Германиевый детекторный массив
Эксперимент по двойному бета-распаду без нейтрино

Эксперимент Germanium Detector Array (или GERDA ) искал безнейтринный двойной бета-распад (0νββ) в Ge-76 в подземной Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Ожидается, что безнейтринный бета-распад будет очень редким процессом, если он произойдет. Сотрудничество предсказало менее одного события в год на килограмм материала, проявляющегося в виде узкого пика вокруг значения Q 0νββ (Q ββ = 2039 кэВ) в наблюдаемом энергетическом спектре. Это означало, что для обнаружения любых редких распадов требовалось фоновое экранирование . Объект LNGS имеет 1400 метров скальной породы , что эквивалентно 3000 метрам водной защиты, что снижает фон космического излучения . Эксперимент GERDA проводился с 2011 года в LNGS. [1]

После завершения эксперимента GERDA, коллаборация GERDA объединилась с коллаборацией MAJORANA для создания нового эксперимента LEGEND.

GERDA сообщила о своих окончательных результатах в декабре 2020 года в Physical Review Letters . Эксперимент достиг всех поставленных целей, но никаких событий 0νββ обнаружено не было. [1]

Опыт GERDA привел к ожиданию, что дальнейшее снижение фона было в пределах досягаемости, так что стал возможным эксперимент без фона с еще большей интенсивностью источника, соответственно экспозиции. Сотрудничество LEGEND, продолжающее работу GERDA, было направлено на повышение чувствительности к периоду полураспада 0νββ до . На первом этапе планировалось разместить массу 200 кг детекторов обогащенного германия в слегка модифицированной инфраструктуре GERDA с началом сбора данных, запланированным на 2021 год. [1] 10 28 y r {\displaystyle 10^{28}yr}

Дизайн

В эксперименте использовались высокочистые обогащенные кристаллические диоды Ge ( HPGe ) в качестве источника бета-распада и детектора частиц . Детекторы из экспериментов HdM ( Гейдельберг-Москва [2] ) и IGEX [2] были переработаны и использованы в фазе 1. Детекторная матрица была подвешена в криостате с жидким аргоном , облицованном медью и окруженном баком со сверхчистой водой. ФЭУ в баке с водой и пластиковые сцинтилляторы выше обнаруживали и исключали фоновые мюоны . Дискриминация по форме импульса (PSD) применялась в качестве среза для различения типов частиц.

GERDA пошла по стопам других экспериментов 0νββ с использованием германия; уже более 50 лет назад (то есть около 1970 года) группа из Милана использовала германиевый детектор весом 0,1 кг в первом поиске распада 0νββ с помощью германиевого детектора. С тех пор чувствительность увеличилась в миллион раз. [1]

Фаза 2 увеличила активную массу до 38 кг с использованием 30 новых детекторов германия с широкой энергией (BEGe). Снижение величины фона было запланировано до 10−3 отсчетов /(кэВ·кг·год) с использованием более чистых материалов. Это увеличило чувствительность полураспада до 1026 лет после сбора данных в объеме 100 кг·год и позволило оценить возможное расширение в масштабе тонны.

Результаты

Фаза I собирала данные с ноября 2011 по май 2013 года с экспозицией 21,6 кг·год. Распадов без нейтрино не наблюдалось, что дало предел периода полураспада 0νββ 90% CL . Этот предел можно было объединить с предыдущими результатами, увеличив его до 3·10 25 лет, что не в пользу заявления об обнаружении Гейдельберга-Москвы. Также сообщалось об ограничении эффективной массы нейтрино: m ν < 400 мэВ. T 0 ν β β > 2.1 ⋅ 10 25 y r {\displaystyle T_{0\nu \beta \beta }>2.1\cdot 10^{25}yr}

Также был измерен период полураспада двойного бета-распада (с двумя нейтрино): T 2νββ = 1,84·10 21 года.

На втором этапе использовались дополнительные детекторы на основе обогащенного Ge и сниженный фоновый уровень, что повысило чувствительность примерно на порядок.

