Recherche de la désintégration Double Beta

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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)

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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 ?

11. 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

12. 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)

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. PROJETS à 10 ans

18. Projets à long terme

19. 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

20. 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

21. 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