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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). - PowerPoint PPT Presentation
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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)
Journées de prospectives DSM/DAPNIA-IN2P3
La colle sur Loup octobre 2004
n
n
p
p
e-
e-
e
e
hh
hh
(A,Z) (A,Z+1) (A,Z+2)
Processus Double Beta sans neutrino ()
L=2= Neutrino de Majorana
L
R neutrino massif
Autres modes possibles: courant droit, Majoron, SUSY
T1/2= F(Q,Z) |M|2 <m>2-1
Espace de phase Eléments de matrice
Masse effective:
<m>= m1|Ue1|2 + m2|Ue2|2.ei1 + m3|Ue3|2.ei2
|Uei|: matrice de mélange
1 et2: phase de Majorana
5
QEe1 +Ee2
Oscillations mesurent m2, mais n’accèdent pas à la masse absolue, ni à l’échelle de masse (dégénérée, hiérarchie, hiérarchie inverse). permettrait de déterminer l'échelle de masse et la masse absolue
Feruglio F. , Strumia A. , Vissani F. hep-ph/0201291
Situation actuelle
10 ans
5ans
dégén
érée
Hiérarchie normale
Hiérarchie inverse
Klapdor point (0.39 eV)
Situation actuelle sur le calcul des éléments de matrice
Suhonen Neutrino 2004
Pas de critère théorique fort. Choix du noyau dépend:- Possibilité enrichissement- Technique expérimentale - Valeur de Q (espace de phase, bruit de fond)
Abondanceisotopique
Q
(MeV)
T½ = F.|M|2x0.1-1
T0
2/1 > . . A
m . tNBDF . R
N : nombre d’AvogadrokC.L. =1,6445 à 90% C.L. A : masse atomique t : temps de mesure (ans)
ln2 . NkC.L.
(ans)
masse d’isotope (g)
bruit de fond (an-1. g-1. keV-1) FWHM (keV)
efficacité de détection
Signal: quelques événements par an Bruits de fond: Radioactivité naturelle 214Bi et 208Tl ( 2.6 MeV) Radon, neutrons (n,), muons,
Techniques expérimentales
Bruit de fond, choix de l’isotope
Tracking et calorimétrieSource ≠ détecteur
TPC (Xe)
Bruit de fond, Masse
CalorimètresSource=détecteur
Résolution, efficacité
Expériences en cours ~10 kg sensibilité sur <m> ~ 0.2-0.4 eV
Futur proche, 100 kg est réaliste en fonction du temps nécessaire pour la production des isotopes et des développements à réaliser pour réduire le bruit de fond
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)
AvantagesRésolution en énergie 4-8 keV (semi-conducteur et bolomètres)
Compacité des détecteursEfficacité ~80 %
Inconvénients Pas d'identification directe des électrons
Radiopureté des matériaux environnants (Q<2.6 keV)Difficultés de connaitre l’origine du fond (Ge)
Cosmogénie dans les cristaux
Les détecteurs Germanium
Meilleurs limites actuellesHeidelberg-Moscou (5 détecteurs, 10.9 kg de 76Ge)IGEX (3 détecteurs, 6.3 kg de 76Ge)
Klapdor et al. Phys. Lett. B 586(2004), 198-212
T 12
0.69 4.18 1025ans 90 CL
m 0.28 0.58eV
Réanalyse des données de HM par Heidelberg en 2002-2004
M(kg.an) T1/2 (ans) bdf (keV-1.kg-1.an-1) <m> (eV)
HM 54.98 >1.9 1025 0.06 < 0.35-1.05
IGEX 8.87 >1.57 1025 0.09 < 0.33-1.31
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 radiopuresAméliorer analyse des impulsions (discrimination )
Contacts électriques ultra-pureBlindage actif
Production des cristaux et du cuivre sous terreLaboratoire plus profond
Le futur pour les détecteurs Ge
MAJORANA (USA,Russie)
Objectif: 500 kg de 76Ge210 détecteurs enrichis segmentés
Segmentation détecteursAmélioration 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 <m> 0.02 –0.03 eV
Objectif: 100 kg de 76GeSuppression matière
Ge plongés dans l’azote liquide ou l’argon liquide (scintillation pour rejeter le fond)
Amélioration PSD
Faisabilité N2 liquide montrée2005: 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 <m> 0.09 –0.29 eV
GERDA (Europe,Russie)
A terme, les 2 projets pourraient fusionner
Bolomètres: CUORICINO
