Експериментальні дослідження подвійного бета–розпаду атомних ядер - Автореферат

Крім того, експерименти по пошуку 0n2b-розпаду дають найбільш жорсткі обмеження на присутність домішок правих струмів в слабкій взаємодії, константу звязку нейтрино з майороном та інші параметри сучасних теорій елементарних частинок - розширень Стандартної моделі (СМ). 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). Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі: · розробити детектори з наднизьким рівнем фону, високими енергетичною роздільною здатністю та ефективністю реєстрації процесів 2b-розпаду; Для цього необхідно було проаналізовані джерела фону детекторів для пошуку процесів 2b-розпаду та вивчити сцинтиляційні характеристики, форму сцинтиляційних сигналів, рівень радіоактивних домішок в сцинтиляційних кристалах. Одержано нові обмеження на період напіврозпаду відносно безнейтринного 2b-розпаду ядра 116Cd на основний та перші збуджені рівні 2 1, 0 1 та 0 2 ядра 116Sn, а також на 0n2b-розпади з випромінюванням майоронів.На установці проведено відбір конструкційних матеріалів та сцинтиляційних кристалів для наднизькофонових експериментів, спрямованих на пошук 2b-розпаду та інших рідкісних розпадів атомних ядер. Досліджені сцинтиляційні властивості, відгук до а-частинок, форма сцинтиляційних сигналів та розроблено методику дискримінації частинок за формою в сцинтиляторах CAWO4, ZNWO4, PBWO4, GSO(Ce), CEF3, показані можливості їх застосування в чутливих експериментах з метою пошуку і дослідження 2b-розпаду ізотопів кальцію, вольфраму, цинку, гадолінію, церію. Показано, що кристали CDWO4 можуть бути застосовані в якості болометричних детекторів з високою енергетичною роздільною здатністю на рівні 5 КЕВ в широкому діапазоні енергій, що робить їх надзвичайно перспективними детекторами для пошуку 0n2b-розпаду 116Cd. З аналізу даних вимірювань з наднизькофоновими германієвими детекторами (експерименти “Heidelberg-Moscow” та “IGEX”) одержане нове обмеження на період напіврозпаду ядра 76Ge відносно безнейтринного подвійного бета-розпаду: T1/2 ? 2.5 (4.2) ? 1025 років 90% (68% CL), звідки слідує найбільш жорстке обмеження на масу нейтрино майоранівської природи: amnn ? 0.31 (0.24) ЕВ. Запропоновано проект експерименту (проект “CARVEL”) по пошуку 0n2b-розпаду 48Ca з чутливістю T1/2 » 1026 років, що відповідає масі нейтрино 0.04 - 0.09 ЕВ.

У дисертації наведені нові вирішення проблеми експериментальних досліджень подвійного бета-розпаду атомних ядер з якомога вищою чутливістю для вивчення властивостей нейтрино та слабкої взаємодії. Отримані нові результати досліджень 2b-розпаду ядер 64Zn, 70Zn, 76Ge, 106Cd, 108Cd, 114Cd, 116Cd, 136Ce, 138Ce, 142Ce, 160Gd, 180W, 186W. Проаналізовані можливості подальшого підвищення чутливості експериментів.

Основні результати дисертаційної роботи такі: 1. Розвинутий сцинтиляційний метод для досліджень 2b-розпаду атомних ядер.

1.1. В Солотвинській підземній лабораторії ІЯД НАНУ споруджена низькофонова сцинтиляційна установка для вимірювання низьких активностей радіонуклідів в зразках обємом до 30 дм3. Чутливість установки до 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, що порівняно з чутливістю низькофонових напівпровідникових детекторів з надчистого германію. На установці проведено відбір конструкційних матеріалів та сцинтиляційних кристалів для наднизькофонових експериментів, спрямованих на пошук 2b-розпаду та інших рідкісних розпадів атомних ядер.

1.2. В Солотвинській підземній лабораторії споруджений наднизькофоновий сцинтиляційний спектрометр з кристалами вольфрамату кадмію, збагаченими ізотопом 116Cd. Спектрометр включає комплекс пасивного та активного захисту з відібраних за рівнем радіочистоти матеріалів. Рівень фону детектора, 0.04 відліків / (рік ? КЕВ ? кг) на енергії 2b-розпаду 116Cd, є одним з кращих серед досягнутих в експериментах по пошуку 2b-розпаду.

