Низкофоновые детекторы в актуальных задачах физики частиц 10

Низкофоновые детекторы в актуальных задачах физики частиц 10 -11

Тема 7 n Безнейтринный двойной бета-распад n Постановка задачи n n n Что даст наблюдение (0ν 2β)-распада с точки зрения изучения свойств нейтрино? Ядра-кандидаты Требования к экспериментальным установкам Обсуждение результатов эксперимента Heidelberg-Moscow Эксперименты нового поколения n n n Gerda Cuoricino NEMO 3

Введение n В области изучения безнейтринного двойного бета -распада заложен огромный потенциал для физики частиц: n Природа ненулевой массы нейтрино n n n Дираковский или Майорановский фермион? Несохранение [полного] лептонного числа? Содержат ли лептонные токи примесь правой компоненты? CP-нарушение в лептонном секторе Абсолютная шкала нейтринных масс Тип иерархии в нейтринном секторе: n n Нормальная: m 1 < m 2 < m 3 Обратная: m 3 < m 1 < m 2

Иерархия нейтринных масс Нормальная Обратная

Нейтрино Дирака и нейтрино Майорана n К представлению о частицах и античастицах первоначально привело уравнение Дирака для электрона n n n Позитрон – первая из известных античастиц При этом, если заряженные частицы и античастицы существенно отличаются с точки зрения э/м свойств, то в отношении нейтральных частиц было неясно, в чем может быть отличие? Понятие частицы, идентичной своей античастице, введено Э. Майораной в 1937 г.

Нейтрино Дирака и нейтрино Майорана n Применительно к нейтрино, уравнение Дирака имеет четыре решения: n n n Нейтрино со спином, направленным против импульса (левое) Его античастица (левая) Нейтрино со спином, направленным по импульсу (правое) Его античастица (правая) В экспериментах установлено с высокой точностью, что нейтрино – левополяризованное, а антинейтрино – правополяризованное. Если однако нейтрино имеют массу, тогда преобразование Лоренца к более быстрой системе отсчета переводит левое нейтрино в правое, которое теперь может быть, а может и не быть его зеркальным по CPT отображением (т. е. правым антинейтрино)

Нейтрино Дирака и нейтрино Майорана Преобразование Лоренца 4 -компонентное нейтрино Дирака CPT Преобразование Лоренца 2 -компонентное нейтрино Майорана (истинно нейтральный фермион) CPT

Двойной бета-распад 2β 2ν-распад – переход с изменением заряда ядра на две единицы, с двумя электронами и двумя электронными антинейтрино в конечном состоянии: при условии, что MA(Z, A) > MA(Z+2, A) и с дополнительным практическим требованием, чтобы одиночный бета-распад для этого ядра отсутствовал, т. е. MA(Z, A) < MA(Z+1, A), или был бы сильно подавлен. По аналогии с обычным β-распадом, также возможны процессы: если MA(Z, A) > MA(Z-2, A) + 4 me; если MA(Z, A) > MA(Z-2, A) + 2 me + Be; если MA(Z, A) > MA(Z-2, A) + 2 Be. орбитальный атомный электрон с энергией связи Be.

Двойной бета-распад На практике наблюдались только распады с увеличением заряда ядра на две единицы и двойной e-захват для 130 Ba. Последовательность Ракá (Фарри, 1939 г. ): Такая последовательность переходов может иметь место, если нет различия между нейтрино и антинейтрино, и, кроме того, нейтрино массивно (суперпозиция левых и правых спиральных состояний). Тогда становится возможным процесс: т. е. нейтрино, испускаемое на первом этапе последовательности Ракá и поглощаемое на втором, является виртуальным.

0ν 2β-распад n 0ν-мода 2β-распада существует только в том случае, если: n n n Нейтрино обладает массой Нейтрино является майорановским фермионом Вероятность обнаружить левое нейтрино в правом спиральном состоянии ~(mνc 2/Eν)2, т. е. при Eν>>mνc 2 спин нейтрино в левоспиральном состоянии направлен, в основном, против импульса Лептонное число не сохраняется Сигнатура в экспериментах: n Пик в энергетическом спектре электронов в области Q = T(e 1) + T(e 2) – 2 me (см. рисунок) Спектр суммарной кинетической энергии электронов: В реальности δ-функция размывается энергетическим разрешением детектора.

