Детекторная решетка германия

Эксперимент германия с детекторной решеткой (или GERDA ) проводил поиск безнейтринного двойного бета-распада (0νββ) в Ge-76 в подземной лаборатории Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). безнейтринный бета-распад, Ожидается, что если он произойдет, будет очень редким процессом. Коллаборация предсказала менее одного события в год на килограмм материала, проявляющегося в виде узкого всплеска около значения Q 0νββ (Q _ββ = 2039 кэВ) в наблюдаемом энергетическом спектре. Это означало, что фоновая защита для обнаружения любых редких распадов требовалась . Объект СПГ пород имеет 1400 метров вскрышных , что эквивалентно 3000 метрах водной защиты, снижающей космического излучения фон . Эксперимент GERDA проводился с 2011 года на СПГ.

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 перед собой целей, но никаких событий 0νββ обнаружено не было.

Опыт GERDA привел к ожиданию, что дальнейшее снижение фона станет возможным, так что станет возможным бесфоновый эксперимент с еще большей мощностью источника, соответственно, экспозицией. Коллаборация LEGEND, продолжая работу GERDA, стремилась повысить чувствительность к периоду полураспада распада 0νββ до $10^{28}yr$. На первом этапе планировалось разместить массу детекторов из обогащенного германия массой 200 кг в слегка модифицированной инфраструктуре GERDA, а начало сбора данных запланировано на 2021 год.

Дизайн

В эксперименте использовались обогащенные Ge кристаллические диоды, высокой чистоты ( HPGe ), в качестве источника бета-распада и детектора частиц . Детекторы фирмы HdM ( Гейдельберг-Москва) ) и АЙДЕКС эксперименты были повторно обработаны и использованы на этапе 1. Детекторная матрица была подвешена в с жидким аргоном, криостате облицованном медью и окруженном резервуаром со сверхчистой водой. ФЭУ в резервуаре с водой и пластиковые сцинтилляторы выше обнаруживали и исключали фоновые мюоны . Дискриминация формы импульса (PSD) применялась в качестве разреза для различения типов частиц.

GERDA пошла по стопам других экспериментов с 0νββ с использованием германия; уже более 50 лет назад (т.е. около 1970 г.) германиевый детектор массой 0,1 кг был использован миланской группой при первом поиске распада 0νββ с помощью германиевого детектора. С тех пор чувствительность была увеличена в миллион раз.

На втором этапе активная масса была увеличена до 38 кг с использованием 30 новых германиевых детекторов широкой энергии (BEGe). Планировалось снижение магнитуды фона до 10 ⁻³ кол/(кэВ·кг·год) с использованием более чистых материалов. Это увеличило чувствительность периода полураспада до 10. ²⁶ лет после того, как было получено 100 кг·год данных, что позволило оценить возможное расширение в тоннах.

Результаты

На этапе I были собраны данные с ноября 2011 г. по май 2013 г. при экспозиции 21,6 кг·год. Безнейтринных распадов не наблюдалось, что дает предел полураспада 0νββ CL 90% $T_{0\nu \beta \beta }>2.1\cdot 10^{25}yr$. Этот предел можно объединить с предыдущими результатами, увеличив его до 3·10. ²⁵ год, опровергая заявление о обнаружении Гейдельберга-Москвы. Также сообщалось об ограничении эффективной массы нейтрино: m _ν < 400 мэВ.

Также был измерен период полураспада двойного бета-распада (с двумя нейтрино): T _2νββ = 1,84·10. ²¹ .

Фаза II имела дополнительные детекторы с обогащением Ge и пониженным фоном, что повысило чувствительность примерно на порядок.

II этап (7 струн, 35,8 кг обогащенных детекторов) стартовал в декабре 2015 года.

Предварительные результаты фазы II были опубликованы в журнале Nature. Показатель фона для детекторов BEGe составил 0,7·10. ⁻³ отсчетов/(кэВ·кг·год), что соответствует менее чем одному отсчету в сигнальной области после воздействия 100 кг·год. И снова никаких безнейтринных распадов не наблюдалось, в результате чего нынешний предел периода полураспада составил T _1/2   >   5,3·10. ²⁵ (90% CL).

По состоянию на 2018 год сбор данных фазы II продолжился.

В декабре 2020 года были подведены итоги GERDA. 0νββ обнаружено не было, и эксперимент показал нижний предел периода полураспада 0νββ в Ge-76. $T_{0\nu \beta \beta }>1.8\cdot 10^{26}yr$. Сообщенный окончательный нижний предел соответствовал ожидаемому значению чувствительности эксперимента и был самым строгим значением для распада любого изотопа 0νββ, когда-либо измеренного. Кроме того, уровень фоновых событий GERDA был самым высоким в этой области. На заключительном этапе GERDA установила 41 германиевый детектор общей массой 44,2 кг с очень высоким процентом обогащения германия-76.

Публикации

• Сотрудничество GERDA, Агостини М.; и др. (19 сентября 2013 г.). «Результаты безнейтринного двойного β-распада ⁷⁶ Ge из фазы I эксперимента GERDA» (PDF) . Письма о физических обзорах . 111 (12): 122503. arXiv : 1307.4720 . Bibcode : 2013PhRvL.111l2503A . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.122503 . PMID   24 093254 .
• Сотрудничество GERDA, Агостини М.; и др. (12 февраля 2013 г.). «Измерение периода полураспада двухнейтринного двойного бета-распада ⁷⁶ GE с экспериментом Герды ". Журнал физики g . 40 (3): 035110. Arxiv : 1212.3210 . Bibcode : 2013Jphg ... 40C5110T . DOI : 10.1088/0954-3899/40/3/035110 . S2CID   119118050 .
• Коллаборация GERDA, Акерманн К.-Х.; и др. (март 2013 г.). «Эксперимент GERDA по поиску распада 0νββ в ⁷⁶ Ge» . 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 GERDA». Nature . 544 (7648): 47–52. arXiv : 1703.00570 . Bibcode : ...47A . doi : 10.1038/nature21717 . PMID   28382980. 2017Natur.544 S2CID   4456764 .

Внешние ссылки

• Сотрудничество ГЕРДА
• эксперимента GERDA Запись на INSPIRE-HEP