Введение к работе
Актуальность темы
К концу XX века были фактически завершены построение и экспериментальная проверка Стандартной модели физики элементарных частиц. Тем не менее, уже несколько десятилетий предпринимаются попытки экспериментально отыскать новую физику, не укладывающуюся в рамки Стандартной модели. В данной работе речь пойдет о двух различных направлениях поиска новой физики: двойном /3-распаде, могущем пролить свет на природу нейтрино, и поиске частиц темной материи.
Физика нейтрино является одним из приоритетных направлений развития физики элементарных частиц, в частности благодаря обнаружению нейтринных осцилляции (см., например, [1]). Из существования нейтринных осцилляции напрямую следует наличие у нейтрино ненулевой массы. Соответственно, необходимо изучение других фундаментальных свойств нейтрино, в частности, природы этой частицы: майорановской или дираковской (см., например, [2]). Одними из немногих экспериментов, способных определить природу нейтрино, являются эксперименты по поиску двойного безнейтринного /3-распада.
Двойной /3-распад представляет собой очень редкий процесс, в котором два нейтрона в ядре одновременно превращаются в два протона, при этом должны вылетать два электрона. Стандартная теория слабого взаимодействия требует, чтобы при этом вылетали два электронных антинейтрино
(A,Z)^ (A,Z + 2) + 2е" + 2v.
Э. Майорана в работе [3] показал, что возможно существование нейтрино, тождественного своей античастице — антинейтрино, при этом все результаты теории слабого взаимодействия остаются верны. Такой тип нейтрино называется майорановским (в отличие от дираковского), их различие существенно только в случае ненулевой массы нейтрино.
Для майорановского нейтрино возможен процесс безнейтринного двойного /3-распада
(A,Z)^(A,Z + 2) + 2е~.
В этом случае нарушается сохранение лептонного числа, данный процесс запрещен в рамках стандартной модели. Поскольку слабое взаимо-
действие имет V-A структуру, то помимо тождественности нейтрино и антинейтрино требуется еще и переворот спина виртуального антинейтрино в процессе распада. Вероятность этого процесса пропорциональна квадрату массы нейтрино.
Таким образом, изучение двойного /3-распада позволяет не только определить природу массы нейтрино, но и в случае майорановского нейтрино оценить его массу. Для извлечения массы нейтрино из данных по безнейтринному каналу для двойного /3-распада необходимо знание ядерного матричного элемента. Его теоретические оценки затруднительны, а для экспериментальной проверки используемых теоретических моделей можно использовать данные по двухнейтринному каналу распада.
В настоящий момент двухнейтринная мода распада открыта для 10 ядер. Одним из ядер, не входящих в это число, но способных к двойному /3-распаду, является 136Хе. Несмотря на интенсивные исследования, его двухнейтринный распад до сих пор не обнаружен, существуют лишь верхние пределы на его период полураспада, поставленные в эскперимен-тах BNO ([4]) и DAM А ([5]). Исследованию двойного /3-распада изотопа 136Хе и посвящен эксперимент ДЕВИЗ, рассматриваемый в первой части диссертации.
Другой эксперимент, ZEPLIN-III, посвящен поиску темной материи. В настоящее время многочисленные данные об устройстве Вселенной показывают, что ее суммарная кривизна близка к нулю, соответственно, она является плоской, что требует для параметра плотности материи и энегии Q значения, близкого к единице. Но по данным спутника WMAP ([6]) наблюдаемая барионная материя во Вселенной вносит в параметр плотности вклад только на уровне 4.6%. Наибольший вклад на уровне 72.6% приходится на долю темной энергии, а оставшиеся 22.8% — вклад от холодной темной материи. В пользу существования темной материи говорят данные по кривым вращения спиральных и эллиптических галактик (см., например, обзор [7]). Также есть надежные данные о существовании темной материи из данных по гравитационному линзированию, например, из наблюдения столкновения двух галактических кластеров в кластере «Bullet», в котором обнаружено значительное смещение гравитационного центра масс сталкивающихся кластеров от положения центра масс видимой материи ([8]). Одновременно в пользу темной материи говорят неоднородности крупномасштабной структуры
Вселенной ([6]), а также модели первичного нуклеосинтеза ([9]).
В настоящее время существует несколько кандидатов на роль темной материи, но ни одна из известных в настоящее время частиц не может рассматриваться в качестве такого кандидата. Теоретики предлагают в качестве основного кандидата WIMP'bi, или слабовзаимодействующие массивные частицы. Одним из расширений Стандартной модели, предсказывающих существование новых частиц, является теория суперсимметрии, математический аппарат которой был разработан в работе [10]. В этой теории на роль WIMP'ob могут претендовать многие частицы, в частности, нейтралино, снейтрино, гравитино и др. (см. обзор [И]).
Во второй части работы подробно рассматривается двухфазный ксе-ноновый детектор ZEPLIN-III, регистрирующий сигналы от ядер отдачи и измеряющий их энергию с помощью сцинтилляционного и ионизационного сигналов.
Поскольку процессы двойного /3-распада и рассеяния WIMP'ob на ядрах довольно редкие, то для обоих экспериментов очень важна проблема фона. Данная работа посвящена изучению вклада от фоновых процессов в эксперимент ДЕВИЗ и его уменьшению в эксперименте ZEPLIN-III.