1.3. Розроблена багатоканальна система реєстрації даних для наднизькофонових установок, яка дозволяє записувати енергію та час події, інформацію про збіги подій в основному детекторі та детекторах активного захисту, форму сцинтиляційних сигналів.

1.4. Вперше застосовано аналіз форми сцинтиляційних сигналів для дискримінації подій в сцинтиляційному детекторі з кристалами 116CDWO4, що дозволило приблизно в 4 рази підвищити чутливість експерименту по пошуку 2b-розпаду ядра 116Cd.

1.5. Досліджені сцинтиляційні властивості, відгук до а-частинок, форма сцинтиляційних сигналів та розроблено методику дискримінації частинок за формою в сцинтиляторах CAWO4, ZNWO4, PBWO4, GSO(Ce), CEF3, показані можливості їх застосування в чутливих експериментах з метою пошуку і дослідження 2b-розпаду ізотопів кальцію, вольфраму, цинку, гадолінію, церію. Запропонований метод пошуку спін-залежної взаємодії частинок темної матерії за допомогою кристалів вольфраматів кальцію та цинку, а також алюмо-ітрієвих гранатів, активованих неодимом.

1.6. Розроблена методика вимірювань радіочистоти сцинтиляційних кристалів на рівні чутливості » 10-6 Бк/кг для 228Th, 226Ra, 227Ac, » 10-4 Бк/кг для а-активних радіонуклідів та » 10-2 - 10-4 Бк/кг для b-активних радіонуклідів. Досліджені активності та особливості (вікова рівновага, для кристалів CDWO4 - просторовий розподіл в обємі кристалів) слідових домішок радіонуклідів в сцинтиляторах CAWO4, ZNWO4, CDWO4 (як з природним розподілом ізотопів кадмію, так і збагачених 116Cd), PBWO4, GSO(Ce), CEF3.

1.7. Вперше досліджені сцинтиляційні властивості, форма сцинтиляційних сигналів, ступінь радіочистоти алюмо-ітрієвого гранату, активованого неодимом (YAG:Nd). Показана можливість використання цього сцинтилятору для пошуку 2b-розпаду ізотопів неодиму.

1.8. Показано, що кристали CDWO4 можуть бути застосовані в якості болометричних детекторів з високою енергетичною роздільною здатністю на рівні 5 КЕВ в широкому діапазоні енергій, що робить їх надзвичайно перспективними детекторами для пошуку 0n2b-розпаду 116Cd.

2. Експериментально досліджені різні моди і канали 2b-розпаду ядер 48Ca, 64Zn, 70Zn, 106Cd, 108Cd, 114Cd, 116Cd, 136Ce, 138Ce, 142Ce, 160Gd, 180W, 186W.

2.1. Виміряний період напіврозпаду ядра 116Cd відносно 2n2b-розпаду: T1/2 = 2.9 0.4-0.3 ? 1019 років.

2.2. Встановлене нове обмеження на період напіврозпаду відносно 0n2b розпаду 116Cd на основний стан ядра 116Sn (тут і далі всі обмеження з довірчою імовірністю 90%): T1/2 (о.с. ® 0 ) ? 1.7 ? 1023 років.

2.3. Встановлені нові обмеження на періоди напіврозпаду 116Cd відносно 0n2b-розпаду на збуджені стани ядра 116Sn: T1/2 (о.с. ® 2 ) ? 2.9 ? 1022 років.

2.4. Встановлені нові обмеження на періоди 0n2b-розпаду ядра 116Cd з випромінюванням майоронів - одного (М1), двох (М2) і т.зв. bulk майорона (Mbulk): T1/2 (М1) ? 0.8 ? 1022 років.

2.5. З експериментального обмеження на 0n2b-розпад 116Cd отримані одні з найбільш жорстких обмежень на ефективну масу нейтрино майоранівської природи: amnn ? 1.7 ЕВ, параметри домішок правих токів в слабкій взаємодії: ahn ? 2.5 ? 10-8, aln ? 2.2 ? 10-6, та параметр порушення R-парності в мінімальній суперсиметричній СМ з порушенням R-парності: e ? 7 ? 10-4.

2.6. З обмеження на 0n2b-розпад 116Cd з вильотом майорона отримане одне з найбільш жорстких обмежень на константу звязку нейтрино з майороном: AGMN ? 4.6 ? 10-5.

