Нейтрино Обсерватория Этторе Майорана

Международное сотрудничество ученых, ищущих безнейтринный двойной бета-распад

45°10′43″с.ш. 6°41′20″в.д. / 45.1785471°с.ш. 6.6890208°в.д. / 45.1785471; 6.6890208

Нейтринная обсерватория Этторе Майораны ( эксперимент NEMO ) — это международное сотрудничество учёных, ищущих безнейтринный двойной бета-распад (0νββ). Сотрудничество активно с 1989 года. Наблюдение за 0νββ будет указывать на то, что нейтрино являются частицами Майораны , и может быть использовано для измерения массы нейтрино. Она расположена в подземной лаборатории Модана (LSM) в туннеле Фрежюс-Роуд . Эксперимент имел (по состоянию на 2018 год) 3 детектора: NEMO-1, NEMO-2, NEMO-3 (и демонстрационный модуль детектора SuperNEMO), и планирует (по состоянию на 2018 год) построить новый детектор SuperNEMO. ^[1] Прототипы детекторов NEMO-1 и NEMO-2 использовались до 1997 года. Последний эксперимент NEMO-3 находился в стадии проектирования и строительства с 1994 года, собирал данные с января 2003 года по январь 2011 года, а окончательный анализ данных был опубликован в 2018 году. ^[2] Детекторы NEMO-2 и NEMO-3 произвели измерения для двойных нейтринных распадов и пределов для безнейтринного двойного бета-распада для ряда элементов, таких как молибден-100 и селен-82. Эти времена двойного бета-распада являются важным вкладом в понимание ядра и необходимы для исследований безнейтринного распада, которые ограничивают массу нейтрино.

Сотрудничество NEMO остается активным ^[3] и строит улучшенный детектор SuperNEMO. Планирование SuperNEMO и ввод в эксплуатацию демонстрационного модуля SuperNEMO продолжается с 2019 года. ^[2]

Эксперимент

Другие эксперименты 0νββ используют тот же материал для источника двойных бета-распадов и детектора. Это позволяет использовать большую массу исходного материала и тем самым максимизировать чувствительность эксперимента, но ограничивает его гибкость. NEMO использует другой подход, используя тонкие фольги исходного материала, окруженные отдельным следящим калориметром .

Это позволяет использовать любой исходный материал, который может быть сформирован в тонкую фольгу. Кроме того, поскольку его отслеживание более точное, он может надежно обнаружить, исходят ли два электрона из одного и того же места, тем самым уменьшая ложные обнаружения двойных бета-распадов.

Эксперимент имеет цилиндрическую форму с 20 секторами, которые содержат различные изотопы в виде тонких фольг с общей поверхностью около 20 м2 ^. Основными изотопами, используемыми для поиска безнейтринного двойного бета-распада, являются около 7 кг обогащенного молибдена-100 и около 1 кг селена-82 . Эксперимент также содержит меньшие количества фольг кадмия-116 , неодима-150 , циркония-96 и кальция-48 . Теллур и медная фольга используются для фоновых измерений.

Детектор слежения на каждой стороне фольги обнаруживает электроны и позитроны из двойного бета-распада. Они идентифицируются по их кривизне в магнитном поле, а энергия частиц измеряется в калориметре. В 0νββ сумма энергий электронов и позитронов будет ( значением Q ), высвобождаемым при двойном бета-распаде. Для стандартного двойного бета-распада нейтрино, которые нельзя наблюдать напрямую, уменьшают обнаруженную энергию.

Результаты

За 5 лет сбора данных не наблюдалось двойного безнейтринного бета-распада (0νββ), а для нескольких изотопов были установлены ограничения.

NEMO-2 сообщил о пределах 0νββ для моделей Майорона ¹⁰⁰ Mo, ¹¹⁶ Cd, ⁸² Se и ⁹⁶ Zr. ^[4]

NEMO-3 сообщил о точных периодах полураспада 2νββ для своих 7 изотопов и пределах 0νββ для ⁹⁶ Zr, ⁴⁸ Ca, ¹⁵⁰ Nd в Neutrino08. ^[5]

NEMO-3 сообщил о 2νββ и более 0νββ пределах в SUSY08. ^[6]

В 2014 году NEMO-3 сообщил о47 кг⋅г поиск 0νββ молибдена-100 дал T _1/2 >1,1 × 10 ²⁴ лет . Это можно перевести в верхний предел эффективной массы нейтрино: m _v <0,3–0,9 эВ , в зависимости от ядерной модели. ^[7]

