ІНСТИТУТ ЯДЕРНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

ДАНЕВИЧ Федір Анатолійович

УДК 539.165

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ
ПОДВІЙНОГО БЕТА–РОЗПАДУ АТОМНИХ ЯДЕР

01.04.16 – фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико–математичних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті ядерних досліджень НАН України

Науковий консультант:

Здесенко Юрій Георгійович д.ф.–м.н., професор, чл. кор. НАН України

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор ПУГАЧ Валерій Михайлович, Інститут ядерних досліджень НАН України, завідуючий відділом фізики високих енергій

доктор фізико-математичних наук, професор ШЕВЧЕНКО Валерій Андрійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри ядерної фізики фізичного факультету

доктор фізико-математичних наук БАРАБАШ Олександр Степанович, Державний науковий центр Російської Федерації Інститут теоретичної та експериментальної фізики імені А.І. Аліханова, (Москва, Росія), завідуючий Лабораторією слабких взаємодій

Провідна організація:

Інститут електронної фізики НАН України, Ужгород

Захист відбудеться 25 травня 2006 р. о 14:15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.167.01 Інституту ядерних досліджень НАН України за адресою:

Проспект Науки 47, МСП 03680, Київ, Україна

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ІЯД НАН України

Автореферат розісланий 21 квітня 2006 р

Учений секретар
спеціалізованої вченої ради Д26.167.01

к.т.н. С.П. Томчай

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

АКТУАЛЬНІСТЬ ПРОБЛЕМИ Результати експериментів, в яких вимірюються потоки нейтрино від Сонця, з верхніх шарів атмосфери, від реакторів та прискорювача, можуть бути пояснені у припущенні про наявність нейтринних осциляцій, явища, можливого лише за умови, що нейтрино має ненульову масу. Спостереження осциляцій нейтрино різко підвищило інтерес до пошуків безнейтринного подвійного бета–розпаду атомних ядер (02), оскільки лише в цих експериментах можна визначити масу нейтрино, що відповідає оцінкам, отриманим з „осциляційних” експериментів. Дослідження 02в–розпаду розглядаються як найбільш підходящий спосіб встановлення природи цієї частинки (нейтрино Майорани чи Дірака) та перевірки закону збереження лептонного заряду. Крім того, експерименти по пошуку 02розпаду дають найбільш жорсткі обмеження на присутність домішок правих струмів в слабкій взаємодії, константу зв’язку нейтрино з майороном та інші параметри сучасних теорій елементарних частинок – розширень Стандартної моделі (СМ). Результати експериментів по пошуку 02в-розпаду мають велике значення також для астрофізики та космології, оскільки припускається, що масивні нейтрино можуть давати внесок у релятивістську компоненту темної матерії Всесвіту. Слід підкреслити, що навіть відсутність спостереження процесу 02розпаду дозволяє зробити важливі висновки про властивості нейтрино та слабкої взаємодії. Пошуки 02розпаду розглядаються зараз як одна з найбільш важливих задач нейтринної фізики. Реєстрація і вимірювання дозволеної в рамках СМ двохнейтринної моди 2розпаду (22) дозволяє уточнювати методи теоретичних розрахунків матричних ядерних елементів для безнейтринної моди. Таким чином, експериментальні дослідження процесів 2розпаду атомних ядер є однією з найбільш актуальних задач фізики ядра, елементарних частинок та астрофізики.

ЗВ’ЯЗОК РОБОТИ З НАУКОВИМИ ТЕМАМИ До дисертації увійшли результати виконання держбюджетних тем, що виконувались у відділі фізики лептонів ІЯД НАНУ у 1993 – 1997 рр.: “Дослідження рідкісних процесів за участю лептонів (в тому числі подвійного бета–розпаду атомних ядер), пов‘язаних з фундаментальними властивостями елементарних частинок” (ДР № 0193V028265); у 1998–2000 рр.: “Дослідження властивостей атомного ядра та елементарних частинок в подвійному бета–розпаді та інших рідкісних процесах” (ДР №0198V003595); у 2001–2004 рр.: “Дослідження властивостей нейтрино та пошуки ефектів за межами Стандартної Моделі елементарних частинок в експериментах по вивченню подвійного бета–розпаду атомних ядер та інших рідкісних або заборонених процесів” (ДР №0101V000409). Автор був співвиконавцем цих тем.

МЕТА І ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ Метою роботи були експериментальні дослідження процесів подвійного бета–розпаду атомних ядер з якомога вищою чутливістю для вивчення властивостей нейтрино та слабкої взаємодії, зокрема, встановлення природи нейтрино (нейтрино Майорани або Дірака), перевірки закону збереження лептонного заряду, пошуків маси нейтрино майоранівської природи та домішок правих токів в слабкій взаємодії, пошуків майоронів та ефектів мінімальної суперсиметричної моделі з порушенням R–парності. Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

· розробити детектори з наднизьким рівнем фону, високими енергетичною роздільною здатністю та ефективністю реєстрації процесів 2–розпаду;

· обладнати детектори електронними системами реєстрації даних, які б стабільно функціонували протягом кількох років в умовах підземної лабораторії;

· провести довгострокові експерименти по пошуку 2–розпаду;

· розробити методи аналізу даних з використанням інформації про амплітуду, час та форму сцинтиляційних сигналів;

· провести аналіз даних вимірювань і отримати з цих даних значення періоду напіврозпаду або обмежень на періоди напіврозпаду відносно різних мод та каналів 2–розпаду атомних ядер;

· здійснити пошуки шляхів подальшого підвищення чутливості експериментів та розробити нові детектори, за допомогою яких можна розширити перелік досліджуваних ядер. Для цього необхідно було проаналізовані джерела фону детекторів для пошуку процесів 2–розпаду та вивчити сцинтиляційні характеристики, форму сцинтиляційних сигналів, рівень радіоактивних домішок в сцинтиляційних кристалах.

