ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 9, с. 791-796
ЯДРА
о о .. лл
новый поиск двойного электронного захвата
НА СПЕКТРОМЕТРЕ TGV-2
© 2015 г. Ш.Бриансон1), В. Б. Бруданин2), В. Г. Егоров2), Ж. М. Жозе3),
А. А. Клименко2), А. Ковалик2), С. В. Розов2), Е. Н. Рухадзе3), Н. И. Рухадзе2)*, А. В. Саламатин2), В. В. Тимкин2), Л. Файт3), Р. Ходак3), Ф. Шимковиц2), Ю. А. Шитов2), М. Шпаворова3), И. Штекл3), Е. А. Якушев2)
Поступила в редакцию 19.01.2015 г.; после доработки 03.04.2015 г.
Новый эксперимент по поиску двойного электронного захвата в распаде 106Сё проводится в Мо-данской подземной лаборатории (4800 м в.э.) на 32-детекторном спектрометре ТОУ-2. Из предварительной обработки данных, полученных за 2250 ч измерений ^23.2 г 106Сё с обогащением 99.57%, найдено ограничение Т1/2(2^ЕС/ЕС) > 2.0 х 1020 лет на 90%-ном уровне достоверности. Из измерений ^23.2 г обогащенного 106Сё на низкофоновом ИРОе-спектрометре "ОЬеНх" в течение 395 ч получены ограничения на резонансный безнейтринный распад 106Сё — Т\/2(КЦ 2741 кэВ) > > 0.9 х 1020 лети Т1/2(КК, 2718 кэВ) ^ 1.4 х 1020 лет на 90%-ном уровне достоверности.
DOI: 10.7868/80044002715090056
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследование процессов двойного бета-распада (в-в-, 3+3+, в+EC, EC/EC) имеет большое значение в физике частиц и ядерной физике как чувствительный инструмент для изучения свойств нейтрино и слабого взаимодействия. Двойной безнейтринный бета-распад экспериментально не зарегистрирован. Продекларированное несколькими участниками Коллаборации Гейдельберг— Москва наблюдение 0v3-3--распада 76Ge [1] не было принято научным сообществом и опровергнуто другими участниками самой коллабо-рации [2]. Двухнейтринный 2v3-3--распад был зарегистрирован в ряде экспериментов для 11 ядер: 48Ca, 76Ge, 82 Se, 96Zr, 100Mo, 116Cd, 128Te, 130Te, 136Xe, 150Nd, 238U [з]. В последнее время значительно возрос интерес к другим видам двойного бета-распада, в частности к EC/EC-захвату. Было получено два положительных результата в исследовании 2vEC/EC-захвата — для 130Ba из геохимических экспериментов [4] и указание на наблюдение процесса в распаде 78 Kr [5]. Одним
'-'Центр ядерной спектрометрии и масс-спектрометрии, Орсэ, Франция.
2)Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия.
3)Институт экспериментальной и прикладной физики ЧТУ, Прага, Чехия.
E-mail: rukhadze@jinr.ru
из лидеров в исследованиях процесса ЕС/ЕС-захвата является Коллаборация ТОУ-2 [6—8].
В эксперименте ТОУ-2 исследуется распад 106Сё (^ЕС/ЕС = 2775.39 ± 0.10 кэВ), который является одним из наиболее перспективных кандидатов на обнаружение двойного двухнейтринного электронного захвата. Согласно теоретическим оценкам период полураспада этого процесса находится в диапазоне 1 х 1020 — 5 х 1021 лет [9]. Лучшие экспериментальные оценки для 2иЕС/ЕС-захвата 106Сё, Т1/2 ^ 4.2 х 1020 лет, были получены в эксперименте ТОУ-2 [7, 8] и находятся в диапазоне теоретических предсказаний. В результате обработки данных предыдущей фазы эксперимента [7, 8], проведенного на спектрометре ТОУ-2 (телескоп германиевый вертикальный) с ~ 13.6 г 106Сё с обогащением 75%, было получено небольшое превышение числа двойных совпадений в области энергий ^21 кэВ. Это превышение может быть результатом регистрации в эксперименте ТОУ-2 двойных КХ(Рё)—КХ(Рё)-событий, испускаемых в результате 2^ЕС/ЕС-захвата 106Сё (рис. 1). Однако малая статистика не позволила сделать какие-либо выводы о существовании искомого процесса. Поэтому было решено провести новое измерение 106 Сё с большей массой исследуемого изотопа.