Экспериментальные возможности На сегодняшний день (2β 2ν)-распад наблюдался для 12 ядер: 48 Ca, 76 Ge, 82 Se, 96 Zr, 100 Mo, 116 Cd, 128 Te, 130 Te, 150 Nd, 238 U, 136 Xe (EXO, 2011); 130 Ва – двойной е-захват. Для 1 кг, например, 100 Mo (10 моль) число (2β 2ν)-распадов за 1 год сбора данных: Если теперь допустить, что наш 100 Mo загрязнен, например, 214 Bi (ряд 238 U) с активностью 1 Бк/кг, тогда мы получим 3· 107 β-распадов 214 Bi за тот же период времени, т. е. фон от 214 Bi на два порядка превысит ожидаемый сигнал. Нужны низкофоновые детекторы.

Список кандидатов Изотоп Qββ, Мэ. В Изотопная распространенность, % T 1/2(2ν), лет 48 Ca 4. 271 0. 0035 4. 0 · 1019 76 Ge 2. 039 7. 8 1. 5 · 1021 82 Se 2. 995 9. 2 0. 9 · 1020 96 Zr 3. 35 2. 8 2. 3 · 1019 100 Mo 3. 034 9. 6 7. 1 · 1018 116 Cd 2. 802 7. 5 2. 8 · 1019 128 Te 0. 868 31. 7 2. 0 · 1024 130 Te 2. 533 33. 8 6. 8 · 1020 136 Xe 2. 479 8. 9 2. 1 · 1021 150 Nd 3. 367 5. 6 8. 2 · 1018

Германиевые детекторы в 0ν 2β-бизнесе n Преимущества германиевых детекторов n n Мишень и детектор одновременно Сравнительно чистый исходный материал n n Возможность достижения высокой степени обогащения (86%) n n Низкий уровень собственного фона В естественном германии содержится только 8% 76 Ge Рекордно высокое энергетическое разрешение Энергия, необходимая для образования одной электронно-дырочной пары в Ge при T=80 К: 2. 95 э. В Уже накоплен богатый опыт работы с германиевыми детекторами в гамма-спектроскопии

Чувствительность детекторов к T 1/2 0ν 2β-распада: a – степень обогащения (%) ε - эффективность детектора M – масса мишени t – время измерений B – фон в единицах числа соб. /(кэ. В·кг·год) ΔE – энергетическое разрешение * С другой стороны* : MGT – ядерный матричный элемент Гамова-Теллера C 1 = 7. 208 · 10 -15 (для η = /me. 76 Ge) Масса нейтрино! - А. Али, А. В. Борисов, Д. В. Журидов, Механизмы безнейтринного двойного бета-распада: сравнительный анализ нескольких ядер, ЯФ, 73, 2139 (2010)

Двойной β-распад германия Q = 2039 кэ. В T 1/2(2β 2ν) = 1. 5 · 1021 лет

Эксперимент Heidelberg. Moscow n n n Лаборатория Гран-Сассо (3500 м. в. э. ) 1990 – 2003 гг. 5 полупроводниковых детекторов: n n n n монокристалл HP 76 Ge e– Каждый детектор помещен внутрь криостата из меди Пассивная защита: n n 5 обогащенных (86 -88%) германиевых кристаллов высокой степени очистки Полная рабочая масса: 10. 96 кг Защита от фона 30 см специального, р/а чистого Pb Объем, продуваемый N 2 под давлением (защита от 222 Rn) 10 см борированного полиэтилена (защита от нейтронов извне) Активное мюонное вето (пластиковый сцинтиллятор) Еженедельные калибровки источником 228 Th (Eγ(Tl) = 2. 6 Мэ. В) e– Rload сигнал

Детектор Процесс установки 5 -го, последнего детектора (Гран-Сассо, 1994 г. )

Эксперимент Heidelberg-Moscow View of the 1 st enriched 76 Ge detector, with silicon cap surrounded by copper and lead shielding View of the 5 th enriched 76 Ge detector surrounded by copper shielding

Источники фона n Рассматриваются следующие классы фоновых событий n n n Скрупулезное МК-моделирование (GEANT 4) всех возможных источников фона, в том числе: n n n Собственный фон, связанный с U, Th и 40 K Антропогенные радионуклиды: 137 Cs, 134 Cs, 125 Sb, 207 Bi Упругие и неупругие рассеяния нейтронов События, непосредственно индуцированные космическими мюонами Космогенные радионуклиды γ-линии 214 Bi в области Q 2β = 2039 кэ. В: 2010. 7 кэ. В, 2016. 7 кэ. В, 2021. 8 кэ. В и 2052. 9 кэ. В Реакции захвата нейтронов: 74 Ge(n, γ)75 Ge и 76 Ge(n, γ)77 Ge Достигнутый уровень фона: ~0. 17 соб. /(кг·год·кэ. В) !

