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Journées de prospectives DSM/DAPNIA-IN2P3. Recherche de la désintégration Double Beta. Processus double beta sans neutrino Eléments de matrice nucléaire et choix du noyau Les détecteurs calorimètriques Les détecteurs avec tracking Les TPC Conclusion. F. Piquemal (CENBG).

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

Journées de prospectives DSM/DAPNIA-IN2P3

Recherche de la désintégration Double Beta

Processus double beta sans neutrino

Eléments de matrice nucléaire et choix du noyau

Les détecteurs calorimètriques

Les détecteurs avec tracking

Les TPC

Conclusion

F. Piquemal (CENBG)

La colle sur Loup octobre 2004

slide2

e-

n

p

h

h

e

e-

h

e

n

h

p

(A,Z)

(A,Z+1)

(A,Z+2)

-1

T1/2= F(Qbb,Z)|M|2<mn>2

Processus Double Beta sans neutrino (bb0n)

DL=2

n=n Neutrino de Majorana

nLnR neutrino massif

Autres modes possibles: courant droit, Majoron,

SUSY

Eléments de matrice

Espace de phase

bb0n

5

bb2n

Masse effective:

<mn>= m1|Ue1|2 + m2|Ue2|2.eia1 + m3|Ue3|2.eia2

|Uei|: matrice de mélange

a1 et a2: phase de Majorana

Qbb

Ee1 +Ee2

slide3

Oscillations mesurent Dm2, mais n’accèdent pas à la masse absolue,

ni à l’échelle de masse (dégénérée, hiérarchie, hiérarchie inverse).

bb(0n) permettrait de déterminer l'échelle de masse et la masse absolue

Klapdor point (0.39 eV)

Situation actuelle

5ans

10 ans

Feruglio F. , Strumia A. , Vissani F. hep-ph/0201291

dégénérée

Hiérarchie inverse

Hiérarchie normale

slide4

Situation actuelle sur le calcul des éléments de matrice

-1

T½ = F.|M|2x0.1

Qbb

(MeV)

Suhonen Neutrino 2004

Abondance

isotopique

Pas de critère théorique fort. Choix du noyau dépend:

- Possibilité enrichissement

- Technique expérimentale

- Valeur de Qbb (espace de phase, bruit de fond)

slide5

Techniques expérimentales

Tracking et calorimétrie

Source ≠ détecteur

Calorimètres

Source=détecteur

TPC (Xe)

Bruit de fond,Masse

Résolution, efficacité

Bruit de fond, choix de l’isotope

efficacité de détection

masse d’isotope bb (g)

m . t

N : nombre d’Avogadro

kC.L. =1,6445 à 90% C.L.

A : masse atomique

t : temps de mesure (ans)

ln2 . N

kC.L.

e

A

(ans)

> . .

NBDF . R

bruit de fond (an-1.g-1.keV-1)

FWHM (keV)

Signal: quelques événements par an

Bruits de fond: Radioactivité naturelle 214Bi et 208Tl (g 2.6 MeV)

Radon, neutrons (n,g), muons, bb(2n)

Expériences en cours ~10 kg sensibilité sur <mn> ~ 0.2-0.4 eV

Futur proche, 100 kg est réalisteen fonction du temps nécessaire pour la production

des isotopes et des développements à réaliser pour réduire le bruit de fond

slide6

Méthodes calorimètriques

Ge (Heidelberg-Moscou,IGEX,Majorana,GERDA): 76Ge

Bolomètres (Cuorecino-Cuore, EDELWEISS): 130Te, 76Ge

Semi-conducteur ZnCdTe (COBRA): 130Te, 116Cd

Scintillateurs (CAMEO, CANDLE): 116Cd, 48Ca

Xe Liquid (EXO,XMASS)

Avantages

Résolution en énergie 4-8 keV (semi-conducteur et bolomètres)

Compacité des détecteurs

Efficacité ~80 %

Inconvénients

Pas d'identification directe des électrons

Radiopureté des matériaux environnants (Qbb<2.6 keV)

Difficultés de connaitre l’origine du fond (Ge)

Cosmogénie dans les cristaux

slide7

bb(0n) ?

