Анотація до роботи:

Пода Д.В. Подвійний бета-розпад ізотопів ^{64, 70}Zn та ^{180, 186}W. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.16 — фізика ядра, елементарних частинок і високих енергій. — Інститут ядерних досліджень Національної академії наук України. Київ, 2009.

Представлено результати експериментальних пошуків процесів подвійного бета-розпаду ізотопів цинку та вольфраму з використанням низькофонових детекторів на основі сцинтиляційних кристалів ZnWO₄ великої маси (117 г, 168 г і 699 г). Експеримент проводився з використанням низькофонової установки “DAMA/R&D”, розміщеної в підземній лабораторії Гран-Сассо Національного інституту ядерної фізики (Італія). Загальна тривалість вимірювань перевищує десять тисяч годин. Отримано нові нижні обмеження на періоди напіврозпаду в інтервалі 10¹⁷–10²¹ років відносно різних 2b-процесів для ізотопів ⁶⁴Zn, ⁷⁰Zn, ¹⁸⁰W і ¹⁸⁶W. Результатами даного експерименту з високою ймовірністю спростовано повідомлення [Appl. Radiat. Isot. – 1995. – Vol. 46, No. 6/7. – P. 455–456] про реєстрацію процесу eb⁺–розпаду ⁶⁴Zn.

Вивчено енергетичну роздільну здатність, відносний світловихід, a/b-співвідношення, часові характеристики висвічування, можливість цифрової ідентифікації a-частинок і g-квантів (b-частинок) по формі сцинтиляційного імпульсу, а також радіоактивну забрудненість кристалів CdWO₄, PbWO₄ і ZnWO₄.

Запропоновано проект чутливого сцинтиляційного експерименту по пошуку 0n2b^--розпаду ядра ¹¹⁶Cd. З цією метою розроблено нову детектуючу систему з високою енергетичною роздільною здатністю, а також проаналізовано можливість використання кристалів PbWO₄ як “4p” активний захист, так і в ролі світловодів для сцинтиляторів ¹¹⁶CdWO₄. В запропонованому експерименті по пошуку 0n2b^--розпаду ¹¹⁶Cd за 10 років вимірювань може бути досягнута чутливість до періоду напіврозпаду відносно безнейтринної моди на рівні ~ 10²⁶ років (що відповідає ефективній масі майоранівського нейтрино » 0,07 еВ).

З аналізу проведених у ході виконання дисертаційної роботи досліджень та узагальнення їх результатів можна сформулювати такі основні висновки:

1. В результаті тривалих низькофонових вимірювань (більше десяти тисяч годин) зі сцинтиляторами ZnWO₄ великого об’єму (0,12–0,7 кг) встановлено нові експериментальні значення нижніх меж періодів напіврозпаду відносно різних мод та каналів 2b-розпаду ізотопу ⁶⁴Zn на рівні найбільш чутливих експериментів. Нові обмеження на періоди напіврозпаду для двонейтринної та безнейтринної мод eb⁺-розпаду ⁶⁴Zn встановлено на рівні близько 10²¹ років. Це лише третій нуклід серед усіх 34 потенційно 2b⁺-активних ізотопів, досліджений на такому рівні чутливості до періоду напіврозпаду.

Таким чином, результатами даного експерименту спростовано можливість протікання eb⁺-розпаду ⁶⁴Zn з (⁶⁴Zn) = (1,1 ± 0,9) 10¹⁹ років (про спостереження цього процесу повідомлялося ще у 1995 році в роботі [13]).

Отримано нові експериментальні обмеження на періоди напіврозпаду відносно різних мод подвійного електронного захоплення ядром ⁶⁴Zn: для 2n2K-захоплення досягнуто рівня 10¹⁸ років, а для 0n2e-захоплення — близько 10²⁰ років.

Результати, отримані для ізотопу ⁶⁴Zn, увійшли до огляду Particle Data Group “2008 Review of Particle Physics” [25] у розділ “Double-b Decay” (с. 526).

2. Встановлено нові обмеження на періоди напіврозпаду відносно 2n- та 0n-моди 2b^--розпаду ізотопу ⁷⁰Zn на рівні 10¹⁷–10¹⁹ років. Вперше експериментально досліджено можливість 0n2b^--розпаду ⁷⁰Zn з вильотом майорона. Період напіврозпаду для цього процесу перевищує 1,0 10¹⁸ років з 90% C.L.