2.7. Експериментально досліджені процеси 2b-розпаду ядра 160Gd. Встановлені обмеження на періоди напіврозпаду ядра 160Gd відносно 0n2b-розпаду на основний та перший збуджений стани ядра 160Dy: T1/2 (о.с. ® 0 , 2 ) ? 1.3 ? 1021 років.

Результати, перераховані в п. 2.1 - 2.7, увійшли до огляду Review of Particle Physics [Phys. Rev. B, Vol. 592 (2004) P. 1] (розділи “Majoron Searches in Neutrinoless Double b Decay”, P. 401 - 402, “Double-b Decay”, P. 447 - 450).

2.8. Встановлені найбільш жорсткі обмеження період напіврозпаду ядра 160Gd відносно 2n2b-розпаду на основний та перший збуджений стани 160Dy: T1/2 (о.с. ® 0 ) ? 1.9 ? 1019 років.

2.9. Вперше експериментально досліджені різні моди та канали процесів 2b-розпаду ізотопів вольфраму: 180W та 186W. Зокрема, період напіврозпаду ядра 180W відносно 0n2b-розпаду на основний стан ядра 180Os обмежений на рівні: T1/2 (о.с. ® 0 ) ? 1.1 ? 1021 років.

2.10. Встановлені експериментальні обмеження на різні моди та канали 2b-розпаду ядер 48Ca, 64Zn, 70Zn, 106Cd, 108Cd, 114Cd, 136Ce, 138Ce, 142Ce (дослідження 108Cd, 114Cd та 138Ce здійснені вперше) на рівні чутливості T1/2 » 1017 - 1020 років.

3. З аналізу даних вимірювань з наднизькофоновими германієвими детекторами (експерименти “Heidelberg-Moscow” та “IGEX”) одержане нове обмеження на період напіврозпаду ядра 76Ge відносно безнейтринного подвійного бета-розпаду: T1/2 ? 2.5 (4.2) ? 1025 років 90% (68% CL), звідки слідує найбільш жорстке обмеження на масу нейтрино майоранівської природи: amnn ? 0.31 (0.24) ЕВ.

4. Досліджені можливості підвищення чутливості експериментів по пошуку 0n2b-розпаду з використанням сцинтиляційного методу до рівня T1/2 » 1026 - 1027 років.

4.1. Показано, яким вимогам мають задовольняти експерименти для реєстрації та встановлення обмеження на процес 0n2b-розпаду.

4.2. Запропоновано проект експерименту (проект “CAMEO”) по пошуку 0n2b-розпаду 116Cd з чутливістю T1/2 » 1026 років. Проаналізовані можливості підвищення чутливості експерименту до рівня T1/2 » 1027 років, що відповідає масі нейтрино amnn ~ 0.02 ЕВ.

4.3. Показані можливості використання сцинтиляторів вольфрамату свинцю в експерименті по пошуку 0n2b-розпаду 116Cd з чутливістю T1/2 » 1026 років.

4.4. Запропоновано проект експерименту (проект “CARVEL”) по пошуку 0n2b-розпаду 48Ca з чутливістю T1/2 » 1026 років, що відповідає масі нейтрино 0.04 - 0.09 ЕВ.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. F.A. Danevich, A.Sh. Georgadze, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, V.N. Kuts, A.S. Nikolaiko, V.I. Tretyak, Yu. Zdesenko, The research of 2b decay of 116Cd with enriched 116CDWO4 crystal scintillators // Phys. Lett. B. - 1995. - Vol. 344. - P. 72 - 78.

2. С.Ф. Бурачас, Ф.А. Даневич, Ю.Г. Здесенко, В.В. Кобычев, В.Д. Рыжиков, В.И. Третяк, О возможности поиска 2b-распада 160Gd с помощью сцинтилляторов GSO // Ядерная физика. - 1995. - Том. 58. - С. 195 - 199.

3. А.Ш. Георгадзе, Ф.А. Даневич, Ю.Г. Здесенко, В.В. Кобычев, Б.Н. Кропивянский, В.Н. Куц, В.В. Музалевский, А.С. Николайко, О.А. Понкратенко, В.И. Третяк, Поиск а-распада природных изотопов вольфрама // Письма в ЖЭТФ. - 1995. - Том.61. - С. 869 - 873.

