Результаты поиска безнейтринного двойного (0νββ) бета-распада ⁷⁶Ge в эксперименте GERDA (GERmanium Detector Array) опубликованы в новом номере журнала Physical Review Letters. Более того, статья стала «выбором редакции» этого издания. И хотя искомый сигнал не был обнаружен, все цели финальной фазы эксперимента успешно достигнуты.

Опубликованный нижний предел на период полураспада 0νββ распада 1,8·10²⁶ лет совпал с ожидаемым значением чувствительности эксперимента. Это самое строгое из когда-либо измеренных ограничений для изотопов-кандидатов на 0νββ распад. Полученный индекс фона в 5,2·10^-4 отсчета / (кэВ·кг·год) в интересующей области энергий также является лучшим среди всех конкурирующих проектов, что не просто демонстрирует осуществимость длительного бесфонового эксперимента, но и обеспечивает базу для создания подобного эксперимента следующего поколения со значительно более высокой чувствительностью.

Безнейтринный двойной бета-распад – это гипотетический процесс, выходящий за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц: два нейтрона в ядре (в нашем случае в ядре ⁷⁶Ge) превращаются в два протона и два электрона («бета-частицы») без испускания двух антинейтрино. Его обнаружение имело бы серьезные последствия для физики элементарных частиц и космологии: была бы продемонстрирована возможность нарушения лептонного числа и доказана майорановская природа нейтрино (то есть тождественность нейтрино и антинейтрино), получен ответ на вопрос об иерархии нейтринных масс, и, наконец, у нас в руках оказался бы важный ключ к пониманию того, почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии.

Интересно, что именно проверка нарушения лептонного числа была задачей первого эксперимента по поиску 0νββ распада с помощью германиевого детектора, состоявшегося уже более полувека назад. Детектор массой всего лишь около 100 г был выбран миланскими физиками из-за его выдающегося энергетического разрешения. С тех пор чувствительность экспериментов выросла в миллион раз! Подобное стало возможным за счет увеличения от проекта к проекту общей массы используемых детекторов (в нашем случае они являются одновременно и источниками искомых событий), что сопровождалось не менее принципиальным уменьшением (!) фона вблизи энергии распада. Для достижения этих целей, в частности, потребовалось размещать экспериментальные установки глубоко под землей для снижения фона от космических лучей, а также применять детекторы, в которых за счет обогащения содержание изотопа ⁷⁶Ge было доведено практически до 90% (с 7,8% в детекторах из натурального германия).

Эксперимент GERDA проводился с 2011 года в Национальной лаборатории Гран Сассо в Италии на глубине 3500 м водного эквивалента. На заключительной стадии в GERDA измерялся 41 германиевый детектор общей массой 44,2 кг с содержанием ⁷⁶Ge ~ 86-88%. Заметный прогресс по сравнению с предшественниками эксперименту обеспечил поистине новаторский подход: открытые германиевые детекторы погружены в криостат со сверхчистым жидким аргоном, который, в свою очередь, находится внутри огромного бака с водой (оборудованного фотоумножителями), являющегося барьером для фотонов, нейтронов и мюонов. Аргон охлаждает детекторы до необходимой температуры и защищает от внешнего излучения. Кроме того, методика позволяет значительно уменьшить количество конструкционных материалов, ведь, несмотря на тщательный отбор, в них всегда содержатся пусть и минимальные, но остатки радиоактивных примесей. Установка оснащена системой регистрации сцинтилляций в жидком аргоне, что позволяет успешно выявлять сигналы, вызванные фоновыми событиями. Анализ временного профиля импульсов германиевых детекторов дает еще один мощный инструмент подавления фона.

Успешный опыт GERDA с использованием инновационных детекторов и новых методов анализа детекторных сигналов позволяет рассчитывать, что дальнейшее снижение фона вполне возможно, а значит, возможно и осуществление бесфонового крупномасштабного эксперимента. Его реализация уже началась в рамках коллаборации LEGEND. Планируется довести чувствительность по периоду полураспада 0νββ распада ⁷⁶Ge до 10²⁸ лет. На первом этапе эксперимента около 200 кг детекторов из обогащенного германия будут погружены в модифицированный криостат GERDA. Начало набора данных намечено на 2021 год.

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.252502 (GERDA collaboration, Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 252502)
2. https://inspirehep.net/literature/51346 (E. Fiorini et al., Phys. Lett. 25B (1967) 602-603)

к.ф.-м.н., старший научный сотрудник ЛЯП
Константин Гусев