Измерения периода полураспада NEMO 2νββ

Нуклид	Период полураспада, лет
⁴⁸ Са	4.4+0,5 −0,4± 0,4 ×10 ¹⁹
⁸² Сэ	9,6 ± 0,3 ± 1,0 ×10 ¹⁹
⁹⁶ Зр	2,35 ± 0,14 ± 0,16 ×10 ¹⁹
¹¹⁶ Кд	2,8 ± 0,1 ± 0,3 ×10 ¹⁹
¹³⁰ Те	7,0 ± 0,9(стат) ± 1,1(сист) ×10 ²⁰^[8]
¹⁵⁰ Нд	9.11+0,25 −0,22± 0,63 ×10 ¹⁸
¹⁰⁰ Мо	7,11 ± 0,02(стат) ± 0,54(сист) ×10 ¹⁸

NEMO Самый высокий 0νββ Распад Нижние пределы

Изотоп	Т _1/2 (год)	Предел массы нейтрино (эВ)
⁸² Сэ	2,1×10 ²³
¹⁰⁰ Мо	1,1×10 ²⁴	0.9
¹¹⁶ Кд	1,6×10 ²²
⁹⁶ Зр	8,6×10 ²¹	20.1
¹⁵⁰ Нд	1,8×10 ²²	6.3
⁴⁸ Са	1,3×10 ²²	29.7

Распад ⁹⁶ Zr особенно актуален из-за его высокой добротности и использования в поисках зависимости физических констант от времени. Геохимические измерения ZrSiO ₄ позволяют сравнивать его исторические и современные скорости ^[9] путем извлечения полученного ⁹⁶ Mo.

Окончательные результаты NEMO-3 были опубликованы в 2018 году. ^[2]

СуперНЕМО

Эксперимент следующего поколения, SuperNEMO, находится в стадии разработки. Он основан на технологии, используемой в эксперименте NEMO-3, но будет больше более чем в десять раз. ^[10] Детектор SuperNEMO будет состоять из 20 модулей, каждый из которых будет содержать приблизительно 5 кг обогащенного двойного бета-распада испускающего изотопа в форме тонкой фольги. Установка первого модуля (с использованием селена-82) в LSM идет полным ходом, а сбор данных ожидается во второй половине 2015 года. ^[11] По состоянию на 2019 год, идет ввод в эксплуатацию демонстрационного модуля SuperNEMO (по сути, одного из 20 модулей всего SuperNEMO), и сотрудничество продолжает планировать строительство всего 20-модульного детектора SuperNEMO. ^[2]

