Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. ДВОЙНОЙ БЕТА-РАСПАД И НАРУШЕНИЕ ЛЕПГОННОЙ
СИММЕТРИИ В КАЛИБРОВОЧНЫХ ТЕОРИЯХ 12
1. Масса нейтрино и L -несохранение 23
2. Массы \и ^ в лево-право симметричных моделях 25
3. Механизмы р>|^ -распада 28
4. Общая форма гамильтониана взаимодействия 36
5. Нейтринная массовая матрица 39
DIABA II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ ЯДЕРНЫХ МАТРИЧНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ И ВЕРОЯТНОСТЕЙ р> р> -ПЕРЕХОДОВ 45
1. Матричные элементы и вероятность
двухнейтринного (bjb -распада 45
2. Оценка параметров ЫЪ(20)-распада некоторых изотопов в предположении доминантности 1+ -
уровня промежуточного состояния 47
3. Расчет матричного элемента и вероятности
20(О+->0+) |Ьр>-перехода I50Nd - I50Sm 52
4. Вероятности, энергетические спектры и угловые
корреляции различных механизмов (Ь(Ь (00)-распада 54
ГЛАВА Ш. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 71
1. Прямые эксперименты 71
2. Геохимические эксперименты 98
ГЛАВА ІУ. МНОГОМЕРНЫЙ АНАЛИЗ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПО ПОИСКУ
(Ьр> РАСПАДА I50Nd IC7
1. Детектирующая установка и система накопления и
обработки данных 107
2. Многомерные спектры различных мод и механизмов
[Ъ|Ъ-распада I50NoL 130
3. Измерение радиоактивных примесей в образцах
обогащенных изотопов и поиски 0+- 2+переходов.. 136
ГЛАВА У. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА 141
1. Экспериментальные ограничения на параметры
нарушения лептонного числа .... 141
2. Ограничения на Дт. в нейтринных осцилляциях
типа Ор<->>)е из данных по ЬВ> -распаду 152
ЗАКЛКЯЕНИЕ 161
ЛИТЕРАТУРА 164
Введение к работе
В последнее время появилось много теоретических работ, посвященных двойному бета-распаду и связанным с ним проблемам.
Этот интерес вызван в первую очередь тем, что в случае, если данный процесс имеет место, то его детальное изучение может дать необычайно богатую информацию о слабом взаимодействии. В частности, точые характеристики различных механизмов двойного бета-распада могут помочь в решении таких проблем, как масса нейтрино и его тип (майорановское, дираковское или псевдо-дираковское); существование примеси правых токов в слабом взаимодействии; конкретный вид нейтринной массовой матрицы и смешивание между нейтрино; степень нарушения лептонного числа (или В -L симметрии); существование компонент нейтрино с различными СР-фазами; реальный вид электрослабой симметрии и групп, входящих в модели Великого Объединения; конфигурация хиггсовского сектора; возможность и строение лево-право симметричных моделей; существование и масса правых промежуточных бозонов; реальность теоретически предсказываемого безмассового голдстоуновского бозона - майорона ( р>^> -распад - единственный процесс, способный "почувствовать" майорон) и величина его константы связи с нейтрино; возможность существования реликтовых майоронов, сопровождающих вспышки сверхновых; стабильность нейтрино или существование тяжёлых и сверхтяжёлых (правых) нейтрино, способных распадаться на лёгкие (левые) нейтрино и, например, майорон; нейтринные осцилляции, а также связанные с этими проблемами космологические следствия. Этот перечень можно продолжить .
Число экспериментальных работ по поиску Aft -распада также постепенно увеличивается, хотя и не так быстро, поскольку ожидаемая вероятность /Ьр, -процесса очень мала и для постановки эксперимента требуется уникальное экспериментальное оборудование и сверх- низкофоновые условия (необходимо регистрировать несколько десятков событий в год). Наибольшие успехи достигнуты в экспериментах с de(Li) полупроводниковыми детекторами, где ожидается зареги-стрировать &Й> -распад Ge.
Однако, ни в одном прямом эксперименте (Ь[ї> -распад пока не наблюдался и были установлены лишь пределы на период полураспада. К настоящему времени в подземной низкофоновой лаборатории Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований АН СССР закончен один из этапов экспериментального изучения (Ьр, -распада различных изотопов. В качестве образца использовало лось 50 г обогащенного изотопа Nd, который на сегодняшний день рассматривается как наиболее перспективныйй для обнаружения |Ь|Ї>-распада по ряду причин, а именно:
1) По энергии перехода (3,37 МэВ) Nd является вторым после Са (4,27 МэВ) в ряду потенциально ^>& -активных изотопов, а следовательно, имеет высокую относительную вероятность |Ьр> -распада, которая пропорциональна объёму фазового пространства.
2) Эта же вероятность находится в прямой зависимости от ядерного матричного элемента перехода, который по теоретическим оценкам для Са намного меньше, чем для Nd. В силу этого, теоретические предсказания на время жизни Nd по отношению к различным модам |3>Р> -распада сравнимы, а в ряде случаев и более
48^ оптимистичны, чем для Са.
