Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 р.)

Дослідження подвійного бета-розпаду дозволяють вивчати природу і властивості нейтрино та слабкої взаємодії, перевірити стандартну модель елементарних частинок. Пошук безнейтринної моди подвійного бета-розпаду потребує чутливого експериментального обладнання, здатного зареєструвати надзвичайно рідкіс...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Вісник НАН України
Date:	2015
Main Author:	Даневич, Ф.А.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2015
Subjects:	З кафедри Президії НАН України
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87376
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 р.) / Ф.А. Даневич // Вісник Національної академії наук України. — 2015. — № 9. — С. 39-47. — Бібліогр.: 30 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859707543565107200
author	Даневич, Ф.А.
author_facet	Даневич, Ф.А.
citation_txt	Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 р.) / Ф.А. Даневич // Вісник Національної академії наук України. — 2015. — № 9. — С. 39-47. — Бібліогр.: 30 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Вісник НАН України
description	Дослідження подвійного бета-розпаду дозволяють вивчати природу і властивості нейтрино та слабкої взаємодії, перевірити стандартну модель елементарних частинок. Пошук безнейтринної моди подвійного бета-розпаду потребує чутливого експериментального обладнання, здатного зареєструвати надзвичайно рідкісні події ядерних розпадів з періодами напіврозпаду 10²⁶−10²⁸ років. Україна має значний потенціал для участі у великомасштабних експериментах наступного покоління завдяки розробленим унікальним методам наднизькофонової ядерної спектрометрії, глибокого очищення матеріалів, росту сцинтиляційних кристалів. Исследование двойного бета-распада позволяет изучать природу и свойства нейтрино и слабого взаимодействия, проверить стандартную модель элементарных частиц. Поиск безнейтринной моды двойного бета-распада требует чувствительного экспериментального оборудования, способного зарегистрировать чрезвычайно редкие события ядерных распадов с периодами полураспада 10²⁶−10²⁸ лет. Украина имеет значительный потенциал для участия в крупномасштабных экспериментах следующего поколения благодаря разработанным уникальным методам сверхнизкофоновой ядерной спектрометрии, глубокой очистки материалов, роста сцинтилляционных кристаллов. Double beta decay is a unique way to study the nature and properties of neutrinos and weak interaction, to test the Standard Model of particles. Investigations of neutrinoless double beta decay require sensitive experimental approaches to detect extremely rare nuclear decays with the half-lives on the level of 10²⁶−10²⁸ years. Ukraine has a significant potential to participate in the next generation large-scale experiments thanks to developed methods of ultra-low background nuclear spectrometry, deep purification of materials, crystal growth technologies.
first_indexed	2025-12-01T03:59:58Z
format	Article
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 9 39 ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ НЕЙТРИНО І СЛАБКОЇ ВЗАЄМОДІЇ У ПОДВІЙНОМУ БЕТА-РОЗПАДІ АТОМНИХ ЯДЕР За матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 року Дослідження подвійного бета-розпаду дозволяють вивчати природу і влас- тивості нейтрино та слабкої взаємодії, перевірити стандартну модель елементарних частинок. Пошук безнейтринної моди подвійного бета- розпаду потребує чутливого експериментального обладнання, здатного зареєструвати надзвичайно рідкісні події ядерних розпадів з періодами на- піврозпаду 1026−1028 років. Україна має значний потенціал для участі у великомасштабних експериментах наступного покоління завдяки розро- бленим унікальним методам наднизькофонової ядерної спектрометрії, глибокого очищення матеріалів, росту сцинтиляційних кристалів. Ключові слова: нейтрино, подвійний бета-розпад, низькофонова ядерна спектрометрія, глибоке очищення речовин, сцинтиляційний детектор. Вступ У 2005 р. журнал Science до свого 125-річчя опублікував спи- сок із 125 проблем, на вирішенні яких ученим варто зосереди- тися у найближчі чверть століття [1]. Першим у списку стоїть питання «Як і з чого побудований Всесвіт?», а п’ятим, після пи- тань про біологічні основи свідомості, геном людини і зв’язок генетичної мінливості зі здоров’ям, йде питання «Чи можна об’єднати закони фізики?». Відповідь на перше питання вже передбачає поглиблення знань про елементарні частинки, тоді як п’ята проблема — це власне і є фізика елементарних части- нок і взаємодій. Сучасну модель елементарних частинок, так звану стандарт- ну модель, було побудовано у другій половині XX ст. завдяки зусиллям фізиків ядра і