Отбор данных n n Эффективность сбора данных (duty cycle): 80% Критерии отбора полезных событий: n n n Единичное событие в одном детекторе Отсутствие сигнала мюонного вето Нет отклонений по скорости счета в каждом из кристаллов за пределами ± 5σ от средней Критерий качества события (по форме импульса) Выброшены из рассмотрения первые 200 дней сбора данных для каждого кристалла, чтобы дать распасться короткоживущим радиоизотопам. За период сбора данных в 1995 – 2003 гг. : n n n Всего зарегистрировано 951044 события После наложения условий отбора осталось: 786652 соб. Из них в области энергий 2000÷ 2060 кэ. В: 562 соб.

Калибровка детекторов ΔE(2615 кэ. В) = 0. 1% (FWHM)! Различное по кристаллам энергетическое разрешение.

Энергетический спектр

Спектр в области 2000÷ 2060 кэ. В Индивидуальные спектры по каждому из пяти кристаллов.

Спектр в области 2000÷ 2060 кэ. В Суммарные спектры по пяти кристаллам для разных периодов сбора данных

История результатов n n Первоначально коллаборация опубликовала ограничение: T 1/2 > 1. 9· 1025 лет Затем лидер коллаборации с несколькими соавторами заявили об обнаружении 0ν 2βраспада с периодом: T 1/2 = 1. 5· 1025 лет n n n Большая часть коллаборации отказалась подписывать статью Через несколько лет: T 1/2 = 1. 19· 1025 лет Еще через два года: T 1/2 = 2. 23 -0. 31+0. 44· 1025 лет

Результаты n H. V. Klapdor-Kleingrothaus, I. V. Krivosheina, A. Dietz, O. Chkvorets, Search for neutrinoless double beta decay with enriched 76 Ge in Gran Sasso 1990 -2003, Phys. Lett. B 586, 198 (2004): n n Энергия: Qββ = 2038. 07 ± 0. 44 кэ. В Количество событий в ожидаемой области: 28. 75 ± 6. 86 T 1/2 = (0. 69 ÷ 4. 18) · 1025 лет (3σ) mν = 0. 24 ÷ 0. 58 э. В (3σ)

Критика опубликованных результатов n n Большинство членов коллаборации отказалось подписывать статьи Критика: n Набранная статистика, возможно, не является результатом пуассоновского процесса событий n n Интенсивности некоторых из идентифицированных гаммалиний в набранных спектрах отличались в различные периоды сбора данных и от детектора к детектору за пределами статистических флуктуаций В некоторые периоды сбора данных в спектрах детекторов обнаруживались неопознанные пики в разных областях энергетической шкалы n n Особенно хорошо это было видно в данных, собранных детектором № 4 В определенные периоды сбора данных были замечены некоторые «косяки» в работе электроники

Какие извлечь уроки n n n ? ? ?

GERDA n n GERmanium Detectors Array LNGS (Гран-Сассо) Кристаллы из обогащенного Ge, «подвешенные» внутри криостата Криостат (h=6 м, d=4 м) из стали, покрытый изнутри слоем высокочистой меди: n n n Криостат расположен внутри водяного бака (h=9. 5 м, d=10 м), который служит черенковским детектором: n n n 98 т жидкого аргона (LAr) при Т = 88 К LAr: охлаждающая среда + сцинтиллятор (128 нм, ~40 тыс. фотонов/Мэ. В). Служит активной защитой от γ-излучения 66 ФЭУ Защита от µ, n, γ. Пластиковые сцинтилляционные панели (200 х50 х3 см) в три слоя + ФЭУ сверху детектора: n Для защиты от µ, проникающих в детектор через горловину бака

GERDA

GERDA Сборка Ge-детекторов в виде гирлянд

GERDA n Цели: n На первом этапе (17. 9 кг Ge): n n n На втором этапе (37. 5 кг Ge): n n n Достижение уровня фона ~0. 01 соб. /(кэ. В·кг·год) Подтверждение/опровержение результатов эксперимента Гейдельберг-Москва Достижение уровня фона ~0. 001 соб. /(кэ. В·кг·год) При наборе статистики в течение 3 лет столь низкий уровень фона будет означать достижение детектором чувствительности к T 1/2 > 1. 5· 1026 лет и к майорановской массе нейтрино <0. 12 э. В Текущий статус: этап I.

