Первые результаты эксперимента GERDA

16 июля 2013 года на науч­ном семи­на­ре в лабо­ра­то­рии Гран Сас­со (Ита­лия) были пред­став­ле­ны пер­вые резуль­та­ты поис­ка без­ней­трин­но­го двой­но­го бета-рас­па­да (ββ0v) ядра Ge-76 с помо­щью детек­то­ра GERDA-I [1]. На сле­ду­ю­щий день озву­чен­ные резуль­та­ты появи­лись в виде элек­трон­но­го пре­прин­та [2] и через неде­лю были доло­же­ны на евро­пей­ской кон­фе­рен­ции по физи­ке высо­ких энер­гий (Сток­гольм, 18–24 июля 2013 года).

Эти резуль­та­ты ожи­да­лись уче­ны­ми с боль­шим инте­ре­сом. Интри­га была свя­за­на с тем, что одной из задач экс­пе­ри­мен­та была про­вер­ка сен­са­ци­он­но­го (но, в тоже вре­мя, и крайне неод­но­знач­но­го) резуль­та­та, полу­чен­но­го и опуб­ли­ко­ван­но­го несколь­ки­ми участ­ни­ка­ми экс­пе­ри­мен­та Гей­дель­берг-Москва (Г-М) – так назы­ва­е­мый резуль­тат Клап­до­ра (по име­ни одно­го из лиде­ров экс­пе­ри­мен­та Г. Клап­дор-Клайн­гр­от­ха­у­са). Сна­ча­ла кол­ла­бо­ра­ция сооб­щи­ла о не наблю­де­нии про­цес­са pp0v-рас­па­да в Ge-76 и уста­но­ви­ла пре­дел на пери­од полу­рас­па­да – Т12 > 1,9х1025 лет. Затем несколь­ко чело­век из этой кол­ла­бо­ра­ции, во гла­ве с Г. Клап­дор-Клайн­гр­от­ха­у­сом, заяви­ли о наблю­де­нии ββ0v-рас­па­да с уров­нем досто­вер­но­сти 4Ѡ (Т = 1,2х1025 лет). Позд­нее, после более слож­но­го ана­ли­за, был полу­чен резуль­тат с уров­нем досто­вер­но­сти 6Ѡ: Т12 = (2,2±0,3)х1025 лет. Этот резуль­тат при­во­дит к фун­да­мен­таль­ным послед­стви­ям: леп­тон­ное чис­ло не сохра­ня­ет­ся, ней­три­но обла­да­ет мас­сой, эта мас­са май­о­ра­нов­ско­го типа, и эффек­тив­ная мас­са рав­на <mv> ~ 0,3 эВ. Одна­ко науч­ное сооб­ще­ство отнес­лось к это­му резуль­та­ту с боль­шим недо­ве­ри­ем и не при­ня­ло его. Ана­лиз, про­ве­ден­ный неза­ви­си­мы­ми груп­па­ми уче­ных, пока­зал боль­шое коли­че­ство неточ­но­стей, про­ти­во­ре­чий и откро­вен­ных «натя­жек» допу­щен­ных авто­ра­ми «откры­тия».

Рис. 1. Схема установки GERDA (с сайта [1])
Рис. 1. Схе­ма уста­нов­ки GERDA (с сай­та [1])

Тем не менее, резуль­та­ты экс­пе­ри­мен­та GERDA-I ожи­да­лись с боль­шим инте­ре­сом. В этом экс­пе­ри­мен­те исполь­зу­ет­ся совер­шен­но новый под­ход к орга­ни­за­ции пас­сив­ной и актив­ной защи­ты от фоно­во­го сиг­на­ла. Были пред­при­ня­ты серьез­ные уси­лия по мини­ми­за­ции коли­че­ства кон­струк­ци­он­ных мате­ри­а­лов вокруг полу­про­вод­ни­ко­вых гер­ма­ни­е­вых (HPGe) детек­то­ров. С целью сни­же­ния уров­ня фона кри­стал­лы гер­ма­ния  поме­ще­ны в сосуд с жид­ким арго­ном, кото­рый, в свою оче­редь, поме­щен в огром­ный бак с водой (диа­мет­ром и высо­той 10 м) (см. рис. 1). Жид­кий аргон и вода про­шли спе­ци­аль­ную очист­ку от радио­ак­тив­ных при­ме­сей. Пол­ный вес HPGe детек­то­ров ~ 18 кг. Инте­рес­но отме­тить, что в экс­пе­ри­мен­те, в основ­ном, исполь­зу­ют­ся HPGe детек­то­ры, кото­рые преж­де при­ме­ня­лись в экс­пе­ри­мен­тах Г-М и IGEX. Вся уста­нов­ка раз­ме­ще­на в под­зем­ной лабо­ра­то­рии Гран Сас­со (Ита­лия) на глу­бине, соот­вет­ству­ю­щей тол­ще воды 3,5 км.