Цель работы
Эксперимент ДЕВИЗ проводится разностным методом, поэтому большинство фоновых процессов дают одинаковый вклад как в экспозицию с ксеноном, обогащенным изотопом 136Хе, так и с обедненным ксеноном. Тем не менее, обнаруженный в эксперименте избыток событий в экспозиции с обогащенным ксеноном показал необходимость поиска нестандартных механизмов фона. Целью иследования было изучение одного из фоновых механизмов, связанного с рождением радиоактивных изотопов под воздействием фонового излучения и их дальнейшим распадом.
Другая часть работы посвящена активной вето-системе детектора ZEPLIN-III, которая предназначена для уменьшения числа событий от нейтронного фона в эксперименте. Целью второй части работы было измерение параметров основных элементов вето-системы и получение оценок для её эффективности.
Научная новизна и практическая ценность работы
Для эксперимента ДЕВИЗ был впервые исследован фоновый механизм, связанный с генерацией изотопов под воздействием фонового излучения и способный давать вклад в эксперимент, проводящийся разностным методом. Был получен качественный и количественный состав изотопов, способный повлиять на результаты эксперимента по поиску двойного /3-распада 136Хе, а также приведены количественные оценки их вклада в эксперимент ДЕВИЗ. Подобный механизм фона может играть существенную роль в других низкофоновых экспериментах, а его изучение позволит увеличит чувствительность установки ДЕВИЗ к двойному /3-распаду.
Для эксперимента ZEPLIN-III была впервые создана система активного вето на основе твердых пластмассовых сцпнтплляторов и пластика с добавлением гадолиния. Были получены оценки эффективности та-гирования нейтронов и гамма-квантов. Показано, что система обладает высокой эффективностью при подавлении нейтронного фона, что существенно увеличит чувствительность эксперимента к рассеянию WIMP'ob на ядрах ксенона. Полученная высокая эффективность также позволит применять подобные системы на основе пластмассовых сцпнтплляторов и пластика с добавлением гадолиния в других экспериментах.
Результаты, выносимые на защиту
В работе были рассмотрены некоторые механизмы фоновых процессов в двух экспериментах по поиску редких событий. Для эксперимента ДЕВИЗ по поиску двойного /3-распада 136Хе на защиту выносятся следующие результаты:
Построена модель установки на основе пакета программных библиотек GEANT4.
Проведено исследование нейтронного фона в окрестности установки, получены уточненные значения фонового потока нейтронов и обнаружены дополнительные источники фона.
Получены оценки активностей и спектров испускаемых нейтронов для обнаруженных дополнительных источников.
Определен качественный и количественный состав изотопов, рождающихся в установке под воздействием фонового излучения и способ-
ных дать вклад в разницу числа событий в различных экспозициях.
5. Определена величина вклада в фоновое число событий от распада рожденных изотопов для двух экспозиций с различным изотопным составом ксенона. Полученный вклад составляет 11.9 событий для обогащенного и 3.5 события для обедненного ксенона за 2000 часов и не может объяснить наблюдаемый избыток событий в экспозиции с обогащенным ксеноном.
Для эксперимента ZEPLIN-III по поиску темной материи на защиту выносятся следующие результаты:
Построена модель для изучения сигнала с одиночного пластмассового сцинтиллятора на основе пакета программных библиотек GEANT4.
Измерены с помощью оригинальной методики относительные квантовые эффективности для большой партии фотоэлектронных умножителей.
Измерены параметры пластмассовых сцинтилляторов для активного вето.
Получены кривые зависимости сигнала с ФЭУ от положения точки энерговыделения в сцинтилляторе.
Создана модель работы вето-системы в целом на основе пакета программных библиотек GEANT 4.
Определена эффективность маркировки событий в основном детекторе, вызванных нейтронами и гамма-квантами, которые могли бы быть ошибочно интерпретированы как сигналы от темной материи, в зависимости от установленных порогов срабатывания отдельных модулей.
Апробация работы и публикации
Основные результаты, изложенные в диссертации, были опубликованы в 4 работах [1 -4] из списка публикаций автора. Все работы опубликованы в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК. Материалы, представленные в диссертации, докладывались на совещаниях коллаборации ZEPLIN-III и группы эксперимента ДЕВИЗ, на European School of High-Energy Physics 2008 (г. Гербемон-сюр-Семуа, Бельгия), а также на конференции ИСМАРТ-2008 (г.Харьков, Украина).
Личный вклад диссертанта
Диссертант принимал активное участие в эксперименте ДЕВИЗ с 2004 года. Им было полностью проведено исследование вклада от фонового механизма, описанного в диссертации. Также им было проведено исследование нейтронного фона, обнаружен ряд новых источников фоновых нейтронов и измерены их параметры. Диссертантом была создана компьютерная модель установки, получен качественный и количественный состав рождающихся в ней изотопов, а также получена оценка их вклада в число событий в эксперименте.
В эксперименте ZEPLIN-III диссертант принимал активное участие в создании вето-системы и определении её параметров. Им было проведено измерение параметров фотоэлектронных умножителей и пластмассовых сцинтилляторов, созданы компьютерные модели для изучения сигнала от одиночного сцинтиллятора и для изучения работы вето-системы в целом, а также получены оценки эффективности её работы.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Ее объем 98 страниц, включая 33 рисунка и 11 таблиц. Список цитируемой литературы состоит из 68 наименований.