високих енергій. Згідно з цією модел- лю, матерія складається з шести кварків (їх позначають u, d, s, c, b, t) і шести лептонів (електрон, мюон, тау-лептон і три сорти нейтрино: електронне, мюонне і тау-лептонне). Ці частинки — ДАНЕВИЧ Федір Анатолійович — доктор фізико-математичних наук, завідувач відділу фізики лептонів Інституту ядерних досліджень НАН України doi: 10.15407/visn2015.09.039 40 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 9 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ ферміони, вони мають напівцілий спін, тобто описуються статистикою Фермі—Дірака, коли в одному квантовому стані може перебувати лише одна частинка. Взаємодії між ферміона- ми здійснюються за допомогою 12 бозонів — частинок із цілим спіном, які підпорядкову- ються статистиці Бозе—Ейнштейна, коли в одному стані може перебувати необмежена кількість частинок. Електромагнітні взаємодії здійснюються гамма-квантом, сильні взаємодії переносяться 8 глюонами, а слабкі взаємодії відбуваються за рахунок обміну трьома калі- брувальними бозонами: двома зарядженими (W+, W−) і одним нейтральним (Z0). В осно- ву стандартної моделі покладено теорію елек- трослабких взаємодій, яка поєднала електро- магнітні і слабкі взаємодії і стала прикладом об’єднання законів фізики. Нещодавно на Великому адронному колай- дері Європейської організації з ядерних дослі- джень (ЦЕРН) було спостережено частинки, які дуже схожі на передбачені ще у 60-х роках Пітером Хіггсом та кількома іншими вчени- ми бозони з нульовим спіном, введені для по- яснення механізму спонтанного порушення електрослабкої симетрії. Це відкриття (хоча воно ще потребує уточнення) можна було б розглядати як тріумф стандартної моделі час- тинок, якби не ціла низка проблем цієї моде- лі. Неприємним фактом є те, що доводиться вводити доволі велику кількість вільних пара- метрів, усього їх принаймні 19. Зокрема, маси частинок і константи взаємодії вимірюються експериментально, а не випливають із теорії. Гравітацію взагалі не включено в модель, і, на жаль, труднощі з побудовою квантової те- орії гравітації виглядають доволі серйозними. В усякому разі, поки ніяк не вдається її по- будувати (не кажучи вже про те, що кванти гравітаційного поля, гравітони, усе ще не спо- стережені). Незрозумілою є і проблема кон- файнменту, яка полягає в тому, що кварки не існують у вільному стані. І нарешті, без відпо- віді залишається просте питання: а чому є три покоління кварків і лептонів? Адже усю існую- чу зараз матерію можна побудувати з частинок лише одного покоління. Взагалі, об’єднання теорій електрослабкої і сильної взаємодій виглядає штучним, це ще да- леко не «теорія всього», про що мріють фізики і про що власне йдеться у «п’ятому питанні». Можна сказати, що стандартна модель елемен- тарних частинок подібна до геоцентричної сис- теми світу давньогрецького вченого Клавдія Птолемея. Його модель непогано описувала рухи небесних тіл, але, по-перше, геоцентрич- на система була доволі громіздкою, а по-друге, вимагала постійного вдосконалення і введення усе нових і нових поправок для точного опи- су рухів планет, Сонця і зірок. Тому система Коперника виявилася принципово більш до- сконалою, хоча, за великим рахунком, йдеться лише про вибір системи координат! Однак, крім зазначених проблем стандартної моделі, є вже й чіткі експериментальні вказів- ки на її недосконалість. По-перше, у стандарт- ній моделі немає частинок, які могли б пояс- нити існування темної матерії і темної енергії у Всесвіті. По-друге, спостереження явища осциляцій нейтрино вказує на наявність у ней- трино маси, що безумовно є ефектом, який не описується в рамках стандартної моделі. Тому у фізиків є чітке розуміння необхідності роз- ширення стандартної моделі елементарних частинок. Важливо підкреслити, що ефект нейтрин- них осциляцій, фактично перший явний ефект за межами стандартної моделі, було спостере- жено не за допомогою колайдерів, а у підзем- ному експерименті, в якому вимірювали потік нейтрино від Сонця. Потім нейтринні осци- ляції було спостережено в експериментах з атмосферними нейтрино, реакторними та ней- трино від прискорювачів. Сьогодні можна вже впевнено стверджувати, що нейтрино осцилю- ють, а отже, є масивними частинками. Спосте- режувані аромати нейтрино є суперпозицією масивних станів нейтрино. Проте осциляцій- ні експерименти чутливі до різниці квадратів масових станів нейтрино, тоді як власне зна- чення маси нейтрино залишається невідомим. Крім того, ми не знаємо, якою є схема масових станів (можливими є вироджена, інвертована і нормальна схеми). Відкритими залишаються і ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 9 41 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ питання про природу нейтрино (частинка