4. S.Ph. Burachas, F.A. Danevich, A.Sh. Georgadze, H.V. Klapdor-Kleingrothaus, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, V.N. Kuts, A. Muller, V.V. Muzalevsky, A.S. Nikolaiko, O.A. Ponkratenko, V.D. Ryzhikov, A.S. Sai, I.M. Solsky, V.I. Tretyak, Yu.G. Zdesenko, Large volume CDWO4 crystal scintillators // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Research A. - 1996. - Vol. 369. - P. 164 - 168.

5. А.Ш. Георгадзе, Ф.А. Даневич, Ю.Г. Здесенко, В.Н. Куц, В.В. Кобычев, Б.Н. Кропивянский, А.С. Николайко, О.А. Понкратенко, В.И. Третяк, Бета-распад 113Cd // Ядерная физика. - 1996. Том. 59. - С.5 - 9.

6. А.Ш. Георгадзе, Ф.А. Даневич, Ю.Г. Здесенко, В.В. Кобычев, Б.Н. Кропивянский, В.Н. Куц, В.В. Музалевский, А.С. Николайко, О.А. Понкратенко, В.И. Третяк, Оценка активностей радиоактивных примесей в кристаллах вольфрамата кадмия // Приб. и техника эксперимента. - 1996. - Том. 2. - С. 45 - 51.

7. F.A. Danevich, A.Sh. Georgadze, J. Hellmig, M. Hirsch, H.V. Klapdor-Kleingrothaus, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, V.N. Kuts, A. Muller, A.S. Nikolaiko, F. Petry, O.A. Ponkratenko, H. Strecker, V.I. Tretyak, M.V ollinger, Yu. Zdesenko, Investigation of b b and b /EC decay of 106Cd // Z. Physik A. - 1996. - Vol. 355. - P. 433 - 437.

8. T. Fazzini, P.G. Bizzeti, P.R. Maurenzig, C. Stramaccioni, F.A. Danevich, V.V. Kobychev, V.I. Tretyak, Yu.G. Zdesenko, Pulse-shape discrimination with CDWO4 crystal scintillators // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Research A. - 1998. - Vol. 410. - P. 213 - 219.

9. F.A. Danevich, A.Sh. Georgadze, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, A.S. Nikolaiko, O.A. Ponkratenko, V.I. Tretyak, Yu. Zdesenko, Limits on Majoron modes of 116Cd neutrinoless 2b decay // Nucl. Phys. A. - 1998. - Vol. 643. - P. 317 - 328.

10. F.A. Danevich, A.Sh. Georgadze, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, A.S. Nikolaiko, O.A. Ponkratenko, V.I. Tretyak, S.Yu. Zdesenko, Yu.G. Zdesenko, P.G. Bizzeti, T.F. Fazzini, P.R. Maurenzig, New results of 116Cd double b decay study with 116CDWO4 scintillators // Phys. Rev. C. - 2000. - Vol.62. - P.045501, 9 p.

11. G. Bellini, B. Caccianiga, M. Chen, F.A. Danevich, M.G. Giammarchi, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, E. Meroni, L. Miramonti, A.S. Nikolayko, L. Oberauer, O.A. Ponkratenko, V.I. Tretyak, S.Yu. Zdesenko, Yu.G. Zdesenko, High sensitivity quest for Majorana neutrino mass with the BOREXINO counting test facility // Phys. Lett. B. - 2000. - Vol. 493. - P. 216 - 228.

12. G. Bellini, B. Caccianiga, M. Chen, F.A. Danevich, M.G. Giammarchi, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, E. Meroni, L. Miramonti, A.S. Nikolayko, L. Oberauer, O.A. Ponkratenko, V.I. Tretyak, S.Yu. Zdesenko, Yu.G. Zdesenko, High sensitivity 2b decay study of 116Cd and 100Mo with the BOREXINO counting test facility (CAMEO project) // Eur. J. Phys. C. - 2001. - Vol. 19. - P. 43 - 55.

13. F.A. Danevich, V.V. Kobychev, O.A. Ponkratenko, V.I. Tretyak, Yu.G. Zdesenko, Quest for double beta decay of 160Gd and Ce isotopes // Nucl. Phys. A. - 2001. - Vol. 694. - P. 375 - 391.

14. Yu.G. Zdesenko, F.A. Danevich, V.I. Tretyak, Has neutrinoless double b decay of 76Ge been really observed? // Phys. Lett. B. - 2002. - Vol. 546. - P. 206 - 215.