НАУКОВА НОВИЗНА ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ Уточнено, приблизно в 2 рази, значення періоду напіврозпаду ядра 116Cd відносно двохнейтринного подвійного бета–розпаду. Одержано нові обмеження на період напіврозпаду відносно безнейтринного 2–розпаду ядра 116Cd на основний та перші збуджені рівні 2+1, 0+1 та 0+2 ядра 116Sn, а також на 02–розпади з випромінюванням майоронів. Із порівняння цих результатів з теорією отримані нові обмеження на ефективну майоранівську масу нейтрино, параметри домішок правих токів в слабкій взаємодії, константу зв’язку нейтрино з майороном та параметр мінімальної суперсиметричної моделі з порушенням R–парності.

Вперше проведено аналіз об’єднаних даних вимірювань з наднизькофоновими германієвими детекторами (експерименти “Heidelberg–Moscow” та “IGEX”) і одержане нове обмеження на період напіврозпаду ядра 76Ge відносно безнейтринного подвійного бета-розпаду, звідки слідує найбільш жорстке обмеження на масу нейтрино.

Одержані нові обмеження на періоди напіврозпаду відносно різних мод і каналів 2–розпаду ядер 64Zn, 70Zn, 106Cd, 108Cd, 114Cd, 136Ce, 138Ce, 142Ce, 160Gd, 180W, 186W. Ядра 108Cd, 114Cd, 138Ce, 160Gd, 180W, 186W були досліджені вперше.

Отримані нові дані про сцинтиляційні властивості, форму сцинтиляційних сигналів та радіоактивну чистоту сцинтиляційних кристалів вольфраматів кальцію (CaWO4), цинку (ZnWO4), кадмію (CdWO4), свинцю (PbWO4), ортосилікату гадолінію (GSO), фториду церію (CeF3) та алюмо-ітрієвого гранату, активованого неодимом (YAG:Nd) (останній кристал вперше був досліджений як сцинтилятор).

НАУКОВЕ І ПРАКТИЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ОДЕРЖАНИХ РЕЗУЛЬТАТІВ Результати, представлені в даній роботі, є новою експериментальною інформацією, яка важлива для розвитку теорії елементарних частинок, зокрема, теорії нейтрино та слабкої взаємодії, а також для розвитку методів і техніки наднизькофонової спектрометрії.

Виміряний з точністю близько ±10% період напіврозпаду ядра 116Cd відносно двохнейтринної моди 2–розпаду допоможе точніше обчислити матричні елементи для безнейтринної моди процесу, що дуже важливо для отримання більш точних обмежень (чи абсолютних значень у випадку спостереження цього процесу) на масу нейтрино та інші параметри теорії.

Виконаний аналіз даних двох експериментів по пошуку 2–розпаду ядра 76Ge важливий як тому, що було отримане нове обмеження на масу нейтрино, так і тому, що були розвинуті методи статистичного аналізу даних експериментів з малою статистикою. Це дозволить коректно інтерпретувати дані наступних експериментів по пошуку 2–розпаду атомних ядер.

В результаті проведених досліджень набула подальшого розвитку техніка наднизькофонової сцинтиляційної спектрометрії, розроблені методи аналізу сигналів за формою та часово-амплітудного аналізу подій. Виконані дослідження показали можливості подальшого підвищення чутливості експериментів по пошуку 02–розпаду до маси нейтрино на рівні 0.1  0.01 еВ, що дозволяє планувати майбутні 2–експерименти. Досліджені властивості сцинтиляційних кристалів CaWO4, ZnWO4, CdWO4, PbWO4, GSO, CeF3, YAG:Nd важливі для їх застосування як у фундаментальних дослідженнях, так і для вирішення прикладних задач.

ОСОБИСТИЙ ВНЕСОК ЗДОБУВАЧА полягає в участі у постановці мети і завдань дослідження, розробці, монтажі, настройці експериментальних установок, проведенні вимірювань, аналізі та інтерпретації даних всіх описаних експериментів, підготовці публікацій. Автором вперше було запропоновано використати аналіз форми сцинтиляційних сигналів для ідентифікації подій та зменшення фону сцинтиляційних детекторів CdWO4. Цей метод був розроблений і використаний для усіх подальших експериментів по пошуку 2–розпаду з детекторами СaWO4, CdWO4, ZnWO4, CeF3. Вперше було запропоновано використати сцинтилятори GSO та YAG:Nd для пошуків 2–розпаду ядер гадолінію та неодиму. Вперше було запропоновано використати сцинтилятори CdWO4 для пошуків 2–розпаду ядер 106Cd, 108Cd, 114Cd, 180W, 186W. Запропоновано отримати обмеження на 02–розпад 76Ge з даних без використання аналізу форми. Автором було досліджено сцинтиляційні властивості, форму сцинтиляційних сигналів при опроміненні –частинками та –квантами, ступінь радіочистоти сцинтиляційних кристалів СaWO4, CdWO4, ZnWO4, PbWO4, CeF3, GSO та YAG:Nd.

Методи обробки даних з малою статистикою та оцінок параметрів теорії були розроблені к.ф.–м.н. В.І. Третяком. Крім того, В.І. Третяк запропонував вивчити властивості сцинтиляторів CeF3 як перспективних детекторів для пошуків рідкісних процесів розпадів атомних ядер, і зокрема, 2–розпаду ядер церію. Розрахунки ефективностей реєстрації 2–процесів та моделей фонових процесів методом Монте-Карло були здійснені к.ф.–м.н. О.А. Понкратенком і к.ф.–м.н. В.В. Кобичевим. В.В. Кобичев також вніс вагомий внесок у розробку програмного забезпечення для часово–амплітудного аналізу та аналізу за формою сцинтиляційних сигналів, О.А. Понкратенком була запропонована ідея отримувати інформацію про координату сцинтиляційного спалаху в проекті експерименту “CAMEO”. С.С. Нагорний приймав участь в дослідження сцинтиляційних властивостей кристалів СaWO4, CdWO4, ZnWO4, PbWO4 та YAG:Nd і запропонував дослідити сцинтиляційні кристали вольфрамату свинцю, як перспективні детектори для пошуків рідкісних ядерних процесів.

