Разработка детекторов низкого фона для редких событий бета-декая

Кроме того, методы с низким фоном имеют междисциплинарные преимущества: они также необходимы для прямого поиска темной материи, обнаружения солнечных нейтрино и геологического датирования.Знания, полученные от создания этих детекторов, привели к инновациям в очистке материалов, сверхчистом производстве и обработке сигналов.

Принципы проектирования для низкоуровневых детекторов

Разработка детектора с крайне низким фоном требует целостного подхода, который учитывает все возможные источники излучения. Ключевые принципы проектирования излагаются ниже.

Материальный отбор и чистота

Все компоненты детектора — кристаллы, электроды, структурные опоры, кабели и даже вакуумная камера — должны быть изготовлены из материалов с минимальной первичной радиоактивностью. Это означает использование материалов с низкой концентрацией урана, тория, калия-40 и других естественных радиоизотопов. Ультрачистая медь , электроформированная для удаления загрязняющих веществ, является общим выбором. Высокочистый германий является как материалом детектора, так и активным источником, но он должен быть выращен из рафинированного зоной германия с уровнями радиоактивных примесей ниже частей на триллион. Даже материалы, такие как PTFE (Тефлон), используемые для изоляции, должны быть проверены и выбраны.

Производственные процессы также вносят радиоактивность. Например, воздействие радионатрия в воздухе может выплескиваться на поверхности, создавая фоновый источник, который распадается в течение нескольких дней. Поэтому компоненты часто хранятся в чистых помещениях, очищенных азотом, и обрабатываются со строгими протоколами, чтобы избежать загрязнения.

щит

Внешнее излучение от почвы, строительных материалов и космических лучей блокируется с помощью плотного экранирования. Типичное расположение включает в себя:

• Свинцовое экранирование толщиной от нескольких сантиметров до десятков сантиметров, которое ослабляет гамма-лучи от естественной радиоактивности.Часто сам свинец выбирается для низкой внутренней радиоактивности (например, древний свинец из римских кораблекрушений, который имел тысячелетия до распада).
• Медь или нержавеющая сталь внутренние слои для защиты от рентгеновских лучей, производимых флуоресценцией свинца.
• Вода или полиэтилен , защищающие от нейтронов от взаимодействия космических лучей.
• активное вето (см. ниже), окружающее пассивное экранирование для метки и отклонения космических мюонов.

Оригинальное название: Going Deep Underground

Космические лучевые мюоны являются значительным источником фона на поверхности Земли. Для уменьшения их потока на порядки величины в шахтах или туннелях проводятся эксперименты глубоко под землей. Известные подземные лаборатории включают:

• Лаборатория Nazionali del Gran Sasso (FLT: 1) в Италии (с перегрузкой 1400 м скалы).
• Санфордский подземный исследовательский центр (SURF) в США (бывший золотой рудник Homestake).
• Подземная лаборатория Китайского Си Цзиньпина (CJPL), самая глубокая на высоте более 2400 м.

На этих глубинах поток мюонов уменьшается в 106 раз по сравнению с поверхностью, резко снижая индуцированный фон от космических ливней.

Активные ветосистемы

Даже глубоко под землей, оставшиеся мюоны и другие частицы проникают в экранирование. Активные детекторы вето размещаются вокруг главного детектора для идентификации и отклонения этих событий. Общие конструкции включают пластиковые панели сцинтиллятора, считываемые трубками фотоумножителя, или жидкую ванну сцинтиллятора, которая окружает детектор криостат. Когда мюон проходит через вето, он генерирует сигнал, который используется для запуска антисовпадения с данными главного детектора. Это может уменьшить фон, вызванный мюоном, на несколько порядков величины.

Справочная идентификация и дискриминация

Помимо отторжения, современные детекторы используют топологию событий и анализ формы импульса для различения сигнала от фона. Например, событие на одном месте (одно энергетическое осаждение) характерно для бета-распада, тогда как события на нескольких местах часто возникают из взаимодействий гамма-лучей. Камеры проекции времени (TPC) обеспечивают трехмерное отслеживание, позволяя идентифицировать эти шаблоны. Алгоритмы машинного обучения все чаще используются для классификации событий на основе полного набора реконструированных параметров, улучшая силу дискриминации.

Технологии, применяемые в низкоуровневых детекторах

Для достижения требуемой чувствительности разработаны различные технологии детекторов, каждая из которых имеет свои сильные стороны и подходит для конкретных изотопов или стратегий обнаружения.

Высокочистые детекторы германия (HPGe)

Детекторы HPGe обеспечивают лучшее энергетическое разрешение (<0.2% full-width-at-half-maximum at 1.3 MeV) among gamma-ray detectors. They are used in experiments such as GERDA and MAJORANA / LEGEND, which search for 0νββ in ⁷⁶Ge. The detectors themselves are made of ultra-pure germanium (impurity levels < 10¹⁰ atoms/cm³) and operated at liquid nitrogen temperatures. Because the source and detector are the same material, the detection efficiency is high. Background reduction comes from using electroformed copper cryostats, underground operation, and liquid argon veto systems. Future plans (LEGEND-1000) aim to achieve a background rate of less than ]10-4 граф/(keV·kg·yr)].

