Relazione Scientifica Dottorato anno accademico 2004/05

1. Relazione Scientifica Dottoratoanno accademico 2004/05 Samuele Sangiorgio Tutore: prof. Andrea Giuliani University of Insubria Como - Italy INFN Milano - Italy

2. Sommario » » IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO » RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI » PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE » CRIOGENIA

3. Il Doppio Decadimento Beta (DDB) bb2n permesso dal modello standard bb0n possibile solo con n di Majorana • La natura del neutrino: • Neutrino di Dirac: caratterizzato dal numero leptonico L • Neutrino di Majorana: caratterizzato dall’elicità H • La massa del neutrino: • valore assoluto della massa ? • gerarchia delle masse ? » Doppio Decadimento Beta 0

4. La tecnica bolometrica La tecnica bolometrica: termometro bagno termico cristallo assorbitore termalizzazione completa in tempi trascurabili temperature ~ mK dielettrici e diamagnetici conduttanza termica energia • Richieste sperimentali: • basso fondo e grandi masse • elevata risoluzione energetica • Principali vantaggi: • alta risoluzione energetica • ampia discrezionalita’ nella • nella scelta dei materiali

5. I bolometri di Cuoricino 5 cm 3 mm Cristallo Assorbitore Sensore di temperatura L’assorbitore è un cristallo 5x5x5 cm3 di TeO2il quale contiene il nucleo candidato 130Te Il segnale termico è misurato tramite un Termistore di Ge NTD 3 mm

6. Cuoricino @ LNGS Cuoricino ha una struttura a torre e contiene: 44 cristalli TeO2 5x5x5 cm3 18 cristalli TeO2 3x3x6 cm3 L’esperimento Cuoricino è operante presso i Underground National Laboratory - Gran Sasso (L'Aquila) la montagna fornisce una schermatura contro i raggi cosmici pari a 3500 m.w.e. Massa attiva (ultimo run): ~ 13 kg 130Te ~ 6 x 1025 nuclei

7. Le Prestazioni di Cuoricino Spettro di calibrazione (232Th) 2615 keV 208Tl Risoluzione energetica (media) @ 2615 keV cristalli 5x5x5 cm3 ~ 7.8±2.4 keV cristalli 3x3x6 cm3 ~ 11.0±4.7 keV

8. I Risultati di Cuoricino Cuoricino sta acquisendo dati con successo da Aprile 2003 (MT = 5 kg y 130Te) Fondo nella regione del bb (spettro anticoincidenza, solo cristalli 5x5x5 cm3) 0.18  0.01 c/keV/kg/y 218Tl Risultati totali per vita media e massa di Majorana (90% c.l.): T1/20n(130Te) > 1.8 x 1024 y mbb < 0.2 - 1.1 eV 60Co Aggiornato 3 Aprile 2005

9. Il Futuro (prossimo): CUORE C.U.O.R.E. Cryogenic Underground Observatory for Rare Event Array di~1000bolometri Massa: ~750 kgdi TeO2 Esperimento di seconda generazione in quanto a sensibilità sulla massa del neutrino CUORE è stato approvato e finanziato CUORE dovrebbe iniziare a prendere dati nel 2009 19 torri tipo CUORICINO

10. Sommario » IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO » » RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI » PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE » CRIOGENIA

11. Il problema della riduzione del fondo Sensibilità: M: massa attiva b: fondo T: live time : risoluz energ Previsione (conservativa) per CUORE: T = 10 anni -  = 10 keV b = 0.01 c/(keV∙kg∙y) Le simulazioni MonteCarlo mostrano che la componente più pericolosa del fondo è dovuta a alpha e beta degradate in energia emesse dalle superfici affacciate al rivelatore>> riduzione di questo fondo di un fattore 10-100 Possibili soluzioni » Migliorare la qualità del trattamento delle superfici » Rivedere la struttura del rivelatore minimizzando le superfici affacciate » Sviluppare calorimetri “intelligenti” (risoluz spaziale)

12. Bolometri Sensibili alla Superficie (BSS) 1.5 cm 1.5 cm Schermatura attiva del bolometro principale mediante un bolometro ausiliario Idea innovativa: gli schermi sono incollati direttamente sull’assorbitore in modo da formare un singolo bolometro composito Bolometro di Ge Bolometro di TeO2 Bolometro composito 2cm 2cm 2cm = + In questo modo la usuale tecnica delle anticoincidenze non è particolarmente utile in quanto un rilascio di energia in una parte di questo bolometro composito comporta un rialzo di temperatura di tutte le sue componenti.