НА ЗАХИСТ ВИНОСЯТЬСЯ:

1. Виміряне з точністю близько 10% значення періоду напіврозпаду ядра 116Cd відносно двохнейтринного подвійного бета–розпаду.

2. Нове обмеження на період напіврозпаду відносно безнейтринного 2–розпаду 116Cd на основний стан ядра 116Sn, звідки, з порівнянь з теорією, слідують одні з найбільш жорстких обмежень на ефективну майоранівську масу нейтрино, параметри домішок правих токів в слабкій взаємодії та параметр мінімальної суперсиметричної моделі з порушенням R–парності. Нові обмеження на 02–розпад 116Cd на збуджені рівні 2+1, 0+1, 0+2 ядра 116Sn та на розпади з випромінюванням майоронів. Одне з найбільш жорстких обмежень на константу зв’язку нейтрино з майороном.

3. Нові обмеження на періоди напіврозпаду відносно різних мод і каналів 2–розпаду ядер 64Zn, 70Zn, 106Cd, 108Cd, 114Cd, 136Ce, 138Ce, 142Ce, 160Gd, 180W, 186W.

4. Нове обмеження на ефективну масу нейтрино майоранівської природи, отримане з аналізу даних двох експериментів по пошуку 2–розпаду ядра 76Ge.

5. Результати досліджень сцинтиляційних властивостей, форми сцинтиляційних сигналів та радіоактивної чистоти сцинтиляційних кристалів CaWO4, ZnWO4, CdWO4, PbWO4, GSO, CeF3, YAG:Nd, як перспективних детекторів 2–розпаду.

АПРОБАЦІЯ РОБОТИ І ПУБЛІКАЦІЇ Результати дисертації доповідались на міжнародних конференціях та нарадах: “4th Int. Symp. on Weak and Electromagn. Interactions in Nuclei, WEIN–95” (Осака, Японія, 12–16 червня 1995); “4th Int. Workshop on Theor. and Phenomen. Aspects of Underground Phys., TAUP–95” (Толедо, Іспанія, 17–21 вересня 1995); “46 Совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра” (Москва, Росія, 18–21 червня 1996); “Topics in Astroparticle and Underground Physics, TAUP 97” (Гран Сассо, Італія, 7–11 вересня 1997); “Int. Workshop on Tungstate Crystals” (Рим, Італія, 12–14 жовтня 1998); “17th Int. Workshop on Weak Interactions and Neutrinos, WIN’99” (Кейптаун, Південно-Африканська Республіка, 24–30 січня 1999); „Міжн. конф. студентів і мол. науковців з теор. та експ. фізики, Евріка–2001” (Львів, 16–18 травня 2001); “International Conference Non–Accelerator New Physics, NANP–2001” (Дубна, Росія, 19–23 червня 2001); “51 Совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра” (Саров, Росія, 3–8 вересня 2001); “Int. Conf. Topics in Astroparticle and Underground Physics, TAUP–2001” (Гран Сассо, Італія, 8–12 вересня 2001); „52 Совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра” (Москва, Росія, 18–22 червня 2002); “Neutrino Physics and Astrophysics” (Мюнхен, Німеччина, 25–30 травня 2002); “4th Int. Workshop on Neutrino Oscillations and Their Origin” (Казанава, Японія, 10–14 лютого 2003); “Int. Conf. Non–Accelerator New Physics, NANP–2003” (Дубна, Росія, 23–28 червня 2003); “Int. Conf. Topics in Astroparticle and Underground Physics, TAUP–2003” (Сієтл, США, 5–9 вересня 2003); “II Int.School on Neutrino Physics in memory of Bruno Pontecorvo” (Алушта, 7-18 вересня 2003); “3th Int. Workshop on Phys. Aspects of Luminescence of Complex Oxide Dielectrics” (Харків, 14–17 вересня 2004); “Low Radioactivity Technique, LRT–2004” (Сатбері, Канада, 12–14 грудня 2004); “11 Национальная конференция по росту кристаллов, НКРК–2004” (Москва, Росія, 13–17 грудня 2004); “Annual International Conference Relativistic Astrophysics, Gravitation and Cosmology” (Київ, 22–26 травня 2005); “Int. Conf. Non–Accelerator New Physics, NANP–2005” (Дубна, Росія, 20–25 червня 2005); “Int. Conf. on Inorganic Scintillatrors and their Industrial Applications, SCINT–2005” (Алушта, 19-23 вересня 2005).

Результати дисертації доповідались на щорічних конференціях Інституту ядерних досліджень НАНУ в 1997, 1998, 1999, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 рр., на семінарах в Інституті ядерних проблем Мінського університету (Мінськ, Білорусія), Національній Лабораторії Гран Сассо (Італія), Інституті сцинтиляційних матеріалів НАНУ (Харків), кафедрі ядерної фізики Київського національного університету ім. Т.Шевченка, в Центрі дослідження темної матерії Сеульського Національного університету (Сеул, Корея), на об‘єднаному семінарі та на семінарі по фізиці високих енергій в Інституті ядерних досліджень НАНУ, Інституті теоретичної та експериментальної фізики (Москва, Росія), Інституті неорганічної хімії ім. А.В. Ніколаєва СВ РАН (Новосибірськ, Росія).

