ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 6, с. 788-791
УДК 539.165
НОВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ 0vEC/EC- и 2vEC/EC-РАСПАДА 106Cd
© 2009 г. Н. И. Рухадзе1, А. М. Бакаляров14, Ш. Бриансон2, В. Б. Бруданин1, Ц. Вылов1, В. Г. Егоров1, С. В. Жуков1,4, Д. Р. Зинатулина1, А. А. Клименко1, А. Ковалик1, В. И. Лебедев1,4, В. В. Тимкин1,
П. Чермак3, И. Штекл3, Ю. А. Шитов1
E-mail: rukhadze@nusun.jinr.ru
Работы по улучшению фоновых характеристик 32-детекторного спектрометра TGV-2 привели к конструктивным изменениям криостата и повышению чувствительности спектрометра. Начаты новые исследования двойного электронного захвата (OvEC/EC, 2vEC/EC) в распаде 106Cd. Проведена предварительная обработка экспериментальных данных, накопленных при измерении ~ 13.6 г 106Cd (обогащение 75%) в течение 4800 ч. Получены ограничения (на 90%-ном уровне достоверности) на резонансный 0vEC/EC-распад 106Cd на возбужденное состояние 2741 кэВ дочернего ядра 106Pd — Г1/2 > 6.5 • 1019 г, и на 2 vEC/EC-распад на основное состояние 106Pd (0+ ^ 0+, g.s.) — T1/2 > 1.7 • 1020 г. Улучшены ограничения на другие ветви распада 106Cd: 2vEC/EC -распад на возбужденные состояния 2+, 512 кэВ и 0+ , 1334 кэВ 106Pd и 2vP+P+- и 2vP+EC-распады 106Cd на основное и возбужденные состояния 106Pd.
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа является продолжением исследований редких процессов двойного р-распада (Р-Р-, р+р+, P+EC, EC/EC), проводимых на многодетекторных низкофоновых спектрометрах TGV [1] и TGV-2 (телескоп германиевый вертикальный) [2, 3]. Двойной p-распад имеет большое значение для физики частиц и ядерной физики как чувствительный инструмент для проверки закона сохранения лептонного заряда и изучения свойств нейтрино и ядерной структуры [4]. Основное внимание в исследованиях обычно уделяют р-р--распаду (2vp-p-, 0vp-p-). Это связано с тем обстоятельством, что другие виды двойного p-распада (Р+Р+, p+EC, EC/EC) имеют относительно меньшую вероятность, чем р-р--распад. Однако при изучении безнейтринных мод указанных процессов может быть получена такая же информация, как и при изучении Ovp^p^-распада. В отличие от р-р--рас-пада, где двухнейтринная мода процесса экспериментально исследовалась в распаде нескольких изотопов, EC/EC-захват в прямых экспериментах еще не наблюдался (ни двухнейтринная, ни безнейтринная моды), поэтому основной целью наших предыдущих исследований [2, 3] был поиск двухнейтринного двойного электронного захвата в распаде 106Cd (QEC/EC = 2770 ± 7.2 кэВ) (рис. 1) с переходом на основное состояние дочернего ядра 106Pd (0+ ^ 0+, g.s.). Этот процесс характеризуется
1 Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия.
2 Центр ядерной спектрометрии и масс-спектрометрии, Ор-сэ, Франция.
3 Институт экспериментальной и прикладной физики ЧТУ, Прага, Чехия.
4РНЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия.
испусканием только двух квантов характеристического КХизлучения палладия (Рё) с энергией ~21 кэВ. Нами было получено ограничение Т1/2 > > 3.0 • 1020 г. для 2 VЕС/ЕС-распада 106Сё [3], которое позволило более чем на два порядка улучшить предыдущие экспериментальные оценки [5, 6]. Чувствительность наших измерений [3] оказалась на расчетном уровне — выше нижней границы теоретических предсказаний для этого редкого процесса [7—9]. Однако сам процесс зарегистрировать так и не удалось. Для повышения чувствительности измерений необходимо было снизить фон спектрометра ТОУ-2 и увеличить массу измеряемого вещества. После проведения работ по снижению фона (подробнее см. ниже) было решено продолжить поиск 2vEC/EC-захвата в распаде 106Сё и дополнительно исследовать возможность существования резонансного перехода в 0vEC/EC-рас-паде 106Сё на высоколежащее возбужденное состояние 2741 кэВ 106Рё. В обычном случае, для переходов на основное состояние дочернего ядра, безнейтринный двойной электронный захват сильно подавлен (на ~104 относительно 0vp+EC [10]). Действительно, для выполнения закона сохранения энергии в этих распадах требуется испускание дополнительной частицы (или частиц) уносящей избыток энергии. Это могут быть, например, один или два у-кванта, или электрон-позитронная пара е+е-. Однако для некоторых изотопов (1128п, 136Се, 162Ег, 106Сё) ожидается существование резонансного усиления вероятности безнейтринных переходов в двойном электронном захвате (см., например, [11-13]). В распаде этих изотопов возможны безнейтринные переходы на высоколежащие возбужденные состояния дочернего ядра с минимальным (практически нулевым) энерговыделением 0:
НОВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ 0vEC/EC- И 2vEC/EC- РАСПАДА 106Cd
789
6+ 8.28 d 89.7
Рис. 1. Схема распада 106С(±
О = ДМ - Е* — Ек — Е£, где ДМ — разность масс начального и конечного ядра, Е* — энергия возбужденного состояния дочернего ядра, Ек, Еь — энергия связи электрона на оболочке. При этом исчезает необходимость в дополнительной частице (у-кванте) и вероятность перехода резонансно возрастает. Максимальное значение резонансного усиления (до 105—106 раз) достигается в случае, если при безнейтринном переходе в двойном электронном захвате энерговыделение О < 1 кэВ. Период полураспада в этом случае ожидается на том же
уровне, что и для 0vp-p--распада--1025—1026 г.