13. BSS: Comportamento Atteso classic pulse classic pulse Bolometro con cristallo assorbitore di TeO2 e il suo termistore + Bolometro con wafer di Ge come assorbitore e il suo termistore classic pulse fast and high pulse La presenza degli schermi modifica la dinamica termica del rivelatore dando origine a impulsi con forme e ampiezze differenti Punti di impatto differenti implicano impulsi diversi sui due termistori

14. BSS: Discriminazione mediante scatter plot Possibile discriminazione mediante scatter plot Comportamento supportato da simulazioni

15. BSS: Setup Sperimentale run1 run2 termistori NTD assorbitore principale TeO2 schermi attivi di Ge Le facce schermate sono state esposte a particelle . La sorgente e’ stata ottenuta impiantando nuclidi 224Ra su dello scotch di rame affacciato al cristallo

16. BSS: Run con Silicio (PL) eventi misti che rilasciano energia sia nell’assorbitore principale sia nello schermo eventi di superficie nello schermo di Si eventi di bulk nell’assorbitore di TeO2

17. BSS: la scelta del materiale Germanio ultrapuro PROs: - ottimo livello di purezza CONTRAs: - elevato costo Silicio ultrapuro (PL – IRST) • PROs: • costo contenuto CONTRAs: - minor purezza TeO2 • PROs: • Materiale gia’ noto • Contrazioni differenziali • CONTRAs: • Fragilita’ (h=500 μm) • Incollaggio NTD

18. BSS: Discriminazione sulla forma dell’impulso Distribuzione dei tempi di salita degli impulsi acquisiti dal termistore sullo schermo di Ge Due classi di eventi: “FAST” surface events “SLOW” bulk events In principio è possibile identificare il tipo di evento utilizzando solo il sensore sullo schermo di Ge e la PSA

19. BSS: Discriminazione sui Decay Time E’ possibile selezionare gli impulsi anche osservando il DECAY TIME degli impulsi sull’ASSORBITORE PRINCIPALE >> Evita la proliferazione dei canali di lettura e semplifica il montaggio

20. BSS: Lettura in Parallelo degli Schermi RUN 9 TBT – TeO2 main + 2xSLAB TeO2 Ogni riga corrisponde ad uno schermo

21. BSS: comportamenti “bizzarri” RUN 11 TBT – TeO2 main + 2xSLAB Si-IRST

22. BSS: Test @ LNGS SCOPO: • bolometri in scala Cuoricino (5x5x5 cm3) • misure non affette da pile-up NB: Nessun trattamento specifico per la pulizia superficiale

23. BSS: Test @ LNGS eventi superficiali sugli schermi (letti in parallelo) si identificano classi di eventi attribuibili a particelle  Ampiezza nelle slab [mV] eventi nell’assorbitore principale Energia nel main (keV)

24. BSS: Test @ LNGS Selezione impulsi con il DECAY TIME sull’assorbitore principale Ampiezza nelle slab [mV] Energia nel main (keV) Decay Time [ms] Energia nel main (keV)

25. BSS: Test @ LNGS MISURE DI FONDO BSS utili per la comprensione del fondo fondo ancora oggetto di studio RISULTATO ECCELLENTE !! • ottimi risultati nella discriminazione del segnale mediante scatter plot • importante possiblita’ di discriminare efficacemente mediante DT sul main • eccellente riduzione del fondo senza alcun accorgimento di pulizia • conoscenza dettagliata ancora da approfondire » RUN@LNGS in preparazione

26. Sommario » IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO » RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI » » PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE » CRIOGENIA

27. NTD per CUORE: il parametro T0 heat sink electrons e-ph Au wires 3 mm lattice 106 R [W] glue 104 absorber teflon 102 energy 20 120 200 E’ la temperatura degli elettroni in quanto vale il modello Hot Electron: sperimentalmente si osserva una conduttanza termica finita tra gli elettroni e fononi (reticolo)del termistore T [mK] Rete termica »» Sensore di temperatura Il segnale termico è misurato con un termistore di Ge NTD in regime di VRH: Cuoricino usa NTD #31 ma non e’ mai stata fatta alcuna ottimizzazione su valore di T0 • Domande : • Esiste un valore ottimo per T0? • Che correlazione esiste tra T0 e Ge-ph? Quanto incide questa correlazione sulle prestazioni del bolometro? • Il T0 e’ legato ad altri parametri del rivelatore? • Criticità di T0 sulle prestazioni del bolometro? • Le risposte incidono su: • » prestazioni complessive del bolometro • » tempi e modalita’ di produzione dei termistori

28. RUN T0: possibili scenari Rispetto al T0 dei termistori NTD#31 si puo’ pensare di usare T0inferiore: valore di resistenza più basso alla stessa temperatura (quindi un minore rumore spurio) disaccoppiamento elettrone-fonone meno marcato T0superiore: possibilità di lavorare a temperature più elevate (segnali più veloci, stabilizzazione più facile, performance del criostato meno critiche – ma anche maggiore capacità termica del cristallo) high T0 R [Ω] NTD 31 low T0 T [K]

29. RUN T0: setup sperimentale Run T0 Montaggio tipo Cuoricino con cristalli 5x5x5 cm3 Run info • Assemblaggio a Como • Misura effettuata nel criostato di SalaC LNGS • Problema con la temperatura di base » conduttanza tra holder e MC non ottimale » T~15 mK