Жидкие детекторы сцинтиллятора

Большие объемы органических жидких сцинтилляторов (например, псевдокумен или линейный алкилбензол) используются в экспериментах, таких как KamLAND-Zen (поиск 0νββ в 136Xe). Сцинтиллятор содержится в баллоне с низкой радиоактивностью, с окружающими буферным маслом и трубками фотоумножителя. Большая масса (сотни килограммов изотопа) обеспечивает высокую чувствительность, но энергетическое разрешение является умеренным (~6% при 2,5 МэВ). Фоновые материалы происходят от внутренней радиоактивности (например, 210Bi, 85Kr) и смягчаются очисткой, ультрачистыми материалами и реконструкцией вершины события для отторжения поверхностных событий.

- Болометры (низкотемпературные детекторы)

Болометры измеряют крошечное повышение температуры, вызванное взаимодействиями частиц при температурах милликельвина. Кристаллы, такие как диоксид теллура (TeO2) или молибдат лития (Li2MoO4), служат как источником, так и поглотителем. Эксперименты, такие как CUORE (Криогенная подземная обсерватория для редких событий) и CUPID, используют массивы болометров. Преимущества включают отличное энергетическое разрешение (лучше 0,1% для Q-значения) и способность считывать фононные сигналы для дискриминации частиц. Фоновое снижение включает в себя крайнюю радиопористость кристаллов и окружающей меди, а также плотное мюонное вето. Основная проблема заключается в сложности работы тысяч каналов при температурах суб-Кельвина.

Камеры проекции времени (TPC)

В ТПК газовая или жидкая мишень (например, ксенон или аргон) содержится в электрическом поле. Ионизация частиц создает электроны, которые дрейфуют к плоскостям считывания, позволяя 3D-реконструировать треки. Эта топология является мощной для различения событий бета-распада на одном участке от фоновых гамма-взаимодействий, которые часто производят несколько кластеров. Эксперименты EXO-200 и nEXO используют жидкие ксеноновые ТПК для 0νββ в 136Xe, в то время как NEXT использует газообразный ксеноновый ТПК с электролюминесценцией для превосходного энергетического разрешения. Фоновое подавление происходит от способности отслеживания плюс радиочистые материалы и пассивное экранирование.

Зарядные устройства (CCD)

Первоначально разработанные для оптической астрономии, CCD теперь используются в поисках редкого распада из-за их чрезвычайно низкого шума считывания и способности чувствовать одиночные электроны. Эксперименты DAMIC и SENSEI используют CCD для обнаружения темной материи, но аналогичные методы изучаются для бета-распада. CCD могут предоставлять пространственную информацию высокого разрешения, помогая идентифицировать поверхностное загрязнение, которое имитирует события бета-распада. Однако они ограничены очень маленькими массами (граммами), поэтому они лучше всего подходят для специализированных поисков или прототипов.

Проблемы в разработке сверхнизких детекторов

Несмотря на десятилетия прогресса, достижение требуемых фоновых уровней остается чрезвычайно трудным делом.

Космогенная активация

Когда материалы детектора подвергаются воздействию космических лучей на поверхности, они активируются, производя долгоживущие радиоизотопы. Например, германий обычно активируется до 68Ge (период полураспада 271 день) и 60Co (5,27 лет). Даже после перемещения аппарата под землей эти изотопы продолжают распадаться и вносить свой вклад в фон. Стратегии смягчения включают минимизацию времени воздействия на поверхность, хранение материалов под землей с момента их производства и использование экранирования с низкой активностью.

Радон Прогени осаждение

Газ радона (222Rn) из окружающей среды распадается через цепь короткоживущих изотопов. Если радон диффундирует в объем детектора или адсорбирует поверхности, его потомство — такое как 210Pb, 210Bi и 210Po — может имитировать сигналы бета-распада. Для борьбы с этим в экспериментах используются радон-герметичные барьеры, системы очистки азота и непрерывный мониторинг радона. Концентрация радона в подземных чистых помещениях часто держится ниже 1 Bq/m3, а в крайних случаях ниже 10 mBq/m3.

Поверхностное загрязнение

Даже крошечное пятнышко пыли, содержащее уран или торий на поверхности детектора, может производить фоновые события, которые трудно отличить от внутренних распада. Все поверхности должны быть очищены до экстремальных стандартов — используется электрополировка, химическое травление и даже очистка плазмы. Сборка детекторов часто происходит в чистых помещениях класса 1 или в азотных атмосферах.

Криогенная и малошумная электроника

Низкотемпературные детекторы требуют усилителей, которые работают при криогенных температурах без добавления электронного шума. Эти усилители сами должны быть построены из компонентов с низкой радиоактивностью. Тепловой шум (шум Джонсона-Никвиста) при комнатной температуре слишком высок для многих поисков редких событий, поэтому фронтальная электроника часто охлаждается для уменьшения темного тока и мерцающего шума. Задача состоит в том, чтобы поддерживать надежную работу в среде с низкой радиоактивностью в течение многих лет сбора данных.