Всього за результатами дисертації опубліковані 95 робіт, основні результати дисертації опубліковані в 27 статтях у фахових наукових реферованих журналах.

СТРУКТУРА ТА ОБ’ЄМ ДИСЕРТАЦІЇ Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків. Дисертація містить 318 сторінок, 75 рисунків, 28 таблиць, список літератури з 368 найменувань.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У ВСТУПІ розкриті сутність і стан проблеми подвійного бета-розпаду атомних ядер, обґрунтована актуальність теми для розвитку фізики ядра і елементарних частинок, сформульовані мета і задачі досліджень. Коротко подана анотація нових наукових результатів, показані їх наукове і практичне значення та зв’язок з держбюджетними темами, сформульований особистий внесок автора, представлена апробація результатів дисертації на конференціях, нарадах, семінарах, приведений список основних публікацій, в яких вони опубліковані.

У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ описані основні положення теорії 2–розпаду. Окремо розглянуті принципово різні моди процесу: двохнейтринна та безнейтринна. Подвійний –розпад з вильотом нейтрино не порушує ніяких відомих законів, в той час як 02–розпад можливий лише при наявності маси нейтрино майоранівської природи (схема Майорани, в якій нейтрино тотожне своїй античастинці на відміну від схеми Дірака, в якій нейтрино і антинейтрино відрізняються). У випадку порушення глобальної (B – L) симетрії, калібровочні моделі припускають існування фізичного бозона Намбу–Голдстоуна, так званого майорона. Процес 02–розпаду може відбуватися з випромінюванням цих частинок. Теоретиками запропоновані кілька моделей майоронів. В залежності від моделі, 02–розпад з вильотом майоронів можна відрізнити за формою енергетичного спектру випромінюваних електронів. Сучасні калібровочні теорії припускають багато інших можливостей протікання 02-процесу. Тому пошуки 02–розпаду є дуже важливими з огляду на можливість перевірки Стандартної моделі елементарних частинок. Розглянуті також 2-процеси, які йдуть із зменшенням заряду ядра: подвійний електронний захват (2), електронний захват і вильотом позитрона (), подвійний позитронний розпад (2), та особливості 2–переходів на збуджені стани дочірніх ядер. Коротко описані результати експериментів, в яких були спостережені осциляції нейтрино та показаний зв’язок між результатами цих дослідів з експериментами по пошуку 02–розпаду атомних ядер. Лише в прямих експериментах, спрямованих на пошуки безнейтринної моди 2–розпаду, можна встановити природу нейтрино (частинка Майорани чи Дірака), визначити схему масових станів нейтрино та виміряти абсолютне значення шкали мас на рівні десятих, сотих і, можливо, тисячних еВ. Ще одною дуже важливою задачею, яку можна вирішити в ході пошуків 02–розпаду, є перевірка закону збереження лептонного заряду.

Подана класифікація експериментальних методів, за допомогою яких вже більше як півстоліття ведуться пошуки і дослідження цього вкрай рідкісного процесу, та описані найбільш чутливі експерименти. В геохімічних експериментах шукають ізотопи, які є дочірніми продуктами 2–розпаду. Для цього використовують мінерали з дуже великим (мільярди років) геологічним віком. За допомогою геохімічних експериментів вдалося зареєструвати 2–розпад ядер 82Se, 128Te, 130Te, та 96Zr. В радіохімічних експериментах вимірюють активність дочірніх 2–ізотопів в матеріалах, які довгий час (роки, десятки років) зберігалися в контрольованих умовах. Таким чином вдалося зареєструвати 2–розпад 238U. Очевидними недоліками обох цих методів є неможливість відрізнити 2 та 0 моди, а також обмежений перелік ізотопів, які можна досліджувати. Найбільш перспективними є методи прямого детектування подій 2–розпаду, які в свою чергу можна класифікувати за типом джерела. В калориметричних експериментах ядра досліджуваних ізотопів входять до складу детектора, в той час як в експериментах з мішенями джерело роблять у вигляді тонкої фольги, а детектори, які вимірюють параметри частинок, випромінюваних в процесах 2–розпаду, оточують джерело.

За більше як 60-літню історію досліджень з використанням різних експериментальних підходів: геохімічного, радіохімічного, прямої реєстрації подій, 22–розпад спостережений в ядрах 48Ca, 76Ge, 82Se, 96Zr, 100Mo, 116Cd, 128Te, 130Te, 150Nd, 238U. Виміряні періоди напіврозпаду відносно 22–переходів 100Мо і 150Nd на збуджені стани дочірніх ядер. Безнейтринна мода 2–розпаду ніколи не була зареєстрована, не дивлячись на кілька повідомлень про спостереження цього процесу. Найвищі границі на період напіврозпаду були встановлені у прямих експериментах з кількома нуклідами: T1/2 > 1021 років для 96Zr, 160Gd, 150Nd, 186W; T1/2 > 1022 років для 48Ca, T1/2 > 1023 років для 82Se, 100Mo, 116Cd, 128Te, 130Te, 136Xe і T1/2 > 1025 років для 76Ge. Ці експерименти дозволили встановити найбільш жорсткі обмеження на значення маси майоранівського нейтрино, домішки правих струмів у слабкій взаємодії, константу зв’язку нейтрино з майороном і параметр порушення R–парності мінімальної суперсиметричної СМ. Повідомлення групи з Гейдельбергу (H.V.–Kleingrothaus з кількома його співробітниками) про реєстрацію 02–розпаду ядра 76Ge, було піддано сумнівам у ряді робіт (в тому числі в даній дисертації, у підрозділі 7.1.1) і переважна більшість вчених скептично ставиться до цих заявок. Але нещодавно група з Гейдельбергу опублікувала дані експерименту з більшою на 30% статистикою та після повторного аналізу, і продовжує наполягати на спостереженні 02–розпаду 76Ge, звідки оцінена ефективна маса електронного нейтрино m ~ .4 еВ. Можна сподіватися, що повідомлення про спостереження 02–розпаду 76Ge будуть перевірені в найближчі 5 – 10 років колабораціями “GERDA” та “MAJORANA”.

