Discriminazione di particelle α e β/γ nei bolometri di TeO2

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1 Discriminazione di particelle α e β/γ nei bolometri di TeO Nicola Casali PhD student Università degli studi dell Aquila Laboratori Nazionali del Gran Sasso XCIX Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisisca Trieste Settembre

2 I Bolometri di TeO Bolometro: calorimetro che lavora a temperature criogeniche ( mk), composto da un assorbitore e da un sensore. bagno termico heat sink weak conduttanza thermal coupling termica absorber assorbitore sensor sensore Assorbitore cristallo di TeO Sensore termistore NTD-Ge con R~ 5 MΩ. energy rilascio di release energia Elevata risoluzione energetica: 5-7 kev -3 MeV Possibiltà di realizzare rivelatori di grande massa: - kg Ampiezza [mv] Ampiezza (mv) ΔT ~ μk Graph E ~ MeV Tempo (s) Tempo [s]

3 Il decadimento doppio beta Di particolare interesse è la ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini (νββ) neutrino di Majorana: 3 n W p e n W p x e..5. x K e /Q. n W p e n W p e.5 T / anni ΔL = Mai Osservato K e /Q.8. S = ln() n N a r M t A B E 3 Evento molto raro M ~ kg; T ~ 5 anni Fondo irriducibile del νββ < kev FWHM radiattivita naturale Esperimenti sotterranei + elevatissima radiopurezza

4 Cuoricino, Cuore- e Cuore νββ del 3 Te 3 Te! 3 Xe +e Q = ±.3 kev CUORICINO T / >.8 4 anni 9% C.L. 6 bolometri di TeO torre di 3 piani Laboratori Nazionali del Gran Sasso (3 8) CUORE- 5 bolometri 5x5x5 cm di TeO torre di 3 piani Laboratori Nazionali del Gran Sasso (in presa dati) CUORE 988 bolometri 5x5x5 cm di TeO 9 torri di 3 piani Laboratori Nazionali del Gran Sasso (5) Il piu grande esperimento bolometrico mai realizzato Il dimostratore di CUORE 4

5 Fondo α continuo Conteggi/keV/kg/anno counts/kev/kg/y - regione νββ 8 Tl 9 Pt Cuoricino Cuore- Preliminare Energy Energia [kev] Conteggi/keV/kg/anno fondo piatto νββ fondo piatto MeV Efficienza CUORICINO.53±.6.±. 83± CUORE-.74±..9±. 78± 5

6 Come eliminare il fondo α? Se consideriamo l effetto Čerenkov: n > > n.46 Soglia Čerenkov E e > 54 kev E > 4 MeV Energia Čerenkov Si Čerenkov ~9 ev No Čerenkov Rivelando la luce Čerenkov è possibile operare una discriminazione tra segnale e fondo (T. Tabarelli de Fatis, Eur. Phys. J. C (): il lettore di luce deve lavorare a temperature criogeniche e non interferire con il bolometro di TeO 6

7 TeO + Germanio È stato quindi accoppiato ad un bolometro di TeO un lettore di luce costituito da un bolometro di germanio: TeO 5x5x5 cm 3 75 g foglio riflettente VM Lettore di luce di Ge, diametro 5 mm, spessore 3 μm (sviluppati nell ambito dell esperimento Laboratori Nazionali del Gran Sasso 7

8 TeO + Ge : risultati Light energy [kev] Luce Čerenkov [ev] γ prodotti dalla catena del 3Th.3 β/γ.. α -. α del Po MeV (νββ) Heat energy[kev] [kev] Energia

9 TeO + Ge : risultati Light energy [kev] Luce Čerenkov [ev] γ prodotti dalla catena del 3Th.3. / ndf 4.68 / 6 p -.3 ±.54 p 4.37e-5 ±.93e-6 43± ev/mev. -. α del Po -. MeV (νββ) Heat energy[kev] [kev] Energia

