Коллаборация LEGEND

Эксперимент LEGEND

(the Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless ββ Decay)

Миссия коллаборации LEGEND: “Целью коллаборация LEGEND является поэтапная реализация экспериментальной программы по исследованию двойного бета-распада изотопа ⁷⁶Ge с потенциалом открытия процесса с периодом полураспада более 10²⁸ лет, при времени набора примерно 10 т·год, с использованием, по мере необходимости, имеющихся ресурсов, чтобы ускорить получение физических результатов”.

Коллаборация LEGEND объединяет 48 институтов и около 250 ученых и инженеров. НИЯУ МИФИ является участником коллаборации.

Web-site: LEGEND (legend-exp.org)

Контактное лицо в НИЯУ МИФИ: Корноухов Василий Николаевич (VNKornoukhov@mephi.ru тел.: +7-916-270-0780), Лаборатория экспериментальной ядерной физики НИЯУ (Лаборатория экспериментальной ядерной физики (mephi.ru).

Что такое безнейтринный двойной бета-распад?

Гипотетический безнейтринный двойной бета-распад (0νββ) распад — это процесс, выходящий за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц, в котором два нейтрона в ядре (в данном случае ⁷⁶Ge), превращаются одновременно в два протона и два электрона («бета-частицы») без испускания двух антинейтрино. Наблюдение такого процесса имело бы серьезные последствия для физики элементарных частиц и космологии: обнаружение нарушения закона сохранения лептонного числа и подтверждения майорановской природы нейтрино, т. е. доказательство тождественности нейтрино и антинейтрино, пролило бы свет на шкалу масс нейтрино и явилось бы важным ключом к пониманию того, почему во Вселенной гораздо больше материи (вещества), чем антивещества.

В обычном двойном β-распаде полная энергия распределяется между электронами и нейтрино случайным образом от одного распада к другому. Таким образом, энергии электронов имеют широкий диапазон значений. Но при 0νββ распаде нейтрино отсутствуют, поэтому суммарная энергия двух электронов равна энергии распада, и энергетический спектр должен представлять собой острый пик в области энергии 2,039 кэВ (в случае ⁷⁶Ge). Наблюдение событий в этой области энергии и является главной задачей 0νββ экспериментов с использованием изотопа ⁷⁶Ge.

На Рис. 1 представлено распределение полной энергия двух электронов, испускаемых при распаде 2νββ (широкий пик слева), и сумма полной энергии двух электронов при распаде 0νββ (справа). Стрелка указывает на область «точечного» выделение энергии в детекторе в случае 0νββ распада.

0vββ распад - чрезвычайно редкий процесс с периодом полураспада ≥ 10²⁶ лет (для изотопа ⁷⁶Ge). Это означает, что определенное атомное ядро ⁷⁶Ge может распадаться посредством этого гипотетического процесса примерно за время 100 триллионов триллионов лет. Величина энергии, выделяемой в этом процессе, находится в том же диапазоне, что и энергия, выделяемая при распаде изотопов естественной радиоактивности, принадлежащих к семейству рядов долгоживущих изотопов ²³⁸U и ²³²Th. Поэтому, чтобы иметь хоть какой-то шанс обнаружить этот редкий процесс, физикам необходимо создать детектор, содержащий десятки триллионов триллионов атомов подходящего изотопа, т.е. содержащий десятки или даже сотни килограммов соответствующего изотопа, и разместить их глубоко под землю в низкофоновую лабораторию, чтобы существенно снизить как поток мюонов космических лучей, так и естественную радиоактивность. И затем, на протяжении многих лет, пытаться зарегистрировать ожидаемые события от этого распада, пока они не будут уверены, что сигналы, которые они видят, не являются фоном. Это сложный и кропотливый труд, и его осуществляют участники нескольких коллабораций по всему миру: GERDA, Kamland-Zen, SNO +, EXO, CUORE, AMoRE и т. д.

От экспериментов GERDA и Majorana Demonstrator к эксперименту LEGEND.

LEGEND (the Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless ββ Decay - Большой эксперимент с обогащенным германием для поиска безнейтринного ββ-распада) - это поэтапная экспериментальная программа для поиска 0νββ-распада изотопа ⁷⁶Ge с беспрецедентной чувствительностью и массой рабочего изотопа до 1 тонны и основанная на успехе низкофоновых германиевых экспериментов GERDA и Majorana Demonstrator [1]. Оба эксперимента достигли самого низкого уровня фона среди осуществляемых сегодня экспериментов по поиску 0νββ процесса. Эксперименты GERDA и Majorana Demonstrator являются т.н. «безфоновыми» («безфоновые» измерения определяются как измерения со средним количеством фоновых событий в области энергии распада <1 при ожидаемой экспозиции эксперимента).