У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ проаналізовані фактори, що визначають чутливість експериментів по пошуку 2–розпаду: концентрація ядер досліджуваного ізотопу, ефективність реєстрації подій 02–розпаду, рівень фону та енергетична роздільна здатність. Розглянуті джерела фону детекторів по пошуку 2–розпаду, такі як –кванти від розпадів радіонуклідів в оточуючому середовищі, космічні промені, забрудненість радіонуклідами конструкційних матеріалів установки, радіоактивна забрудненість матеріалу детектора, вплив радону, фон від нейтронів, космогенна активація, процес двохнейтринного 2–розпаду ядра, радіонаводки та збої в системі реєстрації. Проаналізовані шляхи боротьби з усіма цими джерелами фону.

В підрозділі 2.2 описана низькофонова сцинтиляційна установка для вимірювання наднизьких активностей радіонуклідів в різних зразках матеріалів, споруджена в Солотвинській підземній лабораторії ІЯД НАНУ. В цьому детекторі сцинтиляційний кристал CdWO4 масою близько 1 кг проглядається низькофоновим фотопомножувачем через світловод з надчистого кварцу довжиною 33 см. Пасивний захист детектора складається із фторопласту, поліметилметакрилату, електролітичної міді, свинцю та поліетилену. Два пластикові сцинтиляційні детектори встановлені зверху над установкою і використовуються для активного захисту від залишкових космічних мюонів. Зразки можуть мати об’єм до 30 дм3, чутливістю детектора при реєстрації 40К і 232Th в зразку масою  1 кг з точністю 30% за 24 години вимірювань становить 0.04 і 0.007 Бк/кг, відповідно. Такі параметри установки порівняні з чутливістю низькофонових напівпровідникових детекторів з надчистого германію. На установці проведено відбір конструкційних матеріалів для наднизькофонових експериментів, спрямованих на пошук 2–розпаду та інших рідкісних розпадів атомних ядер. Значно вищої чутливості в цій установці вдається досягнути при вимірюванні сцинтиляційних кристалів, коли вони виступають детектором і джерелом випромінювань одночасно. В цьому випадку, завдяки використанню методів аналізу сцинтиляційних сигналів за формою та часово-амплітудного аналізу, вдається досягнути чутливості на рівні кількох мкБк/кг.

Для проведення експерименту по пошуку 2–розпаду 116Cd в Солотвинській лабораторії була споруджена наднизькофонова установка з кристалами вольфрамату кадмію, виготовленими із збагаченого до 83% ізотопу 116Cd (116CdWO4). Загальна маса чотирьох кристалів складає 330 г. Кристали 116CdWO4 оточені 15 сцинтиляторами CdWO4 масою 20.6 кг. Детектори 116CdWO4 та CdWO4 розташовані всередині додаткового активного захисту з чотирьох блоків пластикових сцинтиляторів. Пасивний захист складається з електролітичної міді (3–6 см), свинцю (22.5–30 см) та поліетилену (16 см). Детектор герметизований від проникнення повітря. Два сцинтиляційних детектори встановлені над установкою й використовуються як лічильники космічних мюонів. Всі матеріали, використані в спектрометрі, були ретельно відібрані за рівнем радіочистоти. Система реєстрації даних спектрометра дозволяє записувати амплітуду сигналів, інформацію про час їх надходження та про збіги у часі з сигналами детекторів активного захисту, форму сцинтиляційних сигналів. Енергетична роздільна здатність детектора з кристалами 116CdWO4, відгук до -частинок, форма сцинтиляційних сигналів при опроміненні –квантами та –частинками були вивчені в ході спеціальних вимірювань. Крім того, були також проведені вимірювання з джерелами –квантів для розробки та перевірки моделювання подій в спектрометрі за допомогою методу Монте-Карло.

В підрозділі 2.3 описані методи аналізу даних низькофонових вимірювань. Часово–амплітудний аналіз подій дозволяє виділити ланцюжки розпадів радіонуклідів з малими періодами напіврозпаду з радіоактивних сімейств 232Th, 235U, 238U. Це дає можливість визначити активність радіонуклідів, які знаходяться в стані рівноваги з тими членами ряду, події розпадів яких вдається відібрати. Таким чином була визначена активність в сцинтиляторах 116CdWO4 радіонуклідів 228Th, 226Ra, 227Ac, та їх дочірніх. Крім того, корельовані в часі події були відкинуті, що дозволило знизити фон детектора в області енергій, де очікуються події 2–розпаду. Аналіз форми сцинтиляційних сигналів дозволив виділити події розпадів –активних нуклідів і коректно описати фоновий спектр та знизити фон шляхом відкидання таких подій. Аналіз форми сцинтиляційних сигналів дозволяє також відкидати фонові відліки, викликані подвійними імпульсами, перекриттям з сигналом від пластикового сцинтилятору, радіонаводками, тощо. Але головним результатом використання аналізу форми сигналів стала можливість знайти і відкинути події, спричинені розпадами в ланцюжку Bi 212Po 208Pb (дочірніх радіонуклідів 232Th) що в слідових кількостях містяться в кристалах 116CdWO4. Подібним чином також можна відрізняти події з послідовності розпадів 214Bi 214Po 210Pb (ряд 238U). Ці події можуть давати внесок в фон аж до енергій 4 4.5 МеВ. Завдяки використанню аналізу форми, більшість таких подій були відкинуті з накопичених даних. Це дало змогу знизити фон в області 02–розпаду 116Cd в 15  20 разів і в 4 рази підвищити чутливість експерименту. В результаті аналізу енергетичних спектрів, часово-амплітудного та аналізу за формою сигналів, були оцінені активності в кристалах вольфрамату кадмію нуклідів з рядів урану, торію, а також 40K, 90Sr, 113Cd, 113mCd і 137Cs. Завдяки активному і пасивному захисту, часово–амплітудному аналізу та аналізу форми імпульсів, інтенсивність фону детекторів 116CdWO4 в області енергій 2.5–3.2 МеВ (енергія 2–розпаду 116Cd становить 2805 ± 4 кеВ) була зменшена до 0.04 відліків / (рік  кг  кеВ). Це один з найнижчих рівнів фону, що будь–коли був досягнутий в експериментах по пошуку 2-розпаду.

