Введение к работе
Актуальность темы
Нейтринная физика является в настоящее время одним из приоритетных направлений физики элементарных частиц. Это связано, в первую очередь, с обнаружением осцилляции нейтринных ароматов в экспериментах с солнечными и атмосферными нейтрино и с реакторными антинейтрино. Наблюдение нейтринных осцилляции означает, что масса нейтрино отлична от нуля. В связи с этим большую важность приобрели эксперименты по ее непосредственному измерению - такие, как поиск безнейтринного двойного бета-распада, эксперименты по изучению ^-спектра трития, космологические ограничения Уникальность /?/?-распада состоит в том, что его исследование кроме измерения абсолютной шкалы массы нейтрино, способно пролить свет также на следующие фундаментальные проблемы теории элементарных частиц:
несохранение лептонного числа;
природа массы нейтрино (майорановская или дираковская);
существование правых токов в слабом взаимодействии;
СР-нарушение в лептонном секторе,
существование майорона;
структура хиггсовского сектора;
суперсимметрия;
существование лептокварков;
существование тяжелого стерильного нейтрино;
составное нейтрино
Обнаружение безнейтринного /3/3-распада, независимо от его механизма, будет озпачать, что нейтрино - массивпые майорановские частицы Однако, в силу обнаружения ненулевой массы нейтрино в экспериментах і'п{ГіНЄйщш^^ГШ№іляциям,
І 6И6ЛЦОТЕКА АЧ/
именно массовый механизм безнейтринного /?/?-распада рассматривается как наиболее вероятный сценарий В этом случае амплитуда процесса пропорциональна эффективной массе нейтрино (т„) Следовательно, период полураспада зависит от (т„) как-
(^Г' = (^)2ЧМоЛа
(1)
где Ga„ - кинематический фактор (фазовый объем лептонов), М0|/ ядерный матричный элемент (ЯМЭ) перехода
Из-за смешивания, вклад в эффективную массу дают все три массовых состояния
(m„) =
т.с
= \mi\Uel\2 + m2|t/e2|V" + т,|ГЛз|2е'од' [, (2)
где U„ элементы матрицы смеїпивания, ац, а3і СР-нарушающир майорановские фазы матрицы смешивания. Элементы матрицы смешивания можно параметризовать тремя углами смешивания, а массы т, выразить через массу легчайшего нейтрино и разности масс Дт^ и Дт|3) измеренные в экспериментах с нейтринными осцилляциями.
В настоящее время достаточно точно измерены параметры солнечных и атмосферных осцилляции Дгт!?,, ва, Дтпд, 0д', а также существует экспериментальное ограничение на третий угол #п К сожалению, неизвестен знак разности масс, и не ясно к каким массовым состояниям эти разности относятся Таким образом, тк Дтэ -С Дтпд, возможны следующие предельные случаи иерархии масс 1) нормальная иерархия (NH) Дт12 = Дте и roij2 < т3, 2) обратная иерархия (Ш) Дтпі2 = Атпа яті < пг2,з, 3) вырожденная иерархия (QD) mt ~ т2 ~ т3 ~ гщ и ml » Дт^, Дго|
В работе [10] тщательно проанализированы все три случая и показано что используя известные параметры осцилляции, можно получить следующие предсказания для эффективной майорановской массы нейтрино-
1(^)1^^53 мэВ (3)
|(т„)|/и~9-51 мэВ (4)
l(m„)!0D>43 мэВ (5)
Это означает, что в существующих экспериментах имеется потенциальная возможность наблюдать безнейтринный ДО-распад в случае реализации сценария вырожденной иерархии масс Помимо экспериментов по /?/?-распаду, ограничения на массу нейтрино дают также тритиевые эксперименты (mVt < 2 2 эВ (11]) и космологические модачи (Х)т„, < (0 42 - 1 7) эВ [12, 13])
Наряду с массовым механизмом, возможен также безнейтринный распад, обусловленный присутствием правых токов в Лагранжиане слабого взаимодействия
Кроме того, если нейтрино - майорановская частица, это означает несохранение лептонного заряда L. Возможно несколько теоретических схем, описывающих такое нарушение, и одна из них - спонтанное нарушение глобальной (B-L) симметрии При этом возникает безмассовый голдстоуновский бозон, называемый майороном, связанный с нейтрино. Модель "стандартного" триплетного майорона была закрыта данными LEP, однако существует ряд альтернативных теорий не противоречащих LEP. В этих теориях появляются скаляры, связанные с нейтрино, и по аналогии их также называют майоронами. В случае существования майорона возможен безнейтринный ,9,6-распад с испусканием одного или двух (в зависимости от типа связи с нейтрино) скаляров. Поиск этой моды распада представляет несомненный интерес.
