CUORICINO, tecniche bolometriche per lo studio del Doppio Decadimento β

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Eleonora Grimaldi
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1 XCII Congresso Nazionale CUORICINO, tecniche bolometriche per lo studio del Doppio Decadimento β Andrea Giachero Laboratori Nazionali del Gran Sasso e Università di Genova, in rappresentaza della collaborazione CUORICINO

CUORICINO CUORICINO è l esperimento pilota

Observatory for Rare Events) di prossima

sull isotopo 130 Te, installati presso i

2 CUORICINO CUORICINO è l esperimento pilota dell esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) di prossima generazione. Obiettivi { 1) Studio degli eventi rari (DBD0ν, Double Beta Decay Neutrinoless) 2) Studio di fattibilità ed R&D per CUORE utilizzando rivelatori bolometrici, basati sull isotopo 130 Te, installati presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso CUORICINO CUORE CUORE (Hall A) LNGS 3500 m.w.e CUORICINO (Hall A) 19 Torri CUORICINO-Like CUORE R&D (Hall C) 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 1

3 Il Doppio Decadimento β n (udd) n (udd) W ν er ν el W p (uud) ν M p (uud) e e Evento raro, osservabile in alcuni nuclei pari-pari (dove il decadimento β è inibito energeticamente) ββ 0ν : (A,Z) (A,Z + 2) + 2e Se osservato si ha: violazione della conservazione di L (ΔL = 2) neutrino massivo (m ν 0) neutrino di Majorana (ν = ν) Vita media per il ββ0ν è inversamente proporzionale alla massa efficace <m ee > 0ν 1 0ν 0ν ) G M mee (T = Fattore spazio delle fasi 2 Elemento di matrice nucleare Massa efficace del neutrino 0ν G : 0ν M : < m ee > : 0ν 5 G Q ββ calcolabile con precisione dipende dal modello nucleare incognita Può dare informazione sulla gerarchia degli auto stati di massa Massa efficace: somma pesata delle masse degli autostati ν 1, ν 2, ν 3 m ee fase CP intrinseca = 3 k= 1 e iαk m k U ek 2 Matrice PMNS (mixing) Rivelando i due elettroni emessi è possibile stimare il tempo di dimezzamento. Da qui, noto il fattore spazio delle fasi e scelta una matrice nucleare, si fornire un limite alla massa efficace del neutrino 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 2

I bolometri di CUORICINO Un bolometro è un cristallo che a basse temperature presenta

rivelazione massima rame Bagno termico a T 0 =8mK Accoppiamento termico in teflon

θ D 3 C nj 2 K 10 MeV mk T0 R(T) = R0exp T dr KΩ = 100 dt μk { E 1 Per E=1MeV ΔT = 0.

4 I bolometri di CUORICINO Un bolometro è un cristallo che a basse temperature presenta una piccola capacità termica, così che un piccolo deposito di energia può creare una differenza di temperatura apprezzabile. cristalli diamagnetici e dielettrici 3 basse T C T sorgente = rivelarore efficienza di rivelazione massima rame Bagno termico a T 0 =8mK Accoppiamento termico in teflon G=4pW/mK e - e - evento Termistori NTD al Germanio Assorbitore, cristallo di Te0 2 C T θ D 3 C nj 2 K 10 MeV mk T0 R(T) = R0exp T dr KΩ = 100 dt μk { E 1 Per E=1MeV ΔT = 0.1mK 3 C T ΔV mv = 1 ΔE MeV C Costante di tempo τ = 0.5s E Risoluzione ΔE = (5 2.5MeV 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 3

5 Tellurio 130 Perché il 130 Te? Elevata abbondanza isotopica (I.A= 33.87%) Alta energia di transizione: Q ββ =( ± 1.99)KeV equivalente, nello spettro, ad una zona di basso fondo. Incoraggianti predizioni teoriche dalla matrici nucleari ββ0ν 25 per < m > 0.1eV T 10 years ee 1/2 Conteggi End-Point della spalla Compton Riga γ del 208 Tl Perché cristalli di Te0 2? Piccola capacità termica 2382 KeV KeV 2615 KeV Energia Buone proprietà meccaniche Possibilità di realizzare cristalli medio/grandi Buona Radio-purezza intrinseca 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 4

CUORICINO Setup CUORICINO consiste in 44+18=62 cristalli per una massa

7Kg di TeO 2 11 Moduli da 4 cristalli ciascuno - Dimensioni del cristallo:

76Kg di TeO 2 2 Moduli da 9 cristalli ciascuno - Dimensioni del cristallo:

94Kg di TeO 2 2 arricchiti con 128 Te (82.3% i.a.) 2 arricchiti con 130 Te (75.