Ді- рака чи Майорани?), збереження лептонного заряду, існування правих струмів у слабкій взаємодії, бозонів Намбу—Голдстоуна (майо- ронів) [2]. Подвійний β-розпад і властивості нейтрино та слабкої взаємодії На всі ці фундаментальні питання можна від- повісти, досліджуючи подвійний бета-розпад (2β) атомних ядер [3—5]. Більш того, безней- тринний подвійний бета-розпад (0ν2β) може відбуватися за рахунок цілого ряду процесів за межами стандартної моделі, і тому його роз- глядають як одну з небагатьох доступних мож- ливостей перевірки цієї моделі [6, 7]. Є дві принципово різні моди подвійного бета-розпаду: двонейтринна (2ν2β) і безней- тринна (0ν2β). Найбільший інтерес становить саме безнейтринний процес, оскільки він мож- ливий лише у випадку порушення закону збе- реження лептонного заряду, а також за умови, що нейтрино є масивною частинкою Майора- ни (античастинка, тотожна своїй частинці). У випадку, коли масовий механізм домінує в процесі 0ν2β-розпаду, період напіврозпаду ядра ( 0 2 1/2T ν β) пов’язаний з ефективною масою нейтрино Майорани (〈mν〉) так: 1 2 20 2 1/2 0 0T G M m −ν β ν ν ν⎡ ⎤ =⎣ ⎦ , (1) де G0ν — інтеграл за фазовим об’ємом, який залежить від енергії розпаду та заряду ядра; M0ν — ядерний матричний елемент, що визна- чається властивостями ядра. Ефективна маса нейтрино, у випадку легкого нейтрино, визна- чається як суперпозиція масових станів ней- трино (mk): 2( )ek k k m U mν = ∑ , (2) де Uek — матриця змішування нейтрино. Отже, якщо нейтрино є частинкою Майора- ни, ефективну масу нейтрино (або обмеження зверху на її величину) можна отримати з експе- риментального значення періоду напіврозпаду (обмеження) і розрахованих значень фазово- го інтеграла і ядерного матричного елемента. Як уже зазначалося, крім масового механізму, 0ν2β-розпад може відбуватися за рахунок до- мішок гіпотетичних правих струмів у слабкій взаємодії, випромінювання безмасових (або дуже легких) бозонів Намбу—Голдстоуна та інших механізмів за межами стандартної мо- делі частинок. Спостереження цього проце- су буде дуже важливим навіть зі світоглядної точки зору, оскільки означатиме існування нового типу матерії — ферміонів, у яких час- тинка і античастинка тотожні. Крім того, ма- йоранівські нейтрино розглядають як один із можливих механізмів баріон-антибаріонної асиметрії Всесвіту, внаслідок якої ми, власне, існуємо. Важко переоцінити значення дослі- джень подвійного бета-розпаду з огляду на коло питань, на які вдасться відповісти в разі спостереження цього процесу. Втім, навіть від- сутність сигналу від 0ν2β-розпаду в чутливих експериментах накладає важливі обмеження на параметри теорій — розширень стандартної моделі елементарних частинок. Стан досліджень β-розпаду Двонейтринний подвійний бета-розпад дозво- лений у стандартній моделі, але, оскільки він є процесом другого порядку за рахунок слабкої взаємодії, вірогідність цього розпаду надзви- чайно мала. Не дивно, що за майже 70 років експериментальних пошуків різними метода- ми вдалося зареєструвати 2ν2β-розпад лише у 11 ядер з періодами напіврозпаду 1018—1024 років. Один з експериментів, у яких зареєстрова- но 2ν2β-розпад, а саме, ядра 116Cd з періодом напіврозпаду близько 3·1019 років [8], було ви- конано у Солотвинській підземній лабораторії на Закарпатті. Цю лабораторію побудували на початку 1980-х років за ініціативою члена- кореспондента НАН України Юрія Георгійо- вича Здесенка. Експеримент, який і дотепер залишається одним із найчутливіших у світі, було здійснено за допомогою унікальних кри- сталічних сцинтиляторів вольфрамату кадмію з кадмію, збагаченого ізотопом кадмію-116 (116CdWO4). Кристал розроблено вперше у 42 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 9 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ світі у 1986 р. у співпраці з Інститутом моно- кристалів у Харкові (нині — Інститут сцинти- ляційних матеріалів НАН України). За ініціа- тивою та активною участю українських учених було спостережено двонейтринний подвійний бета-розпад ядра 100Mo на збуджений рівень дочірнього ядра [9] (зареєстрований, крім ядра 100Mo, лише для 150Nd). Дослідження дозволеної моди 2β-розпаду важливі не лише з огляду на розроблення те- оретичних розрахунків власне 2ν2β-розпаду, а й стосовно вдосконалення розрахунків без- нейтринної моди, від яких залежать значення маси нейтрино та інших параметрів теорії, які можна отримати з експериментальних даних. Крім того, експериментальне спостереження настільки рідкісних розпадів завжди розгля- дають як своєрідний тест експериментальних методів для пошуку безнейтринної моди 2β- розпаду. Важливо також, що дані про двоней- тринну моду необхідні для розвитку експери- ментів, спрямованих на пошук безнейтринної моди, адже двонейтринний розпад у дуже чут- ливих