Ссылки

^ "СуперНЕМО".
^ abcd Шерил, Патрик (21 октября 2018 г.). «Проект SuperNEMO и окончательные результаты NEMO-3» (PDF) .
^ "NEMO3 / SuperNEMO International Collaboration Meeting". Кан. 13–16 октября 2014 г. Получено 23 апреля 2015 г.
^ Сотрудничество NEMO (9 октября 2000 г.). «Ограничения на различные режимы распада Майорона 100Mo, 116Cd, 82Se и 96Zr для безнейтринных двойных бета-распадов в эксперименте NEMO-2». Nuclear Physics A. 678 ( 3): 341– 352. Bibcode :2000NuPhA.678..341A. doi :10.1016/S0375-9474(00)00326-2.
^ Флэк, Р. Л.; для сотрудничества NEMO 3 (2008). "Результаты NEMO 3". Journal of Physics: Conference Series . 136 (2): 022032. arXiv : 0810.5497 . Bibcode : 2008JPhCS.136b2032F. doi : 10.1088/1742-6596/136/2/022032. S2CID 17244542.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ NEMO 3 Collaboration (2009). "Поиск двойного бета-распада без нейтрино с помощью эксперимента NEMO 3". AIP Conf. Proc . 1078 (1078): 332– 334. arXiv : 0810.0637 . Bibcode : 2008AIPC.1078..332N. doi : 10.1063/1.3051951. S2CID 118398249.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Сотрудничество NEMO-3 (2014). "Поиск безнейтринного двойного бета-распада ¹⁰⁰ Mo с детектором NEMO-3". Phys. Rev. D. 89 ( 11): 111101. arXiv : 1311.5695 . Bibcode : 2014PhRvD..89k1101A. doi : 10.1103/PhysRevD.89.111101. S2CID 9380926.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Арнольд, Р.; Ожье, К.; Бейкер, Дж.; Барабаш А.С.; Башарина-Фрешвилл, А.; Блондель, С.; Бонгранд, М.; Броудин-Бей, Г.; Бруданин В.; Кэффри, Эй Джей; Чапон, А.; Шово, Э.; Дюран, Д.; Егоров В.; Флэк, Р.; Гарридо, X.; Грозье, Дж.; Гийон, Б.; Хьюберт, доктор философии; Хьюгон, К.; Джексон, CM; Джулиан, С.; Кауэр, М.; Клименко А.; Кочетов О.; Коновалов С.И.; Коваленко В.; Лаланн, Д.; Ламхамди, Т.; Ланг, К.; Липтак З.; Луттер, Г.; Мамедов Ф.; Марке, Ч.; Мартин-Альбо, Дж.; Могер, Ф.; Мотт, Дж.; Нахаб, А.; Немченок И.; Нгуен, Швейцария; Нова, Ф.; Новелла, П.; Осуми, Х.; Палька, РБ; Перро, Ф.; Пикемаль, Ф.; Рейсс, Дж.Л.; Ричардс, Б.; Рикол, Дж.С.; Саакян Р.; Саразин, X.; Симард, Л.; Шимкович, Ф.; Шитов Ю.; Смольников А.; Зёльднер-Рембольд, С.; Штекль И.; Сухонен, Дж.; Саттон, CS; Шклярц, Г.; Томас, Дж .; Тимкин, В.; Торре, С.; Третьяк, В.И.; Уматов, В.; Вала, Л.; Ванюшин И.; Васильев В.; Воробель, В.; Вылов, Ц.; Жукаускас, А.; и др. (Сотрудничество NEMO-3) (4 августа 2011 г.). «Измерение периода полураспада ββ ¹³⁰ Te с помощью детектора NEMO-3». Physical Review Letters . 107 (6): 062504. arXiv : 1104.3716 . Bibcode : 2011PhRvL.107f2504A. doi : 10.1103/PhysRevLett.107.062504. PMID 21902318. S2CID 12707641.
^ Wieser, Michael; De Laeter, John (2001). «Доказательства двойного β-распада циркония-96, измеренные в цирконах возрастом 1,8×10 ⁹ лет». Physical Review C. 64 ( 2): 024308. Bibcode : 2001PhRvC..64b4308W. doi : 10.1103/PhysRevC.64.024308.
^ Р. Арнольд и др. (2010). «Исследование новых физических моделей безнейтринного двойного бета-распада с помощью SuperNEMO» (PDF) . European Physical Journal C . 70 (4): 927– 943. arXiv : 1005.1241 . Bibcode :2010EPJC...70..927A. doi :10.1140/epjc/s10052-010-1481-5. S2CID 51838828.
^ Gómez Maluenda, Héctor (3 июля 2014 г.). Последние результаты эксперимента NEMO-3 и текущее состояние SuperNEMO. ICHEP2014: 37-я Международная конференция по физике высоких энергий. Валенсия . Получено 2015-04-23 . SuperNEMO в настоящее время находится в стадии строительства после фазы НИОКР (начатой в 2007 г.), которая пришла к выводу, что все требования достижимы. Первая фаза — это строительство первого модуля, которое было начато в 2012 г. и завершится в течение 2015 г., когда, как ожидается, начнется сбор данных.

Внешние ссылки

Официальный сайт эксперимента NEMO

[1] "СуперНЕМО".

[rcnp1-2] Шерил, Патрик (21 октября 2018 г.). «Проект SuperNEMO и окончательные результаты NEMO-3» (PDF) .

[3] "NEMO3 / SuperNEMO International Collaboration Meeting". Кан. 13–16 октября 2014 г. Получено 23 апреля 2015 г.

[4] Сотрудничество NEMO (9 октября 2000 г.). «Ограничения на различные режимы распада Майорона 100Mo, 116Cd, 82Se и 96Zr для безнейтринных двойных бета-распадов в эксперименте NEMO-2». Nuclear Physics A. 678 ( 3): 341– 352. Bibcode :2000NuPhA.678..341A. doi :10.1016/S0375-9474(00)00326-2.