Fonctionne depuis 2003
Bdf: 0.17 evt.keV-1.kg-1.an-1
208Tl dans matériaux, contaminations de surface et du cristal en émetteur et
Italie, Espagne, Pays-Bas, USA
Bolomètres de TeO2 (Q= 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 cm318 modules de 2*3*6 cm3
10.4 kg de 130Te
Efficacité: 86 %
214Bi
(238U chain)
208Tl(232Th chain)
60Copile up
5.3 kg.anT1/2 > 1. 1024 ans (90%)<m> <0.5 – 2.4 eV
Energy (keV)
Dans 3 ans: T1/2 > 4. 1024 ans <m> <0.2 – 1.2 eV
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 et de surface
Détection scintillation48CaF2, 76Ge, 100MoPbO4, 116CdWO4, 150NdF3
Sensibilités pour 5 ans Nbdf=0.01 cps.keV-1.kg-1.an-1 Nbdf=0.001 cps.keV-1.kg-1.an-1
T½ > 2.1 1026 ans T½ > 6.6 1026 ans
<m> < 0.03 – 0.17 eV <m> < 0.015 – 0.1 eV
TeO2
Ge-2Ge-1
αα
Expérience approuvée, démarrage 2009 ? Résultat 2015 ?
Bolomètres de Ge pour détection matière noireInstallés au LSM
Détection de la chaleur et de l’ionisation Réjection des événements en surfaceRéjection mutiple Compton par analyse des impulsions
Bolomètres EDELWEISS
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 refroidieGaAs ultra bas bruit
2006-2007: Si estimations confirmées sur localisation et anticompton proposition d’expérience
Méthode avec tracking
Tracko-calo (NEMO,MOON): 100Mo, 82Se
TPC gazeuze (EXO, DCBA): 136Xe, 150Nd
Inconvénients Résolution en energie (calorimètre + pertes d’énergie dans source)
EfficacitéTaille des détecteurs (sources très minces)
AvantagesIdentification des électrons
Energie individuelle des électronsCorrélations angulaires Très bonne rejection du fond
Multisource (tracko-calo)
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+,
Efficacité 20 %
Installé au LSM, en fonctionnement depuis janvier 2003
Vertex
BDF
Sources épaisseurmg/cm2)
82Se (0,93 kg)
Détecteur multi-source
Evénement
E1+E2= 2088 keV t= 0.22 ns(vertex) = 2.1 mm
E1
E2
e-
e-
100Mo6914 g
265 days
DataMonte-CarloRadonMonte-Carlo
E1+E2 (MeV)
arbitrary unit
Fond dominant: radon20 –30 mBq/m3 dans le détecteur(lié au radon du labo ~10 Bq/m3)Diminution d’un facteur 10 nécessaireInstallation système anti-radon:(diminution facteur 75) Opérationnel en octobre 2004
Pas de contribution du fond externe
Après suppression du fond radon: 208Tl, 214Bi, 100Mo: 0.001cps.keV-1.kg-1.an-1
82Se: 0.0003 cps.keV-1.kg-1.an-1
20086914 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
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
NEMO 3
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 () elévée, coût raisonnable, le rêve 150Nd
Programme de R&D sur 2 ans
Calorimètre 7 % avec scintillateur+PMT
Collaboration France, Dubna, Kharkov et PhotonisEtude calorimetre Si
TrackingDiamètre des filsTaille des cellules
Simulations GéométrieBlindages
Discussion dans la collaboration pour 2007: 15 kg de 82Se dans NEMO 3 <m> ~0.1 –0.2 eV 15 kg dans 1er module du détecteur à 100 kg
2010 démarrage et 2015 ~ 0.03 – 0.05 eV
SourceR&D purification 82Se
208Tl ~5mBq/kg et 214Bi 20 mBq/kg (facteur 10 / NEMO3)
R&D production 82Se (ILIAS 2kg) source épaisseur 10-20 m
TPC Xenon: EXO (USA,Suisse)
TPC Xenon : possibilité grande masse T½ très grande
Identifier l’ion Ba de 136Xe 136Ba++ +2e- par fluoresence laser
Difficultés: neutralisation Ba++ Ba+ collection de l’ion
1ère phase: 200 kg de 136XeXe liquide, détection de la scintillationDémarrage 2006
Fond attendu 0.003 cps.keV-1.kg-1.an-1
T½ > 2.1026 ans <m> < 0.39 – 1.2 eV
Avec identification Ba et 1 tonne de 136XeFond attendu < 0.0005 cps.keV-1.kg-1.an-1
Résolution 2% (FWHM à 2.5 MeV) (ionisation+scintillation) Date ? T½ > 8. 1026 ans <m> < 0.05-0.14 eV
PROJETS à 10 ansExpérience isotope Masse
kgType dedétecteur Lab.
