

ственно меньше энергии 0ν2β-распада 3.37 МэВ.

Но фон может возникать от примеси естествен-

Для получения данных о содержании радио-

ных радиоактивных изотопов внутри Nd-ЖС-

активных примесей в образцах Nd была разра-

детектора, которые производят бета-частицы и

ботана методика измерения с помощью полупро-

сопровождающие их гамма-кванты.

водникового детектора на Баксанской нейтринной

Учитывая высокую энергию

0ν2β-распада

обсерватории ИЯИ РАН в низкофоновой камере

¹⁵⁰Nd, внутренний фон могут создавать только

на образцах Nd естественного состава с чистотой

изотопы²⁰⁸Tl (ряд²³²Th) с максимальной энер-

99.99%. Активность²³⁸U определена из получен-

гией распада

5.001

МэВ и²¹⁴Bi (ряд²³⁸U) с

ных спектров по гамма-линии²¹⁴Bi (609 кэВ),

максимальной энергией бета-распада 3.27 МэВ.

активность 232Th — по линии208Tl (2614 кэВ).

Спектры энерговыделений от этих элементов и

Эффективность регистраций гамма-линий опреде-

их вклад в область 0ν2β-распада для¹⁵⁰Nd был

лена при помощи моделирования методом Монте-

рассчитаны методом Монте-Карло для детекторов

Карло. Детали процесса измерений, полученные

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019

104

БАРАБАНОВ и др.

Число событий/распад/10 кэВ

0.0040

0.0035

0.0030

0.0025

0.0020

0.0015

0.0010

0.0005

3000

3100

3200

3300

3400

3500

3600

3700

Энергия,кэВ

Рис. 4. Энергетическийспектр²⁰⁸Tl (■) в области0ν2β-распада¹⁵⁰Nd (гауссоваякривая) в детекторебольшогообъема.

спектры и таблицы с результатами приведены в

распределения событий от 0ν2β-распада при энер-

[10].

гетическом разрешении 4% линии Q0ν2β, составля-

Получено, что активность и концентрация U и

ет 7.8 × 10-8 при энергетическом разрешении 4%.

Th в образцах составляет:

Период полураспада для 2ν2β¹⁵⁰Nd измерен в

эксперименте NEMO и составляет 9.3 × 10¹⁸ лет

²¹⁴Bi(²³⁸U)

0.024 ± 0.004 Бк/кг

[11]. С учетом этого индекс фона от 2ν2β-распада

(1.9 × 10-9 гU/г),

в энергетическом интервале 3300-3435 кэВ равен

B2ν2β = 0.023 (год кг¹⁵⁰Nd)-1 при энергетическом

²⁰⁸Tl(²³²Th) 0.103 ± 0.006 Бк/кг

разрешении 4%. При использовании детектора с

(7.0 × 10-8 гTh/г).

несколькими кг¹⁵⁰Nd этот фон пренебрежимо мал.

В образцах Nd с высокой степенью обогащения

Однако при дальнейшем развитии эксперимента

примесь Th может быть меньше, но если она бу-

с большими массами этот вклад должен учиты-

дет того же порядка, то от распада²⁰⁸Tl будет

ваться.

возникать фон в области 0ν2β-распада¹⁵⁰Nd при

При этом возможно его дальнейшее снижение

при использовании асимметричной области для

разрешении 4% 5.0 × 10³ соб./кг (Nd) в год.

регистрации 0ν2β-распада при некотором умень-

Для уменьшения внутреннего фона требуется

шении эффективности регистрации.

тщательная очистка как используемого органиче-

ского сцинтиллятора, так и соединения Nd от²³²Th.

Фон от внутренней оболочки детектора

Внутренний фон от собственного

При поиске 0ν2β-распада¹⁵⁰Nd при помощи

сцинтилляционного детектора оказывается важной

2ν2β-распада¹⁵⁰Nd

также радиационная чистота материалов внешних

Принципиально неустранимым источником фо-

по отношению к внутреннему объему детектора,

на является вклад событий от двухнейтринной мо-

содержащему Nd-ЖС. Это внешняя оболочка де-

ды 2ν2β-распада¹⁵⁰Nd в область безнейтринного

тектора, ФЭУ и внутренняя оболочка детектора,

содержащая Nd-ЖС.

двойного бета-распада 0ν2β с учетом конечного

энергетического разрешения детектора.