Для изучения резонансного перехода в 0vEC/EC-распаде 106Сё (рис. 1) необходимо анализировать совпадения КХРё-у2741 и КХРё-у2229-у512. Для решения этой задачи энергетический диапазон спектрометра был увеличен до ~3 МэВ.
1. СНИЖЕНИЕ ФОНА СПЕКТРОМЕТРА ТОУ-2
Для повышения чувствительности 32-детектор-ного спектрометра ТОУ-2 к регистрации редких событий были проведены работы по снижению фона. Анализ фона спектрометра показал зависимость фона отдельных детекторов от местоположения детектора в "сборке" (верхняя гистограмма на
рис. 2). Для выявления источника дополнительного фона и его локализации были проведены длительные измерения фона в различных условиях: без образцов, с образцами из натурального кадмия, с различными конфигурациями пассивной защиты спектрометра и расположения НРОе-детекторов в "сборке". В результате этих измерений было обнаружено локальное загрязнение крышки криостата радиоактивными изотопами ториевого ряда. Оказалось, что крышка низкофонового криостата (алюминиевый стакан толщиной ~1.5 мм и длиной > 40 см) [14], была изготовлена фирмой-производителем из двух частей, соединенных между собой сварным швом, и источником загрязнения был этот шов. Часть крышки криостата со сварным швом пришлось удалить. Для соединения оставшихся частей крышки было изготовлено специальное соединительное кольцо из низкофонового сплава чистого алюминия с кремнием (АМ 1%). Измерение фона спектрометра с "модернизированной" крышкой криостата показало отсутствие локального загрязнения крышки (нижняя гистограмма на рис. 2) и уменьшение уровня фона в несколько раз (рис. 3). На верхней гистограмме рис. 3 — фон спектрометра в эксперименте [3], на нижней гистограмме — фон спектрометра в настоящем эксперименте.
790
РУХАДЗЕ и др.
Число событий/103 ч 500 400 300 200 100 0
10
15
20
25 30 Детектор
Рис. 2. Распределение фоновых событий с энергией 238.6 кэВ (ряд ТИ) по детекторам до (верхняя гистограмма) и после (нижняя гистограмма) модернизации крышки криостата.
Число отсчетов/ч/0.1 кэВ
10-
10-
0 200 400 600
Энергия, эВ
Рис. 3. Фон спектрометра ТОУ-2, измеренный до (верхняя гистограмма) и после (нижняя гистограмма) модернизации крышки криостата.
Число отсчетов/0.1 кэВ
102
10 -
100 300 500 700
Энергия, эВ
Рис. 4. Энергетические спектры, полученные при измерении образцов 106С(! с обогащением 75% в течение 3600 ч. Верхний спектр — одиночные события, средний — двойные события, нижний спектр — двойные события с "окном" на КаР(! (19—22 кэВ) в одном из детекторов. В правом верхнем углу — часть нижнего спектра в области интересующих нас энергий.
2. УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Изучение двойного электронного захвата ^ЕС/ЕС, 2vEC/EC) в распаде 106Сё проводится на низкофоновом 32-детекторном спектрометре ТОУ-2 [14, 15] в Моданской подземной лаборатории (4800 м водного эквивалента). Измерения начаты в декабре 2007 г. и продолжаются по настоящее время. Измеряемые образцы изготовлены из металлического 106Сё с обогащением 75% и имеют толщину ~50 мкм и диаметр 52 мм каждый. Общая масса 16 образцов, установленных между входными окнами соседних детекторов в криостате спектрометра, составляет ~13.6 г. Основные характеристики спектрометра те же, что и в предыдущем измерении [3]: чувствительный объем каждого из 32-х планарных НРОе-детекторов составляет 2040 мм2 х 6 мм, энергетическое разрешение детекторов — от ~3.0 до ~4.0 кэВ на линии 1332 кэВ (60Со), расстояние от источников до детекторов <1.5 мм, общая эффективность спектрометра ~50— 70% (в зависимости от порога). В спектрометре ТОУ-2 используются 64 спектрометрических тракта (по два на каждый детектор). Один из двух трактов детектора имеет постоянную формирования 2 мкс, другой — 8 мкс. Это позволяет дополнительно подавлять электронные и микрофонные шумы в низкоэнергетической области спектра [14, 15]. В отличие от предыдущего эксперимента [3], где энергетические диапазоны в обоих спектрометрических каналах каждого детектора были одинаковы (~800 кэВ), в настоящих исследованиях энергетический диапазон второго канала (8 мкс) увеличен примерно в 4 раза: до ~3 МэВ. Энергетический диапазон первого канала остался прежним (~800 кэВ). Это связано с необходимостью регистрации высокоэнергетических у-квантов (2741 кэВ) при сохранении высокой чувствительности в низкоэнергетической области (КХРё).
3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Проведена предварительная сортировка и обработка данных, накопленных при измерении ~13.6 г 106Сё (обогащение 75%) в течении 4800 ч на 32-де-текторном низкофоновом спектрометре ТОУ-2. Энергетические спектры, полученные в этих измерениях (суммарные по детекторам) приведены на рис. 4. В верхней части рисунка показан энергетический спектр одиночных событий, зарегистрированных детекторами. В центральной части рисунка — энергетический спектр двойных совпадений, полученный при срабатывании пары двух соседних детекторах (включены сп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.