Bdf(cps FWHM
Kg.y)
SensibilitéT1/2(y)
Limite<m> eV
Commen-taire
NEMO3 phase2
82Se 10Tracko-
CaloModane
0.02 1 x 1025 0.2-0.5 2008 ?
150Nd 10 Tracko-Calo
? 0.2 6 x 1024 0.07-0.35 2008 ?
MPI phase I
76Ge 15 GeDetector
GranSasso
0.01 3 x 1025 0.3-0.9 2006
MOON 100Mo 10 Tracko-calo
? 0.2-0.30.03
R&D in progress
CANDLES 48Ca 0.180 CaF2
(200kg)Otho
(Japon)0.3 0.5 En cours
COBRA 130Te116Cd
10 CdZnTe BoulbyU.K
0.2, 0.03 1 x 1024 0.7 R&D in progress
DCBA 150ND 20 TPC ? 0.05 R&D in progress
CUORE 130Te 200 Bolometer GranSasso
0.005 3 x 1026 0.015-0.090
Start2009 ?
Super NEMO
82Se ou150Nd
100 Tracko-Calo
? 0.02 0.03 Start2010 ?
MPI phase II
76Ge 100 GeDetector
GranSasso
0.001 2 x 1026 0.09-0.29
2009 ?
Majorana 76Ge 500 GeDetector
? 0.01 4 1027 0.034-0.039
Start2014 ?
EXO 136Xe 2001000
TPC WIPP(US)
0.0150-0.0018
21026
8.3 x 1026
0.39-1.20.05-0.14
Start 2005?
Projets à long terme
Expérience isotope Massekg
Type dedétecteur Lab.
Background(counts FWHMKg.an)
Sensibi-lité
T1/2(y)
Sensibilité <m>
EXO 136Xe 10000 TPC WIPP(US)
0-0.00055 1.3 x 1028 0.013-0.037
XMASS 136Xe 10000 TPC Kamioka(Japan)
3 x 1026 0.08
MOON 100Mo 1000 Tracko-calo
? 1 x 1027 0.03
MPI 76Ge 1000 Ge ? 0.0001 1028 0.010
GENIUS 76Ge 1000 Ge ? 0.0001 1028 0.010
CANDLES 48Ca 2.9CaF2
(3200 kg)Otho
(Japon) 0.3 0.15
ILIAS(Integrated Large Infrastructure for Astroparticle Science)
Fort soutien de l’Europe pour la R&D Double Beta avec le programme IDEA (Integrated Double 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 ) 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 française dans les groupes de travailObjectif: donner recommendations pour les expériences à soutenir dans 5 ans
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 <m>~ 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 <m>~ 0.03-0.07 eV exclusion de l’échelle de masse dégénérée et début du test de la hiérarchie inverse
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 matriceNécessité d’une percée théorique
En France: une expérience en cours NEMO 3 (2007) projet EDELWEISS (bolomètre) NEMO3 phase 2 (2007) ? Super-NEMO (tracko-calo) 2010Super-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
Conclusion (2)
En France, signal pour la pour
Renforts nécessaires pour running et analyse de NEMO3 et pour la R&D tracko-calo
Age des physiciens (ans)
123
Rayé des cadres30 50