[5] Флэк, Р. Л.; для сотрудничества NEMO 3 (2008). "Результаты NEMO 3". Journal of Physics: Conference Series . 136 (2): 022032. arXiv : 0810.5497 . Bibcode : 2008JPhCS.136b2032F. doi : 10.1088/1742-6596/136/2/022032. S2CID 17244542.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[6] NEMO 3 Collaboration (2009). "Поиск двойного бета-распада без нейтрино с помощью эксперимента NEMO 3". AIP Conf. Proc . 1078 (1078): 332– 334. arXiv : 0810.0637 . Bibcode : 2008AIPC.1078..332N. doi : 10.1063/1.3051951. S2CID 118398249.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[7] Сотрудничество NEMO-3 (2014). "Поиск безнейтринного двойного бета-распада ¹⁰⁰ Mo с детектором NEMO-3". Phys. Rev. D. 89 ( 11): 111101. arXiv : 1311.5695 . Bibcode : 2014PhRvD..89k1101A. doi : 10.1103/PhysRevD.89.111101. S2CID 9380926.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[8] Арнольд, Р.; Ожье, К.; Бейкер, Дж.; Барабаш А.С.; Башарина-Фрешвилл, А.; Блондель, С.; Бонгранд, М.; Броудин-Бей, Г.; Бруданин В.; Кэффри, Эй Джей; Чапон, А.; Шово, Э.; Дюран, Д.; Егоров В.; Флэк, Р.; Гарридо, X.; Грозье, Дж.; Гийон, Б.; Хьюберт, доктор философии; Хьюгон, К.; Джексон, CM; Джулиан, С.; Кауэр, М.; Клименко А.; Кочетов О.; Коновалов С.И.; Коваленко В.; Лаланн, Д.; Ламхамди, Т.; Ланг, К.; Липтак З.; Луттер, Г.; Мамедов Ф.; Марке, Ч.; Мартин-Альбо, Дж.; Могер, Ф.; Мотт, Дж.; Нахаб, А.; Немченок И.; Нгуен, Швейцария; Нова, Ф.; Новелла, П.; Осуми, Х.; Палька, РБ; Перро, Ф.; Пикемаль, Ф.; Рейсс, Дж.Л.; Ричардс, Б.; Рикол, Дж.С.; Саакян Р.; Саразин, X.; Симард, Л.; Шимкович, Ф.; Шитов Ю.; Смольников А.; Зёльднер-Рембольд, С.; Штекль И.; Сухонен, Дж.; Саттон, CS; Шклярц, Г.; Томас, Дж .; Тимкин, В.; Торре, С.; Третьяк, В.И.; Уматов, В.; Вала, Л.; Ванюшин И.; Васильев В.; Воробель, В.; Вылов, Ц.; Жукаускас, А.; и др. (Сотрудничество NEMO-3) (4 августа 2011 г.). «Измерение периода полураспада ββ ¹³⁰ Te с помощью детектора NEMO-3». Physical Review Letters . 107 (6): 062504. arXiv : 1104.3716 . Bibcode : 2011PhRvL.107f2504A. doi : 10.1103/PhysRevLett.107.062504. PMID 21902318. S2CID 12707641.

[9] Wieser, Michael; De Laeter, John (2001). «Доказательства двойного β-распада циркония-96, измеренные в цирконах возрастом 1,8×10 ⁹ лет». Physical Review C. 64 ( 2): 024308. Bibcode : 2001PhRvC..64b4308W. doi : 10.1103/PhysRevC.64.024308.

[10] Р. Арнольд и др. (2010). «Исследование новых физических моделей безнейтринного двойного бета-распада с помощью SuperNEMO» (PDF) . European Physical Journal C . 70 (4): 927– 943. arXiv : 1005.1241 . Bibcode :2010EPJC...70..927A. doi :10.1140/epjc/s10052-010-1481-5. S2CID 51838828.

[11] Gómez Maluenda, Héctor (3 июля 2014 г.). Последние результаты эксперимента NEMO-3 и текущее состояние SuperNEMO. ICHEP2014: 37-я Международная конференция по физике высоких энергий. Валенсия . Получено 2015-04-23 . SuperNEMO в настоящее время находится в стадии строительства после фазы НИОКР (начатой в 2007 г.), которая пришла к выводу, что все требования достижимы. Первая фаза — это строительство первого модуля, которое было начато в 2012 г. и завершится в течение 2015 г., когда, как ожидается, начнется сбор данных.