Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 8, стр. 1180-1184

ВВЕДЕНИЕ

Поиск безнейтринного двойного бета-распада (β⁻β⁻, β⁺β⁺, β⁺EC, EC/EC) имеет большое значение в физике частиц и ядерной физике как инструмент изучения свойств нейтрино и слабого взаимодействия. Наблюдение безнейтринного двойного бета-распада (0νββ) позволит прояснить природу нейтрино (майорановское или дираковское) абсолютное значение массы нейтрино, иерархию нейтринных масс и возможное нарушение закона сохранения лептонного заряда [1]. Двухнейтринный двойной бета-распад (2νββ) – это процесс второго порядка, разрешенный в рамках стандартной модели (СМ), и его изучение дает возможность экспериментально определять ядерные матричные элементы (ЯМЭ) для процессов двойного бета-распада. Это приводит к развитию теоретических моделей расчета ЯМЭ как для 2νββ, так и для 0νββ распадов. Двойной бета-распад может происходить как путем переходов на основное состояние, так и на различные возбужденные состояния дочернего ядра. В настоящее время 2νββ распад на основное состояние дочерних ядер зарегистрирован для 11 ядер (⁴⁸Ca, ⁷⁶Ge, ⁸²Se, ⁹⁶Zr, ¹⁰⁰Mo, ¹¹⁶Cd, ¹²⁸Te, ¹³⁰Te, ¹³⁶Xe, ¹⁵⁰Nd, ²³⁸U) [2]. Изучение переходов на возбужденные состояния дочерних ядер позволяет получить дополнительную информацию о двойном бета-распаде. Меньшие энергии переходов на возбужденные состояния дочерних ядер приводят к существенному подавлению вероятностей двойного бета распада по сравнению с переходами на основное состояние в тех же ядрах [1, 3]. Однако такие процессы сопровождаются испусканием γ-квантов при разрядке возбужденных состояний, что облегчает детектирование этих редких процессов с помощью низкофонововых высокоэффективных HPGe детекторов. Двухнейтринный двойной бета распад (2ν2β^–) на возбужденные состояния дочерних ядер был зарегистрирован в распадах ¹⁰⁰Mo−¹⁰⁰Ru ($0_{1}^{ + },$ 1130.3 кэВ) и ¹⁵⁰Nd−¹⁵⁰Sm ($0_{1}^{ + },$ 740.4 кэВ). Наиболее точное значение для периода полураспада ¹⁰⁰Mo−¹⁰⁰Ru ($0_{1}^{ + },$ 1130.3 кэВ) [3] было получено в эксперименте, проведенном на спектрометре Obelix [4] в Моданской подземной лаборатории (LSM, Модан, Франция, на глубине 4800 м водного эквивалента). Высокая чувствительность спектрометра Obelix в исследованиях редких процессов, позволила провести аналогичные исследования двойного бета-распады ядра ⁵⁸Ni на возбужденные состояния ⁵⁸Fe [5] и ядра ⁷⁴Se на основное и на возбужденные состояния ⁷⁴Ge.

УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследование процесса двойного бета распада (β⁺EC, ECEC) ⁷⁴Se проводилось в Моданской подземной лаборатории (LSM, Франция) на глубине 4800 м водного эквивалента с использованием ультра-низкофонового детектора из сверхчистого германия (HPGe) Obelix с чувствительным объемом 600 см³ и относительной эффективностью ~160% [6], относительно кристалла NaI диаметром 3 дюйма и высотой 3 дюйма, с точечным источником, установленным на расстоянии 25 см от поверхности детектора для энергии гамма-квантов 1332 кэВ ⁶⁰Co [6]. Энергетическое разрешение детектора Obelix составляет ~1.2 кэВ на γ‑линии 122 кэВ (⁵⁷Co) и ~2 кэВ на γ-линии 1332 кэВ (⁶⁰Co). Детекторная часть криостата окружена пассивной защитой из нескольких слоев археологического свинца толщиной ~12 см (активность менее 60 мБк ⋅ кг⁻¹) и низкоактивного свинца (активность 5−20 Бк ⋅ кг⁻¹) общей толщиной ~20 см, и помещена внутри герметичного стального кожуха. Для предотвращения скопления газа радона (²²²Rn) около детектора, внутренняя часть пассивной защиты продувается воздухом с пониженным содержанием радона (концентрация ²²²Rn в этом воздухе составляет ~15 мБк ⋅ м⁻³) от установленной в LSM системы очистки воздуха от радона. Низкофоновые измерения основываются на сравнении измерений образца с фоном спектрометра. Фон спектрометра измеряется до и после основных измерений. Длительность измерений фона составляет, как правило, не менее 30 сут. Контрольные измерения фона спектрометра при исследованиях ⁷⁴Se составляли ~53 сут. Интегральная скорость счета фона спектрометра для измерений селена составила 73 отсчетов ⋅ кг⁻¹ · сут⁻¹ в энергетическом диапазоне 30−2900 кэВ. Измеряемый образец из природного порошкообразного селена с массой 1.6 кг, содержащий 0.89% (~14.24 г) ⁷⁴Se, был помещен в тефлоновую коробку диаметром 115 мм, высотой 80 мм и толщиной стенок 3 мм. Коробка с природным селеном была установлена на крышке криостата детектора Obelix. Измерения проводились в течении 135 сут.

АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Поиск двойного бета-распада (безнейтринного и двухнейтринного) ядра ⁷⁴Se проводился ранее в работах [7, 8]. Схема этого процесса (рис. 1) составлена на основе данных, приведенных в [8]. Искомый β⁺EC распад ⁷⁴Se должен сопровождаться испусканием позитрона, который затем, после аннигиляции с электроном, образует два коррелированных гамма-кванта с энергиями по 511 кэВ. При 0νEC/EC распаде ⁷⁴Se возможны следующие варианты переходов: а) захват двух электронов с L-оболочки атома, при этом энергия распада равна ~1206.4 кэВ; б) захват одного электрона с K-оболочки, а другого с L-оболочки атома, в этом случае энергия распада ~1196.7 кэВ; в) захват двух электронов с K-оболочки атома, при этом энергия распада ~1187.0 кэВ. Перечисленные ветви 0νECEC распадов на основное состояние должны сопровождаться испусканием гамма-квантов соответствующих энергий. 0νLL распад на второе 2⁺ состояние ядра ⁷⁴Ge будет сопровождаться испусканием гамма-квантов с энергиями 1204.2 или 595.9 + 608.3 кэВ. 0νLL распад на первое 2⁺ состояние ⁷⁴Ge 595.9 кэВ должен сопровождаться испусканием гамма-кванта ~610.6 кэВ и гамма-кванта 595.9 кэВ. Учитывая, наличие в экспериментальном спектре фоновой линии 609.3 кэВ (²¹⁴Bi), анализ этой ветви распада проводился только по гамма-квантам 595.9 кэВ. 0νKL распад на первое 2⁺ состояние ядра ⁷⁴Ge 595.9 кэВ должен сопровождаться испусканием гамма-кванта ~600.9 кэВ и гамма-кванта 595.9 кэВ. Распад 0νKK на первое 2⁺ состояние ядра ⁷⁴Ge 595.9 кэВ должен сопровождаться испусканием гамма-кванта ~591.2 кэВ и гамма-кванта 595.9 кэВ. Учитывая вышеизложенное, объектами наблюдения и анализа в исследованиях двойного бета распада ядра ⁷⁴Se были γ-кванты с энергиями 511, 591.2, 595.9, 600.9, 1187.0, 1196.7, 1204.2 и 1206.4 кэВ, поиск которых проводился в спектре натурального селена (рис. 2), накопленного в течении 135 сут на спектрометре Obelix. Возможный EC/EC (KK, KL, LL) распад ядра ⁷⁴Se должен сопровождаться испусканием одного или двух гамма-квантов с вышеприведенными энергиями (рис. 1). Все эти γ‑кванты могут быть с высокой эффективностью зарегистрированы детектором Obelix. Обработка экспериментальных данных, накопленных за 135 сут измерений, основана на поиске возможных пиков в вышеперечисленных областях спектра селена (рис. 2). Фитирование таких областей с максимальным энерговыделением (1187, 1196.7, 1204.2 и 1206.4 кэВ) при поиске 0νEC/EC распада ⁷⁴Se показано на рис. 3. Экспериментальные точки спектра на рис. 3 приведены с погрешностями. Фитирование участков спектра проводилось в предположении линейного фона (т.е. прямой линии на участке спектра). Отклонение фона от прямой линии на рис. 3в предположительно связано с возбуждением уровня 1204.2 кэВ ядра ⁷⁴Ge, содержащегося в самом детекторе в количестве ~36.7%. А отклонение от прямой линии на рис. 3б вызвано флуктуацией фона в этой области спектра. Эффективность детектора Obelix для регистрации γ-квантов, вылетающих из образца природного селена, рассчитывалась с помощью симуляций проведенных на основе пакета ROOT-VMC-GEANT4 DPGE в диапазоне 0.05–5 МэВ. После чего расчетная эффективность проверялась с помощью измерений низкоактивных образцов, изготовленных на основе порошка окиси лантана (La₂O₃). Природный La в этом порошке содержит 0.0888 ± ± 0.0007% изотопа ¹³⁸La с периодом полураспада ${{T}_{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}$ = $(1.02 \pm 0.01) \cdot {{10}^{{11}}}$ лет, распад которого сопровождается испусканием γ-квантов с энергиями 788.7 и 1435.8 кэВ. Этот метод калибровки детектора по эффективности при низкофоновых измерениях детально описан в работе [4]. Обработка данных, полученных при измерении природного селена на спектрометре Obelix в течение 135 сут, показала отсутствие искомых пиков в областях энергий γ-квантов, сопровождающих двойной бета распад ядра ⁷⁴Se (рис. 3). Для определения пределов на изучаемые ветви распада ⁷⁴Se было определено количество исключенных событий $\left( {{{N}_{{excl}}}} \right)$ на 90% уровне достоверности для всех возможных гамма переходов в распаде ⁷⁴Se → ⁷⁴Ge (аналогично подобной процедуре в работе [5]). Эти величины составляют соответственно – 11 (591.2 кэВ), 31 (595.9 кэВ), 11 (600.9 кэВ), 9 (1187.0 кэВ), 13 (1196.7 кэВ), 18 (1204.2 кэВ), 7 (1206.4 кэВ) – см. табл. 1. Пределы на исследуемые ветви двойного бета распада ⁷⁴Se, в некоторых случаях, определялись по совместному анализу двух γ-переходов. В этих случаях, энергии гамма-переходов (${{E}_{{\gamma }}},$ кэВ) объединяет знак “+” (см. табл. 1). На основе этих данных получены новые экспериментальные ограничения на периоды полураспада β⁺EC,EC/EC распада ⁷⁴Se на основное и на возбужденные $2_{1}^{ + },$ 596 кэВ и $2_{2}^{ + },$ 1204 кэВ состояния ⁷⁴Ge. В табл. 1 также указаны возможные переходы двойного бета-распада ⁷⁴Se на возбужденные состояния (значения их энергий приведены в кэВ) или на основное состояние (g. s.) ⁷⁴Ge (Переход), энергии гамма-переходов (${{E}_{{\gamma }}},$ кэВ) и эффективность регистрации (Эфф. %) гамма-квантов, испущенных при таких гамма-переходах вместе с количеством исключенных событий для данной энергии перехода $\left( {{{N}_{{excl}}}} \right).$ Для сравнения полученных результатов с существующими данными приведены также предыдущие экспериментальные ограничения на соответствующие ветви двойного бета-распада ⁷⁴Se, полученные в работах [7, 8]. Все пределы в табл. 1 приведены на 90% уровне достоверности.