Les détecteurs Germanium

Meilleurs limites actuelles

Heidelberg-Moscou (5 détecteurs, 10.9 kg de 76Ge)

IGEX (3 détecteurs, 6.3 kg de 76Ge)

M(kg.an)T1/2 (ans)bdf (keV-1.kg-1.an-1)<mn> (eV)

HM54.98>1.9 10250.06< 0.35-1.05

IGEX 8.87>1.57 10250.09< 0.33-1.31

Réanalyse des données de HM

par Heidelberg en 2002-2004

R&D pour les Ge

0.06  0.001 cps.keV-1.kg-1.an-1

Segmentation des détecteurs pour rejeter fond

Élimination matière

Matériaux radiopures

Améliorer analyse des impulsions (discrimination b-g)

Contacts électriques ultra-pure

Blindage actif

Production des cristaux et du cuivre sous terre

Laboratoire plus profond

Klapdor et al. Phys. Lett. B 586(2004), 198-212

slide8

Le futur pour les détecteurs Ge

MAJORANA (USA,Russie)

GERDA (Europe,Russie)

Objectif: 500 kg de 76Ge

210 détecteurs enrichis segmentés

Segmentation détecteurs

Amélioration du PSD

Sélection des matériaux

Faisabilité détecteurs segmentés montrée

En cours tests 16 détecteurs de Ge naturel + 2 enrichis

~10 ans pour avoir le détecteur complet

2015 ?: T1/2> 4. 1027 ans <mn> 0.02 –0.03 eV

Objectif: 100 kg de 76Ge

Suppression matière

Ge plongés dans l’azote liquide ou

l’argon liquide (scintillation pour rejeter le fond)

Amélioration PSD

Faisabilité N2 liquide montrée

2005: cristaux HM+IGEX pour test HM signal

Si bdf=0.01 cps.kev-1.kg-1.an-1

HM rejeté à 99.6% en 1 an

2010: 100 kg (détecteurs segmentés)

2015: T1/2> 2.1026 ans <mn> 0.09 –0.29 eV

A terme, les 2 projets pourraient fusionner

slide9

5.3 kg.an

208Tl

(232Th chain)

208Tl

(232Th chain)

T1/2 > 1. 1024 ans (90%)

<mn> <0.5 – 2.4 eV

60Co

pile up

60Co

pile up

214Bi

(238U chain)

214Bi

(238U chain)

bb(0n)

Energy (keV)

Bolomètres: CUORICINO

Italie, Espagne, Pays-Bas, USA

Bolomètres de TeO2 (Qbb= 2,528 MeV)

Enrichissement naturel 130Te 30%

Résolution (FWHM à 1 MeV) 5-7 keV

CUORICINO: 1 tour de CUORE

42 modules de 5*5*5 cm3

18 modules de 2*3*6 cm3

10.4 kg de 130Te

Efficacité: 86 %

5.3 kg.an

T1/2 > 1. 1024 ans (90%)

<mn> <0.5 – 2.4 eV

Fonctionne depuis 2003

Bdf: 0.17 evt.keV-1.kg-1.an-1

208Tl dans matériaux, contaminations de

surface et du cristal en émetteur a et b

bb(0n)

Energy (keV)

Dans 3 ans: T1/2 > 4. 1024 ans <mn> <0.2 – 1.2 eV

slide10

TeO2

α

α

Ge-1

Ge-2

Bolomètres: CUORE

750 kg TeO2 203 kg 130Te

19 tours x 13 modules x 4 détecteurs

R&D pour CUORE

0.17  0.01 cps.keV-1.kg-1.an-1

Nettoyage surface

Coincidence avec semiconducteur Ge

pour détection des a et b de surface

Détection scintillation

48CaF2, 76Ge, 100MoPbO4, 116CdWO4, 150NdF3

Sensibilités pour 5 ans

Nbdf=0.01 cps.keV-1.kg-1.an-1Nbdf=0.001 cps.keV-1.kg-1.an-1

T½ > 2.1 1026 ans T½ > 6.6 1026 ans

<mn> < 0.03 – 0.17 eV<mn> < 0.015 – 0.1 eV

Expérience approuvée, démarrage 2009 ? Résultat 2015 ?