Эксперимент GERDA (The GERmanium Detector Array) проводится с 2011 года в Национальной Лаборатории Гран Сассо (LNGS), Италия, под слоем горной породы толщиной 3500 м водного эквивалента (Рис. 2). На заключительном этапе эксперимента GERDA использовались 41 германиевый детектор общей массой 44,2 кг и с обогащением по изотопу ⁷⁶Ge от 86% до 88%. Новаторские особенности являются ключом к прогрессу достижения ультранизкого фона: в отличие от предыдущих экспериментов с Ge, используются «голые» («безоболочечные»)Ge-детекторы, работающие в криостате, заполненном сверхчистым жидким аргоном (LAr). LAr обеспечивает как охлаждение, так и защиту от радиационного излучения; кроме того, это помогает уменьшить количество монтажных материалов, которые, несмотря на тщательную проверку, всегда содержат ультрамалые остатки радиоактивного загрязнения. Для активной защиты LAr оснащен детекторами света, которые могут определить, возникает ли сигнал в детекторах Ge из-за внешнего радиоактивного фона. Криостат с аргоном, в свою очередь, располагается в резервуаре с ультрачистой водой объемом 590 м³. При этом предусмотрена возможность регистрации событий, вызванных фоновым излучением от фотонов, нейтронов и мюонов, что позволяет успешно идентифицировать фоновые сигналы, возникающие в аргоне и воде. Информацию, позволяющую различить полезные и фоновые события, можно также получить из временного профиля (формы) сигналов Ge-детектора. Коллаборация GERDA использует германиевые детекторы новой конструкции с большей массой, а также разработала новые методы анализа сигналов, которые используются для подавления фона.

Стоит сказать также о решающем вкладе российских институтов и предприятий в успех эксперимента GERDA. Во-первых, ПО «Электрохимический завод» Госкорпорации «Росатом» (http://www.ecp.ru/ ) являлся единственным производителем изотопа ⁷⁶Ge для коллаборации GERDA. Во-вторых, ПАО «Криогенмаш» (г. Балашиха, Московская область, https://cryogenmash.ru/ ) предложило оригинальную идею использования криостата из нержавеющей стали с компактной суперизоляцией и внутренней медной защитой и разработало как его конструкцию, так и инфраструктуру (системы заполнения и тепловой стабилизации).

Следующим естественным шагом на пути к повышению чувствительности является увеличение массы экспериментальной установки при одновременном уменьшении фона по сравнению с текущими уровнем в ~ 30 раз. Это дальнейшее уменьшение фона необходимо, чтобы обеспечить практически «бесфоновый» режим даже при увеличении общей экспозиции.

Рис. 2. Слева: Детектор коллаборации GERDA [2]. Справа: сборка гирлянды германиевых детекторов и система LAr вето [3].

Коллаборация LEGEND приняла концепцию «голых» («безоболочечных») кристаллов Ge, разработанную коллаборацией GERDA, конструкцию защиты с низким Z (вода и аргон) и использования активного вето за счет регистрации сцинтилляционного света аргона и черенковского излучения, возникающего в воде. Индуцированный мюонами фон уменьшается или исключается системой вето. Другой германиевый эксперимент - Majorana Demonstrator - использует 29.7 кг обогащенных по ⁷⁶Ge (до 88%) и 14.4 кг природных PPC (p-type point-contact) детекторов достиг такого же низкого уровня фона, как и GERDA, несмотря на отсутствие внутреннего активного вето в области детекторов. Это следствие тщательного отбора и контроля радиоактивной чистоты материалов в непосредственной близости от германиевых кристаллов. Экспериментальная установка расположена в подземной лаборатории SURF (the Sanford Underground Research Facility) на глубине 4850 футов в Южной Дакоте, США [4].

Опыт и знания GERDA и Majorana Demonstrator, а также других участников коллаборации LEGEND, обладающих соответствующим опытом, будут иметь решающее значение для реализации программы по дальнейшему подавления фона в LEGEND (Рис. 3).

Рис. 3. Функция зависимости обнаружения 0νββ распада (в единицах T_1/2 на уровне достоверности 3 сигма) от времени измерения и индекса фона установки [5].

Первый этап: LEGEND 200.

На первом этапе эксперимента - LEGEND-200 - до 200 кг Ge-детекторов будут эксплуатироваться, используя существующую инфраструктуру эксперимента GERDA в лаборатории LNGS в Италии. Существующая инфраструктура GERDA достаточна для размещения 200 кг обогащенных детекторов. Коллаборация LEGEND предполагает ряд улучшений, включающие в себя использование более крупных Ge детекторов типа ICPC («Inverted Coaxial Point-Contact» - инвертировано-коаксиальные с точечным контактом) с большей массой [6], улучшенную электронику считывания и более высокую эффективность обнаружения сцинтилляционного света аргона (Рис. 4). LEGEND-200 будет использовать как существующие детекторы Majorana Demonstrator и GERDA типа PPC («P-type Point-Contact»), а также новые детекторы типа ICPC. Новые детекторы имеют рабочие характеристики, аналогичные используемым сейчас детекторам PPC, но имеют гораздо большую массу. Таким образом, количество каналов на кг изотопа и результирующие фоны от кабелей и держателей будут уменьшены по сравнению с текущими экспериментами.

