Poszukiwanie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta 76Ge w eksperymencie GERDA Grzegorz Zuzel (w imieniu zespołu GERDA) Instytut Fizyki UJ Astrofizyka Cząstek w Polsce 05-08.01.2010 2013, Kraków/Przegorzały,
Plan wykładu Podwójny rozpad beta Cele eksperymentu GERDA Budowa detektora Status eksperymentu
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
Podwójny rozpad beta 2νββ 0νββ (A,Z) (A, Z+2) + 2e- + 2νe (A,Z) (A, Z+2) + 2e- L = 0 L = 2 T1/2 ~ 1018 1021 y T1/2 ~ 1026 1027 y T1/2exp > 1025 y
Podwójny rozpad beta
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
Rozpad 0νββ
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
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
Problem masy neutrina
Neutrino mass claim of evidence 1025 y (GD I) 1026 y (GD II) 1027 y (GD III) 1028 y (Future)
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
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: 10-2 10-3 cts/(kev kg y); 10 100 razy niższe w porównaniu do poprzednich eksperymentów (HdM
Indeks tła Detector mass: M Measurement time: t N1, E1 N = N1 + N2 E = E1 + E2 N2, E2
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 > 3 1025 y (90% CL), mee < (0.2 0.4 ) 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 > 1.4 1026 y (90% CL), mee < (140 260) mev - Faza III: połączenie zespołów GERDA i Majorana, O(500 kg) of 76Ge 1000 kg y, T1/2 > 2 1027 y (90% CL), mee < 50 mev
Zespół GERDA 95 fizyków z 17 instytutów z Niemiec, Włoch, Szwajcarii, Rosji, Polski, Belgii i Chin
Zespół GERDA
Eksperymenty poprzednich generacji Heidelberg Moscow/IGEX
Detektor GERDA
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
Detektor GERDA Clean room Śluza Cryo-lab Kriostat Control room 222Rn detector Zbiornik wody + µ veto
Detektor GERDA Clean room 6.03.2008
Detektor GERDA 19.05.2008 Zbiornik wody Ø 10 m h = 9.5 m V = 650 m3
Detektor GERDA 12.08.2009
Detektor GERDA 10.08.2010
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
Czułość detektora GERDA 0.001 phase II <mßß> ~ 0.1 ev 0.01 phase I KKDC
GERDA: główne etapy projektu 2004 2005: Formowanie zespołu 2005 2010: Pozyskanie finansowania, projekt i konstrukcja detektora w hali A LNGS 06.2010: Pierwsze testy z łańcuchem 3 detektorów wykonanych z naturalnego germanu (HPnatGe). 06.2010 06.2011: Badania źródeł tła (42Ar, 228Th, kosmogeniki) z wykorzystaniem detektorów HPnatGe 07.2011: Trzy wzbogacone detektory w jednym łańcuchu wprowadzone do kriostatu (6.7 kg enrge) 01.11.2011: 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
GERDA: Faza I (1.11.11)
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
Widmo rozpadu 2νββ enrge: M T = 6.10 kg y T1/2(2νββ)= (1.84±0.12) x 1021 y S/B ~ 10
HdM: widmo dla M T = 54.98 kg y hep-ph/0302248 2νββ T1/2 = 1.74 1021 y
GERDA: widmo dla M T = 6.10 kg y (bez PSA!) Blinded region Qββ ± 20 kev Obszar analizy Qββ ± 200 kev
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) 2011 2012: 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 kev @1.3 MeV), transport do LNGS Produkcja testowana z wykorzystaniem natge i depge 05-08.01.2010 Astrofizyka Cząstek w
y Fazy II 7 crystals cut into 30 slices
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) FWHM @ 1.3 MeV: 1.8 kev Masa: ~0.7 0.8onkg Cracow Epiphany Conference Physics in Underground Laboratories and its Connection with LHC
GERDA: HPGe Coax i BEGe Po st er! BEGe: 730 g ANG3: 2391 g
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,
LArGe: test detektora BEGe Po st er! 228T h Qββ: R ~ 104, BI ~ 10-2 cts/(kev kg y)
GERDA Faza II: LAr veto
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 (30.05.2013 zakończenie) - Pomiar rozpoczęty 1.11.11 * 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: 2 10-2 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)
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 2013-18 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 )
B = 10-3 cts/(kev kg y) B = ~10-5 cts/(kev kg y)! GERDA BOREXINO
Slajdy dodatkowe
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 3 1010 rozpadów/rok! Wymagana redukcja o czynnik: 1010!!
Pomiar 42Ar w LAr (LArGe) R @ 1525 kev Dodany 42Ar: (5.2 ± 0.9) Bq Anat = Aspiked Rnat Rspiked
GERDA: T1/2 (2νββ)
Czułość detektora GERDA
KamLand-Zen / EXO
KamLand-Zen
KamLand-Zen
HdM: M T = 54.98 kg y
Lista eksperymentów 0νββ
Izotopy 0νββ
Super-izotop (0νββ)??
GERDA: problem 42Ar 92 d exposure (July November 2010) 2.1 cts/kg/day @ 1525 kev
GERDA: problem 42Ar
GERDA: problem 42Ar
Koszty eksperymentów
0ν Pomiary T1/2
Elementy macierzy przejścia (Renormalized) QRPA: Šimkovic, Faessler, Müther, Rodin, Stauf, PRC 79, 055501 (2009). Large Scale Shell Model: Caurier, Menendez, Nowacki, Poves, PRL 100, 052503 (2008) Interacting Boson Model: Barea, Iachello, Projected Hartree-Fock-Bogoliubov: PRC 79, 044301 (2009). Rath, Chandra, et al. PRC 82, 064310 Energy Dendity Functional appr.: Rodrígez, (2010) Martínez-Pinedo, arxiv:1008.5260 [nucl-th].
Macierz mieszania (PMNS) Pontecorvo Maki Nakagawa Sakata
Masy neutrin 2 Rozpad 0νββ: Rozpad β: 3 2 mβ = Uei mi2 i=1 Kosmologia: m = i Dla mas zdegenerowanych: ~
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
GERDA Faza I: poziom tła