Studio del decadimento β raro del 113 Cd

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1 Collaborazione DAMA (Roma, Roma, LNGS, IHEP/Beijing Beijing) & INR-Kiev Studio del decadimento β raro del 113 Cd XCIV Congresso SIF Genova, 3 Settembre 008 F. Cappella Univ.. La Sapienza e INFN-Roma

2 Roma,Roma1,LNGS,IHEP/Beijing + by-products and small scale expts.: INR-Kiev + neutron meas.: ENEA-Frascati + in some studies on ββ decays (DST-MAE project): IIT Kharagpur, India DAMA/NaI DAMA/LIBRA DAMA/LXe DAMA/R&D low bckg DAMA/Ge for sampling meas. meas. with 100 Mo

3 Introduzione Solo 3 nuclei consentono di studiare efficacemente il decadimento β 4-proibito ( J π =4 + ): 50 V, 113 Cd, 115 In 113 Cd: δ = 1.±0.1% [J.K. Bohlke et al., JPCRD 34 (005) 57] Q β = 30±3 kev [G. Audi et al., NPA 79 (003) 337] T 1/ = anni [ToI 1998] Table of Isotopes esperimenti ricercano il decadimento β del 113 Cd: non osservato (limiti su T 1/ ) 1970 prima evidenza esperimenti (forma dello spettro e T 1/ con incertezze del 4 1%) Scopo del nuovo esperimento: misurare con migliore accuratezza il tempo di dimezzamento e la distribuzione energetica del processo

4 Apparato sperimentale DAMA/R&D LNGS Cu box continuamente flussata con HP N 10 cm di Cu di elevata radiopurezza 15 cm di piombo di bassa radioattività 1.5 mm di cadmio 4-10 cm di polietilene/paraffina Tutto lo schermo racchiuso in una scatola di plexiglas continuamente flussata con HP N Cristallo scintillatore СdWO 4 (434 g) a basso fondo intrinseco da 10 anni in sito sotterraneo Installato in una cavità (riempita con silicon oil di alta radiopurezza) all interno di una guida di luce mm accoppiata a PMTs di basso fondo intrinseco Acquisiti per ogni evento ampiezza, tempo e forma dell impulso (finestra TD: 000 canali; tempo di sampling: 50 ns)

5 Esempi di calibrazioni energetiche del cristallo CdWO 4 con sorgenti γ FWHM [ kev] = 6.8(4) E [ kev] γ Spettrometria di massa 1) Determinazione precisa dell abbondanza isotopica del 113 Cd: δ=1.±0.04% (σ) N=(8.858±0.014) 10 nuclei di 113 Cd ) Misura di possibili contaminanti residui nel cristallo (V, Ni,, Th, U) al livello del ppb

6 Analisi della forma degli impulsi Reiezione del rumore dovuto ai PMTs Rumore può contribuire alla regione di bassa energia blanck run dedicato per studiare impulsi di rumore (singoli impulsi veloci); approcci utilizzati: - Optimal filter technique [E. Gatti e F. DeMartini, Nucl. Electronics (IAEA,Vienna, 196) 65] - Mean time method [R. Bernabei et al., Phys. Lett. B389, 757 (1996)] Efficienza di taglio 0.8@30 kev; ~1 sopra 50 kev Discriminazione dei segnali dovuti a eventi β(γ) da quelli dovuti a particelle α Optimal filter technique La risoluzione energetica per le α è peggiore perché il rapporto di luce α/β dipende dalla direzione dell α rispetto agli assi del cristallo

7 Contaminanti radioattivi La conoscenza dei contaminanti radioattivi è fondamentale per ricostruire il fondo nella regione energetica caratteristica del decadimento β del 113 Cd Analisi time-amplitude (t-a) Ricerca di catene di eventi correlate in tempo ed in energia 3 Th 0 Rn (Q α =6.405 MeV) 16 Po (Q α =6.907 MeV, T 1/ =0.145 s) 1 Pb 8 Th (mbq/kg) Fit α 35 U 19 Rn (Q α =6.946 MeV) 15 Po (Q α =7.56 MeV, T 1/ =1.78 ms) 11 Pb 7 Ac 38 U 14 Bi (Q β =3.7 MeV) 14 Po (Q α =7.833 MeV, T 1/ =164 µs) 10 Pb 6 Ra Simulazione del fondo Geant4 utilizzato per simulare il fondo dovuto a contaminazione residua nel cristallo o nei PMTs

8 Distribuzione energetica (T=758 ore) Distribuzione ottenuta dopo la reiezione del rumore dei PMTs e la sottrazione del fondo Il fondo costituisce solo ~1.8% della distribuzione energetica dovuta al decadimento β del 113 Cd (rapporto effetto/fondo = 56/1, miglior valore raggiunto dagli esperimenti che hanno studiato tale processo)

9 Risultati Tempo di dimezzamento del 113 Cd T 1/ = ln N T ε S S: numero di decadimenti del 113 Cd; (contributo sotto soglia determinato da ricostruzione della forma dello spettro) T 1/ =[8.037±0.005(stat.)±0.045(sist.)] anni (8.04±0.05) anni (incertezza 0.6%) χ =1.18 Distribuzione energetica del processo ρ C ( E) = ωpf(e,z)(qβ E) C( ω) ( ω) = p + 7a p q + 7a p q ω = E/m c e 1 + 1; p = ω 1; + a 3 q q = (Q β 6 Fattore di correzione E) / m c Fit della distribuzione sperimentale [8 360 kev] con la funzione convoluzione dello distribuzione ideale ρ(e) e la funzione di risposta del rivelatore (gaussiana) e FIT [8,360] kev Q β = 344.9±0.(stat.)±1(sist.) kev

10 Confronto con i risultati precedenti e la teoria 1. Il tempo di dimezzamento misurato è in accordo con i precedenti risultati (8.04±0.05) anni. Distribuzione energetica Il fattore di correzione utilizzato, C(ω), è una semplificazione di quello utilizzato per decadimenti β con J π =4 ; 3-fold forbidden unique (e non J π =4 + come nel caso del 113 Cd): C ( ω) = q + 7λ ( ω) q p + 7λ ( ω) q p + λ ( ω) p Dove le λ(ω) non sono costanti, ma funzioni di Coulomb, calcolate in H. Behrens, J. Janecke, Numerical Tables for Beta Decay and Electron Capture, Springer, 1969 La curva calcolata in questo modo (BJ 1969) riproduce esattamente la distribuzione energetica sperimentale misurata. (non corretta determinazione della parità del 113 Cd o del 113 In?) Area = 1

11 Conclusioni Un cristallo scintillatore CdWO 4 (434 g) di basso fondo intrinseco è stato utilizzato per studiare il decadimento β 4-proibito ( J π =4 + ) del 113 Cd. Il valore ottenuto per il tempo di dimezzamento: T 1/ = (8.04±0.05) anni ha un incertezza dello 0.6%, inferiore a quella ottenuta dagli esperimenti precedenti (4-1%). Si è studiata la distribuzione energetica del processo che è ben riprodotta da quella attesa per una transizione β 3-proibita ( J π =4 - ) anziché 4-proibita ( J π =4 + ). Sono auspicabili ulteriori futuri studi della distribuzione energetica del decadimento e del suo end-point (Q β ). Pubblicazione: [ P. Belli et al., Physical Review C 76 (007) ]