Для правильной интерпретации результатов экспериментов по поиску 2/30^ необходимо привлечение теории атомного ядра - в частности, для вычисления матричного элемента перехода М0„ в (1). Важным источником информации для этой теории служит двухнейтриниая мода распада (2/32f), разрешенная в рамках стандартной модели. В настоящее время удалось экспериментально обнаружить 2/32v распад десятка ядер Точность многих измерений невелика из-за крайне малой скорости процесса В связи с этим представляется важным уточнение и прецизионное измерение параметров этого распада для возможно большего числа ядер.
Эксперимент NEMO 3 [9, 14] является на данный момент одним из крупнейших действующих экспериментов по поиску 2fiQv распада, наряду с экспериментом Couricinno (болометр из кристаллов ТеОг, прототип COURE) [15]. Основная цель эксперимента - поиск 2/30і> распада, с планируемой чувствительностью ~ 1025 лет, что соответствует (m„) ~ (01 — 03) эВ. Его отличительной особенностью является возможность реї истрировать электронные треки, что принципиально важно для доказательства существования 2/?0і/ распада и эффективного подавления фона. Другая важная особенность детектора - возможность измерять несколько изотопов-кандидатов одновременно. Сейчас в детекторе установлено 7 изотопов: 100Мо, ^Se, U6Cd, ,50Nd, 130Те, xZc и 48Са. Планируется изучить двойной бета-распад каждого из них
Цель диссертационной работы
Целью данной работы являлось всестороннее исследование ДО-распада 100Мо и 82Se на детекторе NEMO 3, включая:
1. Прецизионное измерение двухнейтринной моды распада.
2 Поиск безнейтринного распада, обусловленного массовым механизмом. Заключение о возможной эффективной майорановской массе нейтрино.
-
Поиск безнейтринного распада, обусловленного правыми токами в слабом взаимодействии. Заключение о возможной величине соответствующих членов в Лагранжиане слабого взаимодействия.
-
Поиск различных мод безнейтринного распада с испусканием майорона(ов). Заключение о возможных значениях константы связи майорона с нейтрино.
Научная новизна и практическая ценность работы
Научная новизна работы определяется следующим.
В результате обработки набранного детектором за 5797 часов измерений массива данных была получена самая большая в мире статистика по 2j32i/ распаду 100Мо (« 100000 событий) с чрезвычайно низким уровнем фона (соотношение сиг иал/фон=44), что позволило провести прецизионное изучение 2/32^ распада Было установлено доминирование нижнего 1+ состояния промежуточного ядра тоТс в амплитуде перехода и получено самое точное на сегодняшний день измерение периода полураспада (Ті/г) 100Мо. Наряду с этим, было получено наиболее точное значение Ті/2 для e2Se Набранная статистика (« 1300 событий) является самой большой в мире для 82Se Эти результаты представляют интерес для теории атомного ядра и расчетов ЯМЭ.
В ходе поиска безнейтринных мод распада были установлены самые жесткие на сегодняшний день нижние пределы на периоды полураспада ,00Мо и 82Se Установленные пределы на эффективную майорановскую массу нейтрино сравнимы с результатом измерений с 76Ge, однако полученные в эксперименте с другими изотопами, они представляют несомненную ценность, нивелируя неопределенность, связанную с расчетами ЯМЭ.