Изотоп 106Сё является одним из основных кандидатов [10] на возможное существование резонансного безнейтринного двойного электронного
791
3*
792
БРИАНСОН и др.
захвата (0vEC/EC) с переходом на одно из возбужденных состояний в 106Pd (KL, 2741 кэВ, или KK, 2718 кэВ, или KL, 2737 кэВ; ...) [7, 8]. Для конкретизации возможного резонансного перехода необходимо снять имеющиеся неопределенности и неточности в схеме уровней 106 Pd [11], что детально обсуждалось в [12].
2. УСТРОЙСТВО СПЕКТРОМЕТРА TGV-2
Эксперимент TGV-2 по поиску двойного электронного захвата 106Cd проводится на низкофоновом спектрометре TGV-2 в Моданской подземной лаборатории (LSM, Франция) на глубине 4800 м в. э. Основу детекторной части спектрометра составляют 32 планарных детектора из особо чистого германия (HPGe) с чувствительным объемом 20.4 см2 х 0.6 см каждый [13]. Общий чувствительный объем детекторов составляет —400 см3. Детекторы располагаются попарно друг над другом в общем криостате. Измеряемые образцы, изготовленные путем проката и представляющие из себя тонкие металлические фольги диаметром 52 мм и толщиной ~70(10) мкм, расположены между входными окнами каждой пары детекторов. Расстояние между измеряемыми образцами и детекторами ^1.5 мм. Общая масса 16 измеряемых образцов составляет —23.2 г 106 Cd с обогащением 99.57% (-1.3 х 1023 атомов 106Cd). Энергетическое разрешение детекторов составляет от 3.0 до 4.0 кэВ на 7-линии 1332 кэВ (60Co). Детекторная часть спектрометра TGV-2 окружена пассивной защитой из меди (>20 см), стальным герметичным колпаком, предохраняющим от скопления радона около детекторов, пассивной защитой из свинца (>10 см) и нейтронной защитой из борированного полиэтилена (16 см). Энергетическая калибровка спектрометра проводится с использованием радиоактивных источников 228Th и 241 Am, помещенных в специальные капсулы. Источники подводятся к детекторной части спектрометра через тефлоновую трубку, проложенную сквозь пассивную защиту спектрометра. Использование Моданской подземной лаборатории обеспечивает подавление фона от космического излучения в —2 х 106 раз, а потока быстрых нейтронов в —103 раз. Для дополнительного подавления электронных и микрофонных шумов в области низких энергий (^50 кэВ) применяется оригинальная методика отбора "полезных" событий [13]. Для реализации этой методики в спектрометре TGV-2 используются по два спектрометрических усилителя для каждого детектора (всего 64) с разными постоянными формирования 2 и 8 мкс.
3. ИЗМЕРЕНИЕ 106Cd
Новая фаза исследования 106Cd на спектрометре TGV-2 была начата в конце февраля 2014 г. с —23.2 г 106Cd с обогащением 99.57%. Перед началом основных измерений готовые образцы были измерены в Моданской подземной лаборатории на низкофоновом HPGe-спектрометре "Obelix" [12]. Целью измерений являлось определение возможных радиоактивных загрязнений 16 образцов обогащенного 106Cd. При обработке данных этих измерений был также проведен анализ событий, соответствующих возможным резонансным переходам в 0vEC/EC-распаде 106Cd. Этот процесс может происходить путем KL-захвата на возбужденное состояние 2741 кэВ 106Pd и KK-захвата на возбужденное состояние 2718 кэВ 106Pd (рис. 1). При этом уровень 2741 кэВ будет разряжаться с испусканием 7-квантов с энергией 2741 кэВ или каскада 7-квантов 2229 и 512 кэВ. А уровень 2718 кэВ 106Pd будет разряжаться с испусканием каскада 7-квантов 1160, 1046 и 512 кэВ (рис. 1). В результате обработки данных, накопленных в течение 395 ч измерений (рис. 2) на детекторе "Obelix", получены ограничения (на 90%-ном уровне достоверности) на резонансные безнейтринные переходы в двойном электронном захвате (0vEC/EC) 106Cd - T1/2(KL, 2741 кэВ) > 0.9 х х 1020 лет и T1/2(KK, 2718 кэВ) > 1.4 х 1020 лет.
