1 1 Результаты экспериментов по поиску 2К-захвата 78 Kr и 2β-распада 136 Хе с помощью пропорциональных счётчиков. Ю.М. Гаврилюк 1, А.М. Гангапшев 1, Д.А. Жантудуева 1, В.В. Казалов 1, В.В. Кузьминов 1, С.И. Панасенко 2, С.С. Раткевич 2, К.В. Эфендиев 1, С.П. Якименко 1. 1 Институт ядерных исследований РАН, Москва , Россия 2 Харьковский национальный университет им. Каразина, Харьков 61077, Украина

2 План доклада 1. Методика поиска различных видов 2β- процессов у изотопов инертных газов. 2. Конструкция детектора. 3. Установка «К-захват». 4. Результаты поиска 2К-захвата 78 Kr. 5. Установка «2β-распад» 6. Результаты поиска 2β2ν-распада 136 Хе. 7. Выводы.

3 К началу 2011 года (2β - 2ν)-распад был зарегистрирован для 11 изотопов в прямых измерениях, геохимических и радиохимических экспериментах. В целом наблюдается удовлетворительное согласие расчётов и измерений. Для изотопа 136 Хе были установлены только экспериментальные ограничения, достигающие верхних теоретических оценок и превышающие уже измеренные периоды полураспада для изотопов с похожими энергиями переходов. Для ряда изотопов возможны распады с вылетом двух позитронов и конкурентные к ним электрон-позитронная конверсия и захват ядром двух орбитальных электронов. Эти процессы в прямых измерениях до сих пор не наблюдались ни на одном активном изотопе. Одними из наиболее перспективных для исследования таких процессов являются изотопы 78 Kr и 124 Хе.

4 Методика поиска различных видов 2β- процессов у изотопов инертных газов. Рассмотренные изотопы являются инертными газами, поэтому изучение их радиоактивных характеристик может осуществляться ионизационными детекторами, заполненными исследуемым газом, который одновременно служит источником и рабочей средой. Исследуемые процессы являются чрезвычайно редкими, поэтому их изучение возможно только детекторами с предельно низким собственным фоном.

5 В Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН в течение ряда лет проводятся подземные низкофоновые эксперименты по поиску 2К- захвата 78 Kr и двухнейтринного 2β–распада 136 Хе. В качестве детекторов на текущем этапе исследований применяются одинаковые медные пропорциональные счётчики (п.с.) объёмом ~ 9 л каждый с рабочим давлением до 20 атм. Используются две отдельные низкофоновые защиты. В одной размещен один счётчик (установка «2К-захват»), в другой - два (установка «2β-распад»). Защиты имеют сходное строение, но отличаются конструкционным оформлением и сортами используемых защитных материалов. Установки расположены в разных подземных лабораториях на расстоянии ~200 м друг от друга. Методика поиска различных видов 2β- процессов у изотопов инертных газов.

6 Фон газовых детекторов 1. Космические лучи (космогенные изотопы). Защита – толща земли, выдержка, детекторы антисовпадений. 2. Долгоживущие р.а. элементы: 40 К (Т 1/2 = 1, лет; 0,0118 % в естественном калии); 232 Th (Т 1/2 = 1, лет; 100%) и д.п.р.; 238 U (Т 1/2 = 4, лет; 99,3%) и д.п.р. Защита – слои радиоактивно-чистых материалов. Отбор материалов по результатам измерений: γ -активности на сверхнизофоновом спектрометре с ППД; поверхностной α-активности в ПС. Дискриминация фона. 3. Радиоактивный инертный газ радон в воздухе: изотоп 222 Rn (Т 1/2 = 3,82 сут., α-распад) и д.п.р. Защита – герметизация установки, продувка чистым газом. 4. Радиоактивные изотопы газов: 39 Ar (Т 1/2 = 269 лет, β - - распад, Е βmax = 565 кэВ); 42 Ar (Т 1/2 = 32,9 лет, β - - распад); 81 Kr (Т 1/2 = 2,110 5 лет, е - захват); 85 Kr (Т 1/2 = 10,76 лет, β - - распад, Е βmax = 670 кэВ). Защита – изотопная очистка, использование «старых» газов. Методика поиска различных видов 2β- процессов у изотопов инертных газов.

