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 — Т_1/2 > 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: Т_1/2 = (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 v> ~ 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».

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 Т_1/2 > 2,1х10²⁵ лет (²⁵ 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.

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

См. также:

• Необыкновенные публикации итальянцев в России (30.09.2008)
• Нейтрино за шкирку (20.10.2015)
• Эксперимент с несчастливой судьбой (13.02.2018)
• Путь наверх. Московский университет в рейтингах университетов мира (15.12.2015)
• Призрак публикации (08.10.2013)
• Предложения по реформированию организации науки (24.07.2017)
• О темной энергии замолвите слово (28.01.2020)
• О рейтинге российских ученых. Анализ нового рейтинга ведущих ученых России (из базы РИНЦ) (24.09.2014)
• О Московском физическом центре и причинах его появления (25.02.2014)