Первые результаты эксперимента GERDA

Александр Барабаш,
ИТЭФ, Москва
«Троицкий вариант» №15(134), 30 июля 2013 года

16 июля 2013 года на научном семинаре в лаборатории Гран Сассо (Италия) были представлены первые результаты поиска безнейтринного двойного бета-распада (ββ0ν) ядра Ge-76 с помощью детектора GERDA-I [1]. На следующий день озвученные результаты появились в виде электронного препринта [2] и через неделю были доложены на европейской конференции по физике высоких энергий (Стокгольм, 18–24 июля 2013 года).

Эти результаты ожидались учеными с большим интересом. Интрига была связана с тем, что одной из задач эксперимента была проверка сенсационного (но, в тоже время, и крайне неоднозначного) результата, полученного и опубликованного несколькими участниками эксперимента Гейдельберг–Москва (Г-М) — так называемый результат Клапдора (по имени одного из лидеров эксперимента Г. Клапдор-Клайнгротхауса). Сначала коллаборация сообщила о ненаблюдении процесса pp0ν-распада в Ge-76 и установила предел на период полураспада — Т_1/2 > 1,9×10²⁵ лет. Затем несколько человек из этой коллаборации, во главе с Г. Клапдор-Клайнгротхаусом, заявили о наблюдении ββ0ν-распада с уровнем достоверности 4σ (Т = 1,2×10²⁵ лет). Позднее, после более сложного анализа, был получен результат с уровнем достоверности 6σ: Т_1/2 = (2,2±0,3)×10²⁵ лет. Этот результат приводит к фундаментальным последствиям: лептонное число не сохраняется, нейтрино обладает массой, эта масса майорановского типа, и эффективная масса равна <m_ν> ~ 0,3 эВ. Однако научное сообщество отнеслось к этому результату с большим недоверием и не приняло его. Анализ, проведенный независимыми группами ученых, показал большое количество неточностей, противоречий и откровенных «натяжек», допущенных авторами «открытия».

Рис. 1. Схема установки GERDA (с сайта [1])

Тем не менее, результаты эксперимента GERDA-I ожидались с большим интересом. В этом эксперименте используется совершенно новый подход к организации пассивной и активной защиты от фонового сигнала. Были предприняты серьезные усилия по минимизации количества конструкционных материалов вокруг полупроводниковых германиевых (HPGe) детекторов. С целью снижения уровня фона кристаллы германия помещены в сосуд с жидким аргоном, который, в свою очередь, помещен в огромный бак с водой (диаметром и высотой 10 м) (см. рис. 1). Жидкий аргон и вода прошли специальную очистку от радиоактивных примесей. Полный вес HPGe детекторов ~ 18 кг. Интересно отметить, что в эксперименте, в основном, используются HPGe детекторы, которые прежде применялись в экспериментах Г-М и IGEX. Вся установка размещена в подземной лаборатории Гран Сассо (Италия) на глубине, соответствующей толще воды 3,5 км.

Интерес подогревался еще и тем, что коллаборация решила использовать так называемый «слепой анализ» — когда экспериментальные данные в области ββ0ν-распада были неизвестны до самого последнего момента. Измерения были начаты в ноябре 2011 года и продолжались примерно полтора года. Наконец в июне 2013 года экспериментальные данные в области 0ν-моды были открыты. И что же мы увидели?

Полное отсутствие эффекта! При ожидаемых 2,5 событиях от фона было зарегистрировано 3 события (см. рис. 2). Таким образом, был установлен лишь предел на время двойного безнейтринного бета-распада Т_1/2 > 2,1×10²⁵ лет <m_ν> < 0,2–0,4 эВ). Это закрывает первоначальный результат Клапдора, но, тем не менее, формально не исключает его последний результат (хотя сами авторы не рассматривают его, считая его заведомо завышенным). На самом деле, первоначально планируемая чувствительность эксперимента GERDA-I была 3×10²⁵ лет. В этом случае оба результата Клапдора были бы закрыты (что и планировалось). Однако уровень фона оказался несколько выше ожидаемого, кроме того два детектора вышли из строя и в итоге это не позволило достичь планируемой чувствительности. Тем не менее, эксперимент GERDA-I стал новым этапом в развитии экспериментальной техники для поиска ββ0ν-распада Ge-76. Предложенная методика показала свою работоспособность и эффективность, а достигнутый уровень фона оказался примерно на порядок ниже по сравнению с предыдущими экспериментами Г-М и IGEX.

Рис. 2. Суммарный спектр для всех детекторов. Верхний спектр — исследуемая область. Нижний спектр — часть спектра, которая использовалась для оценки среднего фона в исследуемой области. Темным цветом отмечены события, оставшиеся после применения анализа по форме импульса. На верхнем спектре показан также ожидаемый сигнал для Т_1/2 = 2,1×10²⁵ лет (синяя сплошная кривая) и Т_1/2 = 1,2х10²⁵ лет (красная пунктирная кривая). Из препринта [2]

Запланирован следующий этап эксперимента, GERDA-II, в котором предполагается вдвое увеличить массу Ge-76 и существенно снизить уровень фона. Планируемая чувствительность около 2×10²⁶ лет за 3 года измерений. Набор данных начнется, видимо, в начале 2014 года. В результате будет окончательно решена проблема, связанная с результатом Клапдора, и достигнут новый уровень чувствительности в экспериментах по поиску ββ0ν-распада.

В заключение отметим, что в эксперименте GERDA участвуют ученые из нескольких российских институтов (ИТЭФ, ИЯИ, Курчатовский институт, ОИЯИ).

1. The GERmanium Detector Array
2. Results on neutrinoless double beta decay of 76Ge from GERDA Phase I. arXiv:1307.4720