10 TeO + Ge : risultati counts /. Conteggi counts /. Conteggi Entries 45 Mean Tl γ 65 kev Entries 556 Mean.5 RMS.856 / ndf 3.84 / 9 p A 3.4 ± 7. p μ. ±.36 p σ.8394 ± Energy [kev] Energia [kev] Po α 54 kev RMS.889 / ndf 6.48 / 6 p A 9.37 ±.5 p μ -.87 ±.96 p σ.8394 ±. y] 6 Sensitivity to DBD [ Sensibilità al S RMS = ev 84 ev =. background.4 counts / kev kg y. counts / kev kg y. counts / kev kg y Separation [ ] Segnale/Rumore Separazione tra le due popolazioni ancora bassa per operare una buona discriminazione: Energy [kev] Energia [kev] Perché solo ev rispetto ai 9 ev attesi?

11 Čerenkov: simulazione Luce Čerenkov (ev) Cherenkov light (ev) Luce prodotta dal Čerenkov nel TeO: E Cer = applez z n ( ) hcd dx / ndf 3.73 / 5 Prob.5899 p -3.e-8 ±.43e-9 p.678 ± 4.448e-6 p. ±.48 p ±.8393 Geant4 Luce Cerenkov Čerenkov Light [ev] Data Dati Simulazione Simulation Photon Energy (kev) Energia fotoni (kev) Propagazione del fotoni Čerenkov nel TeO: Litrani Dati/MC Data/MC Heat Energy [kev] Energia [kev] La maggior parte dei fotoni vengono assorbiti dal TeO e non dal lettore di luce

12 Conclusioni È possibile discriminare particelle α da β/γ nei bolometri di TeO grazie alla radiazione Čerenkov. La separazione tra le due popolazioni risulta ancora bassa per operare una riduzione del fondo soddisfacente. La simulazione MC dimostra che non è possibile aumentare ulteriormente il segnale; l unica possibilità è migliorare la risoluzione di base aumentando il rapporto Segnale Rumore necessaria una risoluzione < di ev rispetto agli attuali 84 ev.

13 Conclusioni È possibile discriminare particelle α da β/γ nei bolometri di TeO grazie alla radiazione Čerenkov. La separazione tra le due popolazioni risulta ancora bassa per operare una riduzione del fondo soddisfacente. La simulazione MC dimostra che non è possibile aumentare ulteriormente il segnale; l unica possibilità è migliorare la risoluzione di base aumentando il rapporto Segnale Rumore necessaria una risoluzione < di ev rispetto agli attuali 84 ev. CALDER (ERC Starting Grant) proposto da Marco Vignati: Development of light detectors with MKID sensors, for Čerenkov light detection from TeO, and for Dark Matter in ZnSe. Approvato quest anno 3

14 BACKUP 4

15 I Bolometri Graph bagno termico heat sink weak conduttanza thermal coupling termica Ampiezza (mv) 3 5 absorber assorbitore sensor sensore 5 energy rilascio di release energia Tempo (s) T = E C C(T ) T D 3 R L / E MeV! T. mk V BIAS + I bol R bol (T) V bol (T) R L / 5

16 Čerenkov : simulazione dn/d d N dxd = z n ( ) E e =.5 MeV dx =.5 mm (µm) E Cer = applez z n ( ) hcd dx Cherenkov light (ev) Luce Čerenkov (ev) / ndf 3.73 / 5 Prob.5899 p -3.e-8 ±.43e-9 p.678 ± 4.448e-6 p. ±.48 p ± Photon Energy (kev) 6 Energia fotoni (kev)

17 Cuore + Čerenkov Aplicando un taglio T sulla luce raccolta: s S(T )=S CUORE B + B B + B [ev] m - CUORE sensitivity Cuoricino exclusion 9% C.L. 76 Ge claim y] 6 Sensitivity to DBD [ Sensibilità al background 3.4 counts / kev kg y. counts / kev kg y. counts / kev kg y Separation [ ] Segnale/Rumore m 3 < - m 3 > Per esplorare completamente la gerarchia inversa è necessario arricchire i cristalli di TeO m lightest [ev] 7 95% 3 Te! T / 5 6 anni h i T/ = G M hm i