Фаза II (7 строк, 35,8 кг обогащенных детекторов) была начата в декабре 2015 г. [3] : 10 

Предварительные результаты Фазы II были опубликованы в Nature. [4] Фоновый индекс для детекторов BEGe составил 0,7·10−3 отсчетов /(кэВ·кг·год), что соответствует менее чем одному отсчету в области сигнала после воздействия 100 кг·год. Снова не наблюдалось никаких распадов без нейтрино, что доводит нынешний предел периода полураспада до T 1/2  >  5,3·10 25 лет (90% CL).

По состоянию на 2018 год сбор данных в рамках Фазы II продолжался.

В декабре 2020 года были опубликованы окончательные результаты GERDA. 0νββ не был обнаружен, и эксперимент сообщил о нижнем пределе для периода полураспада 0νββ в Ge-76, равном . Окончательный нижний предел, сообщенный в отчете, совпал с ожидаемым значением чувствительности эксперимента и был самым строгим значением для распада любого изотопа 0νββ, когда-либо измеренного. Кроме того, фоновая частота событий GERDA была на самом передовом уровне в этой области. На своем заключительном этапе GERDA развернула 41 германиевый детектор общей массой 44,2 кг с очень высоким процентом обогащения германия-76. [1] T 0 ν β β > 1.8 ⋅ 10 26 y r {\displaystyle T_{0\nu \beta \beta }>1.8\cdot 10^{26}yr}

Ссылки

  1. ^ abcde «Еще одна веха в поисках безнейтринного двойного бета-распада – Окончательные результаты GERDA » APPEC».
  2. ^ ab Agostini, M.; et al. (2021). «Калибровка эксперимента Gerda». The European Physical Journal C. 81 ( 8): 682. Bibcode :2021EPJC...81..682A. doi :10.1140/epjc/s10052-021-09403-2. PMC 8550656 . PMID  34776783. 
  3. ^ Сотрудничество GERDA; M.Agostini; et al. (8 июля 2016 г.). Первые результаты фазы II GERDA (PDF) . XXVII Международная конференция по физике нейтрино и астрофизике (Neutrino 2016). Лондон.
  4. ^ Сотрудничество ГЕРДА; М.Агостини; и др. (05 апреля 2017 г.), «Бесфоновый поиск безнейтринного двойного β-распада 76 Ge с помощью GERDA», Nature , vol. 544, нет. 7648, стр. 47–52, arXiv : 1703.00570 , Bibcode : 2017Natur.544...47A, doi : 10.1038/nature21717, PMID  28382980, S2CID  4456764

Публикации

  • Сотрудничество GERDA, Agostini M.; et al. (19 сентября 2013 г.). "Результаты безнейтринного двойного β-распада 76Ge из фазы I эксперимента GERDA" (PDF) . Physical Review Letters . 111 (12): 122503. arXiv : 1307.4720 . Bibcode :2013PhRvL.111l2503A. doi :10.1103/PhysRevLett.111.122503. PMID  24093254.
  • Сотрудничество GERDA, Agostini M.; et al. (12 февраля 2013 г.). "Измерение периода полураспада двухнейтринного двойного бета-распада 76 Ge с помощью эксперимента GERDA". Journal of Physics G . 40 (3): 035110. arXiv : 1212.3210 . Bibcode :2013JPhG...40c5110T. doi :10.1088/0954-3899/40/3/035110. S2CID  119118050.
  • Сотрудничество GERDA, Акерманн К.-Х. и др. (март 2013 г.). "Эксперимент GERDA для поиска распада 0νββ в 76Ge". European Physical Journal C . 73 (3): 2330. arXiv : 1212.4067 . Bibcode :2013EPJC...73.2330A. doi : 10.1140/epjc/s10052-013-2330-0 .
  • Сотрудничество GERDA, Агостини М.; и др. (5 апреля 2017 г.). «Безфоновый поиск безнейтринного двойного β-распада 76 Ge с помощью GERDA». Природа . 544 (7648): 47–52. arXiv : 1703.00570 . Бибкод : 2017Natur.544...47A. дои : 10.1038/nature21717. PMID  28382980. S2CID  4456764.
  • Сотрудничество с ГЕРДА
  • Экспериментальная запись GERDA на INSPIRE-HEP
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Germanium_Detector_Array&oldid=1138986640"