slide11

Bolomètres EDELWEISS

Bolomètres de Ge pour détection matière noire

Installés au LSM

Détection de la chaleur et de l’ionisation

Réjection des événements en surface

Réjection mutiple Compton par analyse des impulsions

Démonstration rejet du fond venant des alpha de surface

2004- 2006 collaboration avec Duban Baksan pour la

production de cristaux enrichi en 73Ge et 76Ge

1ères livraisons octobre 2004

2004-2007: R&D sur localisation et électronique refroidie

GaAs ultra bas bruit

2006-2007: Si estimations confirmées sur localisation et

anticompton proposition d’expérience

slide12

Méthode avec tracking

Tracko-calo (NEMO,MOON): 100Mo, 82Se

TPC gazeuze (EXO, DCBA): 136Xe, 150Nd

Avantages

Identification des électrons

Energie individuelle des électrons

Corrélations angulaires

Très bonne rejection du fond

Multisource (tracko-calo)

Inconvénients

Résolution en energie (calorimètre + pertes d’énergie dans source)

Efficacité

Taille des détecteurs (sources très minces)

slide13

Sources épaisseurmg/cm2)

E1+E2= 2088 keV

t= 0.22 ns

(vertex) = 2.1 mm

BDF

82Se (0,93 kg)

NEMO 3: Neutrino Ettore Majorana Observatory

(France, Finlande, Japon, Maroc, République tchèque, R-U, Russie,Ukraine, USA.)

Détecteur de traces (6180 cellules Geiger)

t = 5 mm, z = 1 cm ( vertex )

Calorimètre (1940 scintillateurs plastiques – PM bas bruits)

FWHM=14% (1 MeV)

Blindages gamma, neutrons, B

Matériaux de grandes radiopuretés

Identification e-,e+,g,a

Efficacité 20 %

Installé au LSM, en fonctionnement depuis janvier 2003

Détecteur multi-source

E1

e-

Vertex



e-

E2

Evénement bb

slide14

6914 g

265 days

100Mo

Data



Monte-Carlo

Radon

Monte-Carlo

arbitrary

unit

E1+E2 (MeV)

NEMO 3

Après 265 jours de données:

100Mo: T1/2() > 3.5 1023 y

m < 0.7 – 1.2 eV

82Se: T1/2() > 1.9 1023 y

m < 1.3 – 3.6 eV

Après suppression du fond radon: 208Tl, 214Bi, bb(2n)

100Mo: 0.001cps.keV-1.kg-1.an-1

82Se: 0.0003 cps.keV-1.kg-1.an-1

2008

6914 g of 100Mo T1/2() 4 .1024 y (90% C.L.)

m < 0.2 – 0.35 eV

932 g of 82Se T1/2() 8 .1023 y (90% C.L.)

m < 0.65 – 1.8 eV

Fond dominant: radon

20 –30 mBq/m3 dans le détecteur

(lié au radon du labo ~10 Bq/m3)

Diminution d’un facteur 10 nécessaire

Installation système anti-radon:

(diminution facteur 75)

Opérationnel en octobre 2004

Pas de contribution du fond externe

slide15

De NEMO 3 à Super NEMO

Principal enseignement de NEMO 3: maitrise des fonds (radon mais pas de “surprise”)

Juin 2004 expression d’intérêt pour une expérience tracko-calo

Objectif: 30 meV et 0 bruit de fond pour avoir des “événements en or”

100 kg de source: La plupart des isotopes sont utilisables

82Se : T½ (bb2n) elévée, coût raisonnable, le rêve 150Nd

Programme de R&D sur 2 ans

Tracking

Diamètre des fils

Taille des cellules

Source

R&D purification 82Se

208Tl ~5mBq/kg et 214Bi 20 mBq/kg

(facteur 10 / NEMO3)