30. RUN T0: misure statiche low T0 high T0 NTD 31 I chip con alto T0 non sopportano un bias elevato (NB: amp ~ Vbol)

31. RUN T0: misure statiche NTD 31 high T0 low T0 Si nota l’effetto del maggior disaccoppiamento elettrone-fonone all’aumentare del T0 high T0 low T0 NTD 31

32. RUN T0: misure dinamiche L’ampiezza degli impulsi degli NTD31 è sempre maggiore NTD 31 high T0 low T0 NTD 31 low T0 high T0

33. R&D Accoppiamenti Termici TeO2 Accoppiamento termistore - assorbitore In CUORICINO Table-legs NTDs Incollaggio mediante gocce di colla epossidica a due componenti (Araldite) spessore gocce ~ 50 μm Utilizzare termistori NTD dotati di 4 piccoli piedistalli su cui applicare leggero strato di colla Verifica proprietà termomeccaniche di questo accoppiamento, in particolare mantenere la stessa conduttanza termica delle gocce di colla Verifica delle prestazioni bolometriche (forma degli impulsi, risoluzione,…) 3mm

34. R&D Accoppiamenti Termici Accoppiamento termistore - assorbitore Semplicità di incollaggio e buona riproducibilità statica Risultati dinamici paragonabili a quelli con l’incollaggio standard Ma: rottura del cristallo in corrispondenza dei piedistalli

35. R&D Accoppiamenti Termici Accoppiamento termistore - assorbitore Grasso da vuoto Scarsa tenuta meccanica Conduttanza termica non ben definita Ampiezza e parametri di forma (DT, RT) molto simili

36. R&D Accoppiamenti Termici 100 mm 1 mm Accoppiamento assorbitore – bagno termico Rottura del cristallo! Attualmente Utilizzo di martelletti di Teflon Test 1 Probabile causa: contrazioni differenziali Ge e TeO2 durante il raffreddamento » » test in LN2 Utilizzo di stand-off di Germanio Test 2 Incollaggio diretto al supporto di rame Test 3 Compensazione delle contrazioni

37. Sommario » IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO » RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI » PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE » » CRIOGENIA CRIOGENIA

38. Problematiche criogeniche in CUORE OBIETTIVI: • Massa totale da raffreddare ~ 4ton • Temperatura di base ~ 10 mK • Materiali radiopuri • Elevata affidabilità del sistema criogenico per lungo tempo • Livelli di vibrazioni contenuti • Massimizzare il tempo vivo di misura • Elevato potere refrigerante Attualmente [Cuoricino] Criostato a diluizione 3He-4He con bagno di 4He a 4K » refill periodici, rumore 1KPOT, costi elevati, sicurezza Futuro [CUORE] Precooling a 4K mediante Pulse Tube » LHe free MA vibrazioni e tempi raffreddamento da valutare

39. Un criostato LHe-free a Como Criostato AL • Refrigeratore a diluizione con Pulse Tube precooling » no liquidi criogenici (LHe) • Tbase = ~ 10 mK • Ampio spazio sperimentale • Risolti problemi con superfuga • Blocco impedenza risolto con trappola LHe (test) e poi Gas Purifier Gas Handling System Compressore PT PT CRIOSTATO di PROSSIMA GENERAZIONE Criostato

40. Test criogenici del Criostato AL Run timing Termometro RuO2 Termometro NTD#31 • PT cooling (300to4K): ~ 24-30 ore • Rate e tempo di condensazione miscela: ~ 32h @ ~ 20 mbar/h • Temperature di base sulla MC poche ore dopo la fine della condensazione Misure di potere refrigerante Punti Fissi [1.2K – 15mK] CMN bolometro TeO2 Pstill = 3 mW – *: Pstill = 5 mW

41. Misure di rumore preliminari Vrms/√Hz rumore indotto dal PT

42. Misure di rumore preliminari Vrms/√Hz RUMORE MEDIO INTEGRATO: ~ 0.5 μVrms [1 – 40 Hz] ~ 0.3μVrms [1 – 12 Hz] LNGS: ~ 0.1-0.2 μVrms [1 – 12 Hz] Ampi margini di miglioramento del setup sperimentale riducendo il rumore sia meccanico sia elettrico

43. Conclusioni Lavoro svolto: • Partecipazione alle fasi di presa dati per l’esperimento Cuoricino ai LNGS in qualita’ di turnista esperto • Partecipazione alle fasi di programmazione, montaggio, avviamento, presa dati e analisi del RUN T0 in qualita’ di responsabile run • Partecipazione attiva alle serie di misure effettuate a Como riguardo nei progetti di R&D per CUORE (accoppiamenti termici, test BSS) • Partecipazione a tutte le fasi della misura di BSS ai LNGS • Realizzazione della campagna di test sul criostato AL a Como • Inserimento con successo all’interno del Working Group ANALISI DATI di Cuore » realizzazione del database delle misure per Cuoricino