15. F.A. Danevich, A.Sh. Georgadze, V.V. Kobychev, S.S.Nagorny, A.S. Nikolaiko, O.A. Ponkratenko, V.I. Tretyak, S.Yu. Zdesenko, Yu.G. Zdesenko, P.G. Bizzeti, T.F. Fazzini, P.R. Maurenzig, a activity of natural tungsten isotopes // Phys. Rev. C. - 2003. - Vol. 67. - P. 014310, 8 p.

16. F.A. Danevich, A.Sh. Georgadze, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, A.S. Nikolaiko, O.A. Ponkratenko, V.I. Tretyak, S.Yu. Zdesenko, Yu.G. Zdesenko, P.G. Bizzeti, T.F. Fazzini, P.R. Maurenzig, Search for 2b decay of cadmium and tungsten isotopes: Final results of the Solotvina experiment // Phys. Rev. C. - 2003. - Vol. 68. - P. 035501, 12 p.

17. F.A. Danevich, A.Sh. Georgadze, V.V. Kobychev, A.S. Nikolaiko, O.A. Ponkratenko, V.I. Tretyak, S.Yu. Zdesenko, Yu.G. Zdesenko, P.G. Bizzeti, T.F. Fazzini, P.R. Maurenzig, Two-neutrino 2b decay of 116Cd and new half-life limits on 2b decay of 180W and 186W // Nucl. Phys. A. - 2003. - Vol. 717. - P. 129 - 145.

18. P.Belli, R.Bernabei, R.Cerulli, C.J.Dai, F.A. Danevich, A.Incicchitti, V.V. Kobychev, O.A. Ponkratenko, D.Prosperi, V.I. Tretyak, Yu.G. Zdesenko, Performances of a CEF3 crystal scintillator and its application to the search for rare processes // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Research A. - 2003. Vol. 498. - P. 352 - 361.

19. Yu.G. Zdesenko, F.A. Danevich, V.I. Tretyak, Sensitivity and discovery potential of the future 2b decay experiments // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. - 2004. - Vol. 30. - P. 971 - 981.

20. Ф.А. Даневич, Ю.Г. Здесенко, С.С. Нагорний, С.С. Юрченко, Застосування штучних нейронних мереж для аналізу форми імпульсів у сцинтиляторах CDWO4 // Зб. наук. праць ІЯД. - 2004. Том. 1. - С. 126 - 133.

21. І.І. Веретянников, Ф.А. Даневич, Ю.Г. Здесенко, В.В. Кобичев, С.С. Нагорний, Д.В. Пода, Оптимізація детектора на основі сцинтиляційного кристала вольфрамату кадмію для експерименту по пошуку 2b-розпаду ядра 116Cd // Зб. наук. праць ІЯД. - 2004. Том. 2. - С. 163 - 172.

22. V.I. Tretyak, F.A. Danevich, S.S. Nagorny, Yu.G. Zdesenko, On the possibility to search for 2b decay of initially unstable (a/b radioactive) nuclei // Europhysics Letters. - 2005. - Vol. 69. P. 41 - 47.

23. Yu.G. Zdesenko, F.T. Avignone III, V.B. Brudanin, F.A. Danevich, S.S. Nagorny, I.M. Solsky, V.I. Tretyak, Scintillation properties and radioactive contamination of CAWO4 crystal scintillators // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. - 2005. - Vol. 538. - P. 657 - 667.

24. Yu.G. Zdesenko, F.T.Avignone III, V.B. Brudanin, F.A. Danevich, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, S.S. Nagorny, V.I. Tretyak, Ts. Vylov, CARVEL experiment with 48CAWO4 crystal scintillators for the double b decay study of 48Ca // Astroparticle Physics. - 2005. - Vol. 23. - P. 249 - 263.

25. F.A. Danevich, V.V. Kobychev, S.S. Nagorny, V.I. Tretyak, YAG:Nd crystals as possible detector to search for 2b and a decay of neodymium // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. - 2005. - Vol. 541. - P. 583 - 589.

26. F.A. Danevich, V.V. Kobychev, S.S. Nagorny, D.V. Poda, V.I. Tretyak, S.S. Yurchenko, Yu.G. Zdesenko, ZNWO4 crystals as detectors for 2b decay and dark matter experiments // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. - 2005. - Vol.544. - P. 553-564.

