Poszukiwanie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta 76Ge w eksperymencie GERDA

Transkrypt

1 Poszukiwanie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta 76Ge w eksperymencie GERDA Grzegorz Zuzel (w imieniu zespołu GERDA) Instytut Fizyki UJ Astrofizyka Cząstek w Polsce , Kraków/Przegorzały,

2 Plan wykładu Podwójny rozpad beta Cele eksperymentu GERDA Budowa detektora Status eksperymentu

3 Podwójny rozpad beta Dla szeregu jąder parzysto-parzystych rozpad β jest energetycznie zabroniony, jednak podwójny rozpad β może zajść, przekształcając jądro (A, Z) do (A, Z+2). E β ββ Q = 2039 kev

4 Podwójny rozpad beta 2νββ 0νββ (A,Z) (A, Z+2) + 2e- + 2νe (A,Z) (A, Z+2) + 2e- L = 0 L = 2 T1/2 ~ y T1/2 ~ y T1/2exp > 1025 y

5 Podwójny rozpad beta

6 Rozpad 0νββ ε wydajność detekcji A masa molowa a abundancja M masa detektora T czas pomiaru B indeks tła E energetyczna zdolność rozdzielcza M T ekspozycja

7 Rozpad 0νββ

8 Rozpad 0νββ Przypadek zerowego tła Zakładając czułość pomiaru T1/2 ~ 1027 lat (mee ~ 50 mev) wtedy 1 rozpad/rok wymaga 1027 atomów źródła, czyli około 1000 moli rozważanego izotopu. Odpowiada to masie ~100 kg W praktyce założona czułość może się tylko pogorszyć: abundancja, wydajność detekcji, tło, zdolność rozdzielcza

9 Źródła tła Promieniowanie kosmiczne (CR) Miony atmosferyczne Izotopy produkowane w reakcjach spalacji wywołanych CR: (60Co, 68Ge) Neutrony Naturalne radio-izotopy (szereg U/Th, 40K) Izotopy długożyciowe (42Ar, 210Pb) Źródła specyficzne dla danego eksperymentu

10 Problem masy neutrina

11 Neutrino mass claim of evidence 1025 y (GD I) 1026 y (GD II) 1027 y (GD III) 1028 y (Future)

12 Rozpad 0νββ Obserwacja 0νββ oznaczałaby iż: Neutrino jest cząstką Majorany (swoją własną antycząstką) Liczba leptonowa nie jest zachowywana Mamy do czynienia z fizyką z poza Modelu Standardowego Pomiar T1/2 (lub jego granicy) pozwoliłby na: Określenie efektywnej masy (granicy) neutrina (jedyna metoda pozwalająca mierzyć masy rzędu mev) Określenie hierarchii mas neutrin Próbę rozwiązania problemu dominacji materii nad antymaterią Ogromne znaczenie 0νββ dla Fizyki Cząstek, Astrofizyki i Kosmologii

13 GERDA: podstawowe założenia Detektor GERDA zaprojektowano do poszukiwań procesu 0νββ dla izotopu 76Ge - Wysoka czystość monokryształów Ge - Bardzo dobra zdolność rozdzielcza (~2 kev dla E ~ MeV) - Detektor = źródło (ε ~ 1) - Wymagane jest wzbogacanie (7.4 % 86 %) Index tła: cts/(kev kg y); razy niższe w porównaniu do poprzednich eksperymentów (HdM

14 Indeks tła Detector mass: M Measurement time: t N1, E1 N = N1 + N2 E = E1 + E2 N2, E2

15 GERDA: podstawowe założenia Realizacja w trzech etapach: - Faza I: 17.8 kg (8 detektorów) enrge z projektów HdM &IGEX (15.3 kg 76Ge) 20 kg y, T1/2 > y (90% CL), mee < ( ) ev - Faza II: dodanie nowych detektorów, zakupiono 54 kg wzbogaconego GeO2, 18 detektorów typu BEGe zostało wytworzonych (kolejnych 10 powstanie) 100 kg y, T1/2 > y (90% CL), mee < ( ) mev - Faza III: połączenie zespołów GERDA i Majorana, O(500 kg) of 76Ge 1000 kg y, T1/2 > y (90% CL), mee < 50 mev