Обработка данных основного измерения 106 Cd на спектрометре TGV-2 проводилась путем сортировки данных с помощью пакетов программ PAW и ROOT. Для анализа фона спектрометра были получены спектры: 1) одиночных событий; 2) двойных событий, зарегистрированных соседними детекторами; 3) двойных событий с отбором по энергетическому "окну", установленному на KaPd (19-22 кэВ) в одном из сработавших детекторов пары. Спектры, полученные за 2250 ч измерений, приведены на рис. 3. Выбор "узкого" энергетического "окна" при сортировке (отбрасываются события, соответствующие участку KpPd) обусловлен необходимостью подавления фона от KaCd (—23 кэВ). Возбуждение KX-излучения Cd происходит в измеряемых образцах при взаимодействии с 106 Cd ионизирующего излучения от естественного радиоактивного фона и радиоактивных примесей, содержащихся в образцах, детекторах и конструкционных деталях детекторной части криостата. Поиск 2vEC/EC-захвата 106Cd проводится по анализу KXPd-KXPd-совпадений, зарегистрированных в соседних детекторах, обращенных входными окнами друг к другу. Это связано с тем, что 2vEC/EC-распад 106Cd на основное 0+ -состояние 106Pd сопровождается испусканием только двух
Рис. 1. Схема EC/EC-распада 106Cd. Энергии распада и 7-переходов приведены в кэВ.
0тсчеты/сут/0.368 кэВ 4Г
- 214РЬ
3 2 1 0 0.6
0.4
0.2
2РЬ
6Яа
214РЬ
И 214Б1
1 . 228Ас
¡Ик.!^
'С8
0К
4Б1
228АУ652П
4Б1
...........
208^1
..¿..^ .—1,1...>
500
1000
1500
2000
208^1
1
2500
3000
0
2000
2200
2400
2600
2800
3000 Е, кэВ
Рис. 2. а — Энергетический спектр, полученный при измерении на спектрометре "Obelix" ~23.2 г 106 Cd с обогащением 99.57% в течение 395 ч, б — участок этого спектра в области интересующих нас энергий. Стрелками 1, 2 на рис. б показаны области спектра, в которых проводился поиск 7-квантов, испускаемых при разрядке уровней 106 Pd, возбуждаемых при возможном резонансном безнейтринном ^ (2718 кэВ) и ^ (2741 кэВ) захвате 106Cd. Цифрой 3 на рис. а отмечена энергия 7-кванта 511 кэВ.
а
БРИАНСОН и др. Количество отсчетов/0.1 кэВ 102
101
100
100
200 300
400
500
600
700 Е, кэВ
Рис. 3. Энергетические спектры одиночных (/), двойных (2) и двойных событий с энергетическим "окном", установленным на КаРё (19—22 кэВ) в одном из сработавших детекторов (3), накопленные за 2250 ч измерений.
Количество отсчетов/0.1 кэВ 2
0 5 10 15 20 25 30
Рис.4. Участок спектра двойных событий от соседних детекторов в зоне интереса, накопленных за 2250 ч измерений.
35
Е, кэВ
квантов характеристического КХ-излучения палладия. Анализ таких событий проводится двумя методами: "традиционная" обработка одномерного спектра двойных событий (рис. 4) и обработка двухмерной матрицы спектра совпадений (рис. 5). Из рис. 4 и 5 видно, что в интересующей н
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.