Превосходное энергетическое разрешение, продемонстрированное детекторами типа PPC и ICPC, в сочетании с улучшением фона, достигнутым GERDA и Majorana Demonstrator, позиционирует эксперименты LEGEND-200 и LEGEND-1000 как ведущие эксперименты в этой области на сегодня.

Основные цели коллаборации на первой фазе эксперимента LEGEND-200: повысить чувствительность к процессу безнейтринного двойного бета-распада в ⁷⁶Ge, до 10²⁷ лет на 90% уровне достоверности, а также открытия 0νββ распада, определяемого как 50% вероятность обнаружения сигнала со статистической значимостью 3σ. Указанная чувствительность к периоду полураспада может быть достигнута при экспозиции 1 т_·год и при условии режима работы установки, близкого к «бесфоновому» (индекс фона 0,6 отсчетов/(ПШПВ_·т_·год)).

Улучшения, реализованные в рамках этапа LEGEND-200, должны быть применимы при подготовке этапа LEGEND-1000, или же будут помогать при его подготовке.

Рис. 4. Схема модификации существующей инфраструктуры GERDA для проведения эксперимента LEGEND 200.

Второй этап: LEGEND 1000.

На следующем этапе новая установка, LEGEND-1000, вмещающая до 1000 кг детекторов, размещаемых в отдельных секциях, будет работать при еще более низком фоне, менее 0,1 отсчетов/ (ПШПВ_·т_·год), т.е. как минимум в шесть раз ниже чем LEGEND-200 [7]. При этом расчетная экспозиция ≥ 10 т_*год будет достигнута при эксплуатации 1000 кг детекторов в течение 10 лет. Это потребует создания новой инфраструктуры и более амбициозной цели для достижения фоновых условий, чтобы оставаться в «бесфоновом» режиме работы установки.

Несколько вариантов LEGEND-1000 все еще рассматриваются, но исходная базовая конструкция - это «голые» («безоболочечные») детекторы из ОЧГ (особо чистого) германия, работающими непосредственно в жидком аргоне. Влияние радиоактивности от присутствия изотопов U- и Th-рядов необходимо снизить за счет оптимизации расстояния между гирляндами детекторов, минимизации массы окружающих детекторы материалов, использования более крупных детекторов, более эффективной регистрации сцинтилляционного света LAr и применения более чистых материалов. Содержание изотопа ⁴²Ar будет снижено за счет использования Ar из подземных источников, а поверхностное альфа-загрязнение кристаллов будет уменьшено за счет улучшенной технологии процесса производства детекторов. Поскольку процесс обогащения материала и производство детекторов будут длиться несколько лет, планируется размещать в установке вновь изготовленные детекторы несколькими партиями по ~ 250 кг кристаллов каждая (Рис. 5).

Рис. 5. Эскиз базовой конструкции криостата для детектора LEGEND -1000.

Место для новой инфраструктуры для этапа LEGEND-1000 еще предстоит выбрать, и тогда, как ожидается, самое ранее его начало будет в 2026-2027 годах, после получения соответствующего финансирования. Поток мюонов космических лучей может быть уменьшен в 100 раз по сравнению с его потоком в лаборатории LNGS (толщина горной породы 1400 м), например, в таких подземных лабораториях глубокого заложения, как SNOLAB (толщина горной породы 2000 м) в Канаде и лаборатория CJPL (толщина горной породы 2400 м) в Китае. Тем не менее, согласно текущему анализу результатов экспериментов GERDA и Majorana Demonstrator, лаборатории LNGS и SURF (США) остаются потенциальными площадками для проведения полномасштабного эксперимента LEGEND-1000.

1. The Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless ββ Decay: Legend-200 at LNGS. Proposal LNGS-P 58/18. Submitted: March 19, 2018.
2. Gerda Collaboration, Eur. Phys. J. C 73 2330 (2013).
3. Gerda Collaboration: Eur. Phys. J 78 388 (2018).
4. K.T. Lesko. The Sanford Underground Research Facility at Homestake (SURF). Phys.Procedia 61 (2015) 542-551.
5. Myslik J. for the LEGEND Collaboration, CIPANP 2018, Palm Springs, California. arXiv:1810.00849v1 [physics.ins-det] 1 Oct 2018.
6. Kermaidic Y. et al., Nucl. Instrum. Meth. А 891, 106 (2018).
7. N. Abgrall et al., The Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double Beta Decay (LEGEND). Published in AIP Conf.Proc. 1894 (2017) no.1, 020027. arXiv:1709.01980 [physics.ins-det].