експериментах, коли різні джерела фону вдається істотно зменшити, часто є основним джерелом фону в околі енергій, де очікується сигнал від 0ν2β-розпаду. Незважаючи на значні і тривалі зусилля екс- периментаторів, безнейтринний 2β-розпад усе ще не спостережений. Найбільш чутливі екс- перименти дають лише обмеження на періоди напіврозпаду на рівні 1023—1025 років, звідки випливає обмеження на ефективну масу ней- трино Майорани на рівні 0,2—2 еВ. Слід зазна- чити, що наведений діапазон мас пов’язаний з неточністю розрахунків ядерних матричних елементів, оскільки розрахунки в рамках різ- них моделей дають різні значення для одних і тих самих ядер. Це зумовлено проблемою бага- тьох тіл (атомне ядро є такою системою), коли точні результати отримати неможливо і для різних задач використовують різні моделі. Найчутливіший експеримент з пошуку 0ν2β-розпаду ядра 116Cd також було викона- но у Солотвино зі сцинтиляторами 116CdWO4. Для 0ν2β-розпаду 116Cd встановлено обмежен- ня T1/2 > 1,7·1023 років, звідки випливає: • одне з найбільш жорстких обмежень на масу нейтрино: 〈mν〉 < 1,7 еВ; • обмеження на константу зв’язку нейтрино з майороном 〈gM〉 ≤ 4,6 ·10–5; • параметри домішок правих струмів у слаб- кій взаємодії 〈η〉 ≤ 2,5 ·10–8, 〈λ〉 ≤ 2,2 ·10–6; • параметр порушення R-парності в міні- мальній суперсиметричній стандартній моделі з незбереженням R-парності ε ≤ 7·10–4 [8]. У Солотвино було також здійснено найчут- ливіший експеримент з пошуку подвійного Характеристики можливих експериментів з пошуку 0ν2β-розпаду на рівні чутливості, що відповідає інвертованій схемі масових станів нейтрино (ізотопне збагачення прийняте рівним 100 % за винятком ядра 48Ca, для якого взято 20 %) Ядро Період напіврозпаду, що відповідає 〈mν〉 = 0,02 еВ [2] (×1027 років) Детектор, принцип дії Кількість ядер у детекторі масою 1 т (×1027) Кількість розпадів за 5 років 48Ca 3—28 48CaF2 (20 % 48Ca), сцинтилятор 1,4 0,2—1,9 76Ge 3—7 HP76Ge, напівпровідниковий детектор 7,9 1,6—9 82Se 1—4 Zn82Se, кріогенний сцинтиляційний болометр 4,1 3—13 100Mo 0,3—1,5 Zn100MoO4, кріогенний сцинтиляційний болометр 2,6 6—30 40Ca100MoO4, кріогенний сцинтиляційний болометр 3,0 4—34 Li2 100MoO4, кріогенний сцинтиляційний болометр 3,4 8—39 116Cd 0,8—1,3 116CdWO4, кріогенний сцинтиляційний болометр 1,7 4—7 130Te 0,7—3 130TeO2, кріогенний болометр 3,8 4—18 136Xe 1—4 136Xe, газовий або сцинтиляційний детектор 4,4 4—14 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 9 43 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ бета-розпаду ядра 160Gd [10]. В експериментах за участю українських учених було отримано пріоритетні результати у дослідженнях подвій- ного бета-розпаду ізотопів 40, 46, 48Ca, 64, 70Zn, 82Se, 84Sr, 96Zr, 96, 104Ru, 100Mo, 106, 108, 114Cd, 136, 138Ce, 156, 158Dy, 184, 192Os, 190, 198Pt, 180, 186W, 196Hg. Слід зауважити, що обмеження на масу ней- трино з 0ν2β-експериментів є порівнянними за чутливістю і доповнюють дані прямих вимірю- вань бета-спектру тритію (кінематична маса нейтрино менша за 2 еВ [11]) і космологічних обмежень (сума мас нейтрино не перевищує 0,2—1,3 еВ [12]). Діапазон значень для космо- логічних обмежень пов’язаний з модельною залежністю оцінок, отриманих з аналізу різних астрофізичних даних. Завдання і перспективи Завданнями експериментів наступного поко- ління є доведення їх чутливості до рівня ефек- тивної маси нейтрино, що відповідає інвер- тованій схемі масових станів нейтрино 0,02— 0,05 еВ. Такій масі нейтрино відповідають ве- личезні періоди напіврозпаду 1026—1028 років. У таблиці наведено характеристики можливих експериментів з пошуку 0ν2β-розпаду на рівні чутливості, що відповідає масі нейтрино 〈mν〉 = = 0,02 еВ. Для розрахунків очікуваної 0ν2β- активності використано матричні елементи з роботи [3], отримані в рамках різних моделей. Для реєстрації такої малої активності необхід- но поставити надзвичайно чутливі експеримен- ти з масою досліджуваного ізотопу в сотні чи навіть тисячі кілограмів (для порівняння: у со- лотвинському експерименті було використано близько 100 г збагаченого ізотопу кадмію-116). Згідно з Ю.