16 Zespół GERDA 95 fizyków z 17 instytutów z Niemiec, Włoch, Szwajcarii, Rosji, Polski, Belgii i Chin

17 Zespół GERDA

18 Eksperymenty poprzednich generacji Heidelberg Moscow/IGEX

19 Detektor GERDA

20 Detektor GERDA GeMPI Dodatkowa osłona miedziana uchwyty detektora U/Th 16 µbq/kg oczyszczana powierzchnia Ciekły argon 222Rn 1 µbq/m3 Kriostat (superizolacja), stal nierdzewna U/Th 1 5 mbq/kg oczyszczana powierzchnia

21 Detektor GERDA Clean room Śluza Cryo-lab Kriostat Control room 222Rn detector Zbiornik wody + µ veto

22 Detektor GERDA Clean room

23 Detektor GERDA Zbiornik wody Ø 10 m h = 9.5 m V = 650 m3

24 Detektor GERDA

25 Detektor GERDA

26 Lokalizacja eksperymentu (LNGS) A GERDA LVD C B ICARUS BOREXINO DARKSIDE OPERA Cracow 2012, MPI of Physics, Munichon Physics in Underground Laboratories and its Connection with LHC Epiphany Conference

27 Czułość detektora GERDA phase II <mßß> ~ 0.1 ev 0.01 phase I KKDC

28 GERDA: główne etapy projektu : Formowanie zespołu : Pozyskanie finansowania, projekt i konstrukcja detektora w hali A LNGS : Pierwsze testy z łańcuchem 3 detektorów wykonanych z naturalnego germanu (HPnatGe) : Badania źródeł tła (42Ar, 228Th, kosmogeniki) z wykorzystaniem detektorów HPnatGe : Trzy wzbogacone detektory w jednym łańcuchu wprowadzone do kriostatu (6.7 kg enrge) : Rozpoczęcie zbierania danych z wykorzystaniem wszystkich 8 wzbogaconych detektorów Fazy I enrge (17.8 kg) i 3 detektorów HPnatGe (7.6 kg) 2012: Produkcja i testy detektorów typu BEGe, 5 z nich wprowadzono do kriostatu w czerwcu 2012

29 GERDA: Faza I ( )

30 208Tl, 2614 kev 214Bi, 2204 kev enrge: 6.10 kg y natge: 3.17 kg y 214Bi, 1765 kev 39Ar, β- 40K, 1460 kev 42K, 1525 kev Widmo natge oraz enrge

31 Widmo rozpadu 2νββ enrge: M T = 6.10 kg y T1/2(2νββ)= (1.84±0.12) x 1021 y S/B ~ 10

32 HdM: widmo dla M T = kg y hep-ph/ νββ T1/2 = y

33 GERDA: widmo dla M T = 6.10 kg y (bez PSA!) Blinded region Qββ ± 20 kev Obszar analizy Qββ ± 200 kev

34 y Fazy II 2009: 54 kg enrgeo2 wyprodukowano w Rosji (ECP, Zelengorsk) 2010: Redukcja, rafinacja strefowa (zone refinement, PPM Metals, Niemcy) 2011: Transport do Oak Ridge (USA) : Produkcja kryształów (crystal pulling, Canberra Oak Ridge, USA) 2012: Wytworzenie detektorów (Canberra, Geel, Belgia) 2012: Testy detektorów (HADES, Belgia) Parametry detektorów zgodne ze specyfikacją ( E = 1.7 MeV), transport do LNGS Produkcja testowana z wykorzystaniem natge i depge Astrofizyka Cząstek w

35 y Fazy II 7 crystals cut into 30 slices

36 y Fazy II Double β decay GERDA Golas GERDA Status Conclusions Po st er! BEGe Broad Energy Ge detector Punktowy kontakt niejednorodne pole E (PSA) Zakres energii: 3 kev 3 MeV Zwiększona wydajność detekcji dla niskich energii Mała pojemność (niski szum) 1.3 MeV: 1.8 kev Masa: ~ onkg Cracow Epiphany Conference Physics in Underground Laboratories and its Connection with LHC

37 GERDA: HPGe Coax i BEGe Po st er! BEGe: 730 g ANG3: 2391 g

38 LArGe Po st er! LArGe Liquid Argon and Germanium Ultra-niskotłowy system przeznaczony do badań nowych technik redukcji tła VLAr = 1.2 m3 9 PMTs (8 ETL) Cu cryostat, super-izolowany, aktywne chłodzenie LN2 Osłony niskotłowe: Cu (15 cm), Pb (11 cm), stal (24 cm) i PE (20 cm) Zlokalizowany w Polsce 2013,LNGS/GDL Kraków/Przegorzały,

