Научные сотрудники Лаборатории ядерных проблем Объединённого института ядерных исследований разработали методику изготовления, настройки и тестирования сцинтилляционных детекторов большой площади, используемых в низкофоновых экспериментах.

Разработанные группой учёных ЛЯП ОИЯИ (Егор Шевчик, Дания Зинатулина и др.) устройства позволяют создавать модульные системы активной мюонной защиты различной площади покрытия с возможностью взаимозаменяемости входящих в её состав модулей.

Одной из важных задач при подготовке и проведении низкофоновых экспериментов является подавление случайных событий, искажающих изучаемый редкий физический процесс. Известно, что применяемые в опытах против естественного радиоактивного излучения элементы пассивной защиты (медь, свинец, борированный полиэтилен) не способны справляться со случайными эффектами, такими как, например, имитация γ-квантами сигнатур искомых событий в процессах двойного безнейтринного β-распада. Для таких случаев наиболее эффективным решением является создание активной мюонной защиты, для которой характерны высокая эффективность регистрации мюонов, низкая чувствительность к γ-излучению, а также большая площадь (десятки квадратных метров).

Учёным Объединённого института удалось усовершенствовать методику изготовления сцинтилляционных счётчиков большой площади, которые позволяют создавать активную мюонную защиту различных размеров (от 1 м²) с возможностью варьирования толщины детектора. В рамках данной методики существуют способы улучшения однородности светосбора.

Для того, чтобы значительно уменьшить время, затрачиваемое на составление карты неоднородности светосбора, в сравнении с традиционным подходом тестирования в режиме совпадений с небольшими сцинтилляционными счётчиками, сотрудниками ЛЯП была разработана процедура быстрого тестирования сцинтилляционных модулей с применением ультрафиолетового светодиода.

Формируемые встроенным электронным модулем логические и аналоговые сигналы могут использоваться для интеграции в существующую систему накопления данных экспериментальной установки и не требуют дополнительной электронной аппаратуры. Такой подход позволяет использовать сцинтилляционные счётчики в различных конфигурациях независимо от архитектуры конкретного эксперимента.

При неоднородности светосбора, не превышающей 25%, была продемонстрирована высокая эффективность регистрации мюонов одной пластиной в одиночном режиме (режим самозапуска) — около 99,75%. В случае двойных или тройных совпадений типичная эффективность регистрации составляет до (99,50 ± 0,25) и (99,25 ± 0,31)% соответственно, но при этом происходит сильное подавление событий γ-фона — в 104 и 107 раз соответственно.

Будучи частью системы активной защиты от космических мюонов в эксперименте по поиску двойного безнейтринного β-распада GERDA (LNGS, Италия), созданная в ОИЯИ модульная защита успешно функционировала до завершения набора данных, позволив достичь рекордно низкого уровня фона. В будущем рассматривается возможность применения пластин мюонного вето и для эксперимента по поиску когерентного рассеяния нейтрино Ricochet (Гренобль, Франция).

Текст статьи о результатах исследования опубликован во втором выпуске «Писем в ЭЧАЯ» 2024 года.

Источник: ОИЯИ.