Рис. 1.

Схема двойного бета-распада ядра ⁷⁴Se: 1 – энергия распада ⁷⁴Se–⁷⁴Ge (разность атомных масс) Q = 1209.2 кэВ, 2 – KK, KL, LL-захваты, и β⁺EC распад на основное 0⁺ состояние ядра ⁷⁴Ge, 3 – KK, KL, LL- захваты, и β⁺EC распад на $2_{1}^{ + },$ 595.9 кэВ состояние ядра ⁷⁴Ge, 4 – LL-захват на $2_{2}^{ + },$ 1204.2 кэВ состояние ядра ⁷⁴Ge, 5 – γ-переход с энергией 1204.2 кэВ и относительной интенсивностью 31.5%, 6 – γ-переход с энергией 608.2 кэВ и относительной интенсивностью 68.5%, 7 – γ-переход с энергией 595.9 кэВ.

Рис. 2.

Спектр природного селена, накопленный на спектрометре Obelix в течении 135 сут.

Рис. 3.

Участки спектра природного селена для поиска возможных пиков с энергиями 1187.0 (а), 1196.7 (б), 1204.2 (в) и 1206.4 кэВ (г) при двойном бета-распаде ⁷⁴Se. Сплошными линиями на участках спектра показаны результаты фитирования фона в этих областях. Обсуждение нелинейностей фона на рис. 3в и 3б приведено в тексте статьи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведен поиск двойного бета-распада ⁷⁴Se на спектрометре Obelix, позволивший уточнить экспериментальные ограничения на различные ветви β⁺EC, EC/EC распадов ⁷⁴Se на основное и на возбужденные состояния ⁷⁴Ge Измерения образца природного селена на спектрометре Obelix в Моданской подземной лаборатории будет продолжено с увеличенной массой исследуемого изотопа и улучшенной геометрией измерения, обеспечивающей повышение эффективности регистрации гамма-квантов. Это должно обеспечить дальнейшее улучшение приведенных в табл. 1 экспериментальных пределов на двойной бета распад ⁷⁴Se.

По завершению измерений ⁷⁴Se планируется провести исследования двойного бета распада ⁹⁶Zr и ¹⁵⁰Nd на возбужденные состояния дочерних ядер. Эти исследования будут, как и исследование распада ⁷⁴Se, проводиться в Моданской подземной лаборатории с использованием детекторов Obelix и Idefix (коаксиальный HPGe детектор P-типа в ультра низкофоновом криостате U-типа с чувствительным объемом и основными характеристиками аналогичными детектору Obelix). Idefix, как и Obelix, изготовлен фирмой Канберра и установлен в Моданской подземной лаборатории.

Авторы благодарят персонал LSM за техническую поддержку и помощь в проведении измерений. Настоящая работа выполнена в рамках соглашения LEA-JOULE и договора о сотрудничестве между IN2P3 (Франция) и JINR (ОИЯИ, Россия) № 15-93 и частично поддержана грантами Республики Чехия LM2015072, ERDF cz.02.1.01/0.0/0.0/16 013/0001733 и РФФИ (проект № 20-52-16201).