3) В настоящее время Госфонд стабильных изотопов СССР имеет в наличии около 70 г обогащенного (98%) изотопа &иЫс1 ( из них 50 г - в нашей лаборатории) и только 3 г обогащенного изотопа 48Са.
4) Экспериментов с Nol на соответствующем уровне не про водилось, не проводится и, насколько известно, не планируется. (Результаты эксперимента 1971 года дали предел Tjy^Jbfc, 0у) ) - б - то от ор :> 5,1x10 лет при теоретических оценках Tj/gCp^ ,0v)~I0 -ї-10 ).
В рамках настоящей работы для проведения всестороннего поиска и (в случае обнаружения) детального изучения [Ъ|Ь -процесса на Nd впервые для такого рода экспериментов был предложен и разработан метод многомерного анализа спектров двух электронов, вылетающих из образца при ЫЬ -распаде. Этот метод даёт следующие преимущества:
Значительное снижение фоновой скорости счёта по сравнению с экспериментами, в которых регистрируется только одномерный спектр суммарной энергии электронов.
Возможность регистрации практически всех параметров, характеризующих ьр> -распад (к которым относятся: суммарная энергия двух электронов, энергетическое распределение одиночных электронов, угловое распределение электронов, спектр гамма-квантов, сопровождающих переход на возбуждённый уровень), без существенного снижения полной эффективности регистрации.
Расчёт многомерных спектров для конкретной экспериментальной установки и сопоставление их с многомерной корреляцион- ной матрицей событий с 50 г Nd показали уникальную возможность одновременного детектирования практически всех возможных мод и механизмов fcfo -распада. Это осуществимо благодаря тому, что в многомерном представлении области, соответствующие различным каналам реализации |Ъ|Ъ -процесса практически не перекрываются на уровне 68% доверительного интервала.
Последнее особенно важно для правильной интерпретации экспериментальных результатов, т.к.пределы, обычно устанавливаемые для массы майорановского нейтрино
Кроме того, эксперименты подобного типа /38/ предназначены для регистрации только суммарной энергии электронов и малоинформативны в смысле идентификации конкретных механизмов е>& -процесса.
Целью настоящей работы являлось: I) разработка и создание экспериментальной установки и соответствующих методов сбора и обработки информации, позволяющих: а) значительно повысить чувствительность эксперимента по двойному бета-распаду, б) вести отбор событий по целому ряду характеристик, присущих каждому конкретному механизму р>р>-процесса, в) измерять одновременно все возможные моды р>(Ъ -распада; 2) проведение расчёта функциональных зависимостей, входящих в формулы вероятностей различных fefc» -процессов, для всех изотопов - потенциальных р>1Ь -излучателей и выявление наиболее перспективных из них для данного эксперимента; 3) осуществление долговременного эксперимента и извлечение из полученной информации наиболее достоверных, т.е. в наименьшей степени зависящих от теоретических оценок, значений параметров нарушения лептонного числа и ряда ядерных параметров или соответствующих пределов на эти величины.
Новизна работы. Представленная в диссертации работа является первой экспериментальной работой, в которой для обнаружения fofi» -распада применён перспективный метод многомерного анализа событий, позволяющий вести одновременные измерения всех наиболее интересных мод и механизмов ftft -процесса. Данная работа является также первой в СССР работой по изучению р>р> -распада &uJMd.
Полученные пределы на время жизни Not относительно различных мод ЫЪ -распада значительно превышают результаты, представленные - о - ранее зарубежными авторами /39,40/, например, предел на время жизни относительно безнейтринного р>р> -распада более чем на три порядка величины превышает прежний результат /40 /.
Впервые была изучена возможность существования безмассового голдстоуновского бозона ( майорона), т.е. возможность нарушения глобальной "B-L"-симметрии и установлен из прямого эксперимента предел на константу связи майорона с нейтрино. Благодаря предложенному методу из процедуры обработки экспериментальных результатов были исключены 2-а из 4-х малоизвестных параметров, входящих в формулы вероятности jbji-процессов, что в отличие от других экспериментальных работ позволило извлечь более достоверные пределы на массу нейтрино и примесь правых токов в слабых взаимодействиях.
Установлен верхний экспериментальный предел на величину ядерного матричного элемента перехода при р>р> -распаде Not и показано, что данный результат вступает в противоречие с теоретическими оценками, сделанными на основе оболочечной модели ядра, и согласуется с результатами анализа геохимических измерений. Также
ТОЙ TQf) впервые установлены пределы на периоды полураспада Зп* Те и til относительно р>р>-переходов на первые возбуждённые уровни.
Научная и практическая значимость работы. Большой научный интерес к новым данным по двойному бета-распаду связан в первую очередь с уникальностью этого процесса, т.к. его детальное изучение или новые пределы на характеризующие его величины могут дать необычайно богатую информацию о слабом взаимодействии, строении атомных ядер, конкретном виде группы электрослабой симметрии и групп, входящих в модели великого объединения, конфигурации хиг-гсовского сектора, реальности теоретически предсказываемого безмассового голдстоуновского бозона, нейтринных осцилляциях, стабильности нейтрино, а также о связанных с этими вопросами космологических проблемах.