R&D production 82Se (ILIAS 2kg)

source épaisseur 10-20 mm

Calorimètre

7 % avec scintillateur+PMT

Collaboration France, Dubna,

Kharkov et Photonis

Etude calorimetre Si

Simulations

Géométrie

Blindages

Discussion dans la collaboration pour 2007: 15 kg de 82Se dans NEMO 3 <mn> ~0.1 –0.2 eV

15 kg dans 1er module du détecteur à 100 kg

2010 démarrage et 2015 ~ 0.03 – 0.05 eV

slide16

TPC Xenon: EXO (USA,Suisse)

TPC Xenon : possibilité grande masse

T½bb(2n) très grande

Identifier l’ion Ba de 136Xe  136Ba++ +2e- par fluoresence laser

1ère phase: 200 kg de 136Xe

Xe liquide, détection de la scintillation

Démarrage 2006

Fond attendu 0.003 cps.keV-1.kg-1.an-1

T½ > 2.1026 ans <mn> < 0.39 – 1.2 eV

Difficultés: neutralisation Ba++  Ba+

collection de l’ion

Avec identification Ba et 1 tonne de 136Xe

Fond attendu < 0.0005 cps.keV-1.kg-1.an-1

Résolution 2% (FWHM à 2.5 MeV) (ionisation+scintillation)

Date ? T½ > 8. 1026 ans <mn> < 0.05-0.14 eV

slide19

ILIAS

(Integrated Large Infrastructure for Astroparticle Science)

  • Fort soutien de l’Europe pour la R&D Double Beta avec le programme IDEA
  • (Integrated Double b Decay) avec JRA2 (Joint Research Activity) et N4 (Network) sur 5 ans
  • JRA2 (R&D technique) Groupes de travail:
  • - Isotope Enrichment
  • 82Se Project
  • 150Nd Project
  • - Study on Cosmogenic Induced Activity
  • Underground Crystal Growth
  • Rejection of Surface Radioactivity
  • Operation of Ge-diodes in Liquid N2
  • N4 (coordination communauté bb) Groupes de travail:
  • - Coordination of DBD searches
  • - Bank of pure isotopes
  • Collection and investigation of experimental inputs, needed for the calculation
  • of nuclear matrix elements
  • Forte implication de la communauté bb française dans les groupes de travail
  • Objectif: donner recommendations pour les expériences bb à soutenir dans 5 ans
slide20

Conclusion (1)

La double bêta est un test de la physique au-delà du Modèle Standard.

Elle permet d’accéder à la nature du neutrino (Majorana ou Dirac), à la masse absolue et à l’échelle de masse.

Expériences actuelles <mn>~ 0.2-0.4 eV

Dans les 10 ans, expériences à 100 kg

hypothèse réaliste et étape nécessaire (temps

de production, amélioration des fonds).

Sensibilité <mn>~ 0.03-0.07 eV exclusion de

l’échelle de masse dégénérée et début du

test de la hiérarchie inverse

slide21

3

2

1

Age des physiciens (ans)

30

50

Rayé des cadres

Conclusion (2)

Nombreux projets en Europe,au Japon et aux USA (DOE: Double beta classée en priorité 2-3)

Plusieurs expériences nécessaires à cause des éléments de matrice

Nécessité d’une percée théorique

En France: une expérience en cours NEMO 3 (2007)

projet EDELWEISS (bolomètre)

NEMO3 phase 2 (2007) ?

Super-NEMO (tracko-calo) 2010

Super-NEMO 2 ans de R&D pour montrer la faisabilité pour 100 kg pour 2010.

Tracko-calo indispensable pour confirmer un éventuel signal

Dans les 10 ans, 4 expériences à 100 kg: une Ge, une bolomètre, une tracko-calo, une TPC Xe

En France, signal pour la bb pour NEMO

Renforts nécessaires pour running et analyse de NEMO3 et pour la R&D tracko-calo