Инте­рес подо­гре­вал­ся еще и тем, что кол­ла­бо­ра­ция реши­ла исполь­зо­вать так назы­ва­е­мый «сле­пой ана­лиз» – когда экс­пе­ри­мен­таль­ные дан­ные в обла­сти ββ0v-рас­па­да были неиз­вест­ны до само­го послед­не­го момен­та. Изме­ре­ния были нача­ты в нояб­ре 2011 года и про­дол­жа­лись при­мер­но пол­то­ра года. Нако­нец в июне 2013 года экс­пе­ри­мен­таль­ные дан­ные в обла­сти 0v-моды были откры­ты. И что же мы уви­де­ли?

Пол­ное отсут­ствие эффек­та! При ожи­да­е­мых 2,5 собы­ти­ях от фона было заре­ги­стри­ро­ва­но 3 собы­тия (см. рис. 2). Таким обра­зом, был уста­нов­лен лишь пре­дел на вре­мя двой­но­го без­ней­трин­но­го бета-рас­па­да Т12 > 2,1х1025 лет (<mv> < 0,2−0,4 эВ). Это закры­ва­ет пер­во­на­чаль­ный резуль­тат Клап­до­ра, но, тем не менее, фор­маль­но не исклю­ча­ет его послед­ний резуль­тат (хотя, сами авто­ры не рас­смат­ри­ва­ют его, счи­тая его заве­до­мо завы­шен­ным). На самом деле, пер­во­на­чаль­но пла­ни­ру­е­мая чув­стви­тель­ность экс­пе­ри­мен­та GERDA-I была 3х1025 лет. В этом слу­чае оба резуль­та­та Клап­до­ра были бы закры­ты (что и пла­ни­ро­ва­лось). Одна­ко уро­вень фона ока­зал­ся несколь­ко выше ожи­да­е­мо­го, кро­ме того два детек­то­ра вышли из строя и в ито­ге это не поз­во­ли­ло достичь пла­ни­ру­е­мой чув­стви­тель­но­сти. Тем не менее, экс­пе­ри­мент GERDA-I стал новым эта­пом в раз­ви­тии экс­пе­ри­мен­таль­ной тех­ни­ки для поис­ка ββ0v-рас­па­да Ge-76. Пред­ло­жен­ная мето­ди­ка пока­за­ла свою рабо­то­спо­соб­ность и эффек­тив­ность, а достиг­ну­тый уро­вень фона ока­зал­ся при­мер­но на поря­док ниже по срав­не­нию с преды­ду­щи­ми экс­пе­ри­мен­та­ми Г-М и IGEX.

Рис. 2. Суммарный спектр для всех детекторов. верхний спектр — исследуемая область. Нижний спектр — часть спектра, которая использовалась для оценки среднего фона в исследуемой области. Темным цветом отмечены события, оставшиеся после применения анализа по форме импульса. На верхнем спектре показан также ожидаемый сигнал для Т1/2 = 2,1х1025 лет (синяя сплошная кривая) и Т = 1,2х1025 лет (красная пунктирная кривая). Из препринта [2]
Рис. 2. Сум­мар­ный спектр для всех детек­то­ров. верх­ний спектр — иссле­ду­е­мая область. Ниж­ний спектр — часть спек­тра, кото­рая исполь­зо­ва­лась для оцен­ки сред­не­го фона в иссле­ду­е­мой обла­сти. Тем­ным цве­том отме­че­ны собы­тия, остав­ши­е­ся после при­ме­не­ния ана­ли­за по фор­ме импуль­са. На верх­нем спек­тре пока­зан так­же ожи­да­е­мый сиг­нал для Т1/​2 = 2,1х1025 лет (синяя сплош­ная кри­вая) и Т = 1,2х1025 лет (крас­ная пунк­тир­ная кри­вая). Из пре­прин­та [2]

Запла­ни­ро­ван сле­ду­ю­щий этап экс­пе­ри­мен­та, GERDA-II, в кото­ром пред­по­ла­га­ет­ся вдвое уве­ли­чить мас­су Ge-76 и суще­ствен­но сни­зить уро­вень фона. Пла­ни­ру­е­мая чув­стви­тель­ность око­ло 2х1026 лет за 3 года изме­ре­ний. Набор дан­ных нач­нет­ся, види­мо, в нача­ле 2014 года. В резуль­та­те будет окон­ча­тель­но реше­на про­бле­ма, свя­зан­ная с резуль­та­том Клап­до­ра, и достиг­нут новый уро­вень чув­стви­тель­но­сти в экс­пе­ри­мен­тах по поис­ку ββ0v-рас­па­да.

В заклю­че­ние отме­тим, что в экс­пе­ри­мен­те GERDA участ­ву­ют уче­ные из несколь­ких рос­сий­ских инсти­ту­тов (ИТЭФ, ИЯИ, Кур­ча­тов­ский инсти­тут, ОИЯИ).

Алек­сандр Бара­баш

ИТЭФ, Москва

1. www.mpi-hd.mpg.de/gerda

2. arXiv:1307.4720

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: