Группа ученых ОИЯИ разработала и запатентовала теллурсодержащий жидкий сцинтиллятор, имеющий улучшенные характеристики по сравнению с изобретенными ранее аналогами. Использование особой теллурсодержащей добавки не приводит к существенному снижению световыхода и позволяет применять изобретение в крупномасштабных экспериментах по поиску безнейтринного двойного бета-распада, отмечают авторы.

Двойной безнейтринный бета-распад – очень редкий вид ядерного распада, предсказанный физиками-теоретиками несколько десятков лет назад, но до сих пор еще никем не зарегистрированный. Открытие безнейтринного двойного бета-распада может пролить свет на абсолютные массы нейтрино и на их иерархию. Обнаружение этого процесса будет однозначным подтверждением существования Новой физики за пределами Стандартной модели элементарных частиц.

Для поиска безнейтринного двойного бета-распада в настоящее время проводится ряд экспериментов, в одном из них – эксперименте LEGEND – принимают участие сотрудники Объединенного института. Одновременно с этим в мире ведутся работы по усовершенствованию методов и материалов для его регистрации, в том числе, сцинтилляторов, веществ, обладающих способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения.

Для регистрации нейтрино, отличающихся чрезвычайно слабым взаимодействием с веществом, жидкие сцинтилляторы весьма востребованы. Их состав можно направленно модифицировать, увеличивая тем самым эффективность регистрации этих частиц, а сами детекторы при этом могут быть практически любого объема и любой формы.

19 июня 2023 года ученые ОИЯИ получили патент на жидкий сцинтиллятор на основе линейного алкилбензола с содержанием теллура. Как подчеркивают ученые, ¹³⁰Te, используемый в разработке, – наиболее перспективная разновидность теллура и любых других элементов для экспериментов по поиску безнейтринного двойного бета-распада.

«Разработанный нами материал содержит сцинтилляционную добавку 2,5-дифенилоксазол, вторичную сцинтилляционную добавку 1,4-бис-(5-фенилоксазол-2-ил) бензол. В качестве теллурсодержащей добавки мы впервые использовали комплексное соединение оксида дифенилтеллура и ди-(2-этилгексил)фосфорной кислоты, и это в значительной степени позволило улучшить качественные характеристики сцинтиллятора», – рассказал один из исследователей, начальник группы №1 органических сцинтилляционных детекторов Научно-экспериментального отдела ядерной спектроскопии и радиохимии Лаборатории ядерных проблем им. В.П. Джелепова ОИЯИ, д.т.н. Игорь Немченок.

Ученые изучали оптические свойства сцинтиллятора – прозрачность и световыход – в зависимости от концентрации теллура, проводили комплексные исследования по оптимизации состава сцинтиллятора, изучали влияние вторичного сцинтилляционного растворителя на световыход.

«Световыход – это важнейшая характеристика сцинтилляторов. Эти материалы генерируют свет при прохождении через них частицы или излучения. Чем больше света возникает, тем они лучше в качестве сцинтилляторов. Для создания нашего сцинтиллятора необходимо было ввести теллур в органическую жидкость. Мы смогли подобрать такое соединение теллура, которое бы хорошо растворялось в основном веществе сцинтиллятора и не сильно ухудшало его свойства, в частности, световыход», – отметил ученый.

Одно из возможных мест применения нового сцинтиллятора – подземная нейтринная обсерватория Цзянмынь в 150 километрах к западу от Гонконга в Китае (проект JUNO, в котором уже несколько лет участвует ОИЯИ). Детектор, наполненный 20 тысячами тонн жидкого сцинтиллятора, будет использоваться для решения ряда интереснейших задач из области нейтринной физики. Основная задача эксперимента — изучение нейтринных осцилляций.

«Когда эксперимент будет запущен и выполнит свою программу, такой огромный детектор нужно будет продолжать использовать, поэтому уже сейчас коллеги-физики задумываются о том, что может дать ему вторую жизнь. Возможно, это будет эксперимент по поиску двойного безнейтринного бета-распада, и мы сможем предложить использование для этого нашего теллурсодержащего жидкого сцинтиллятора», – подчеркнул Игорь Немченок.