Г. Здесенком [13], чутливість екс- перименту з пошуку 0ν2β-розпаду (обмеження на період напіврозпаду lim T1/2) визначається формулою: lim T1/2 ~ ε δ mt RB , (3) де ε — ефективність реєстрації ефекту, δ — кон- центрація досліджуваного ізотопу, t — час ви- мірювань, m — маса, R — енергетична розділь- на здатність, B — швидкість лічби фону в околі енергій, де очікується пік від 0ν2β-розпаду. З формули (3) випливає необхідність ви- користання детекторів з високою ефектив- ністю реєстрації (тобто таких, що містять у своєму складі певний елемент, ізотоп якого є 2β-активним), виготовлених з ізотопно збага- чених матеріалів з якомога вищою енергетич- ною роздільною здатністю і якомога нижчим (в ідеальному випадку нульовим) фоном. Усім цим вимогам найбільшою мірою відповідають низькотемпературні (кріогенні) сцинтиляцій- ні болометри зі сцинтиляційними кристалами, виготовленими зі збагачених ізотопів. Забез- печуючи високу ефективність реєстрації на рівні 80—90 % і високу енергетичну роздільну здатність (кілька кеВ на енергії розпаду близь- Сцинтиляційні кристали вольфрамату кадмію зі збагачених ізотопів 106Cd (ліворуч) і 116Cd (праворуч) 44 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 9 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ ко 3 МеВ), детектори цього типу здатні досяг- ти майже нульового фону за маси детектора близько тонни. Важливо підкреслити необхідність розви- тку техніки експерименту для різних ядер. По- перше, в разі спостереження ефекту в одному ядрі потрібно буде підтвердити це відкриття з іншим ядром. По-друге, спостереження у кіль- кох ядрах значно полегшить теоретикам за- вдання визначення маси нейтрино і з’ясування механізму розпаду. Крім того, можна сподіва- тися на прорив у чутливості експериментів з тим чи іншим ядром завдяки розвитку техніки збагачення ізотопів, очищення речовин, нових принципів ядерної спектрометрії. І тут знову низькотемпературні сцинтиляційні болометри виявляються найбільш придатними, оскіль- ки існують сцинтилятори різного складу. Як видно з таблиці, є сцинтиляційні кристали з молібденом, кадмієм, селеном — елементами, у яких є потенційно 2β-активні ізотопи з ве- ликою енергією розпаду, сприятливими тео- ретичними оцінками, порівняно високою кон- центрацією таких ізотопів та можливістю їх збагачення у значних кількостях. Участь України в експериментах наступного покоління Сцинтилятори 116CdWO4, розроблені в 1980-ті роки і застосовані в одному з найчутливіших експериментів [8], показали перспективність використання сцинтиляційних кристалів зі збагачених ізотопів. Нещодавно було розро- блено кристали вольфрамату кадмію зі збагаче- них ізотопів кадмію-106 [14] і кадмію-116 [15]. Сцинтиляційні кристали вольфрамату кадмію зі збагачених ізотопів кадмію наведено на ри- сунку. Глибоке очищення ізотопно збагачених 106Cd і 116Cd було виконано в Інституті фізики твердого тіла, матеріалознавства та технологій ННЦ ХФТІ методами вакуумної дистиляції [16]. Це, у поєднанні з методом Чохральського з низьким градієнтом температури для росту кристалів, дозволило отримати раніше недо- сяжну оптичну якість сцинтиляторів. Детек- тори 106CdWO4 і 116CdWO4 успішно викорис- товують для пошуку процесів 2β-розпаду ізо- топів 106Cd [17] і 116Cd [18]. Узагалі науковці цього Інституту продемонстрували винятково високий рівень в очищенні багатьох цікавих для досліджень подвійного бета-розпаду мате- ріалів: археологічного свинцю, рутенію, осмію, гафнію, цинку. Глибоке очищення металів від домішок, насамперед радіоактивних елементів (торію, радію, урану, калію, рідкісноземельних елементів), необхідне для зниження швидкості лічби фону в 2β-експериментах. Запропоновані українськими вченими сцин- тиляційні кристали молібдатів цинку [19] і лі- тію [20] демонструють надзвичайно високі спектрометричні характеристики і достатньо низький рівень радіоактивної забрудненості [21, 22], що зумовлює їх використання як пер- спективних детекторів для пошуку 0ν2β-роз- паду ядра 100Mo (проект LUMINEU) [23]. Не- щодавно, уперше у світі, було розроблено кристали молібдату цинку зі збагаченого ізо- топу молібдену-100 [24], що відкриває пер- спективу застосування цього матеріалу у вели- комасштабних експериментах. Ще одна колаборація за участю українських учених, AMoRE [25], має намір використовува- ти сцинтиляційні кристали молібдату кальцію зі збагаченого молібдену-100 і кальцію, збід- неного на ізотоп кальцію-48. Таке збагачення і водночас збіднення потрібне для досягнення дуже низького рівня фону, оскільки навіть сам по собі надзвичайно рідкісний процес двоней- тринного 2β-розпаду 48Ca виявляється поміт- ним джерелом фону для пошуку 0ν2β-розпаду ядра 100Mo. Ще одним джерелом фону, на яке вперше звернули увагу українські вчені, є випадкові збіги подій 2ν2β-розпаду в кріогенних боломе- трах через низьку часову роздільну здатність цих детекторів [26]. Розроблено методи змен- шення цього фону шляхом аналізу форми сиг- налів [27]. Також науковці Інституту ядерних дослі- джень НАН України беруть участь у підготов- ці єдиного експерименту з повною реконструк- цією подій 2β-розпаду — у великому міжнарод- ному проекті SuperNEMO [28]. