CC BY
17
УДК 539.1.05, 539.123
ИЗМЕРЕНИЕ В ЯДЕРНОЙ ФОТОЭМУЛЬСИИ С МОЛИБДЕНОВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ СОБЫТИЙ, ИМИТИРУЮЩИХ 2^-РАСПАД
В. Д. Ашитков1, А. С. Барабаш1, В. Я. Браднова2, В. А. Дитлов1, В. В. Дубинина1, Н. П. Егоренкова1, С. И. Коновалов1, Е. А. Пожарова1, Н.Г. Полухина3, В. А. Смирнитский1, Н. И. Старков3, М. М. Чернявский3,
Т. В. Щедрина3, В. И. Юматов1
Исследование возможности безнейтринного двойного бета-распада проводится в фотоэмульсионном эксперименте с изотопом Мо-100. Приведены результаты измерения, позитрон-ядерных столкновений с целью оценки фоновых событий, имитирующих 2@-распад в области ядерной фотоэмульсии, примыкающей к молибденовым конгломератам.
Ключевые слова: нейтрино, ядерная фотоэмульсия, распознавание образов.
Ядерная фотоэмульсия, как детектор электронов, возникающих при 2,в-распаде, использовалась в ряде экспериментов [1, 2]. В работах [2] приведен результат эмульсионного эксперимента по поиску 2,в-распада 96Zr, в котором было получено лучшее в то время ограничение на 2v2/3 -р&СПЙЬД 96Zr. В работе [3] обсуждается возможность использования для регистрации 2,в-распада эмульсионных камер, прослоенных пластиком с нанесенным на нём источником 2,в-распада. Нами был предложен эксперимент [4], в котором предполагалось использовать для наблюдения 2,в-распада ядерную эмульсию с молибденовым (100Мо) наполнением. Основным достоинством такой методики изучения
1 Институт теоретический и экспериментальной физики ("ФГУП ГНЦ РФ - ИТЭФ"), Россия, 117218, Москва, ул. Большая Черемушкинская, 25.
2 Объединенный институт ядерных исследований, 141980, Дубна, Московская область, ул. Жолио-Кюри 6.
3 Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, 119991, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: polukhina@sci.lebedev.ru.
2в-распада является визуализация событий и возможность измерения всех характеристик распада: суммарной и отдельной энергии электронов и углов их разлета.
Энергия электронов определяется по их пробегу от места вылета из конгломерата Мо до полной остановки, которая имеет в эмульсии, в конце пробега, характерный вид. В нашем опыте мелкодисперсный порошок (Мо, 2-4 мкм) перемешивался с ядерной фотоэмульсией в процессе её изготовления. Подробности предварительных испытаний и оценки ожидаемых результатов использования ядерных фотоэмульсий с 100Мо наполнением опубликованы в работе [4].
4
10 цт
N-А
•щ
* ь
Рис. 1: Имитация вылета двух электронов, расположенных в фокальной плоскости объектива, из конгломерата Мо.
В настоящей работе приведены результаты оценки возможности исключения некоторых фонов, имитирующих 2в-распад в конфигурации эксперимента, предложенного в [4]. На рис. 1 показана реальная фотография в ядерной фотоэмульсии конгломератов (слипшиеся зерна) мелкозернистого порошка из промышленного Мо и имитация вылета из Мо двух электронов различной энергии. В том случае, если эти два электрона вы-
Рис. 2: Распределение минимального расстояния & между двумя треками, образованными частицами, вылетающими из точки столкновения позитрона с ядром фотоэмульсии.
летают в результате 2^-расиада ядра 100Мо, то они должны вылетать из одной точки. Может быть несколько других причин, по которым возможно наблюдение вылета двух электронов:
100
ная фотоэмульсия не имеет временного разрешения, то последовательный, не одновременный вылет двух электронов из конгломерата, будет зарегистрирован как кандидат в 2^-раснад 100Мо.
- Такими событиями могут быть ^-распады различных изотопов, присутствующих в Мо в виде примесей, в случае недостаточной очистки 100Мо и ,5-распад 40К (Т1/2 = 1.28 х 109 лет; Ер = 1.312 МэВ), который присутствует в желатине вблизи конгломерата. Конечная точка ,5-спектра при распаде 40К составляет 1.31 МэВ. Т.о. максимальная энергия двух ,5-электронов (от двух разных распадов 40К) может достигать 2.62 МэВ, в то время как для 100Мо она равна 3 МэВ. При не очень хорошем энергетическом разрешении такие события с некоторой (малой) вероятностью могут имитировать события от безнейтринного двойного в-Распада 100Мо.
90
Стронций распадается на иттрий 90Эгз8 —+ е + ^(71/2 — 28.8 лет5 Ер — 0.549 МэВ), который, в свою очередь, быстро распадается на цирконий (стабильный) 90^739 —902г40 +е- + /?е(Ев — 2.28 МэВ). Эта цепочка двух последовательных распадов будет выглядеть в эмульсии как 2/3 -распад. Максимально возможная энергия двух электронов этой цепочки равна 2.829 МэВ. В случае недостаточного энергетического разрешения такие события могут стать фоновыми для исследуемого эффекта.
