Результаты экспериментов по поиску 2К-захвата 78 Kr и 2β-распада 136 Хе с

1. Результаты экспериментов по поиску 2К-захвата 78Kr и 2β-распада 136Хе с помощью пропорциональных счётчиков. Ю.М. Гаврилюк1, А.М. Гангапшев1, Д.А. Жантудуева1, В.В. Казалов1, В.В. Кузьминов1, С.И. Панасенко2, С.С. Раткевич2, К.В. Эфендиев1, С.П. Якименко1. 1Институт ядерных исследований РАН, Москва 117312, Россия 2Харьковский национальный университет им. Каразина, Харьков 61077, Украина 1 21-25.11.2011

2. План доклада 1. Методика поиска различных видов 2β- процессов у изотопов инертных газов. 2. Конструкция детектора. 3. Установка «К-захват». 4. Результатыпоиска 2К-захвата 78Kr. 5. Установка «2β-распад» 6. Результатыпоиска 2β2ν-распада 136Хе. 7. Выводы.

3. К началу 2011 года (2β-2ν)-распадбылзарегистрирован для 11 изотопов в прямых измерениях, геохимических и радиохимических экспериментах. В целом наблюдается удовлетворительное согласие расчётов и измерений. Для изотопа 136Хе были установлены только экспериментальные ограничения, достигающие верхних теоретических оценок и превышающие уже измеренные периоды полураспада для изотопов с похожими энергиями переходов. Для ряда изотопов возможны распады с вылетом двух позитронов и конкурентные к ним электрон-позитронная конверсия и захват ядром двух орбитальных электронов. Эти процессы в прямых измерениях до сих пор не наблюдались ни на одном активном изотопе. Одними из наиболее перспективных для исследования таких процессов являются изотопы 78Kr и 124Хе.

4. Методика поиска различных видов 2β- процессов у изотопов инертных газов. Рассмотренные изотопы являются инертными газами, поэтому изучение их радиоактивных характеристик может осуществляться ионизационными детекторами, заполненными исследуемым газом, который одновременно служит источником и рабочей средой. Исследуемые процессы являются чрезвычайно редкими, поэтому их изучение возможно только детекторами с предельно низким собственным фоном.

5. Методика поиска различных видов 2β- процессов у изотопов инертных газов. В Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН в течение ряда лет проводятся подземные низкофоновые эксперименты по поиску 2К- захвата 78Kr и двухнейтринного 2β–распада 136Хе. В качестве детекторов на текущем этапе исследований применяются одинаковые медные пропорциональные счётчики (п.с.) объёмом ~ 9 л каждый с рабочим давлением до 20 атм. Используются две отдельные низкофоновые защиты. В одной размещен один счётчик (установка «2К-захват»), в другой - два (установка «2β-распад»). Защиты имеют сходное строение, но отличаются конструкционным оформлением и сортами используемых защитных материалов. Установки расположены в разных подземных лабораториях на расстоянии ~200 м друг от друга.

6. Методика поиска различных видов 2β- процессов у изотопов инертных газов. Фон газовых детекторов 1. Космические лучи (космогенные изотопы). Защита – толща земли, выдержка, детекторы антисовпадений. 2. Долгоживущие р.а. элементы: 40К (Т1/2= 1,26∙109 лет; 0,0118 % в естественном калии); 232Th (Т1/2 = 1,41∙1010 лет; 100%) и д.п.р.; 238U (Т1/2 = 4,51∙109 лет; 99,3%) и д.п.р. Защита – слои радиоактивно-чистых материалов. Отбор материалов по результатам измерений: γ-активности на сверхнизофоновом спектрометре с ППД; поверхностной α-активности в ПС. Дискриминация фона. 3. Радиоактивный инертный газ радон в воздухе: изотоп 222Rn (Т1/2 = 3,82 сут., α-распад) и д.п.р. Защита – герметизация установки, продувка чистым газом. 4. Радиоактивные изотопы газов: 39Ar (Т1/2 = 269 лет, β- - распад, Еβmax= 565 кэВ); 42Ar (Т1/2 = 32,9 лет, β- - распад); 81Kr (Т1/2 = 2,1∙105 лет, е - захват); 85Kr (Т1/2 = 10,76 лет, β- - распад, Еβmax = 670 кэВ). Защита – изотопная очистка, использование «старых» газов.