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 9 45 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Завдяки розробленим методам глибокого очищення металів, росту кристалів, знижен- ня радіоактивного фону відкривається пер- спектива участі України у великомасштабних експериментах, здатних не лише перевірити інвертовану схему масових станів нейтрино, а й дати можливість рухатися в напрямі пере- вірки нормальної схеми масових станів (маса нейтрино менша за 0,01 еВ) [29, 30]. Висновки Дослідження подвійного бета-розпаду дозво- ляють визначити природу нейтрино (частинка Дірака чи Майорани?), масу і схему масових станів нейтрино, перевірити закон збереження лептонного заряду, існування правих струмів у слабкій взаємодії та інших ефектів за межами стандартної моделі частинок. Упродовж останніх 70 років спостережено двонейтринний процес у 11 ядер з періодами напіврозпаду 1019—1024 років, тоді як най- більш цікавий з погляду вивчення властивос- тей нейтрино і слабкої взаємодії процес 0ν2β- розпаду не спостерігається на рівні чутливості lim T1/2 ≈ 1023—1025 років. Проте навіть із цих експериментів, які не бачать 0ν2β-розпад, мож- на зробити важливі висновки про те, що маса нейтрино менша за 0,2—2 еВ. Учені НАН України зробили і роблять зна- чний внесок у дослідження 2β-розпаду, їх до- сягнення визнано на світовому рівні. Це і ви- мірювання 2ν2β-розпаду ядер 48Ca, 82Se, 96Zr, 100Mo (у тому числі на збуджений рівень до- чірнього ядра), 130Te, 150Nd, найбільш чутливі обмеження на 0ν2β-розпад ядер 100Mo і 116Cd, звідки випливають жорсткі обмеження на масу нейтрино, домішки правих струмів у слабкій взаємодії, константу зв’язку нейтрино з ма- йороном та інші параметри теорії. Отримано пріоритетні результати у дослідженнях 2β- розпаду ізотопів кальцію, цинку, селену, строн- цію, цирконію, рутенію, молібдену, кадмію, церію, диспрозію, гадолінію, осмію, платини, ртуті. Уперше запропоновано і досліджено можливість застосування кристалів молібдату літію і цинку як низькотемпературних сцин- тиляційних болометрів. Розроблено і вико- ристано у чутливих експериментах унікальні сцинтиляційні кристали вольфрамату кадмію і молібдату цинку зі збагачених ізотопів. Завдання експериментів наступного поко- ління полягає в досягненні чутливості до маси нейтрино на рівні інвертованої схеми масових станів (ефективна маса нейтрино 〈mν〉 ≈ 0,02— 0,05 еВ). Найперспективнішими детекторами для таких експериментів є низькотемператур- ні сцинтиляційні болометри з кристалами зі збагачених ізотопів. Учені НАН України беруть участь у кількох великих проектах низькотемпературних експе- риментів наступного покоління — LUMINEU і AMoRE, у розробленні експерименту CUPID, а також у єдиному експерименті з повною рекон- струкцією подій 2β-розпаду — SuperNEMO. Україна здатна і надалі робити гідний вне- сок у дослідження 2β-розпаду, оскільки ми ма- ємо кваліфікованих фахівців і талановиту мо- лодь, маємо напрацювання і науково-технічну базу в низькофоновій ядерній спектрометрії, глибокому очищенні матеріалів, розробленні сцинтиляторів. 46 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 9 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ REFERENCES 1. http://www.sciencemag.org/site/feature/misc/webfeat/125th/. 2. Mohapatra R.N. et al. Theory of neutrinos: A white paper. Rep. Prog. Phys. 2007. 70(11): 1757—867. 3. Vergados J.D., Ejiri H., Šimkovic F. Theory of neutrinoless double-beta decay. Rep. Prog. Phys. 2012. 75(10): 106301. 4. Barea J., Kotila J., Iachello F. Limits on Neutrino Masses from Neutrinoless Double-β Decay. Phys. Rev. Lett. 2012. 109(4): 042501. 5. Rodejohann W. Neutrino-less double beta decay and particle physics. J. Phys. G. 2012. 39(12): 124008. 6. Deppisch F.F., Hirsch M., Päs H. Neutrinoless double-beta decay and physics beyond the standard model. J. Phys. G. 2012. 39(12): 124007. 7. Bilenky S.M., Giunti C. Neutrinoless double-beta decay: A probe of physics beyond the Standard Model. Int. J. Mod. Phys. A. 2015. 30(4): 1530001. 8. Danevich F.A., Georgadze A.Sh., Kobychev V.V., Kropivyansky B.N., Nikolaiko A.S., Ponkratenko O.A., Tretyak V.I., Zdesenko S.Yu., Zdesenko Yu.G., Bizzeti P.G., Fazzini T.F., Maurenzig P.R. Search for 2β decay of cadmium and tung- sten isotopes: Final results of the Solotvina experiment. Phys. Rev. C. 2003. 68(3): 035501. 9. Belli P. et al. New observation of 2ν2β decay of 100Mo to the 0+ 1 level of 100Ru in the ARMONIA experiment. Nucl. Phys. A. 2010. 846: 143—156. 10. Danevich F.A., Kobychev V.V., Ponkratenko O.A., Tretyak V.I., Zdesenko Yu.G. Quest for double beta decay of 160Gd and Ce isotopes. Nucl. Phys. A. 2001. 694: 375—391. 11. Drexlin G., Hannen V., Mertens S., Weinheimer C. Current Direct Neutrino Mass Experiments. Adv. High Energy Phys. 2013. ID 293986. 12. Abazajian K.N. et al. Cosmological and astrophysical neutrino mass measurements. Astropart. Phys. 2011. 35(4): 177—184. 13. Zdesenko Yu. Colloquium: The future of double β decay research. Rev. Mod. Phys. 2002. 