3. Отримано нові експериментальні обмеження на періоди напіврозпаду відносно 2n- та 0n-моди 2e-захоплення ядром ¹⁸⁰W на рівні 10¹⁷–10¹⁸ років.

4. Встановлено нові обмеження періодів напіврозпаду відносно 2n2b^--переходів ¹⁸⁶W на основний та перший збуджений () стани ¹⁸⁶Os на рівні ~ 10¹⁹–10²⁰ років.

На рівні чутливості ~ 10²⁰ років, порівняному з результатами Солотвинського експерименту з використанням низькофонових детекторів вольфрамату кадмію [26], проведено пошуки 0n2b^--розпаду ізотопу ¹⁸⁶W на основний та перший збуджений () стани ¹⁸⁶Os, а також 0n2b^--розпаду цього ядра з вильотом майорона.

5. Вивчено з вищою точністю спектрометричні та сцинтиляційні властивості, зокрема енергетичну роздільну здатність, відносний світловихід, відгук до a-частинок, кінетику висвічування сцинтиляторів CdWO₄, PbWO₄ і ZnWO₄. Для потреб аналізу даних низькофонових експериментів було вдосконалено методику розділення подій від a-частинок і g-квантів за формою сцинтиляційного імпульсу з детектором CdWO₄. З кристалами PbWO₄ і ZnWO₄ можливість цифрової ідентифікації частинок за формою сцинтиляційного імпульсу було показано вперше. Виконання експериментальних досліджень подвійного бета-розпаду ядер цинку та вольфраму сприяли розробці кристалів вольфрамату цинку великого об’єму з високими сцинтиляційними характеристиками.

6. Проведені низькофонові вимірювання зі сцинтиляторами CdWO₄, PbWO₄ і ZnWO₄ дозволили виміряти рівень радіоактивної чистоти цих матеріалів. Якісний та кількісний склад радіоактивних домішок у сцинтиляторах вольфрамату цинку виміряний на дуже високому рівні чутливості (зокрема для ²²⁸Th і ²²⁶Ra на рівні кількох мкБк/кг). Вперше виявлено космогенну активацію сцинтиляційного детектора ZnWO₄, на що вказує присутність радіоізотопу ⁶⁵Zn в одному з кристалів на рівні 0,5 мБк/кг. Дані результати отримані з використанням розробленого у ході виконання дисертаційної роботи методу цифрової ідентифікації частинок по формі сцинтиляційного імпульсу, а також завдяки мас-спектрометричним вимірюванням, амплітудно-часовому аналізу та апроксимації накопичених енергетичних спектрів змодельованими методом Монте-Карло компонентами фону. Отримані результати свідчать, що сцинтилятори ZnWO₄ мають дуже високий рівень чистоти відносно забрудненості радіонуклідами природного та антропогенного походження.

Таким чином, результати досліджень сцинтиляційних, спектрометричних та фонових характеристик сцинтиляційних кристалів CdWO₄, PbWO₄ і ZnWO₄ показали перспективність їх використання для вивчення процесів 2b-розпаду, темної матерії, рідкісних a- та b-розпадів.

7. За умови використання детектора зі сцинтиляційними кристалами вольфрамату кадмію з енергетичною роздільною здатністю не гірше 4% на енергії 2,8 МеВ, та застосування сцинтиляторів вольфрамату свинцю як світловодів та активного захисту, можна здійснити сцинтиляційний експеримент по пошуку 0n2b^--розпаду ядра ¹¹⁶Cd на рівні чутливості до періоду напіврозпаду (¹¹⁶Cd) ~ 10²⁶ років, що дозволить перевірити наявність майоранівської маси у нейтрино на рівні » 0,07 еВ. Можливість отримання необхідної, для постановки такого експерименту, енергетичної роздільної здатності показано в результаті проведених у даній роботі розробки та вимірювань спектрометричних характеристик нової детектуючої системи, в той час як розрахунки методом Монте-Карло дозволили сформулювати вимоги до рівня радіоактивної чистоти матеріалів та конструкції установки, які б забезпечили досягнення необхідного рівня фону детектора.

Публікації автора:

[1] Search for 2 processes in ⁶⁴Zn with the help of ZnWO₄ crystal scintillator / Belli P., Bernabei R., Cappella F., Cerulli R., Dai C.J., Danevich F.A., Grinyov B.V., Incicchitti A., Kobychev V.V., Nagornaya L.L., Nagorny S.S., Nisi S., Nozzoli F., Poda D.V., Prosperi D., Tretyak V.I., Yurchenko S.S. // Phys. Lett. B. – 2008. – Vol. 658. – P. 193–197.