В результате поиска распадов с испусканием майорона(ов) были установлены лучшие на текущий момент ограничения на период полураспада 100Мо и 82Se Был исследован целый ряд моделей, приводящих к различным видам полного спектра электронов (см. рис 1). Следует отметить, что благодаря малому уровню фона в области низких энергий, NEMO 3 оказался особенно чувствительным к распадам со спектральным индексом п — 2,3 и 7. Установленные пределы на возможную константу связи майорона с нейтрино являются лучшими в мире на сегодняшний день
Кроме того, наработанный опыт (измерение чистоты источников по Т1 и Q14Bi, исследование источников фона и методов его подавления, программное обеспечение и методика анализа данных) будет использоваться при дальнейшей эксплуатации NEMO 3 и в процессе подготовки следующего большого эксперимента аналогичной конструкции (SuperNEMO).
Полученные данные представляют интерес для физики элементарных частиц и ядерной физики Так например, результаты по двухнейтринному распаду используются в ядерной физике при расчетах ЯМЭ
Результаты, выносимые на защиту
-
Разработка методики анализа и интерпретации данных NEMO 3 Разработка соответствующего математического и программного обеспечения
-
Исследование источников фона в детекторе NEMO 3
-
Исследование ДО-распада 1С0Мо.
Измерен Т2,^" и определен матричный элемент перехода M^Jf (0+)
- Установлены пределы на 2/30i> распад за счет массового механизма и па значение
К).
Установлены пределы на 2/?0f распад за счет механизма правых токов и на параметр Л в лагранжиане
- Установлены пределы на распады с испусканием майорона(ов) для 4-х видов
спектра, с индексами n = 1,2,3 и 7 А также соответствующие ограничения на кон
станту связи (&с).
4. Исследование ДО-распада 82Se.
Измерен Т2^2" и определен матричный элемент перехода М^ (0+).
Установлены пределы на 2/30^ распад за счет массового механизма и на значение (т„).
Установлены пределы на 2/?0г/ распад за счет механизма правых токов и на параметр А в лагранжиане.
Установлены пределы на распады с испускапием майорона(ов) для 4-х видов спектра, с индексами п = 1,2,3 и 7. А также соответствующие ограничения на константу связи (<7ее)
Апробация диссертации и публикации
Физические результаты, изложенные в диссертации, докладывались диссертантом на международной конференции YS1-NDM03 (Нара, Япония), рабочих совещаниях сотрудничества NEMO в 2000-2004 годах. Результаты также представлялись на конференциях NANP2003 (Дубна , Россия), TAUP2003 (США), НЕР2003 (Германия), конференции "Физика фундаментальных взаимодействий" 2004 (ИТЭФ, Москва) и Neutrino2004 (Париж, Франция).
Основные физические и методические результаты диссертации были опубликованы в 9 работах, в том числе одна публикация в журнале, рекоммендованном ВАК Список публикаций приведен в конце автореферата [1-9].
Личный вклад диссертанта
Диссертант был активпым участником эксперимента NEMO с 1999 года. Принимал участие в выборе оптимальных для функционирования детектора параметров, в частности толщины источников и величины магнитного поля Выполнял работы по сборке и наладке экспериментальной установки NEMO 3. Проводил сеансы измерений с калибровочными источниками г07Ві и сеансы набора физических данных по ДО-распаду Разработал математическое и программное обеспечение для анализа данных с детектора NEMO 3. Исследовал энергетическое разрешение калориметра и систематической погрешности детектора, а также фоновые условия в детекторе NEMO 3. Получены результаты по ДО-распаду 100Мо и 82Se. Им был внесен большой вклад в подготовку материалов для публикаций и докладов па международных конференциях.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения Ее объем 99 страниц, включая 29 таблиц, и 36 рисунков Список цитируемой литературы содержит 104 наименования