7. Конструкция счётчика Продольное сечение медного пропорционального счётчика Внутренний защитный слой меди М0к снизил фон α- частиц в ~20 раз, γ-фон в интервале 10-100 кэВ – в ~7 раз Сигнал снимается зарядочувствительнымпредусилителем с одной стороны анодной нити и записывается с помощью цифрового осциллографа ЛА-н20-12PCI в память персонального компьютера

8. Установка «К-захват» 78Kr + 2eK→78Se**(К)→≈2∙(Se*↓ +ХКα) ΔMA = 2866 кэВ Kab=12.65 кэВ, 2Kab=25.3 кэВ Ka1=11.22 кэВ (1.00) Ka2=11.18 кэВ (0.52) Kb1=12.49 кэВ (0.21) wk=0.596(x-ray), Р(К+К+е)=0.355 Предмет поиска: «многоточечные» события от поглощения в газе двух К-фотонови каскада Оже-электронов от остаточного возбуждения дочернего атома. Методика поиска: Если точки пространственно разделены в проекции на радиус ПС, то событие будет состоять из последовательности отдельных импульсов тока. Это отражается на форме зарядового импульса. Анализ формы з.и. позволяет определить параметры парциальных импульсов тока. Энергии и относительные интенсивности характеристических линий К-серии

9. Установка «К-захват» Установка «2К-захват» размещена в отдельной комнате подземного комплекса Галлий-Германиевого Нейтринного Телескопа (ГГНТ). Толща горных пород над комплексом составляет 4560 - 4700 м водного эквивалента (м в.э.). Она ослабляет поток космических лучей в ~107 раз до уровня (3,03 ± 0,10)∙10-9 см-2 ∙с-1. Стены основного зала покрыты низкорадиоактивным бетоном толщиной ~70 см, снижающим фон γ-излучения от горных пород в ~15 раз. Установка состоит из низкофоновой защиты, собранной из 8 см б.п. + 15 см Pb + 18 см Cu, и размещённого внутри п.с. Счётчик заполняется исследуемым образцом чистого криптона до полного давления 5.00 атт. без добавления гасящих или ускоряющих газов. Перед заполнением криптон очищается от электроотрицательных примесей в Ti-реакторе при температуре 800oС. В работе использованы два образца криптона с разным содержанием изотопа: 1) обогащённый образец - 99.81% 78Kr; 2) обеднённый образец – 0.002% 78Kr. Образцы произведены на ультрацентрифугах предприятием ФГУП ПО «Электрохимический завод» (г. Зеленогорск).

10. Установка «К-захват» 1760 мм Пример реального импульса 970 мм (а1 а2 а3)→(m < m1< m2) Защита: 8 см б.п.+ 15 см Pb + 18 см Cu λ = (А2-А1)/А1 Спектр импульсов всех событий от источника 109Cd (0), одно-точечная (1), двух-точечная (2) и трёх-точечная (3) компоненты. (4) – пик вылета линии 88 кэВ. Восстановленный импульс

11. Результатыпоиска 2К-захвата 78Kr (г) (д) (б) (в) (е) Амплитудные спектры фона п.с. с обогащённым криптоном (красные линии, полное время измерений 9457 час.) и с обеднённым криптоном (синие линии, полное время измерений 6243 час.): (а) - все события; (б) – одно-точечные события; (в) – двух-точечные события; (г) – трёх-точечные события; (д) отобранные из спектра (г) по условиям 0.89 кэВ ≤ m0 ≤ 4.5 кэВ, 0.65 ≤ m1/m2 ≤ 1.0; (е) отобранные из спектра (д) для λ > 0.225 и модельный расчётный спектр для 2К-захвата.

12. Результатыпоиска 2К-захвата 78Kr Фон в области энергий (22.0÷29.0) кэВ в спектре обогащённого криптона равен N1 = 15 за 9457 час., в спектре обеднённого криптона – N2 = 4 за 6243 час. (~6 за 9457 час.). Из рекомендаций работы [*] для величин (эффект+фон) = 15 и (фон) = 6 следует, что на 90% уровне достоверности эффект за 9457 час. равен NЭ = 9.0+7.52-5.52 или nэ = 8.3+7.0-5.1 год-1. Расчёт значения периода полураспада произведён по формуле: Т1/2 = (ln2)×N×p3×εп×ε3×αk×k/ nэ, где N=1.08∙1024 – количество атомов 78Kr в рабочем объёме счётчика, p3=0.355 – доля 2К-захватов, сопровождающихся вылетом двух К-квантов; εп=0.809 – вероятность поглощения двух К-квантов в рабочем объёме; ε3=0.422 – эффективность отбора трёх-точечных событий от 2К-захвата 78Kr; αk=0.985 – доля событий с двумя К-квантами, которые могут быть зарегистрированы в виде различимых трёх-точечных событий; k = 0.840 – коэффициент отбора полезных событий для заданного порога по λ. Был получен результат: Т1/2(2К, 2ν+0ν) = (1.4+2.2-0.7) ∙1022 лет (90% у.д.). [*] - G. J. Feldman and R. D. Cousins. “A Unified Approach to the Classical Statistical Analysis of Small Signal”, arXiv:physics/9711021v2.