6 CUORICINO Setup CUORICINO consiste in 44+18=62 cristalli per una massa totale di 40.7Kg di TeO 2 11 Moduli da 4 cristalli ciascuno - Dimensioni del cristallo: 5x5x5cm 3 - Massa del cristallo: 790g 4x11x0.79=34.76Kg di TeO 2 2 Moduli da 9 cristalli ciascuno - Dimensioni del cristallo: 3x3x6cm 3 - Massa del cristallo: 330g 2x9x0.33=5.94Kg di TeO 2 2 arricchiti con 128 Te (82.3% i.a.) 2 arricchiti con 130 Te (75.0% i.a.) Schermature - Box di rame + Pb romano - 20cm di Pb + 10cm di polietilene borato 40.7Kg di Te Kg di 130 Te 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 5

7 Costruzione di CUORICONO (a) (b) (c) (e) (d) (f) (g) 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 6

8 Risultati (I) CUORICINO acquisice dati dall Aprile 2003 (statistica pari ad un anno di presa dati con una massa equivalente di 8.34Kg di 130 Te) Il fondo nella regione del ββ0ν è stato ridotto a B= (0.18 ± 0.01) cnts/kev/kg/y Co I risultati per il tempo di dimezzamento e per la massa efficace sono: T ββ0ν 1/2 ( Te) > C.L m < ( ) ev ee Conteggi ββ0ν ( 130 Te) valore dipendende dalla matrice nucleare utilizzata 6 2 M: massa attiva [kg] B: background [c/kev/kg/y] T: tempo di vita [y] Γ: risoluzione energetica [KeV] a: abbondanza e: efficienza 2560isotopica 2600A: massa atomica Energia CUORICINO Sensitivity a M T S ββ0ν ε A B Γ 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 7

Risultati (II) Possibile evidenza per il ββ0ν (miglior valore 0.39 ev) Klapdor-Kleingrothaus HV et al. hep-ph/0201231 (2002).

hep-ph/0201291 Zona sfavorita dalla cosmologia Regione attualmente indagata da CUORICINO Arnaboldi et al.

9 Risultati (II) Possibile evidenza per il ββ0ν (miglior valore 0.39 ev) Klapdor-Kleingrothaus HV et al. hep-ph/ (2002). Gerarchia inversa Gerarchia diretta Feruglio F., Strumia A., Vissani F. hep-ph/ Zona sfavorita dalla cosmologia Regione attualmente indagata da CUORICINO Arnaboldi et al., submitted to PRL, hep-ex/ (2005). Con gli stessi elementi di matrice il limite di CUORICINO vale 0.53eV Aumentando il tempo di presa dati è possibile iniziare ad indagare la zona di gerarchia inversa 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 8

Prospettive future S ββ0ν a M T = ε A B Γ aumentando il running time ββ0ν 24 T1/2 7

10 Prospettive future S ββ0ν a M T = ε A B Γ aumentando il running time ββ0ν 24 T1/ y T 3y mee < ( ) ev 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 9

11 1 () Contegi kev Analisi del fondo Fondo raggiunto, nella zona del ββ0ν (dopo un anno equivalente di statistica) B = (0.18 ± 0.01)cnts/ KeV/Kg/y Cause: 1. MultiCompton del 208 Tl dovuto alla catena del 232 Th che contamina gli schermi (di rame) interni al criostato 2. α degradate prodotte da 238U e 232Th che contaminano la superficie dei cristalli 3. α degradate prodotte da 238 U e 232 Th che contaminano la struttura di montaggio (il principale candidato è il rame) 4. Neutroni? Tl 208 Tl Il 60 Co dovuto ad attivazioni cosmogeniche nei nei cristalli e nel rame non da un contributo significativo. Conteggi Bi 214 Bi 60 Co 130 Te (ββ0ν) 130 Te ββ(0ν) Fondo stimanto per CUORE Co B = ( )cnts/KeV/Kg/y Energia [KeV] 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 10

12 Conclusioni 1. CUORICINO è al momento il più sensibile esperimento funzione per lo studio del ββ0ν e in grado di confermare l evidenza mostrata dall esperimento KK-HM (hep-ph/ ) 2. CUORICINO ha dimostrato la fattibilità di rivelatori bolometrici su larga scala (CUORE) con una buona risoluzione energetica ed un basso fondo. 3. Recenti risultati sull analisi del fondo, unitamente al futuro aumento del running time, confermano la capacità di esplorare la regione relativa alla gerarchia inversa per gli stati di massa (presentazione di L.Gironi). 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 11

13 Passato, presente, futuro CUORICINO CUORE MiDBD 40.7Kg 741Kg Massa [Kg] 4 Array 340g 73g Tempo [anni] 20/09/06 Andrea Giachero - Sif, XCII Congresso Nazionale 12

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