В сцинтилляционном детекторе Borexino до-

стигнут наиболее низкий фон во внутреннем объеме

Мы рассчитали энергетический спектр суммар-

сцинтиллятора, окруженного нейлоновой оболоч-

ного энерговыделения двух электронов с учетом

кулоновского взаимодействия вылетающих элек-

кой радиусом 4.5 м. В работе [12] подробно изучен

тронов с ядром при 2ν2β-распаде и энергетическом

полученный фон внутри этой оболочки в интересу-

ющей нас области энергии: 3.2-6.0 МэВ.

разрешении 4% в сцинтилляционном детекторе

(рис. 5). Доля событий, попадающих в энергети-

Оказалось, что после подавления космогенных

ческий интервал, равный ширине на полувысоте

фонов от мюонов в этой области энергии остались

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019

ПОИСК ДВОЙНОГО БЕЗНЕЙТРИННОГО БЕТА-РАСПАДА ИЗОТОПА

105

Число событий/распад/0.01 МэВ

2.0×10^-7

1.8×10^-7

1.6×10^-7

1.4×10^-7

1.2×10^-7

1.0×10^-7

8.0×10^-8

6.0×10^-8

4.0×10^-8

2.0×10^-8

3.10

3.15

3.20

3.25

3.30

3.35

3.40

3.45

3.50

3.55

3.60

Энергия, МэВ

Рис. 5. Энергетическийспектр 0ν2β-распада¹⁵⁰Nd при энергетическом разрешениив 4% (кривая). Точки — энергетиче-

ский спектр суммарного выделения энергии от двух электронов при 2ν2β-распаде¹⁵⁰Nd в сцинтилляционном детекторе

при энергетическом разрешении 4%.

фоны от²⁰⁸Tl, появляющегося в ряду распада²³²Th

Фон от борных солнечных нейтрино

в нейлоновой внутренней оболочке, а также во

В случае поиска распада¹⁵⁰Nd по моде 0ν2β

внутреннем сцинтилляционном объеме до 1.5 м от

при помощи сцинтилляционного детектора с Nd-

нейлоновой оболочки. Есть два пути выхода²⁰⁸Tl

ЖС фон от солнечных борных нейтрино является

из нейлоновой оболочки в сцинтиллятор. Пер-

принципиально не устранимым фоном и зависит от

вый путь — появляющиеся изотопы в ряду распа-

энергетического разрешения Q0ν2β .

да²³²Th могут покинуть нейлоновую оболочку за

Выше упоминалось, что в эксперименте Borexino

счет импульса отдачи, приобретаемого при распа-

удалось снизить фон в эффективном объеме в 100 т

де родителя, второй путь — нейлоновую оболочку

сцинтиллятора во внутренней сфере до уровня,

покидает²²⁰Rn, который является прародителем

который позволил произвести регистрацию потока

²⁰⁸Tl. Этот эффект выхода изотопов прародителей

солнечных борных нейтрино.

²⁰⁸Tl привел к тому, что для уверенного выде-

Скорость счета событий в области энергий

ления событий от рассеяния солнечных нейтрино

3.2-6.0 МэВ в эксперименте Borexino составляет

на электронах пришлось выделить эффективный

0.133/сут/100 т [12]. Это значение совпадает с

объем сцинтиллятора с радиусом 3 м. В области с

ожидаемой скоростью счета событий от рассеяния

большим радиусом фон от распада²⁰⁸Tl в области

солнечных⁸B-нейтрино на электроне.

энергии 3.2-6.0 МэВ доминирует над скоростью

счета событий от борных нейтрино.

ОЧИСТКА Nd

Предварительная очистка Nd происходит в про-

цессе синтеза и очистки комплексов неодима, ис-

Фон от внешней стальной оболочки и ФЭУ

пользуемых для приготовления Nd-ЖС.

В том случае, когда для создания Nd-содержа-

Обнаружен и проанализирован фон [12], иници-

щего сцинтиллятора выбран карбоксилат неодима

ированный нейтронами от развалов радиоактивных

(например, триметилгексаноат), очистка от тория

атомных ядер из стальной оболочки и из стек-

может быть осуществлена на стадии приготовле-

ла ФЭУ, а также инициированный нейтронами от

ния водного раствора хлорида неодима, который в

реакций альфа-частиц. Эти нейтроны взаимодей-

дальнейшем используется для синтеза карбокси-

ствуют с ядрами водорода и углерода сцинтил-

лата. Водный раствор NdCl₃ может быть очищен от

лятора с образованием высокоэнергичных гамма-

Th путем многократной экстракции с органическим

квантов, которые обеспечивают выделение энергии

раствором триоктилфосфиноксида (ТОРО) [13].