GERDA : Status of phase I Installation of phase I detectors : GTF 112 ANG 3 RG 1 ANG 2 ANG 5 ANG 4 ANG 1 RG 3 RG 2

GERDA : Status of phase I Energy calibration of all detectors: ANG 1 and RG 3 are NOT included

GERDA Live time: 152. 49 days Enriched exposure: 6. 104 kg∙y Duty cycle Nov. 2011 – May 2012: 78. 3%

PRELIMINARY

Источники фона n n Космические мюоны Внешние γ-кванты от n n n (232 Th) (β-, T 1/2 = 5. 3 лет, Emax = 2824 кэ. В) в кристаллах 222 Rn в LAr <0. 2· 10 -3 соб. /(кэ. В·кг·год) Нейтроны извне n n <1· 10 -3 соб. /(кэ. В·кг·год) 60 Co n n 208 Tl <0. 05· 10 -3 соб. /(кэ. В·кг·год) 42 Ar → 42 K

42 Ar n (β-, T 1/2 = 32. 9 лет, Emax = 599 кэ. В) образуется, в основном, в реакциях: n n n 42 K 42 Ar n n → 42 K 40 Ar(α, 2 p)42 Ar в атмосфере 40 Ar(2 n, 2γ)42 Ar в атмосфере при ядерных взрывах (β-, T 1/2 = 12. 36 часов, Emax = 3525 кэ. В) – фон для β-распада 76 Ge При распаде 42 Ar в LAr образуется положительно заряженный ион 42 K+, который дрейфует в электрическом поле в окрестностях Ge-детекторов и попадает на кристаллы Принято решение о возведении дополнительного, защитного кожуха из меди для изолирования гирлянд детекторов от LAr в криостате

GERDA

Планы на 2 -ю стадию n n Больше кристаллов – больше рабочая масса Ge LAr, как сцинтиллятор: n n Si. PM – кремниевые твердотельные фотоумножители Внедрение в анализ данных алгоритмов идентификации типа частицы

Планы на 2 -ю стадию Монте-Карло

Первые результаты (16. 07. 2013, 21. 6 кг·год)

Первые результаты (16. 07. 2013, 21. 6 кг·год)

GERDA-I. Заключение n n В режиме сбора данных с 1. 11. 2011 Достигнутое энергетическое разрешение: n n n 3. 6 кэ. В @ 2614 кэ. В (208 Tl) Достигнутый уровень фона в ~4 раза лучше, чем в Гейдельберг. Москва В GERDA-II ожидается на порядок меньший фон за счет использования LAr, как сцинтиллятора

Cuoricino Мишенью является сцинтилляционный кристалл-диэлектрик Te. O 2. Увеличение температуры ΔT, вызванное выделением энергии ΔE : Теплоемкость При низких T теплоемкость пропорциональна кубу температуры (закон Дебая) и определяется акустическими колебаниями решетки: Температура Дебая Таким образом, любое энерговыделение в мишени приведет к образованию высокочастотных фононов.

Cuoricino n Почему n Высокая концентрация 130 Te в природном теллуре (34%) n n В принципе, даже нет необходимости в обогащении Q = 2528 кэ. В – даже выше, чем у 76 Ge n n 130 Te? Независимость от многих фоновых γ-линий Почему Te. O 2? n n n Более высокая температура Дебая по сравнению с Te Хорошие механические свойства, возможность выращивания больших кристаллов Высокий уровень собственной радиочистоты по U и Th

Cuoricino n n CUORE – Cryogenic Underground Observatory for Rare Events Болометрический криодетектор (8 м. К) n n Сбор данных 2003 -2008 гг. 62 кристалла Te. O 2 n n 44 кристалла 5 х5 х5 см (790 г) 18 кристаллов 3 х3 х6 см (330 г) n n n 40. 7 кг Te. O 2 (11. 3 кг Пассивная защита: n n n 2 обогащенных по 130 Te (75%) 2 обогащенных по 128 Te (82%) 14 необогащенных 130 Te) 22 см Pb (с содержанием 210 Pb < 20 Бк/кг) + 10 см бор-полиэтилен Дополнительно 10 см сверхчистого, «археологического» Pb (с содержанием 210 Pb < 4 м. Бк/кг) внутри криостата над кристаллами Активное мюонное вето – пластиковые сцинт. панели (только в последние 3 мес. сбора данных)