[2] Searches for 2 decay of Zinc and Tungsten with the help of low-background ZnWO₄ crystal scintillators / Belli P., Bernabei R., Cappella F., Cerulli R., Dai C.J., Danevich F.A., Grinyov B.V., Incicchitti A., Kobychev V.V., Mokina V.M., Nagornaya L.L., Nagorny S.S., Nisi S., Nozzoli F., Poda D.V., Prosperi D., Tretyak V.I., Yurchenko S.S. – Roma: Roma 2 University, 2008. – 20 p. – (Preprint / Roma 2 University “Tor Vergata”; ROM2F/2008/27); (arXiv.org e-Print / arXiv:0811.2348v1 [nucl-ex]., 2008. – 20 p.).

[3] Pulse-shape discrimination with PbWO₄ crystal scintillators / Bardelli L., Bini M., Bizzeti P.G., Danevich F.A., Fazzini T.F., Kobychev V.V., Krutyak N., Maurenzig P.R., Mokina V.M., Nagorny S.S., Pashkovskii M., Poda D.V., Tretyak V.I., Yurchenko S.S. // Nucl. Instr. Meth. A. – 2008. – Vol. 584. – P. 129–134.

[4] Growth of ZnWO₄ crystal scintillators for high sensitivity 2b experiment / Nagornaya L.L., Dubovik A.M., Vostretsov Yu.Ya., Grinov B.V., Danevich F.A., Katrunov K.A., Mokina V.M., Onishchenko G.M., Poda D.V., Starzhinskiy N.G., Tupitsyna I.A. // IEEE Trans. Nucl. Sci. – 2008. – Vol. 55, No. 3. – P. 1469–1472.

[5] Investigation of b decay of ¹¹³Cd / Belli P., Bernabei R., Bukilic N., Cappella F., Cerulli R., Dai C.J., Danevich F.A., de Laeter J.R., Incicchitti A., Kobychev V.V., Nagorny S.S., Nisi S., Nozzoli F., Poda D.V., Prosperi D., Tretyak V.I., Yurchenko S.S. // Phys. Rev. C. – 2007. – Vol. 76. – P. 064603, 10 p.

[6] Application of PbWO₄ crystal scintillators in experiment to search for 2b decay of ¹¹⁶Cd / Danevich F.A., Georgadze A.Sh., Kobychev V.V., Kropivyansky B.N., Nagorny S.S., Nikolaiko A.S., Poda D.V., Tretyak V.I., Yurchenko S.S., Bardelli L., Bini M., Bizzeti P.G., Fazzini T.F., Maurenzig P.R., Grinyov B.V., Nagornaya L.L., Pirogov E.N., Ryzhikov V.D., Brudanin V.B., Korjik M.V., Solsky I.M. // Nucl. Instr. Meth. A. – 2006. – Vol. 556. – P. 259–265.

[7] Further study of CdWO₄ crystal scintillators as detectors for high sensitivity 2b experiments: Scintillation properties and pulse-shape discrimination / Bardelli L., Bini M., Bizzeti P.G., Carraresi L., Danevich F.A., Fazzini T.F., Grinyov B.V., Ivannikova N.V., Kobychev V.V., Kropivyansky B.N., Maurenzig P.R., Nagornaya L.L., Nagorny S.S., Nikolaiko A.S., Pavlyuk A.A., Poda D.V., Solsky I.M., Sopinskyy M.V., Stenin Yu.G., Taccetti F., Tretyak V.I., Vasiliev Ya.V., Yurchenko S.S. // Nucl. Instr. Meth. A. – 2006. – Vol. 569. – P. 743–753.

[8] ZnWO₄ crystals as detector for 2b decay and dark matter experiments / Danevich F.A., Kobychev V.V., Nagorny S.S., Nikolaiko A.S., Poda D.V., Tretyak V.I., Yurchenko S.S., Zdesenko Yu.G. // Nucl. Instr. Meth. A. – 2005. – Vol. 544. – P. 553–564.

[9] Оптимізація детектора на основі сцинтиляційного кристала вольфрамату кадмію для експерименту по пошуку 2b-розпаду ядра ¹¹⁶Cd / Веретянников І.І., Даневич Ф.А., Здесенко Ю.Г., Кобичев В.В., Нагорний С.С., Пода Д.В. // Зб. наук. праць ІЯД НАНУ – 2004. – № 2 (13). – с. 163–172.