13. Установка «2β-распад» Теоретические предсказания разных моделей: T1/2 (2β2ν)-моды: 1,1∙1020 - 2,1∙1022 лет. T1/2 (2β0ν)-моды {|<mν>|=1 эВ}:2,8∙1023 - 1,2∙1025 лет. 136Хе (2β-2ν)136Ва (Qββ = 2468 кэВ) Полная кинетическая энергия двух испущенных электронов для различныхканалов распада 136Хе: (2β2ν) – двухнейтринная мода; (2β0ν) –безнейтринная мода; (2β0νχ) – безнейтринная мода с одним майороном. Образцы ксенона

14. Установка «2β-распад» Схематический вид установки Защита (23 см Pb + 8 см б. п. + 20 см Cu) Этап сборки установки Параметры: Амплитуда – А→Е Длительность фронта – τФ Параметр формы - δФ δФ≥ 990 для α-частиц Импульс от электрона Импульс от α-частицы

15. Результатыпоиска 2β2ν-распада 136Хе (а) Отобраны события с параметрами: τФ ≥ 10 μс (устранение микроразрядов) и δФ ≤ 990 (устранение фона α-частиц) Влияние отбора по δФна форму спектра: синий – полный спектр фона;красный – спектр событий с отобранный для δФ ≤ 990 (б) Проведено четыре серии измерений длительностью 3300 час., 4170 час., 6410 час., 6400 час. В начале серии газы в счётчиках менялись местами с одновременной очисткой. При обработке из каждой серии взяты данные за 3300 час. а - Суммарные спектры фона счётчиков с обогащённым ксеноном (синяя линия) и с фоновым ксеноном (красная линия) за время набора 13200 час.; б – Разностный спектр исходный (красная линия) и сглаженный (тёмная линия).

16. Результатыпоиска 2β2ν-распада 136Хе Превышение при Е ≤ 700 кэВ создаётся, в основном, распадами техногенного изотопа 85Kr (Т1/2 = 10,76 лет, β- - распад, Еβmax = 672 кэВ), присутствующего избыточно в следовых количествах в образце обогащённого криптона. Слабое превышение при Е > 700 кэВ можно отнести к (2β2ν)-распаду 136Хе. Эффект за 13200 час. составил: NЭ = (2591+1953+1259+1477)-(2396+1968+1224+1383) = 7250-6971 = 309119(стат.)72(сист.). Снижение скорости счёта по сериям связано с распадом космогенных изотопов в дополнительном слое защиты из меди внутри счётчиков. Расчёт значения периода полураспада произведён по формуле: Т1/2 = (ln2)×N×t×ε/ NЭ, где N=3.06∙1024– разность числа атомов 136Хе в образцах ксенона в рабочем объёме п.с.; t=1.507 лет– время измерения; ε=0.535– эффективность регистрации полезных событий, отобранных по параметрам τ > 10 мкс и δ < 990 в интервале (0.7-2.4) МэВ. Был получен результат: Т1/2(2β2ν) = (5.5+4.6-1.7) ∙1021 лет (май 2011) Для сравнения Т1/2(2β2ν) = (2.11±0.04 (стат.)±0.21(сист.))∙1021 лет (август 2011)[*] [*] – N. Ackerman et al. “Observation of Two Neutrino Double Beta Decay in Xe-136 with EXO-200” arXive: 1108.4193v1 [nucl-ex] 21 August 2011

17. Выводы: 1. В эксперименте по поиску 2К-захвата изотопа 78Kr обнаружен положительный эффект, соответствующий периоду полураспада Т1/2(2К, 2ν+0ν) = (1.4+2.2-0.7) ∙1022 лет (90% у.д.). Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 04-02-16037 и № 11-02-00761a) и Программы Президиума РАН “Нейтринная физика”. 2. В эксперименте по поиску (2β2ν)-распада изотопа 136Хе обнаружен положительный эффект, соответствующий периоду полураспада Т1/2(2β2ν) = (5.5+4.6-1.7) ∙1021 лет. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 07-02-00344) 3. Измерения по этим двум задачам завершены.