Тематические исследования: знаковые эксперименты с низкой базой

Эксперименты и легенды

Эксперимент GERDA (Germanium Detector Array) в LNGS использовал массив детекторов германия высокой чистоты, погруженных в жидкий аргон. Сам жидкий аргон служил активным вето, обнаруживая сцинтилляционный свет от фоновых взаимодействий. GERDA достиг беспрецедентно низкого фонового индекса около 10-3 графов / (keV·kg·yr) и установил предел полураспада на 0νββ в 76Ge T {1/2} > 9,0 × 1025 лет. Его преемник, LEGEND, стремится идти дальше, используя массив из 1000 кг обогащенных германийовых детекторов с еще более низкими фонами. 5,2 × 10-4 графов / в 200 кг прототипа (LEGEND-200). Узнайте больше об эксперименте GERDA .

Эксперимент Куор

CUORE (Криогенная подземная обсерватория редких событий) - это болометрический эксперимент в LNGS, ищущий 0νββ в 130Te. Он использует массив из 988 кристаллов TeO2, каждый весом 750 г, охлажденный до 10 мК. Общая масса TeO2 составляет около 106 кг, а масса изотопа 130Te составляет около 206 кг. CUORE достигла фона 1,4 × 10−2 подсчетов / (keV·kg·yr) и установила предел полураспада T {1/2} > 2,2 × 1025 лет. Модернизированный эксперимент CUPID заменит кристаллы Li2MoO4 для улучшения дискриминации с использованием идентификации частиц. Посетите веб-сайт проекта CUPID .

Камланд-Зен

KamLAND-Zen использует жидкий сцинтиллятор, загруженный ксеноном (первоначально 86Kr-free, позже обогащенный 136Xe). Детектор установлен в шахте Камиока в Японии, внутри 1000-тонного детектора жидкого сцинтиллятора, первоначально построенного для обнаружения нейтрино реактора. Растворив 380 кг обогащенного ксенона в сцинтилляторе, KamLAND-Zen установил самые строгие ограничения на 0νββ для 136Xe (]T {1/2} > 1,07 × 1026 лет при 90% CL. Ключом к его низкому фону является самозащита большого объема сцинтиллятора и тщательная очистительная кампания. Больше на KamLAND-Zen .

Будущие направления в низком фоновом обнаружении

По мере того, как поиски безнейтринного двойного бета-распада толкают к области инвертированной иерархии (полужизни до ~ 1028 лет), фоновые требования становятся еще более строгими.

Машинное обучение для фонового отказа

Современные детекторы выпускают богатые наборы данных с тысячами параметров на событие. Глубокие нейронные сети можно обучить различать сигналоподобные от фоноподобных событий на основе форм импульсов, времени и пространственных корреляций. В жидком аргоне TPC, например, сверточные нейронные сети могут идентифицировать треки, которые являются односайтовыми (бета-распад) против многосайтовых (гамма-взаимодействия) с эффективностью >99%. Этот подход может уменьшить требуемое пассивное экранирование и ослабить некоторые ограничения чистоты материала.

Новые материалы сцинтиллятора и методы очистки

Болометры литиевого молибдата (Li2MoO4) в CUPID обещают лучшую дискриминацию частиц с помощью сцинтилляции. Аналогичным образом, оксид галлия (Ga2O3) и вольфрама кадмия (CdWO4) изучаются на предмет их низкой внутренней радиоактивности.зоновое рафинирование и электродепозиция в ультрачистых средах может уменьшить загрязнение урана и тория до уровней ниже 10−12 г/г.

Квантовый сенсор Readout

Заключение

Низкофоновые детекторы являются невоспетыми героями физики редкого распада. Без них поиски наблюдения за нейтринобез двойного бета-распада, определения абсолютной массы нейтрино и зонда за пределами Стандартной модели были бы невозможны. Путь от ранних эталонных экспериментов с фоновыми скоростями 1 графа / (keV·kg·yr) к современным детекторам, достигающим 10-4 этого уровня, представляет собой триумф материаловедения, техники и физики.

Каждое уменьшение фона на порядок открывает новое окно во Вселенную, позволяя нам тщательно изучить самые фундаментальные свойства материи. По мере приближения к чувствительности, необходимой для обнаружения нейтринобез двойного бета-распада, в следующем десятилетии будет развертываться многотонный детектор с фоновыми уровнями, возможно, такими же низкими, как 10-6 графов / [[KEV·kg·yr]]. Продолжающееся развитие ультрачистых материалов, активное отклонение фона и передовые технологии считывания будут не только служить физике частиц, но и стимулировать инновации в медицинской визуализации, ядерном нераспространении и мониторинге окружающей среды. Таким образом, хотя сигналы могут быть редкими, технологии, которые они требуют, имеют широкое и длительное значение.