У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ представлені результати досліджень подвійного –розпаду ядер кадмію та вольфраму за допомогою сцинтиляційних кристалів вольфрамату кадмію. Значення періоду напіврозпаду ядра 116Cd відносно 22–розпаду було отримане на основі аналізу даних 12 649 годин вимірювань в наднизькофонову спектрометрі з кристалами 116CdWO4. Частина спектру подій зареєстрованих в режимі антизбігів із детекторами активного захисту, що були відібрані за допомогою часово-амплітудного та аналізу за формою, показана на Рис. 1. Для побудови моделі фону були використані моделі, отримані методом Монте-Карло за допомогою пакета програм GEANT3. Підгонка даних за допомогою моделі, яка включала фон та ефект 22–розпаду 116Cd, дозволила визначити період напіврозпаду ядра 116Cd відносно 22–розпаду на основний стан ядра 116Sn.

Основний внесок в похибку визначення величину періоду напіврозпаду дає систематична похибка, найбільшими компонентами якої є залежність значення площі ефекту від підгонки в різних енергетичних інтервалах; можлива забруднення кристалів 116CdWO4 радіонуклідами 90Sr–90Y та 234mPa; неточності з якою відомі такі параметри спектрометра як ефективність реєстрації, живий час вимірювань, ефективність відбору подій за формою сигналів. Був побудований графік Кюрі для 22–розпаду. Цей графік, як і повинно бути для 22–розпаду, добре описується прямою, що

пересікає вісь абсцис на енергії 2808±43 кеВ. Виміряне значення періоду напіврозпаду ядра 116Cd відносно 22–розпаду узгоджується з результатами двох інших експериментів: поставленим колаборацією “NEMO–3” в підземній лабораторії Modane у Франції та в спільному (за участю ІЯД НАНУ) експерименті на установці “ELEGANT” (Японія).

Були здійснені також пошуки 22–розпаду на збуджені стани ядра 116Sn. Ці процеси не спостерігаються на досягнутому рівні чутливості і на періоди напіврозпаду відносно 22–розпаду 116Cd з основного стану (о.с.) на збуджені рівні 116Sn були отримані, з довірчою імовірністю (CL) 90% (68%), такі обмеження.

Обмеження були встановлені на періоди напіврозпаду відносно різних каналів 02–розпаду ядра 116Cd. Для цього були проаналізовані дані 14 183 годин вимірювань (Рис. 2). Зокрема, для 02 розпаду 116Cd на основний стан ядра 116Sn.

При 02–розпаді 116Cd можуть бути також заселені збуджені рівні 116Sn. Повне поглинання всіх випромінених частинок приведе до появи піку з енергією Q2. За допомогою програм GEANT3 та DECAY4 були розраховані ефективності реєстрації (mc) подій 02–розпаду на перший, другий та третій збуджені рівні 116Sn в піку з енергією 2–розпаду 116Cd. Ці значення відповідають наступним обмеженням на процеси 02–розпаду 116Cd на збуджені рівні 116Sn.

Встановлені нові обмеження на періоди напіврозпаду ядра 116Cd відносно розпадів з випромінюванням майоронів: одного (М1), двох (М2) і так званого “bulk” (Mbulk) майорону, запропонованого в роботі [R.N. Mohapatra et al., Phys. Lett. B. – 2000. – Vol.491. – P.143–147.].

Виключені з 90% CL розподіли, що очікуються в процесах розпадів показані на Рис. 2. З експериментального обмеження на 02–розпад 116Cd та результатів теоретичних розрахунків були отримані обмеження на ефективну масу нейтрино майоранівської природи, параметри домішок правих токів в слабкій взаємодії та параметр порушення R–парності в мінімальній суперсиметричній СМ з порушенням R–парності.

З експериментального обмеження на 02–розпад 116Cd з вильотом майорона отримане одне з найбільш жорстких обмежень на константу зв’язку нейтрино з майороном.

Всі ці обмеження є одними з кращих серед отриманих в експериментах по пошуку 02–розпаду з ядрами 76Ge, 82Se, 100Mo, 130Te, та 136Xe.

В підрозділі 3.2 описані результати пошуків 2–розпаду в ядрах 114Cd, 186W, а також 2, , 2 процесів в ядрах 106Cd, 108Cd і 180W за допомогою сцинтиляторів вольфрамату кадмію. Обмеження на ці процеси були отримані шляхом аналізу енергетичних спектрів виміряних з кристалами 116CdWO4 та CdWO4. Ефективності реєстрації були розраховані методом Монте-Карло за допомогою програм GEANT3 та DECAY4. В залежності від енергії переходу процесу, були проаналізовані різні ділянки спектрів. Були отримані 32 обмеження на періоди напіврозпаду на рівні 1017–1021 років для різних мод та каналів (в тому числі для переходів на збуджені стани дочірніх ядер) 2–процесів в ядрах кадмію та вольфраму. Більшість обмежень для 106Cd, 108Cd, 114Cd, 116Cd, 180W та 186W вищі за попередні результати або отримані вперше. Наприклад, обмеження T1/202 ? 1021 років для 02–розпаду 186W майже на порядок більше за попередній результат, а обмеження на 0–розпад з випромінюванням майорона та 2–розпад на перший (2+) збуджений стан 186Os були встановлені вперше. Підкреслимо, що на сьогодні рівень чутливості T1/202 > 21 років досягнутий лише для 10 нуклідів.