Total active mass Te. O 2 ~~ 40. 7 kg 130 Te ~ 11. 2 kg Roman Pb shield Cuoricino tower: 62 Te. O 2 crystals Cuoricino: 62 detectors array. 11 modules of 4 detectors 2 modules of 9 detectors 4 detectors 5 x 5 x 5 cm 3, 790 g each 9 detectors 3 x 3 x 6 cm 3, 330 g each

Cuoricino Термистор: НТЛ-Ge (Нейтронно-трансмутационное легирование)

Измеренный энергетический спектр

Результаты 60 Co Total statistics 19. 75 kg·yr 130 Te exposure Average energy resolution (FWHM): Background: 130 Te half-life limit: Effective neutrino mass limit: 6. 3± 2. 5 ke. V at Q-value in big crystals 0. 169 ± 0. 006 counts/ke. V/kg/y > 2. 8 × 1024 y (90% C. L. ) mββ < 300 -710 me. V

NEMO – Neutrino Ettore Majorana Observatory LS Modane, FR Tunnel Frejus

NEMO n Цели: n n n Используемая методика: n n Трековая камера + сцинтилляционный калориметр Отличие от полупроводниковых детекторов: n n Поиск 0ν 2β-распада сразу нескольких изотопов Точные измерения параметров 2ν 2β-распада в этих изотопах Возможность измерять не просто полное энерговыделение 2β-распада, а энергии каждого электрона в отдельности, угол их разлета, пространственные координаты событий Сбор данных в 2003 -2011 гг.

NEMO-3 n n Подземная лаборатория Модана, Франция (4800 м. в. э. ) Семь 2β-активных изотопов в виде металлических фольг в 20 секторах цилиндра n n Трековая камера n n n Расположен внутри газовой смеси трековой камеры 1940 счетчиков (пластиковый сцинтиллятор + ФЭУ) Магнитная обмотка n n Дрейфовая камера (6180 ячеек), работающая в гейгеровском режиме Сцинтилляционный калориметр n n 3 из 20 секторов используются для измерений фона (Cu + природный Te) Поле в трековом объеме детектора с силовыми линиями по вертикали (25 Гс) Пассивная защита: n n 20 см железа (защита от γ) Защита от n: 30 см бор-содержащей воды (по периметру) + 40 см дерева (сверху и снизу)

NEMO-3 20 sectors Goal: reconstruct 2 electrons of the final state q q E 1 + E 2 = Qbb Particle physics - like approach: q Measure several observables of the final state q q q Trajectories of 2 electrons Energies of 2 electrons Time Magnetic field curvature ("+" vs "-") Reconstruct the final state topology and kinematics 3 m q B (25 G) 4 m

Multi source detector bb 2 n measurement 116 Cd 405 g Qbb = 2805 ke. V 96 Zr 9. 4 g Qbb = 3350 ke. V 150 Nd 37. 0 g Qbb = 3367 ke. V 48 Ca 7. 0 g Qbb = 4272 ke. V 130 Te 454 g Qbb = 2529 ke. V 100 Mo 6. 914 kg Qbb = 3034 ke. V 82 Se 0. 932 kg Qbb = 2995 ke. V nat. Te 893 g Cu Detector bkg measurement 621 g bb 0 n search 1 -5 July 2007, ILIAS meeting, Blaubeuren Vladimir Vasiliev NEMO 3/ Super. NEMO status 57

Sector interior view cathode rings wire chamber PMTs Calibration tube scintillators bb isotope foils 1 -5 July 2007, ILIAS meeting, Blaubeuren Vladimir Vasiliev NEMO 3/ Super. NEMO status 58

NEMO-3

With shielding water tank wood coil iron shield 1 -5 July 2007, ILIAS meeting, Blaubeuren Vladimir Vasiliev NEMO 3/ Super. NEMO status 60

Детектор в сборе

Event reconstruction Transverse view Longitudinal view Vertex of the e-eemission Source foils Scintillator + PMT Vertex of the e-eemission Observables of the final state n Trajectories of the 2 electrons n Energies of the 2 electrons n Time of flight n Curvature of the tracks in a B-field (+ or -).

Результаты n Ни в одной из мишеней 0ν 2β-распад не был зарегистрирован n n Установлены ограничения на T 1/2 по безнейтринной моде Будущее NEMO-3: Super-NEMO n Начало сбора данных в полной конфигурации: ~20132014 г.

Методики изучения 2βраспада n Косвенные: n Геохимический метод n n Радиохимический метод n n Выделение накопившихся продуктов распада в древних породах и минералах Накопление продуктов распада в искусственно приготовленных образцах Прямое детектирование продуктов распада