В частности, полученный в данной работе предел на массу майорановского нейтрино в совокупности с другими измеренными - 9 -здесь же величинами показывает, что на сегодняшний день ни один из прямых экспериментальных результатов по (3>р> -распаду не вступает в противоречие с результатами тритиевого эксперимента, т.е. пока не противоречит гипотезе о майорановском типе нейтрино.
Установленный предел на массу правого промежуточного бозона ( если нет смешивания ) закрывает возможности для реализации некоторых лево-право симметричных моделей, в которых предсказываемая масса данного бозона меньше нового экспериментального предела и тем самым сужает круг поиска групп симметрии, действительно реализуемых в природе.
Полученный в работе предел на константу связи майорона с нейтрино позволяет надеяться на возможность обнаружения гипотетического океана реликтовых майоронов во Вселенной посредством регистрации временной последовательности импульсов от нейтрино различных сортов, рождённых во время взрывов сверхновых и упруго рассеянных на реликтовых майоронах /41 /. Этот же предел наклады^-вает ограничения на возможную нестабильность нейтрино, т.е. на вероятность распадов типа "0ТЯЖ~* ^лёг + ^айоРон» если такие процессы могут в принципе существовать/ I /.
Значительные расхождения между экспериментальным и теоретическими значениями ядерного матричного элемента перехода М^ указывают на необходимость пересмотра модели ядерных оболочек как адекватного приближения для расчётов ядерных переходов подобного типа и тем самым инициируют новые работы по изучению структуры атомных ядер.
Практическая значимость работы состоит в возможности широкого применения разработанного на основе многомерного анализа метода для изучения двойного электронного распада, кроссинг-процесса с испусканием позитрона и захватом электрона с К-оболочки, распада с испусканием двух позитронов на различных изотопах, а также других редких многочастичных процессов в условиях низкого фона естественной радиоактивности.
Предложенный метод энергетической калибровки органических - 10 -сцинтилляторов может эффективно использоваться для различных детектирующих систем.
Разработанная автором библиотека специальных программ для миниЭВМ, включающая широкий спектр задач по управлению низкофоновыми экспериментами, отбору и статистической обработке редких событий, компановке и графичесокому изображению многомерных спектров должна представлять несомненный интерес для лабораторий, применяющих современные измерительно-вычислительные комплексы.
Автор защищает;
1. Новые экспериментальные пределы на время жизни Nd отно сительно различных мод и механизмов R>fe -распада: Tj/gt^) ** 1,8x10 лет - для двухнейтринной моды; Tj/(0^ ) ^1x0x10 лет - для майоронной моды; Tj/2(01),1^^ 0) 1,7x10 лет - для безнейтринной моды, механизм с ненулевой массой нейтрино; ^1/2^^'\и/ 0) 1,1x10 лет - для безнейтринной моды, механизм с отличной от нуля примесью правых токов. ( Все пределы для 0+- 0+ переходов)
2. Экспериментальный предел на величину ядерного матричного эле- мента гамов-теллеровского перехода Not-> Sm+ 2е~+ 2^ : GtUo,4
Процедуру расчета параметров нарушения лептонного числа, исключающую две из четырех малоизвестных величин, входящих в формулы для вероятности |Ъ|Ь-процессов (В случае обнаружения эффекта по всем механизмам).
Рассчитанные на основе приведенных выше пределов на время жизни и верхней границы разрешенной области для | MgJ ограничения на: - II -
Массу майорановского нейтрино (Wv> 29 эВ; Параметр примеси правых токов IARHel 4 2,2x10 ;
Массу правого промежуточного бозона Mw ^5,5 ТэВ;
Константу связи майорона с нейтрино lfl0| 4 1,5x10 .
124 5. Впервые установленные пределы на периоды полураспада Sri,
Те, N11 относительно р>р> -переходов на первые возбуждённые уровни: Т1/2(1505п(0+)"->:Е52Те(2+) } >4,1хЮ19лет; Tj/gC1^ (0+)—>J^Xe(2+) ) >3,2хІ0І9лет; TI/2( 28Nl (0+)—> 2б'Гв(2+) } ^IfbcIO^W
Преимущества разработанного на основе многомерного анализа метода в "применении к экспериментальному изучению возможных вв-процессов на различных изотопах.
Перспективность проведения измерений с изотопом Not как с одним из наиболее вероятных life -излучателей.
Высокую чувствительность детектирующей установки, позволившую достичь предела на время жизни NcL относительно безнейтринного е>[?> -распада, более чем на три порядка величины превышающего прежний результат.
Все эксперименальные пределы даны при 95%-ом уровне доверительной вероятности. Предел наМу/ даётся в пренебрежении смешиванием между WL и W^ .