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ описані експерименти по пошуку 2–розпаду ядер гадолінію та церію за допомогою сцинтиляційних кристалів ортосилікату гадолінію (GSO). Вперше невеликі за розмірами (кілька кубічних сантиметрів) сцинтилятори GSO були застосовані для пошуку 2–розпаду в ІЯД НАНУ ще в 1993 році в низькофоновій установці на поверхні землі. Важливою перевагою цих детекторів є висока природна розповсюдженість 160Gd у природній суміші ізотопів гадолінію (21.86%), що дозволяє поставити експеримент із застосуванням незбагачених кристалів GSO. В підрозділі 4.1 описаний дослід, що проводився у Солотвинській лабораторії ІЯД НАН України з використанням сцинтиляційного кристалу GSO масою більше 0.6 кг. Кристал проглядався низькофоновим фотопомножувачем через світловод з полістиролу довжиною 18 см. Пасивний захист складався із ртуті в титанових контейнерах, свинцю, поліетилену. Енергетична роздільна здатність (FWHM) детектора становила: 16.8%, 13.5%, 11.2% та 10.7% при енергіях –квантів 662, 1064, 1770 та 2615 кеВ, відповідно. З даних довгострокових (загальна експозиція 1.015 років  кг) вимірювань фону в Солотвинській підземній лабораторії були отримані обмеження на 2–розпад 160Gd та 2–процеси в 136Ce, 138Ce та 142Ce (церій входить до складу сцинтилятору в якості активатора). Встановлені найбільш жорсткі обмеження на періоди напіврозпаду ядра 160Gd відносно 02–розпаду на основний та перший збуджений стан ядра 160Dy (з 90% CL), а також на період напіврозпаду ядра 160Gd відносно 22–розпаду на основний та перший збуджений стани 160Dy (з 90% CL) T1/2 (о.с. 0+)  1.9  1019 років та T1/2 (о.с.  2+)  2.1  1019 років. На періоди напіврозпаду відносно 2–процесів в ядрах 136Ce, 138Ce, 142Ce встановлені обмеження на рівні 1014 – 1016 років, які були найвищими на час їх публікації. Завдяки часово-амплітудному аналізу даних були виміряні активності радіонуклідів уранових та торієвого рядів, активності 40K та 138La були оцінені за допомогою аналізу форми виміряного енергетичного спектру.

В підрозділі 4.2. описані результати досліджень сцинтиляторів фториду церію (CeF3) в якості можливих детекторів 2–процесів в ізотопах церію. Вимірювання були проведені в підземній лабораторії Laboratori Nazionali del Gran Sasso в Італії. Були вивчені сцинтиляційні властивості кристалів CeF3, зокрема, вперше була вивчена функція відгуку кристалічного сцинтилятору CeF3 до реєстрації –частинок (/–співвідношення) у широкому енергетичному діапазоні від 2 до 8.8 МеВ, та продемонстрована можливість дискримінації по формі імпульсу між –частинками та –квантами. Вимірювання фону сцинтилятору CeF3 масою 49 г проводились протягом 2142 годин в низькофоновій установці DAMA R&D. Система реєстрації записувала амплітуду сигналів, час їх приходу та форму сцинтиляційних сигналів. Аналіз цих даних дозволив визначити радіоактивну забрудненість сцинтилятору CeF3 та оцінити можливості застосування детекторів CeF3 для пошуку 2–розпаду ізотопів Ce. Був зроблений висновок про перспективність цих детекторів для 2–експериментів за умови виробництва кристалів із значно вищим ступенем радіочистоти.

У П’ЯТОМУ РОЗДІЛІ описані результати досліджень сцинтиляційних властивостей, форми сигналів та здатності до ідентифікації –квантів та –частинок, радіочастота кристалів вольфрамату цинку (ZnWO4), як перспективного детектора для пошуку процесів 2–розпаду ізотопів цинку та вольфраму. Завдяки зануренню кристалу ZnWO4 у рідину і збору світла двома фотопомножувачами, вдалося отримати високу енергетичну роздільну здатність: 9.1% для –лінії 137Cs з енергією 662 кеВ. /–Співвідношення було виміряне в діапазоні енергій –частинок 0.5 – 5.5 МеВ. Виявилося, що воно залежить від енергії та напрямку опромінення –частинками кристалу відносно його кристалічних осей. Часові характеристики сцинтиляторів вольфрамату цинку були вивчені за допомогою 12–розрядного оцифровщика форми з частотою 20 МГц. Підгонка експериментально виміряних форм трьома експоненційними функціями дала значення 0.7, 7 і 25 мкс для постійних спаду окремих компонент сцинтиляційного спалаху з різними інтенсивностями для –частинок та –квантів. Різниця у формі сцинтиляційних сигналів дозволила ефективно розділяти події від –квантів та –частинок. При цьому, так як і для сцинтиляторів CdWO4, була спостережена залежність форми від енергії та напрямку опромінення –частинками. Радіочистота кристалу вольфрамату цинку була виміряна протягом 429 годин із зразком масою 4.5 г в низькофоновій установці в Солотвинській підземній лабораторії. Кристал проглядався фотопомножувачем ФЭУ–139 через світловод 49  250 мм з надчистого кварцу. Детектор був захищений шаром поліметилметакрилату, електролітичної міді та свинцю. Система реєстрації записувала для кожної події амплітуду та час. Енергетична роздільна здатність спектрометра була виміряна з –джерелами 241Am (60 кеВ) та 207Bi (570 і 1064 кеВ) і становила 37%, 15% і 10%, відповідно. Спектр фону виміряний з детектором ZnWO4 в низькофоновій установці в Солотвинській підземній лабораторії показаний на Рис.3. Там же наведені спектри виміряні з детекторами CaWO4 та CdWO4 в тій же установці. Фон ZnWO4, що має експоненційний характер, обумовлюється, головним чином, зовнішніми –квантами. Ніяких особливостей, які б могли бути спричинені радіоактивними домішками в кристалах, в спектрі не видно. Аналіз форми енергетичного спектру фону та часово-амплітудний аналіз даних дозволили одержати обмеження на активності в кристалі ZnWO4 домішок урану, торію, 40К на рівні мБк/кг.