27. F.A. Danevich, A.Sh. Georgadze, V.V. Kobychev, B.N. Kropivyansky, S.S. Nagorny, A.S. Nikolaiko, D.V. Poda, V.I. Tretyak, I.M. Vyshnevskyi, S.S. Yurchenko, B.V. Grinyov, L.L. Nagornaya, E.N. Pirogov, V.D. Ryzhikov, V.B. Brudanin, Ts. Vylov, A. Fedorov, M. Korzhik, A. Lobko, O. Missevitch, Application of PBWO4 crystal scintillators in experiment to search for 2b decay of 116Cd // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. - 2006. - Vol. 556. - P. 259 - 265.

Danevich F.A. Experimental research of double beta decay of atomic nuclei

A thesis (manuscript) for the Doctor of Sciences degree (Physics and Mathematics). Speciality 01.04.16 - physics of nuclei, elementary particles, and high energy. Institute for Nuclear Researches National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2006.

Results of 2b decay experiments performed with the help of low-background crystal scintillators are presented. The low-background setup based on CDWO4 crystals of large volume (100 - 200 cm3) was build in the Solotvina Underground Laboratory (Ukraine) to check radioactive contamination of different materials. The sensitivity of the setup for detection of 40K and 228Th contamination in ~1 kg sample was estimated as 0.04 Bq/kg and 0.007 Bq/kg, respectively (for a measuring time 24 h and with a statistical accuracy of 30%). This facility was also used to measure the radio-purity of scintillators with a ~ MBQ/kg sensitivity by applying pulse-shape discrimination and time-amplitude analysis. The super-low background scintillation spectrometer with enriched 116CDWO4 crystal scintillators with improved passive and active shielding was developed. A record background rate of 0.04 counts / (yr ? KEV ? kg) in 2.5 - 3.2 MEV energy interval was reached in this setup. It has allowed to carry out high sensitivity experiment to search for 2b processes in cadmium and tungsten isotopes. In particular, the half-life of the two neutrino 2b decay of 116Cd has been measured. The most stringent half-life limit on the neutrinoless 2b decay of 116Cd has been established . The restrictions on the Majorana neutrino mass and righthanded admixtures in the weak interaction were obtained comparing this bound with theoretical calculations. Neglecting righthanded contribution the restriction was set. The value of the R-parity violating parameter of minimal SUSY standard model was restricted by the T1/2 limit. Moreover, using the experimental bound on the 0n2b decay with one Majoron emission and theoretical calculations, the effective Majoron-neutrino coupling constant was restricted. All these results are among the strongest constraints obtained up to date in the direct 2b decay experiments with 76Ge, 82Se, 100Mo, 130Te, and 136Xe.

New half-life bounds at the level of 1017 - 1021 yr were set for various 2b processes in 64Zn, 70Zn, 106Cd, 108Cd, 114Cd, 136Ce, 138Ce, 142Ce, 160Gd, 180W, and 186W by using low-background CDWO4, GSO, and ZNWO4 crystal scintillators.

The claim of discovery of the 0n2b decay of 76Ge [Mod. Phys. Lett. A 16 (2001) 2409] was considered critically and firm conclusion about, at least, prematurity of such a claim was derived on the basis of a simple statistical analysis of the measured spectra. This result was also proved by analyzing the cumulative data sets of the Heidelberg-Moscow and IGEX experiments. It allows to establish the highest worldwide half-life limit on the 0n2b decay of 76Ge. This bound corresponds to the most stringent constraint on the Majorana neutrino mass.

Energy resolution, a/b ratio, pulse-shape discrimination for g rays and b particles, and radioactive contamination were studied with CAWO4, ZNWO4, CDWO4, PBWO4, GSO, CEF3, yttrium-aluminum garnet doped with neodymium (YAG:Nd) crystal scintillators. Applicability of these scintillators to search for 2b decay was discussed.