74(3): 663. 14. Belli P. et al. Development of enriched 106CdWO4 crystal scintillators to search for double β decay processes in 106Cd. Nucl. Instr. Meth. A. 2010. 615(3): 301—06. 15. Barabash A.S. et al. Low background detector with enriched 116CdWO4 crystal scintillators to search for double β decay of 116Cd. JINST. 2011. 6: P08011. 16. Bernabey R. et al. Production of high-pure Cd and 106Cd for CdWO4 and 106CdWO4 scintillators. Metallofizika i Noveishije Tekhnologii. 2008. 30: 477 [in Russian]. 17. Belli P. et al. Search for double-β decay processes in 106Cd with the help of a 106CdWO4 crystal scintillator. Phys. Rev. C. 2012. 85(3): 044610. 18. Polischuk O.G. et al. Investigation of Double Beta Decay of 116Cd with the Help of Enriched 116CdWO4 Crystal Scintillators. Proc. Conf. MEDEX’15. 19. Gironi L. et al. Performance of ZnMoO4 crystal as cryogenic scintillating bolometer to search for double beta decay of molybdenum. JINST. 2010. 5: P11007. 20. Barinova O.P. et al. First test of Li2MoO4 crystal as a cryogenic scintillating bolometer. Nucl. Instr. Meth. A. 2010. 613: 54. 21. Armengaud E. et al. Development and underground test of radiopure ZnMoO4 scintillating bolometers for the LUMINEU 0ν2β project. JINST. 2015. 10: P05007. 22. Bekker T.B. et al. Aboveground test of an advanced Li2MoO4 scintillating bolometer to search for netrinoless double beta decay of 100Mo. Astropart. Phys. 2016. 72: 38. 23. Beeman J.W. et al. A next-generation neutrinoless double beta decay experiment based on ZnMoO4 scintillating bolometers. Phys. Lett. B. 2012. 710(2): 318. 24. Barabash A.S. et al. Enriched Zn100MoO4 scintillating bolometers to search for 0ν2β decay of 100Mo with the LUMINEU experiment. Eur. Phys. J. C. 2014. 74: 3133. 25. Kim G.B. et al. A CaMoO4 Crystal Low Temperature Detector for the AMoRE Neutrinoless Double Beta Decay Search. Adv. High Energy Phys. 2015. ID 817530. 26. Chernyak D.M., Danevich F.A., Giuliani A., Olivieri E., Tenconi M., Tretyak V.I. Random coincidence of 2ν2β decay events as a background source in bolometric 0ν2β decay experiments. Eur. Phys. J. C. 2012. 72: 1989. 27. Chernyak D.M., Danevich F.A., Giuliani A., Mancuso M., Nones C., Olivieri E., Tenconi M., Tretyak V.I. Rejection of randomly coinciding events in ZnMoO4 scintillating bolometers. Eur. Phys. J. C. 2014. 74: 2913. 28. Chauveau E. et al. SuperNEMO Project Status. AIP Conf. Proc. 2009. 1180: 26. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2015, № 9 47 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ 29. Wang G. et al. CUPID: CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) Upgrade with Particle Identification. arXiv:1504.03599v1. 30. Wang G. et al. R&D towards CUPID (CUORE Upgrade with Particle IDentication). arXiv:1504.03612v1. Ф.А. Даневич Институт ядерных исследований НАН Украины пр. Науки, 47, Киев, 03680, Украина ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ НЕЙТРИНО И СЛАБОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ДВОЙНОМ БЕТА-РАСПАДЕ АТОМНЫХ ЯДЕР По материалам научного доклада на заседании Президиума НАН Украины 1 июля 2015 года Исследование двойного бета-распада позволяет изучать природу и свойства нейтрино и слабого взаимодействия, проверить стандартную модель элементарных частиц. Поиск безнейтринной моды двойного бета-распада требует чувствительного экспериментального оборудования, способного зарегистрировать чрезвычайно редкие события ядерных распадов с периодами полураспада 1026—1028 лет. Украина имеет значительный потенциал для участия в крупномасштабных экспериментах следующего поколения благодаря разработанным уникальным методам сверхнизкофоновой ядерной спектрометрии, глубокой очистки материалов, роста сцинтилляционных кристал- лов. Ключевые слова: нейтрино, двойной бета-распад, низкофоновая ядерная спектрометрия, глубокая очистка ве- ществ, сцинтилляционный детектор. F.A. Danevich Institute for Nuclear Research of National Academy of Sciences of Ukraine 47 Nauky Ave., Kyiv, 03680, Ukraine INVESTIGATION OF NEUTRINO AND WEAK INTERACTIONS IN DOUBLE BETA DECAY OF ATOMIC NUCLEI According to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine July 1, 2015 Double beta decay is a unique way to study the nature and properties of neutrinos and weak interaction, to test the Stan- dard Model of particles. Investigations of neutrinoless double beta decay require sensitive experimental approaches to detect extremely rare nuclear decays with the half-lives on the level of 1026—1028 years. Ukraine has a significant poten- tial to participate in the next generation large-scale experiments thanks to developed methods of ultra-low background nuclear spectrometry, deep purification of materials, crystal growth technologies. Keywords: neutrino, double beta decay, low-background experiments, deep purification of materials, scintillation detector.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-87376