выше 3.2 МэВ во внутренней сфере. Для детектора

В случае выбора летучих бета-дикетонатных

Borexino этот фон оказался в эффективном объеме

комплексов очистка может производиться непо-

внутренней сферы ниже скорости счета событий от

средственно перед вводом их в сцинтиллятор мето-

борных нейтрино [12].

дом многократной молекулярной дистилляции.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019

106

БАРАБАНОВ и др.

Число отсчетов/5 кэВ

700

600

500

400

300

200

100

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

Энергия, кэВ

Рис. 6. Измеренный спектр энерговыделений в макете

детектора от гамма-квантов¹³⁷Cs (точки с ошибкой) и

смоделированный при помощи GEANT4 спектр (кривая) для энергетического разрешения детектора 7% в области

наблюдаемого пика распределения.

Очистке от радиоактивности должен подвер-

Из сравнения спектров сцинтилляторов на ос-

гаться не только комплекс неодима, но и все

нове ЛАБа с Nd и без него при облучении гамма-

остальные компоненты сцинтиллятора: базовый

квантами¹³⁷Cs (E = 662 кэВ) получено, что све-

растворитель и сцинтилляционные добавки. Ме-

товой выход для Nd-ЖС составляет в данном

тоды очистки растворителей и сцинтилляционных

детекторе 85% от аналогичного сцинтиллятора без

добавок хорошо разработаны и представлены в

неодима.

работах [14, 15].

Наиболее важным параметром для детектора

с Nd-ЖС является энергетическое разрешение.

Определить его непосредственно из вида спек-

МАКЕТ Nd-СОДЕРЖАЩЕГО

тра, как это делается для спектров тонких об-

СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

разцов сцинтиллятора, когда гамма-квант пре-

терпевает только одно взаимодействие и полу-

Для экспериментального измерения характери-

чается чистый комптоновский спектр, невозмож-

стик Nd-ЖС был сконструирован и создан сцин-

но. Поскольку размер детектора превышает про-

тилляционный модуль. Он состоит из низкофоно-

бег гамма-кванта, то квант может рассеиваться

вой цилиндрической кварцевой ячейки диаметром

несколько раз, что приводит к уширению области

100 и длиной 200 мм с двумя установленными по

спектра в области максимальной энергии элек-

торцам ФЭУ размером 5^′′ Hamamatsu R877-100.

трона при однократном взаимодействии (470 кэВ).

Было выполнено моделирование методом Монте-

Система регистрации включает суммирование

Карло спектра, получающегося при облучении де-

импульсов с двух ФЭУ с последующим усилением

тектора гамма-квантами¹³⁷Cs с энергией 662 кэВ.

и записью событий на амплитудном анализаторе.

Результаты измерения и расчета для энергети-

Для лучшего светосбора боковые стенки ячей-

ческого разрешения 7% при энергии максимума

ки были обернуты зеркальной светоотражающей

распределения 430 кэВ приведены на рис. 6.

пленкой (алюминизированный майлар). Измерения

проводятся после удаления кислорода воздуха из

Если пересчитать это значение на энергию рас-

сцинтиллятора путем продувки аргоном. Эффект

пада¹⁵⁰Nd (3.37 МэВ), то получим 2.5%. Этот

продувки дает 12%-ное увеличение световыхода.

результат показывает, что полученное нами при

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019

ПОИСК ДВОЙНОГО БЕЗНЕЙТРИННОГО БЕТА-РАСПАДА ИЗОТОПА

107

моделировании детектора большого размера пре-

разрешения с использованием FWHM получим

дельное энергетическое разрешение в 4% реали-

FWHM/Q0ν2β = 6.4%. На основе результатов на-

стично. Параметры макета детектора оставались

ших расчетов, приведенных на рис. 5, получим,

стабильными за все время работы с детектором (∼9

что в области левее линии Q0ν2β фон при таком

мес.).

энергетическом разрешении будет значительным.

Для поиска 0ν2β-распада¹⁵⁰Nd мы предлагаем

использовать энергетическую область Q0ν2β +

ВОЗМОЖНОСТИ БОЛЬШОГО

+ 3σ_E , в которой эффективности регистрации

СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА

0ν2β-распада ε = 0.5 и фон от

2ν2β-распада

ДЛЯ ПОИСКА 0ν2β-РАСПАДА¹⁵⁰Nd

можно не учитывать по сравнению с фоном от

Для оценки возможности поиска распада¹⁵⁰Nd

борных нейтрино. Оценим фон от борных нейтрино:

по моде 0ν2β с помощью сцинтилляционного де-

B = B⁸B = (0.133 соб./100 т/сут/2.8 МэВ)3σE ×

тектора со сцинтиллятором, нагруженным¹⁵⁰Nd,

используем результаты работы [12]. В этой работе

× 365 сут = 4.7 соб./100 т/год/3σ_E .

приведены результаты измерения потока борных

солнечных нейтрино и подробно исследованы раз-

Вычислим период полураспада изотопа¹⁵⁰Nd

личные источники фона с выделением энергии от

по моде 0ν2β, который может быть обнаружен в

3.2 до 6 МэВ в детекторе Borexino. Скорость счета

этих условиях с 90%-ной вероятностью за время

в этом диапазоне энергии во внутреннем объеме

наблюдения T :

(

(₁₅₀

)

√ )

детектора массой 277.5 т и радиусом 4.5 м уда-

T1/2 = εM

N_Av ln 2

/(1.7 ×

(1)

лось снизить до 2.135 соб./сут/277.5 т. Данная

√

скорость счета в основном определялась радиоак-

×A_Nd

B = 9.6 × 10²⁵ лет,

тивными примесями в нейлоновой сфере, ограни-

чивающей внутренний объем. Было обнаружено,

где ε = 0.5; M(¹⁵⁰Nd) = 114 кг; T = 5 лет; A_Nd =

что плотность этих фоновых событий спадает с

= 0.150 кг — масса моля¹⁵⁰Nd и N_Av — число

расстоянием от внутренней нейлоновой сферы к

Авогадро. При оценке (1) принята степень обога-

центру детектора. Оказалось, что можно выделить

щения¹⁵⁰Nd 100%.

эффективный объем радиусом 3 м и с массой 100

Используя методику из работы [4], оценим ми-

т сцинтиллятора, в котором вклад от радиоактив-

нимальную массу нейтрино Майораны m_M, необ-

ных примесей во внутренней нейлоновой сфере

ходимую для обеспечения сигнала от распада¹⁵⁰Nd

становится мал по сравнению со скоростью счета

по моде 0ν2β, равного 1.7

√B_NdM_NdT:

событий от рассеяния борных солнечных нейтрино

на электронах сцинтиллятора. Скорость счета в

m_M ≈ m₀D-1/2,

энергетическом диапазоне от 3.2 до 6 МэВ во

где

внутреннем эффективном объеме массой 100 т

составила: B8_B = 0.133 соб./сут/100 т.

D-1/2 = 1.3ε-1/2(B_Nd/M_NdT)1/4,

Представим себе, что удалось заполнить объем

m = 10 мэВ для ¹⁵⁰Nd и детектора с D = 1 (ε = 1;

внутренней нейлоновой сферы детектора Borexino

M_NdT = 3/T_Nd/год; B_Nd = 1/T_Nd/год).

сцинтиллятором с растворенным в нем изотопом

В нашем случае ε = 0.5; M_Nd = 0.114 т; T =

¹⁵⁰Nd с концентрацией 1 г/л и с достаточно малым

= 5 лет; B_Nd = 41 соб./T_Nd/год.

содержанием U и Th.

Получим m_M = 59 мэВ.

При столь низкой концентрации Nd сцинтилля-

ционные и оптические параметры детектора суще-

Отметим, что нижняя граница T1/2 > 8 × 10²⁵

ственно не изменятся (рис. 3). Только центральная

лет, полученная коллаборацией GERDA [1], при-

часть детектора с массой 100 т, содержащая 114 кг

водит к верхней границе для эффективной массы

¹⁵⁰Nd, может быть использована для поиска 0ν2β-

нейтрино m_ββ < 0.12-0.26 эВ.

распада¹⁵⁰Nd из-за низкого уровня фона, который

Видно, что детектор типа Borexino со сцин-

возникает из-за рассеяния солнечных борных ней-

тиллятором, нагруженным¹⁵⁰Nd с концентрацией

трино на электронах и из-за 2ν2β-распада¹⁵⁰Nd.