Для того чтобы оценить возможность исключения событий, имитирующих 2/3-распад, мы использовали позитрон-ядерные взаимодействия, в которых возникают релятивистские частицы, вылетающие с различными углами из точки столкновения. В этих измерениях произвольно отбирались пары релятивистских частиц, с углом у между ними, и определялось, насколько точно они пересекаются в районе вершины взаимодействия. Для вычисления использовались пространственные координаты двух зерен эмульсии на каждом следе: ближайшие к вершине взаимодействия и затем последующие, вплоть до четвертого зерна. Длина измерительной базы для электронов ограничена из-за их низкой энергии и, как следствие этого, сильного рассеяния. Влияние рассеяния на точность определения пересечения треков электронов оценивается по данным работы [5]. Ошибки в измерении координат зерен на следах частиц и рассеяние приводят к тому, что прямые, проведенные по этим точкам, не пересекаются, а являются скрещивающимися прямыми. Поэтому для определения "точки пересечения" используется минимальное расстояние между этими прямыми. На рис. 2 показано распределение величин в. Среднее значение (в) — (0.60 ± 0.03) мкм и неопределенность пространственного положения точки пересечения не превышает размеров конгломерата, а 80% значений в сосредоточено в области ~1 мкм относительно точки столкновения. На рис. 3 показана зависимость в от угла у. Как видно из этих данных (рис. 2 и 3) (в) имеет размер ~ одного проявленного зерна ядерной фотоэмульсии и корреляция между в и углом у не наблюдается.
Для оценки подавления фона мы считали, что конгломераты Мо имеют круглую форму с радиусом (Як) ~ 3 мкм, а "опасная зона" вокруг них имеет размер (0.6 мкм). В этом случае количество распадов 40К и 90Бг в "опасной зоне" вблизи всех конгломератов для экспозиции с 1 кг 100Мо (5.6 литра эмульсии, ~ 1012) будет подавлено на фактор ~1.5 х10 2 от полного числа распадов в эмульсии. Конкретное количество фоновых событий зависит от содержания в желатине калия и стронция. При очистке желатина от калия до ~10-8 г/г количество распадов 40К в "опасной зоне" составит -0.7 х 10 распадов/год- конгломерат, а вероятность наблюдения двух элек-
тронов х 10-11. Эта величина должна быть еще уменьшена на вероятность вылета двух электронов из одной точки (области, равной () ^0.1. В результате число фоновых 2/5-"событпй" от 40К составит за 1 год экспозиции с 1 кг 100Мо. В область энергии (3 ± 0.3) МэВ попадет ^ 1 события. Возможна и более глубокая очистка желатина от нежелательных примесей.
Рис. 3: Зависимость угла р между двумя треками от величины (I.
В случае со стронцием оба электрона вылетают из одной точки и это событие может имитировать двойной бета-распад. При активности 90Эг в желатине на уровне 1 мБк/кг за 1 год измерений с 1 кг 100Мо в "опасной зоне" про изойдет 03 распадов. Вклад двухэлектронных событий в область энергий > 2.8 МэВ составит меньше 1 события (при энергетическом разрешении 10%). Кроме этого следует иметь в виду, что в этом случае мы будем иметь дело с "асимметричными" событиями (энергия электронов будет ^0.6 и ^2.2 МэВ), что также может быть использовано для уменьшения фона от
90
наиболее вероятно именно "симметричное" распределение электронов по энергии в паре (см. обсуждение подобной ситуации в [6]).
- В ядерной фотоэмульсии всегда, в том или ином количестве, присутствуют примеси естественных радиоактивных элементов ториевого, уранорадиевого и актиниевого рядов. В типичном (не экстремальном) случае в 1 см3 эмульсии содержится ^20 рас-
. ■•*.., ш -р -л ш
*
Ш ЩЁи
* ^ /V
ф
* *
Рис. 4: "Звезда", наблюдаемая в эмульсии при последовательном а-распаде элементов ториевого радиоактивного ряда.
падов, образующих 3-5 лучевые звезды, состоящие из а-частиц (1 атом тория ^ на 108 атомов эмульсии) [7]. Казалось бы, электронные распады этих элементов, происходящие в желатине вблизи конгломератов Мо, могут образовать фон, который будет имитировать 2^-расиад Мо100. Реально же происходит следующее: цепочка распадов трех рядов естественной радиоактивности всегда начинается с последовательного ис-а
источниками в и 7-излучения. В эмульсии с высокой эффективностью наблюдаются 3-а
а
возникающих при распаде ядер естественных радиоактивных элементов. Эти пробеги
а
регистрации ^100%. Такие "двойные события" (конгломерат Мо и а-звезда) с большой вероятностью позволят определить и исключить фоновый электрон. В том случае, если ториевая звезда окажется внутри конгломерата, то и её наблюдение возможно, т. к. пробег а-частиц значительно превышает размер конгломерата 100Мо. Работа частично поддержана грантом РФФИ № 11-02-00476.
ЛИТЕРАТУРА
[1] J. Н. Fremlin and М. С. Walters, Proc. Phys. Soc. 65, 911 (1952).
[2] А. С. Барабатп и др.. Препринт ИТЭФ X 13 (1987); А. С. Барабатп и др.. Препринт ИТЭФ № 104, 88 (ИТЭФ, Москва, 1988); A. S. Barabasli et al., Preprint ITEP № 131, 90 (ITEP, Moscow, 1990).
[3] M. Dracos, J. Soc. Photogr. Sci. Teclmol. Japan 71, 335 (2008).
[4] V. D. Ashitkov et al., Xucl. Instr. Meth. A 621, 701 (2010).
[5] А. А. Поманский, Препринт ФИАН X 7 (M., ФИАН, 1969).
[6] R. Arnold et al., Xucl. Instr. Meth. A 503, 649 (2003).
[7] C. F. Powell, P. H. Fowler, and D. H. Perkins, The Study of Elementary Particles by the Photographic Method (Pergamon, Xew York, 1959).
Поступила в редакцию 7 июля 2011 r.
