Поиск редких ядерных распадов и электро-слабых процессов на подземных низкофоновых установках БНО

БНО ИЯИ РАН - Лаборатория низкофоновых исследований.

Низкофоновые камеры лаборатории расположены на глубине 660, 1000 и 5000 метров водного эквивалента. Благодаря использованию ультраосновной горной породы - дунита и низкофонового бетона в качестве защитных материалов, радиационный фон уранового и ториевого рядов в помещении лаборатории снижен более чем в 200 раз относительно уровня фона окружающей горной породы.

Размещенные в этих лабораториях сцинтилляционные, полупроводниковые и газовые ультранизкофоновые детекторы окружаются дополнительными слоями пассивной защиты из свинца, меди, вольфрама и борированного полиэтилена. Используется также активная сцинтилляционная защита от проникающей компоненты космических лучей.

Проводимые низкофоновые исследования включают в себя исследования как фундаментального, так и прикладного характера. Целый ряд экспериментов, имеющих целью поиск очень редких ядерных распадов и электро-слабых процессов, проводятся на подземных низкофоновых установках БНО:

• Проверка закона сохранения электрического заряда;
• Проверка постоянства интенсивности космических лучей в прошлом;
• Поиск сверхплотных ядер;
• Поиск двойного бета-распада различных изотопов;
• Поиск частиц - кандидатов на темную массу Вселенной.

В результате экспериментальной проверки стабильности электрона в 1977 г. был получен предел

Программа поиска и исследования двойного бета-распада (одного из немногих процессов, несущих информацию как о типе, так и о массе нейтрино) включает в себя измерения большого набора обогащенных изотопов ⁷⁶Ge, ¹⁰⁰Mo, ¹⁵⁰Nd, ⁹⁶Zr, ⁵⁸Ni, ¹³⁰Te и ¹³⁶Xe с использованием различных методов детектирования:

• Полупроводниковых германиевых детекторов большого объема;
• Многодетекторных систем на основе сцинтилляторов;
• Ионизационных камер высокого давления;
• Больших пропорциональных счетчиков высокого давления.

Наибольший прогресс был достигнут недавно в эксперименте по поиску безнейтринного двойного бета-распада ⁷⁶Ge, проводимого в рамках международной коллаборации IGEX (Россия - США - Испания ). В данном эксперименте на HPGe-76 де-текторе массой 1 кг был достигнут рекордно низкий уровень фона 0,04 отсчета/кэВ * год * кг в области ожидаемого пика от безнейтринного распада (2038 кэВ), что позволило получить ограничение на массу майорановского нейтрино порядка 1 эВ только на одном детекторе за время около полугода.

Всего в этом международном эксперименте будет использовано около 15 кг обогащенного изотопа ⁷⁶Ge и общее время измерений составит не менее 5 лет, т.е. уже на сегодняшнем этапе реально планируемая чувствительность эксперимента к определению массы нейтрино оценивается как 0,1 эВ.

Три типа детекторов планируется использовать в экспериментах по поиску частиц-кандидатов на роль cкрытой массы Вселенной. Данные исследования проводятся и будут проводиться большей частью в коллаборации с учеными из США. К этим детекторам относятся:

• криогенные детекторы из германия с различным изотопным составом (⁷³Ge, ⁷⁶Ge, Ge - природный) с двойным (фононным и ионизационным) съемом сигнала (в коллаборации с Центром Астрофизики частиц в Беркли, Калифорния и Стэнфордским университетом);
• упомянутые выше 1кг HPGe детекторы.
• многосекционные бесстеночные пропорциональные камеры, заполненные под вы-соким давлением газами CF₄ или Хе;

Рекордно низкий энергетический порог регистрации 1,5 кэВ был достигнут в Лаборатории БНО для одного из 1кг HPGe детекторов, что в сочетании с ультранизким фоном дает возможность значительно расширить границы запрещенных областей для масс и сечений взаимодействия частиц - кандидатов на роль Скрытой массы.

К прикладным исследованиям относятся:

• проверка радиационной чистоты различных естественных и искусственных материалов, например, сырьевых материалов для производства сцинтилляционных монокристаллов;
• контроль окружающей природной среды;
• исследование радиоизотопного состава лунного грунта, доставленного автоматическими станциями Луна-16 и Луна-20 и т.п.

В бета-спектре ядра ¹⁴C с помощью бесстенночного пропорционального счетчика высокого давления проведен поиск примеси "тяжелого" нейтрино с массой 17 кэВ. На основе сравнения формы измеренного β - спектра ¹⁴С с расчетной формой β - спектра для разрешенных переходов был установлен один из лучших пределов на примесь 17 кэВ. нейтрино:

БНО ИЯИ РАН - Подземная лаборатория глубокого заложения

В конце декабря 2008 года на Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН введена в строй новая подземная лаборатория, расположенная на рекордной глубине около 5000 метров водного эквивалента внутри горы Андырчи (в глубь 3700 метров) на Северном Кавказе.

Толща скальной породы, в миллиарды раз ослабляющая фон проникающего излучения космических лучей, и использованные при сооружении материалы с низким уровнем естественной радиоактивности: особый вид бетона на основе дунита, около 200 тонн чистого свинца, кадмий, борированный парафин, бескислородная медь и др., позволяют обеспечить уникальные условия сверхнизкого радиационного фона для фундаментальных и прикладных исследований в области ядерной физики, радиационной биологии и метрологии.