В підрозділі 5.2 наведені результати пошуків 2–розпаду ядер 64Zn та 70Zn. Для цього були використані дані 429 годин вимірювань фону кристалу ZnWO4 в Солотвинській підземній лабораторії. Було дане таке обмеження на період напіврозпаду ядра 64Zn відносно 2+–розпаду. Були також одержані обмеження на безнейтринну моду +–розпаду 64Zn та процес безнейтринного подвійного електронного захвату. В роботі [I. Bikit et al., Appl. Radiat. Isot. – 1995. – Vol.46. – P.455–456.] повідомляється про спостереження процесу електронного захвату з випромінюванням позитрона з періодом напіврозпаду T1/2 =.1  0.9)  1019 років. В дисертації проаналізовані можливі джерела фону, які могли спричинити імітацію ефекту 2–розпаду, але не були враховані авторами цієї роботи. Було оцінено чутливість досліду по пошуку подвійних бета–процесів в цинку з кристалом ZnWO4 масою 1 кг. Як показали розрахунки, ефективність реєстрації ефекту значно більша в детекторі такого розміру. Крім того, фон детектора очікується меншим в кілька разів за рахунок використання більшого за об’ємом кристалу, застосування дискримінації частинок за формою сцинтиляційних сигналів та вдосконалення захисту. За рік вимірювань з таким детектором можна досягнути чутливості Т1/2 ~ 5  1021 для обох мод (0 і 2) +–розпаду 64Zn.

Для 2–розпаду ядра 70Zn отримані нові обмеження на рівні 1016 – 1018 років, які перевищують результати експерименту COBRA, що проводиться в підземній лабораторії Laboratori Nazionali del Gran Sasso з використанням напівпровідникових детекторів на основі CdZnTe. Оцінені можливості підвищення чутливості експерименту для пошуку подвійних бета–процесів в ядрах вольфраму. Особливо перспективним міг би бути експеримент по пошуку подвійного електронного захвату в ядрі 180W. Попередній експеримент по пошуку процесів 2–розпаду цього ядра був здійснений в Солотвинській підземній лабораторії з використанням кристалів CdWO4. Основним джерелом фону в детекторах CdWO4 до енергії 0.5 МеВ (як це добре видно на Рис. 3) є –розпади 113Cd, що входить до природної суміші ізотопів кадмію. Перевагою детекторів ZnWO4 є відсутність цього –активного нукліду.

У ШОСТОМУ РОЗДІЛІ описані дослідження сцинтиляційних кристалів вольфрамату кальцію (CaWO4) та алюмо–ітрієвого гранату, активованого неодимом (YAG:Nd), як перспективних детекторів для пошуку 02–розпаду ядер 48Са та 150Nd. Великі енергії 2–розпаду цих ізотопів є сприятливим фактором для високочутливих 2–експериментів головним чином через те, що значно полегшується боротьба з радіоактивним фоном різного походження.

В підрозділі 6.1 описані результати досліджень сцинтиляційних властивостей та радіочистоти кристалів CaWO4. З цими детекторами отримана висока, порівняна із сцинтиляторами NaI(Tl), енергетична роздільна здатність (7.2% для –лінії 137Cs з енергією 662 кеВ і 3.8% для –лінії 208Tl з енергією 2615 кеВ). Виміряні /–співвідношення та форма сцинтиляційних сигналів для –частинок та –квантів в широкому діапазоні енергій. Вивчені часові властивості сцинтиляторів CaWO4 і розроблено метод розділення подій від –частинок та –квантів за формою імпульсів. Виявлені залежності /–співвідношення та форми сцинтиляційних сигналів від енергії –частинок, в той час як залежність форми імпульсів від напрямку опромінення –частинками (спостережена для сцинтиляторів ZnWO4 та CdWO4) у цих детекторів не була виявлена. Проведені вимірювання фону сцинтилятору CaWO4 в Солотвинській підземній лабораторії, які дозволили визначити радіочистоту CaWO4. Для цього фон детектора з кристалом CaWO4 розмірами 403423 мм вимірювався в сцинтиляційній установці для вимірювання наднизьких активностей радіонуклідів в різних зразках матеріалів, описаній в другому розділі дисертації. Для кожної події в детекторі записувалась енергія, час, інформація про збіги з сигналами детекторів антимюонного захисту та форма сцинтиляційних сигналів. З метою визначення активностей радіонуклідів в детекторі, було проведено часово–амплітудний аналіз подій, аналіз форми сигналів та форми енергетичних спектрів. Радіоактивна забрудненість сцинтиляторів CaWO4 виявилася значно вищою, ніж у детекторів ZnWO4 та CdWO4 (див. Рис. 3).

В підрозділі 6.2 описані результати оцінок можливостей застосування кристалів CaWO4 для пошуку 2–розпаду ізотопів кальцію, зокрема, ядра 48Са. Ізотоп 48Ca має найбільшу енергію –розпаду серед усіх