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0372-6436
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-01T03:59:58Z
publishDate	2015
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format	dspace
spelling	Даневич, Ф.А. 2015-10-17T16:52:10Z 2015-10-17T16:52:10Z 2015 Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 р.) / Ф.А. Даневич // Вісник Національної академії наук України. — 2015. — № 9. — С. 39-47. — Бібліогр.: 30 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87376 Дослідження подвійного бета-розпаду дозволяють вивчати природу і властивості нейтрино та слабкої взаємодії, перевірити стандартну модель елементарних частинок. Пошук безнейтринної моди подвійного бета-розпаду потребує чутливого експериментального обладнання, здатного зареєструвати надзвичайно рідкісні події ядерних розпадів з періодами напіврозпаду 10²⁶−10²⁸ років. Україна має значний потенціал для участі у великомасштабних експериментах наступного покоління завдяки розробленим унікальним методам наднизькофонової ядерної спектрометрії, глибокого очищення матеріалів, росту сцинтиляційних кристалів. Исследование двойного бета-распада позволяет изучать природу и свойства нейтрино и слабого взаимодействия, проверить стандартную модель элементарных частиц. Поиск безнейтринной моды двойного бета-распада требует чувствительного экспериментального оборудования, способного зарегистрировать чрезвычайно редкие события ядерных распадов с периодами полураспада 10²⁶−10²⁸ лет. Украина имеет значительный потенциал для участия в крупномасштабных экспериментах следующего поколения благодаря разработанным уникальным методам сверхнизкофоновой ядерной спектрометрии, глубокой очистки материалов, роста сцинтилляционных кристаллов. Double beta decay is a unique way to study the nature and properties of neutrinos and weak interaction, to test the Standard Model of particles. Investigations of neutrinoless double beta decay require sensitive experimental approaches to detect extremely rare nuclear decays with the half-lives on the level of 10²⁶−10²⁸ years. Ukraine has a significant potential to participate in the next generation large-scale experiments thanks to developed methods of ultra-low background nuclear spectrometry, deep purification of materials, crystal growth technologies. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України З кафедри Президії НАН України Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 р.) Исследования свойств нейтрино и слабого взаимодействия в двойном бета-распаде атомных ядер (по материалам научного доклада на заседании Президиума НАН Украины 1 июля 2015 года) Investigation of neutrino and weak interactions in double beta decay of atomic nuclei (according to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine July 1, 2015) Article published earlier
spellingShingle	Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 р.) Даневич, Ф.А. З кафедри Президії НАН України
title	Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 р.)
title_alt	Исследования свойств нейтрино и слабого взаимодействия в двойном бета-распаде атомных ядер (по материалам научного доклада на заседании Президиума НАН Украины 1 июля 2015 года) Investigation of neutrino and weak interactions in double beta decay of atomic nuclei (according to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine July 1, 2015)
title_full	Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 р.)
title_fullStr	Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 р.)
title_full_unstemmed	Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 р.)
title_short	Дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 1 липня 2015 р.)
title_sort	дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії у подвійному бета-розпаді атомних ядер (за матеріалами наукової доповіді на засіданні президії нан україни 1 липня 2015 р.)
topic	З кафедри Президії НАН України
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/87376
work_keys_str_mv	AT danevičfa doslídžennâvlastivosteineitrinoíslabkoívzaêmodííupodvíinomubetarozpadíatomnihâderzamateríalaminaukovoídopovídínazasídanníprezidíínanukraíni1lipnâ2015r AT danevičfa issledovaniâsvoistvneitrinoislabogovzaimodeistviâvdvoinombetaraspadeatomnyhâderpomaterialamnaučnogodokladanazasedaniiprezidiumananukrainy1iûlâ2015goda AT danevičfa investigationofneutrinoandweakinteractionsindoublebetadecayofatomicnucleiaccordingtothematerialsofscientificreportatthemeetingofthepresidiumofnasofukrainejuly12015

Institution

Similar Items