Продольное сечение медного пропорционального счётчика 7 Конструкция счётчика 1. Материал корпуса, М1 Cu 2. Полная длина, мм Рабочая длина, мм Внешний диаметр, мм Внутренний диаметр, мм Анод из золочёного W, мм Полный объём, л Рабочий объём, л Давление, атт Ёмкость, пФ Сопротивление анода, Ом 613 Внутренний защитный слой меди М0к снизил фон α- частиц в ~20 раз, γ-фон в интервале кэВ – в ~7 раз Сигнал снимается зарядочувствительным предусилителем с одной стороны анодной нити и записывается с помощью цифрового осциллографа ЛА-н20-12PCI в память персонального компьютера

Установка «К-захват» 8 78 Kr + 2e K 78 Se **(К) 2(Se * +Х Кα ) ΔM A = 2866 кэВ K ab =12.65 кэВ, 2K ab =25.3 кэВ K 1 =11.22 кэВ (1.00) K 2 =11.18 кэВ (0.52) K 1 =12.49 кэВ (0.21) k =0.596( x-ray), Р(К+К+е)=0.355 Энергии и относительные интенсивности характеристических линий К-серии Предмет поиска: «многоточечные» события от поглощения в газе двух К-фотонов и каскада Оже- электронов от остаточного возбуждения дочернего атома. Методика поиска: Если точки пространственно разделены в проекции на радиус ПС, то событие будет состоять из последовательности отдельных импульсов тока. Это отражается на форме зарядового импульса. Анализ формы з.и. позволяет определить параметры парциальных импульсов тока.

9 Установка «К-захват» Установка «2К-захват» размещена в отдельной комнате подземного комплекса Галлий-Германиевого Нейтринного Телескопа (ГГНТ). Толща горных пород над комплексом составляет м водного эквивалента (м в.э.). Она ослабляет поток космических лучей в ~10 7 раз до уровня (3,03 ± 0,10)10 -9 см -2 с -1. Стены основного зала покрыты низкорадиоактивным бетоном толщиной ~70 см, снижающим фон γ -излучения от горных пород в ~15 раз. Установка состоит из низкофоновой защиты, собранной из 8 см б.п см Pb + 18 см Cu, и размещённого внутри п.с. Счётчик заполняется исследуемым образцом чистого криптона до полного давления 5.00 атт. без добавления гасящих или ускоряющих газов. Перед заполнением криптон очищается от электроотрицательных примесей в Ti-реакторе при температуре 800 o С. В работе использованы два образца криптона с разным содержанием изотопа: 1) обогащённый образец % 78 Kr; 2) обеднённый образец – 0.002% 78 Kr. Образцы произведены на ультрацентрифугах предприятием ФГУП ПО «Электрохимический завод» (г. Зеленогорск).

мм 1760 мм Защита: 8 см б.п.+ 15 см Pb + 18 см Cu Пример реального импульса Спектр импульсов всех событий от источника 109 Cd (0), одно-точечная (1), двух-точечная (2) и трёх-точечная (3) компоненты. (4) – пик вылета линии 88 кэВ. (а 1 а 2 а 3 )(m < m 1 < m 2 ) Восстановленный импульс Установка «К-захват» λ = (А2-А1)/А1

11 Результаты поиска 2К-захвата 78 Kr Амплитудные спектры фона п.с. с обогащённым криптоном (красные линии, полное время измерений 9457 час.) и с обеднённым криптоном (синие линии, полное время измерений 6243 час.): (а) - все события; (б) – одно-точечные события; (в) – двух-точечные события; (г) – трёх-точечные события; (д) отобранные из спектра (г) по условиям 0.89 кэВ m кэВ, 0.65 m 1 /m 2 1.0; (е) отобранные из спектра (д) для λ > и модельный расчётный спектр для 2К-захвата. (б) (в) (г) (д) (е)

12 Фон в области энергий (22.0÷29.0) кэВ в спектре обогащённого криптона равен N 1 = 15 за 9457 час., в спектре обеднённого криптона – N 2 = 4 за 6243 час. (~6 за 9457 час.). Из рекомендаций работы [*] для величин (эффект+фон) = 15 и (фон) = 6 следует, что на 90% уровне достоверности эффект за 9457 час. равен N Э = или n э = год -1. Расчёт значения периода полураспада произведён по формуле: Т 1/2 = (ln2)×N×p 3 ×ε п ×ε 3 ×α k ×k / n э, где N= – количество атомов 78 Kr в рабочем объёме счётчика, p 3 =0.355 – доля 2К-захватов, сопровождающихся вылетом двух К-квантов; ε п =0.809 – вероятность поглощения двух К-квантов в рабочем объёме; ε 3 =0.422 – эффективность отбора трёх-точечных событий от 2К-захвата 78 Kr; α k =0.985 – доля событий с двумя К-квантами, которые могут быть зарегистрированы в виде различимых трёх-точечных событий; k = – коэффициент отбора полезных событий для заданного порога по λ. Был получен результат: Т 1/2 (2К, 2ν+0ν) = ( ) лет (90% у.д.). Результаты поиска 2К-захвата 78 Kr [*] - G. J. Feldman and R. D. Cousins. A Unified Approach to the Classical Statistical Analysis of Small Signal, arXiv:physics/ v2.

