Научные сотрудники Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ разработали методику изготовления, настройки и тестирования сцинтилляционных детекторов большой площади, используемых в низкофоновых экспериментах. Разработанные группой ученых ЛЯП ОИЯИ (Егор Шевчик, Дания Зинатулина и др.) устройства позволяют создавать модульные системы активной мюонной защиты различной площади покрытия с возможностью взаимозаменяемости входящих в ее состав модулей.

Одной из важных задач при подготовке и проведении низкофоновых экспериментов является подавление случайных событий, искажающих изучаемый редкий физический процесс. Известно, что применяемые в опытах против естественного радиоактивного излучения элементы пассивной защиты (медь, свинец, борированный полиэтилен) не способны справляться со случайными эффектами, такими как, например, имитация γ-квантами сигнатур искомых событий в процессах двойного безнейтринного β-распада. Для таких случаев наиболее эффективным решением является создание активной мюонной защиты, для которой характерны высокая эффективность регистрации мюонов, низкая чувствительность к γ-излучению, а также большая площадь (десятки квадратных метров).

Конструкция базового модуля активной мюонной защиты

Ученым Объединенного института удалось усовершенствовать методику изготовления сцинтилляционных счетчиков большой площади, которые позволяют создавать активную мюонную защиту различных размеров (от 1 м²) с возможностью варьирования толщины детектора. В рамках данной методики существуют способы улучшения однородности светосбора.

Для того, чтобы значительно уменьшить время, затрачиваемое на составление карты неоднородности светосбора, в сравнении с традиционным подходом тестирования в режиме совпадений с небольшими сцинтилляционными счетчиками, сотрудниками ЛЯП была разработана процедура быстрого тестирования сцинтилляционных модулей с применением ультрафиолетового светодиода.

Формируемые встроенным электронным модулем логические и аналоговые сигналы могут использоваться для интеграции в существующую систему накопления данных экспериментальной установки и не требуют дополнительной электронной аппаратуры. Такой подход позволяет использовать сцинтилляционные счетчики в различных конфигурациях независимо от архитектуры конкретного эксперимента.

При неоднородности светосбора, не превышающей 25%, была продемонстрирована высокая эффективность регистрации мюонов одной пластиной в одиночном режиме (режим самозапуска) — около 99,75%. В случае двойных или тройных совпадений типичная эффективность регистрации составляет до (99,50 ± 0,25) и (99,25 ± 0,31)% соответственно, но при этом происходит сильное подавление событий γ-фона — в 104 и 107 раз соответственно.

Значения эффективности регистрации космических мюонов для выборки из 22 сцинтилляционных пластин

Будучи частью системы активной защиты от космических мюонов в эксперименте по поиску двойного безнейтринного β-распада GERDA (LNGS, Италия), созданная в ОИЯИ модульная защита успешно функционировала до завершения набора данных, позволив достичь рекордно низкого уровня фона. В будущем рассматривается возможность применения пластин мюонного вето и для эксперимента по поиску когерентного рассеяния нейтрино Ricochet (Гренобль, Франция).

Текст научной статьи о результатах исследования опубликован во втором выпуске журнала «Письма в ЭЧАЯ» за 2024 г.