The demands of the future high sensitivity 2b decay experiments, aiming to observe the neutrinoless 2b decay or to advance restrictions on the neutrino mass to amnn ? 0.01 EV, were considered and requirements for their sensitivity and discovery potential were formulated. Two projects of high sensitivity 2b experiments were proposed. The unique features of the CTF and BOREXINO setups were proposed to use for a high sensitivity study of 116Cd neutrinoless 2b decay (CAMEO project). The sensitivity of the CAMEO experiment (in terms of the T1/2 limit for 0n2b decay) was estimated as 1026 yr with 65 kg of 116CDWO4 crystals. The last value corresponds to a limit on the neutrino mass of amnn ? 0.06 EV. Moreover, with 1000 kg of 116CDWO4 crystals located in the BOREXINO apparatus the neutrino mass limit can be pushed down to amnn ~ 0.02 EV. The CARVEL experiment to search for the 0n2b decay of 48Ca with the help of enriched 48CAWO4 crystal scintillators has been considered. Despite rather high radioactive contaminations of a CAWO4 crystal used in the pilot experiment, the background rate of the CAWO4 detector in the energy region 3.6 - 5.4 MEV (energy window of the 48Ca neutrinoless 2b decay) was reduced down to 0.07 counts / (yr ? KEV ? kg). With ~100 kg array of the 48CAWO4 crystals the sensitivity of the CARVEL experiment was estimated. This value corresponds to the neutrino mass constraint amnn < 0.04 - 0.09 EV.

Keywords: double beta decay, neutrino, weak interaction, low counting experiment, scintillation detector, half-life, half-life limit, radioactivity

Даневич Ф.А. Експериментальні дослідження подвійного бета-розпаду атомних ядер

Дисертація (рукопис) на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук по спеціальності 01.04.16 - фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій. Інститут ядерних досліджень НАН України, Київ, 2006.

Представлені результати експериментальних досліджень 2b-розпаду атомних ядер. За допомогою сцинтиляторів CDWO4, збагачених ізотопом 116Cd, був виміряний період напіврозпаду 116Cd відносно 2n2b-розпаду. На інші моди та канали 2b-розпаду 116Cd встановлені нові обмеження, зокрема для 0n2b-переходу на основний стан 116Sn, звідки слідують обмеження на майоранівську масу нейтрино amnn ? 1.7 ЕВ та інші параметри теорії. Нові обмеження на рівні 1017 - 1021 років встановлені на періоди напіврозпаду відносно різних мод і каналів 2b-розпаду ядер 64Zn, 70Zn, 106Cd, 108Cd, 114Cd, 136Ce, 138Ce, 142Ce, 160Gd, 180W, 186W. Нове обмеження на масу нейтрино майоранівської природи amnn ? 0.24 ЕВ отримане з аналізу даних експериментів по пошуку 2b-розпаду 76Ge. Досліджені сцинтиляційні властивості, форми сцинтиляційних сигналів та радіочистота сцинтиляторів CAWO4, ZNWO4, CDWO4, PBWO4, GSO, CEF3, YAG:Nd.

Ключові слова: подвійний бета-розпад, нейтрино, слабка взаємодія, низькофонові вимірювання, сцинтиляційний детектор, період напіврозпаду, обмеження на період напіврозпаду, радіоактивність.

Даневич Ф.А. Экспериментальные исследования двойного бета-распада атомных ядер Диссертация (рукопись) на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.16 - физика ядра, элементарных частиц и высоких энергий. Институт ядерных исследований НАН Украины, Киев, 2006.

Представлены результаты экспериментальных исследований 2b-распада атомных ядер. С помощью сцинтилляторов CDWO4, обогащенных изотопом 116Cd, был измерен период полураспада 116Cd относительно 2n2b-распада. На другие моды и каналы 2b-распада 116Cd установлены новые ограничения, в частности для 0n2b-перехода на основное состояние 116Sn, откуда следуют ограничения на майорановскую массу нейтрино amnn ? 1.7 ЭВ и другие параметры теории. Новые ограничения науровне 1017-1021 лет установлены на периоды полураспада относительно разных мод и каналов 2b-распада ядер 64Zn, 70Zn, 106Cd, 108Cd, 114Cd, 136Ce, 138Ce, 142Ce, 160Gd, 180W, 186W. Новое ограничение на массу нейтрино майорановской природы amnn ? 0.24 ЭВ получено из анализа данных экспериментов по поиску 2b-распада 76Ge. Исследованы сцинтилляционные свойства, формы сцинтилляционных сигналов и радиочистота сцинтилляторов CAWO4, ZNWO4, CDWO4, PBWO4, GSO, CEF3, YAG:Nd.

Ключевые слова: двойной бета-распад, нейтрино, слабое взаимодействие, низкофоновые измерения, сцинтилляционный детектор, период полураспада, ограничение на период полураспада, радиоактивность.

Размещено на .ru