39 LArGe: test detektora BEGe Po st er! 228T h Qββ: R ~ 104, BI ~ 10-2 cts/(kev kg y)

40 GERDA Faza II: LAr veto

41 Podwójny bezneutrinowy rozpad beta pozwala badać procesy z poza Modelu Standardowego - Jedyna metoda pomiaru masy neutrina na poziomie mev GERDA w zaawansowanym stadium realizacji: Faza I jest realizowana ( zakończenie) - Pomiar rozpoczęty * Masa detektorów: 18.3 kg enrge (11 det.) i 2.9 kg natge (1 det.) * Aktualnie M T = 16.7 kg y (luty 2013) - Indeks tła dla enrge: cts/(kev kg y) bez PSA! - Dane wokół Qββ (± 20 kev) nie są aktualnie dostępne - Pełna analiza planowana na czerwiec 2013 (M T ~ 20 kg y)

42 i plany GERDA / LArGe: T1/2 (2νββ) = (1.84 ± 0.12) 1021 y C(42Ar) = (65.6 ± 14.0) µbq/kg Przygotowania do Fazy II mocno zaawansowane, rozpoczęcie w lipcu wrześniu nowych detektorów (BEGe) gotowych - 5 BEGe wprowadzono do kriostatu w czerwcu 2012 (Faza I) - Implementacja veta argonowego/psa Faza III jako wspólny projekt GERDA-Majorana (~ 500 kg 76Ge) GERDA w Nature: Neutrino Physics: Beta test (Vol 487 Issue 7406 News Feature )

43 B = 10-3 cts/(kev kg y) B = ~10-5 cts/(kev kg y)! GERDA BOREXINO

44 Slajdy dodatkowe

45 Problem tła Zakładając czułość pomiaru T1/2 ~ 1027 lat (mee ~ 50 mev) wtedy 1 rozpad/rok wymaga 1027 atomów źródła, czyli około 1000 moli rozważanego izotopu. Odpowiada to masie ~100 kg Woda mineralna: ~ 1 Bq/l 100 kg: 100 Bq 100 rozpadów/s rozpadów/rok! Wymagana redukcja o czynnik: 1010!!

46 Pomiar 42Ar w LAr (LArGe) 1525 kev Dodany 42Ar: (5.2 ± 0.9) Bq Anat = Aspiked Rnat Rspiked

47 GERDA: T1/2 (2νββ)

48 Czułość detektora GERDA

49 KamLand-Zen / EXO

50 KamLand-Zen

51 KamLand-Zen

52 HdM: M T = kg y

53 Lista eksperymentów 0νββ

54 Izotopy 0νββ

55 Super-izotop (0νββ)??

56 GERDA: problem 42Ar 92 d exposure (July November 2010) kev

57 GERDA: problem 42Ar

58 GERDA: problem 42Ar

59 Koszty eksperymentów

60 0ν Pomiary T1/2

61 Elementy macierzy przejścia (Renormalized) QRPA: Šimkovic, Faessler, Müther, Rodin, Stauf, PRC 79, (2009). Large Scale Shell Model: Caurier, Menendez, Nowacki, Poves, PRL 100, (2008) Interacting Boson Model: Barea, Iachello, Projected Hartree-Fock-Bogoliubov: PRC 79, (2009). Rath, Chandra, et al. PRC 82, Energy Dendity Functional appr.: Rodrígez, (2010) Martínez-Pinedo, arxiv: [nucl-th].

62 Macierz mieszania (PMNS) Pontecorvo Maki Nakagawa Sakata

63 Masy neutrin 2 Rozpad 0νββ: Rozpad β: 3 2 mβ = Uei mi2 i=1 Kosmologia: m = i Dla mas zdegenerowanych: ~

64 Doniesienie o obserwacji 0νββ Publikacja części kolaboracji Heidelberg-Moscow, H.V. Klapdor-Kleingrothaus et al., Phys. Lett. B586, 198 (2004), Mod. Phys. Lett. A21, 1547 (2006) Bi-214 Qββ? M T = 71.7 kg y T1/2 = (2.23 ± 0.4) 1025 y <mββ> = (0.32 ± 0.03) ev Bi-214

65 GERDA Faza I: poziom tła