Премии ОИЯИ-2020

Нейтринная физика без нейтрино

Первой премии ОИЯИ за 2020 год в номинации "Научно-исследовательские экспериментальные работы" был удостоен коллектив авторов в составе: К.Н.Гусев, И.В.Житников, Д.Р.Зинатулина, А.А.Клименко, А.В.Лубашевский, Н.С.Румянцева, А.А.Смольников, М.В.Фомина, Е.А.Шевчик, М.В.Ширченко - за работу "Бесфоновый поиск безнейтринного двойного бета-распада Ge-76 в эксперименте GERDA".

Один из наиболее интригующих вопросов современной физики: почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. Ответ может скрываться в понимании природы нейтрино: в одной из наиболее предпочтительных теоретических моделей эта частица идентична своей античастице. Если это так, то становится возможным редчайший ядерный процесс, называемый двойным безнейтринным бета (v) распадом. До сих пор его никому не удавалось зарегистрировать, но эксперимент GERDA, осуществляемый при определяющем участии научной группы из Объединенного института ядерных исследований, а именно из Лаборатории ядерных проблем, сумел достичь наилучшего предела на период полураспада 0v распада в сравнении со всеми конкурирующими проектами.

Фото Юрия Суворова

Нейтрино - это частица, которую крайне сложно зарегистрировать, однако определение ее свойств позволило значительно продвинуться в понимании физики элементарных частиц. Иллюстрацией данного факта служат четыре Нобелевские премии, полученные в последние годы за исследования в области нейтринной физики. Несмотря на это, вопрос о природе нейтрино (является ли оно частицей Майораны (частица тождественна своей античастице) или Дирака) по-прежнему остается открытым.

Двойной двухнейтринный бета-распад - это разрешенный процесс, в котором два нейтрона в ядре одновременно распадаются на два протона, два электрона и два антинейтрино. Этот редкий процесс наблюдался уже на нескольких ядрах, в том числе на ⁷⁶Ge. В гипотетическом 0v распаде нейтрино отсутствуют, а значит не сохраняется лептонное число. Поэтому данный процесс полностью запрещен в Стандартной модели (СМ) электрослабого взаимодействия. Таким образом, регистрация 0v распада будет однозначным доказательством существования "новой физики" за пределами СМ.

Егор Шевчик, Игорь Житников, Мария Фомина, Алексей Лубашевский, Константин Гусев, Александр Клименко,
Надежда Румянцева, Марк Ширченко, Дания Зинатулина.   Фото Игоря Лапенко.

В настоящее время существует множество проектов, направленных на поиск этого удивительного распада, в которых используются различные изотопы и методики регистрации. Эксперимент GERDA (GERmanium Detector Array) - один из лидеров в данной области физики. Он проводится в Национальной лаборатории Гран Сассо в Италии силами европейских и российских ученых.

В GERDA применяются детекторы, изготовленные из особо чистого германия, обогащенного изотопом ⁷⁶Ge. Поскольку германий является одновременно источником и детектором искомых событий, эффективность регистрации близка к максимально возможной. Кроме того, экспериментальная установка компактна и требует минимального количества конструкционных материалов, что является принципиально важным для достижения низкого уровня фона. Высокое энергетическое разрешение, присущее германиевым детекторам, и инновационные экспериментальные методики, разработанные коллаборацией GERDA, обеспечивают рекордное подавление естественного радиоактивного фона.

Эксперимент GERDA отличается принципиально новым подходом к использованию германиевых детекторов - здесь открытые детекторы непосредственно погружены в жидкий аргон, который не только охлаждает их до рабочей температуры (87 К), но и служит дополнительной защитой от фонового излучения. Детекторы общей массой около 40 кг смонтированы в семь гирлянд внутри криостата с жидким аргоном (64 м³), расположенного в водяном резервуаре объемом 590 м³, который, в свою очередь, находится в подземной лаборатории Гран Сассо, защищающей установку от космического излучения. Во второй фазе эксперимента появилась возможность регистрации сцинтилляций аргона, что позволяет использовать его в качестве активного вето. Благодаря этому, а также отбору полезных событий по форме импульса, в GERDA Фаза II нам удалось добиться уникального уровня фона в 0,5x10^-4 отсчета/(кэВ•кг•год). Таким образом, вплоть до достижения расчетной экспозиции в 100 кг•лет, в области интереса должно было быть зарегистрировано менее одного события, что делает GERDA первым в мире бесфоновым экспериментом по поиску 0v распада. По результатам анализа всей накопленной в проекте статистики в 127,2 кг•лет (из них в Фазе II - 103,7 кг•лет) сигнал от 0v распада обнаружен не был. Установлен лучший в мире предел на период полураспада > 1,8x10²⁶ лет (90% C.L.) при беспрецедентной чувствительности эксперимента в 1,8x10²⁶ лет. Линейная зависимость чувствительности от экспозиции, продемонстрированная в GERDA, еще раз доказывает, что набор данных проходил в бесфоновом режиме. Это уникальное достижение позволяет рассчитывать на успешное осуществление крупномасштабного бесфонового германиевого проекта LEGEND. Первая фаза нового эксперимента будет проводиться на базе модифицированной инфраструктуры GERDA в Гран Сассо и оперировать с 200 кг детекторов из ⁷⁶Ge. Чувствительность в 10²⁷ лет планируется достичь после пяти лет набора данных, а старт LEGEND ожидается уже в конце текущего года.

Константин ГУСЕВ, руководитель проекта GERDA в ОИЯИ,
старший научный сотрудник ЛЯП