1 г/л, мог бы составить конкуренцию планируемым

Оценим этот фон. Для этого необходимо знать

экспериментам по поиску 0ν2β-распада.

энергетическое разрешение линии Q0ν2β.

Заметим здесь, что вся внутренняя нейлоновая

В работе [16] приведена аппроксимация энерге-

сфера радиусом 4.5 м должна быть заполнена

тической зависимости энергетического разрешения

Nd-ЖС, а используется для поиска 0ν2β-распада

√

для детектора Borexino: σ_E/E = 5%/(

E/МэВ).

только эффективный объем с радиусом 3 м. По-

Для линии Q0ν2β = 3.37 МэВ для энергетического

этому большая часть растворенного изотопа¹⁵⁰Nd

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019

108

БАРАБАНОВ и др.

не используется для поиска 0ν2β-распада. Это

примесь. Создан макет Nd-ЖС-детектора, и ис-

экономически неэффективно. Такая ситуация воз-

следованы его энергетические и оптические пара-

никает из-за недостаточной радиационной чистоты

метры. Показана возможность достижения энер-

внутренней нейлоновой сферы.

гетического разрешения ∼4%. Рассматриваются

возможная конструкция крупномасштабного де-

Из проведенного анализа можно сформулиро-

тектора и ожидаемые результаты.

вать основные требования к специализированному

Мы выражаем благодарность И. Костылеву,

сцинтилляционному детектору для поиска 0ν2β-

Н.А. Корсаковой, Е.К. Легину, А.Е. Мирославову,

распада¹⁵⁰Nd. Рассмотрим детектор с геометри-

М.Д. Караван, Б.В. Локшину, В.П. Моргалюку за

ческими размерами и структурой, такими же, как у

участие в разработке Nd-содержащего сцинтилля-

детектора Borexino. Прежде всего необходимо раз-

тора.

работать технологию получения внутренней сферы

Работа поддержана грантом РНФ № 16-12-

с радиационной чистотой, в десятки раз лучшей,

10322.

чем у нейлоновой внутренней сферы в детекторе

Borexino. В этом случае появится возможность

использовать для поиска 0ν2β-распада большую

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

массу изотопа, что позволит увеличить экономиче-

M. Agostini et al. (GERDA Collab.), Phys. Rev. Lett.

скую эффективность и чувствительность детекто-

120, 132503 (2018).

ра к поиску 0ν2β-распада (1). Также необходимо

улучшить энергетическое разрешение линии Q0ν2β.

A. Gando et al. (KamLAND-Zen Collab.), Phys. Rev.

Для этого необходимо в соответствии с наши-

Lett. 117, 082503 (2016).

ми расчетами обеспечить долю площади, покры-

А. П. Бабичев, И. С. Григорьев, А. И. Григорьев,

той фотокатодом, не менее 60%. Это приведет к

А. П. Доровский, А. Б. Дьячков, С. К. Ковалевич,

уменьшению фонов как от борных нейтрино, так и

В. А. Кочетов, В. А. Кузнецов, В. П. Лабозин,

от 2ν2β-распада, что позволит увеличить эффек-

А. В. Матрахов, С. М. Миронов, С. А. Нику-

тивность регистрации линии Q0ν2β. ФЭУ долж-

лин, А. В. Песня, Н. И. Тимофеев, В. А. Фирсов,

ны быть низкофоновыми, это позволит уменьшить

Г. О. Цветков, Г. Г. Шаталова, Квант. электрон. 35,

879 (2005).

фон, инициированный нейтронами. Подразумева-

ется, что радиационная чистота Nd-ЖС должна

J. D. Vergados, H. Ejiri, and F.

Simkovic, Int. J. Mod.

быть на уровне, достигнутом в детекторе Borexino.

Phys. E 25, 1630007 (2016); arXiv: 1612.02924 [hep-

ph].

Также можно рассмотреть чистую внутреннюю

сферу меньшего размера со сцинтиллятором с кон-

J. Benziger, Int. J. Mod. Phys. A 29, 1442002 (2014).

центрацией¹⁵⁰Nd 7.5 г/л. Несмотря на то что

И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, К. Каттадори,

согласно рис. 3 произойдет увеличение энергетиче-

Н. А. Данилов, А. Ди Вакри, А. Янни, С. Низи,

ского разрешения, это позволит уменьшить фон от

Г. Я. Новикова, Ф. Ортика, А. Романи, С. Сальво,

борных нейтрино при той же массе изотопа (1).

О. Ю. Смирнов, Е. А. Янович, ПТЭ, № 5, 37 (2012)

[Instrum. Exp. Techn. 55, 545 (2012)].

S. Biller (for the SNO+ Collab.), arXiv: 1405.3401v1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

[physics.ins-det].

И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, Г. Я. Новикова,

Рассмотрена возможность использования изо-

Е. А. Янович, ПТЭ, № 4, 82 (2017) [Instrum. Exp.

топа¹⁵⁰Nd для поиска двойного безнейтринного

Techn. 60, 533 (2017)].

бета-распада. Создан Nd-содержащий жидкий ор-

Л. Б. Безруков, Г. Я. Новикова, Е. А. Янович,

ганический сцинтиллятор, измерены его световой

А. И. Костылев, Н. А. Корсакова, Е. К. Легин,

выход и длина поглощения света при концентра-

А. Е. Мирославов, М. Д. Караван, Б. В. Локшин,

ции Nd до 50 г/л. На основе полученных данных

В. П. Моргалюк, ЖНХ 63 (2018) (в печати).

показана возможность использования Nd-ЖС в

10.

И. Р. Барабанов, Л. Б. Безруков, А. В. Вересни-

больших сцинтилляционных детекторах с разме-

кова, Ю. М. Гаврилюк, А. М. Гежаев, В. И. Гу-

ром вплоть до 10 м с энергетическим разрешением

ренцов, В. В. Казалов, В. В. Кузьминов, Препринт

4-6% для энергии распада¹⁵⁰Nd. Такой детек-

№ 1428/2016, ИЯИ РАН (Москва, 2016).

тор может составить конкуренцию действующим и

проектируемым детекторам для поиска 0ν2β. Рас-

11.

R. Arnold et al. (NEMO-3 Collab.), Phys. Rev. D 94,

072003 (2016).

смотрены источники внутреннего фона. Показано,

что наибольшую опасность представляет изотоп

12.

M. Agostini et al. (Borexino Collab.), arXiv:

²⁰⁸Tl (²³²Th), и найдены пределы на его допустимую

1709.00756v1 [hep-ex].

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019

ПОИСК ДВОЙНОГО БЕЗНЕЙТРИННОГО БЕТА-РАСПАДА ИЗОТОПА

109

13. Н. А. Данилов, Ю. С. Крылов, В. И. Жилов,

кова, Е. А. Янович, Радиохимия 58, 535 (2016)

А. Ю. Цивадзе, Е. В. Сальникова, И. Р. Бараба-

[Radiochemistry 58, 625 (2016)].

нов, Л. Б. Безруков, Г. Я. Новикова, Е. А. Яно-

15. Г. Я. Новикова, ЭЧАЯ 49, 1360 (2018) [Phys. Part.

вич, К. Каттадори, С. Низи, М. Ди Вакри,

Nucl. 49, 774 (2018)].

К. Салво, А. Янни, Радиохимия 53, 229 (2011)

[Radiochemistry 53, 269 (2011)].

16. A. Derbin et al. (Borexino Collab.), arXiv:

14. И. Р. Барабанов, В. П. Моргалюк, Г. Я. Нови-

1605.06795 [hep-ex].

THE SEARCH OF DOUBLE NEUTRINOLESS BETA-DECAY OF¹⁵⁰Nd

BY USE OF LIQUID ORGANIC SCINTILLATOR DETECTOR

I. R. Barabanov¹⁾, L. B. Bezrukov¹⁾, Yu. M. Gavriluk¹⁾, V. I. Gurentsov¹⁾, V. V. Kazalov¹⁾,

V. V. Kuzminov¹⁾, G. Ya. Novikova¹⁾, S. V. Semenov²⁾, V. V. Sinev¹⁾, G. O. Tsvetkov²⁾,

A. V. Veresnikova¹⁾, E. A. Yanovich¹⁾

¹⁾Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

²⁾National Research Center “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia

The high energy of the double neutrinoless beta decay (0ν2β) of the¹⁵⁰Nd isotope and high daughter

nucleus charge Z_f make it one of the most promising isotopes for the search for 0ν2β decay. A detector

based on a liquid organic scintillator containing¹⁵⁰Nd (Nd-LS) allows the use of large isotope masses. The

requirements for the used Nd radiation purity are determined. The possible design of a large-scale detector

and the expected results are considered.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019