13 Теоретические предсказания разных моделей: T 1/2 (2β2 ν )-моды: 1, , лет. T 1/2 (2β0 ν )-моды {| |=1 эВ}: 2, , лет. Полная кинетическая энергия двух испущенных электронов для различных каналов распада 136 Хе: (2β2 ν ) – двухнейтринная мода; (2β0 ν ) – безнейтринная мода; (2β0 νχ ) – безнейтринная мода с одним майороном. Образцы ксенона Установка «2β-распад» 136 Хе (2β - 2 ν ) 136 Ва (Q ββ = 2468 кэВ)

14 Схематический вид установки Защита (23 см Pb + 8 см б. п см Cu) Импульс от электронаИмпульс от α-частицы Параметры: Амплитуда – АЕ Длительность фронта – τ Ф Параметр формы - δ Ф δ Ф 990 для α-частиц Установка «2β-распад» Этап сборки установки

15 а - Суммарные спектры фона счётчиков с обогащённым ксеноном (синяя линия) и с фоновым ксеноном (красная линия) за время набора час.; б – Разностный спектр исходный (красная линия) и сглаженный (тёмная линия). (а) (б) Результаты поиска 2β2ν-распада 136 Хе Влияние отбора по δ Ф на форму спектра: синий – полный спектр фона; красный – спектр событий с отобранный для δ Ф 990 Отобраны события с параметрами: τ Ф 10 μс (устранение микроразрядов) и δ Ф 990 (устранение фона α-частиц) Проведено четыре серии измерений длительностью 3300 час., 4170 час., 6410 час., 6400 час. В начале серии газы в счётчиках менялись местами с одновременной очисткой. При обработке из каждой серии взяты данные за 3300 час.

16 Превышение при Е 700 кэВ создаётся, в основном, распадами техногенного изотопа 85 Kr (Т 1/2 = 10,76 лет, β - - распад, Е βmax = 672 кэВ), присутствующего избыточно в следовых количествах в образце обогащённого криптона. Слабое превышение при Е > 700 кэВ можно отнести к (2β2ν)-распаду 136 Хе. Эффект за час. составил: N Э = ( )-( ) = = (стат.) 72(сист.). Снижение скорости счёта по сериям связано с распадом космогенных изотопов в дополнительном слое защиты из меди внутри счётчиков. Расчёт значения периода полураспада произведён по формуле: Т 1/2 = (ln2)×N×t×ε / N Э, где N= – разность числа атомов 136 Хе в образцах ксенона в рабочем объёме п.с.; t=1.507 лет – время измерения; ε=0.535 – эффективность регистрации полезных событий, отобранных по параметрам τ > 10 мкс и δ < 990 в интервале ( ) МэВ. Был получен результат: Т 1/2 (2β2ν) = ( ) лет ( май 2011 ) Для сравнения Т 1/2 (2β2ν) = (2.11±0.04 (стат.)±0.21(сист.))10 21 лет ( август 2011 )[*] [*] – N. Ackerman et al. Observation of Two Neutrino Double Beta Decay in Xe-136 with EXO-200 arXive: v1 [nucl-ex] 21 August 2011 Результаты поиска 2β2ν-распада 136 Хе

17 1. В эксперименте по поиску 2К-захвата изотопа 78 Kr обнаружен положительный эффект, соответствующий периоду полураспада Т 1/2 (2К, 2ν+0ν) = ( ) лет (90% у.д.). Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты и a) и Программы Президиума РАН Нейтринная физика. 2. В эксперименте по поиску (2β2ν)-распада изотопа 136 Хе обнаружен положительный эффект, соответствующий периоду полураспада Т 1/2 (2β2ν) = ( ) лет. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант ) 3. Измерения по этим двум задачам завершены. Выводы: