MISURE DIRETTE DELLA MASSA DEL NEUTRINO con decadimenti beta a basso Q-valore

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1 IFAE Catania, 30 marzo- aprile 005 MISURE DIRETTE DELLA MASSA DEL NEUTRINO con decadimenti beta a basso Q-valore Francesca Capozzi Universita di Milano Bicocca INFN Sezione di Milano

2 PERCHE MISURARE LA MASSA DEL NEUTRINO? Recenti risultati di esperimenti con: NEUTRINI ATMOSFERICI e NEUTRINI SOLARI Evidenze di oscillazioni di neutrini Super Kamiokande mixing ( ' ' ) ' ( µ = U &' 1 $ $ ' $ %' 3 #!!! " m 1, m, m 3 NEUTRINI MASSIVI, + (, * ( ) e! % " Gli esperimenti sulle oscillazioni sono sensibili solo a: P Qual è la scala assoluta delle masse dei neutrini? I neutrini sono particelle di Dirac o di Majorana? MISURE della massa dei neutrini = sin ) " sin & ' m c $ 4E m = m1! 4 m SNO L # hc

3 STUDIO DELLE MASSE DEI NEUTRINI RICERCA INDIRETTA Ricerca di effetti che possono esistere solo se m ν 0 Cosmic Microwave Background measurement Neutrinoless Double Beta Decay RICERCA DIRETTA E = m c 4 + p c Decadimenti beta a basso Q valore Massa efficace ν! e m " = d d W W u ν u 0ν - ββ decay Studio cinematico dei processi che inducono la presenza di neutrini nello stato finale 3 3 " 1H! He + e + í " 75Re! 76Os + e + í e e spettrometri bolometri Risultati di WMAP m(ν e ) < 0.3 ev - Neutrino massivo - Neutrino particella di Majorana MISURE DIRETTE SU SCALE < ev - m(ν e ) < [ ] ev Heidelberg-Moscow 76 Ge - m(ν e ) < [0.-1.1] ev Cuoricino 130 Te U ei m i e ν e e - e - Esperimenti con Trizio (spettrometri) Mainz - Germania (m νe <. ev) Troitsk - Russia (m νe <. ev) KATRIN (start 008: m νe < 0.5 ev) Esperimenti con Renio (bolometri) Mibeta - Milano (m νe < 15.6 ev) Manu - Genova (m νe < 6 ev)

4 IL DECADIMENTO BETA # ( A, Z) " ( A, Z + 1) + e +! e # n " p + e +! e Decadimento a 3 corpi d u W e - ( A, Z) c # M ( A, Z + ) E0 = M atomic atomic 1 c ν β decay e N " T e # + T! e Spettro continuo delle particelle beta 4 ( E ) = p ( E + m c )( E $ E ) ( E $ E ) $ m c F( Z, E ) S( E )[ 1+ ( Z, )]!!! e 0! 0! "!! # R E! e Fattore dello spazio delle fasi Fattore di Correzione Coulombiana (funzione di Fermi) Fattore di forma: contiene l elemento di matrice nucleare Correzione radiativa

5 K ( E )! p! SPETTRO BETA: KURIE PLOT CONVENIENTE LINEARIZZAZIONE DELLO SPETTRO BETA N( E! ) ( E + m c ) S( E ) F( Z E ) " = ( E # E ) 4! e!,! N (E β, m ν = 0) 0! 1 # m e ( E # E ) Effetto di: -Risoluzione energetica del rivelatore -conteggi di fondo -decadimenti beta su stati eccitati 0 " c 4! Effetto di m ν 0 Frazione F di decadimenti sotto l end-point RICHIESTE SPERIMENTALI Alta risoluzione energetica Alta statistica all end-point dello spettro β sorgente β con F (* E) N( E, m = 0) 0 E 0 = ( E & * E de ' $ %, + e E )* E 0 Alta attività Basso E 0 #! " 3

6 DUE APPROCCI SPERIMENTALI COMPLEMENTARI SORGENTE SEPARATA DAL RIVELATORE (la sorgente è sempre Trizio) SPETTROMETRI MAGNETICI ED ELETTROSTATICI Determina l energia dell elettrone per mezzo di una selezione degli elettroni beta operata attraverso opportuni campi elettrici e magnetici Misura l energia degli elettroni fuori dalla sorgente Sensibilità attuale raggiunta: ~ ev SORGENTE COINCIDENTE CON IL RIVELATORE (approccio calorimetrico) BOLOMETRI Determina tutta l energia visibile del decadimento con alta risoluzione Misura l energia del neutrino Sensibilità attuale raggiunta: ~ 15 ev INCERTEZZE SISTEMATICHE COMPLETAMENTE DIFFERENTI

7 IL DECADIMENTO β DEL TRIZIO basso Q valore buona statistica all end point moderata vita media elevata attività Semplice configurazione delle shell elettroniche di 3 H ed 3 He + minime correzioni dovute a stati finali elettronici Transizione nucleare super-permessa non sono necessarie correzioni per l elemento di matrice nucleare M (non dipende dall energia dell elettrone)

8 LA SORGENTE DI TRIZIO RICHIESTE Alta attività specifica Basso auto-assorbimento e scattering inelastico Controllo degli stati eccitati uso di molecole di trizio T QCTS SORGENTE T SOLIDA Bassa probabilità di scattering inelastico Sorgente omogenea Backscattering dai substrati Effetti di eccitazione dello stato solido Caricamento della sorgente Irruvidimento della sorgente WGTS SORGENTE T GASSOSA Attività specifica più alta Minore probabilità di scattering inelastico No caricamento della sorgente No backscattering Omogeneità della sorgente Calibrazione con gas radioattivi Stabilità dell intensità di sorgente

9 Spettroscopia beta con spettrometri elettrostatici e magnetici Sorgente Analizzatore di elettroni rivelatore T Alta attività Alta luminosità L ΔΩ/4π (frazione di angolo solido trasmesso) Alta risoluzione energetica Due tipi differenziale: seleziona δe e integrale: seleziona E e > E th alta efficienza basso fondo Procedura sperimentale lo spettro del T è misurato a step selezionando l energia da E min a Q E max > Q per monitorare il fondo Per ogni E e step, l aquisizione dura un certo tempo Δt, con Δt crescente con E e Stabilità nel tempo di sorgente e spettrometro - eccellente controllo del tempo vivo

10 MAINZ E TROITSK: i risultati MAINZ sorgente T solida (QCTS) TROITSK sorgente T gassosa (WGTS) Rapporto segnale su fondo: MIGLIORATO Riduzione del fondo Massimizzazione dell intensita della sorgente Irruvidimento della sorgente: (che induce dispersione nelle perdite di energia) è stato ridotto dal raffreddamento del film di T sotto 1. K. Caricamento della sorgente: Insieme al relativo profilo del potenziale è stato modellizzato ed incluso nell analisi. Perdita di energia nella sorgente: Studiata con differenti spessori di sorgente m(ν e ) = (-1.6 ±.5 stat ±.1 sys ) ev m(ν e ). ev (95% C.L.) Funzione di risposta del rivelatore: Misure accurate senza T gassoso e con T gassoso a diverse pressioni Anomalia: I dati raccolti presentano una anomalia non ancora ben spiegata nello spettro integrale nella regione dell end-point m(ν e ) = (-1.0 ± 3.0 stat ±.5 sys ) ev m(ν e ). ev (95% C.L.) I risultati di Mainz e Troitsk rappresentano attualmente la migliore sensibilita al mondo sulla massa del neutrino in un esperimento di misura diretta.

11 L ESPERIMENTO KATRIN: Karlsruhe Tritium Neutrino OBIETTIVO: STRATEGIA: Double source control of systematic start 008, sensibilità su m letter of intent νe < 0.5 ev hep-ex/ migliore risoluzione energetica ΔE FWHM ~ 1 ev - migliore statistica sorgente più intensa, tempo di misura più lungo - miglior controllo delle sistematiche Pre-spectrometer selects electrons with E>Q-100 ev (10-7 of the total) Better detectors: - higher energy resolution - time resolution (TOF) - source imaging Main spectrometer high resolution ultra-high vacuum (p<10-11 mbar) high luminosity

12 Sorgente β IL DECADIMENTO β DEL " 75Re! 76Os + e + í DEL 187 Re Q β =.46 kev T 1/ = 43.5 Gy A.I. ~ 63% Transizione unica prima proibita 5/ + 1/ VANTAGGI Q valore più piccolo in natura!!! Elevata abbondanza isotopica Alta frazione di eventi sotto l end point e 187 Re β Os Rivelatore criogenico Bagno termico SVANTAGGI Vita media molto grande basso rate di decadimento Massima efficienza sorgente = rivelatore Misura dell energia di diseccitazione di eventuali decadimenti su stati eccitati Termistore Cristallo assorbitore Ha senso studiare il decadimento β del 187 Re con i bolometri Decadimento interno

13 I BOLOMETRI : rivelatori termici Rivelatori omogenei non convenzionali Sorgente attiva β coincide con il rivelatore Completa termalizzazione Sensore di fononi Sensore di temperatura Termistori di: Si impiantato Ge NTD CALORIMETRI misurano tutta l energia E rilasciata nel decadimento tranne quella del ν e : E = E 0 - E ν DECADIMENTO INTERNO Assorbitore Capacità termica piccola Dielettrico, diamagnetico Dimensioni ridotte T molto basse Alta temperatura di Debye Variable Range Hopping ( T ) ' ( T ) = ' Legge di Debye C m M & $ % T ' exp & T # $! " D 3 #! " % T T < Θ D

14 L ESPERIMENTO MIBETA: i rivelatori Schiere di microrivelatori bolometrici operanti a bassissime temperature ( ~ 100 mk; criostato a diluizione He3-He4 - L.A.S.A SEGRATE - MI) 10 MICROBOLOMETRI array di 5 rivelatori Singolo rivelatore PRESTAZIONI Tempo salita: <τr> = 49 µs Risoluzione energetica al β end-point <ΔEFWHM>=8.5 ev Sopra Termistore di silicio 500 x 350 x 0.5 µm3 Cristallo di AgReO4 Sotto Massa: µg <m>=70 µg Attività β: Bq/µg MIBETA: massa totale acquisita = 174 µg attività β totale = 1.17 Bq Dr.ssa Francesca Capozzi, Dip. Fisica Università Milano-Bicocca IFAE Catania, 30 Marzo - Aprile 005

15 MIBETA: la calibrazione PERIODICA ESPOSIZIONE DEI RIVELATORI A RAGGI X DI FLUORESCENZA DI VARI ELEMENTI Sorgente primaria: PROCESSO A DUE STADI x 55Fe ( 5 mci ) 55Fe 55Mn C.E. BERSAGLI CON SORGENTI DI FLUORESCENZA Al CaF Ti NaCl Dr.ssa Francesca Capozzi, Dip. Fisica Università Milano-Bicocca IFAE Catania, 30 Marzo - Aprile 005

16 MIBETA: la calibrazione PRESA DATI: 5 min calibrazione, ore acquisizione β Picchi di fluorescenza: Al, Cl, Ca, Ti Energie (kev) delle righe dello spettro di raggi X di calibrazione 55 Mn K α K β Ti 55 Mn Ca K α K β Al Cl Al Cl Ca Ti

17 MIBETA: i risultati KURIE PLOT MIBETA ha misurato da giugno 00 fino ad aprile 003 Tempo vivo : 10 giorni Calibrazione: 4 giorni Acquisizione β pura: 168 giorni Q VALORE Q = ± 0.5 STAT ± 1.5 SYS ev INDIPENDENTE DALL INTERVALLO DI FIT MASSA DEL NEUTRINO m(ν e ) = (-11 ± 07 stat ± 90 sys ) ev m(ν e ) 15.6 ev (90% C.L.) VITA MEDIA τ 1/ = 43. ± 0. STAT ± 0.1 SYS Gy OTTENUTO DALLA DISTRIBUZIONE STATISTICA DEGLI INTERVALLI DI TEMPO TRA DUE IMPULSI CONSECUTIVI

18 MIBETA: il futuro STRATEGIA: CONTINUARE A SVILUPPARE LA TECNICA BOLOMETRICA AUMENTARE IL NUMERO DI CANALI MIGLIORARE LA RISOLUZIONE ENERGETICA RIDURRE IL RISE TIME RIDURRE IL FONDO E MODELLIZZARLO FASE I (start 007) RAGGIUNGERE LA SENSIBILITA DI ev PRIMA DELLA FINE DI KATRIN FASE II RAGGIUNGERE UNA SENSIBILITA < ev COME KATRIN RICHIESTE SPERIMENTALI: - 00 rivelatori - m(agreo 4 ) ~ 450 µg/riv - attività β ( 187 Re) = 0.5 Bq/riv - ΔE FWHM = ev - risoluzione temporale = µs - fondo < 100 cont/kev/anno/riv - 3 anni di misura R & D: nuovi termistori IMPORTANTE ESPERIMENTO COMPLEMENTARE A KATRIN NTD Ge Si impiantato

19 L ESPERIMENTO MANU (Genova) Tecnica simile a MIBETA Singolo rivelatore cristallo di Re metallico (1.5 mg) sensore NTD ΔE FWHM = 96 ev Q = 470 ± 1 ± 4 ev t ½ = 41. ± 0.0 ±0.11 Gy M ν < 6 ev (95 % c.l.) detector scheme Obiettivi futuri A = 10 Hz ΔE FWHM = 1 ev rise-time 1 ms spectrum Nuove tecnologie per termistori transition edge sensors (TES)

20 CONCLUSIONI I limiti più stringenti sulla massa del neutrino ottenuti con misura diretta arrivano dagli esperimenti con gli spettrometri MAINZ e TROITSK m (ν e ) <. ev Misure indirette della massa del neutrino indicano una sensibilità m (ν e ) < ev NECESSARIE NUOVE MISURE DIRETTE DELLA MASSA DEL NEUTRINO Il futuro esperimento KATRIN con spettrometri magnetici ha come obiettivo una sensibilità sulla massa del neutrino inferiore all ev L APPROCCIO CALORIMETRICO dell esperimento MIBETA con rivelatori termici a bassa temperatura è un potente METODO COMPLEMENTARE con differenti incertezze sistematiche che parallelamente agli spettrometri punta ad una sensibilità sotto l ev.

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23 Esperimenti con spettrometri elettrostatici Negli anni 90 due esperimenti basati sullo stesso principio migliorarono il limite sulla massa del neutrino fino a ~ ev al 95 % C.L. Entrambi gli esperimenti hanno raggiunto la loro sensibilità finale MAINZ (Germania) sorgente T solida risolta complicata sistematica nella sorgente TROITSK (Russia) sorgente T gassosa inspiegata anomalia all end-point Grande collaborazione internazionale KATRIN KArlsruhe TRItium Neutrino experiment Sensibilità < ev

24 IL BEFS: Beta Environmental Fine Structure Modulazione della probabilità di emissione dell elettrone dovuta alla presenza di atomi e molecole circostanti il nucleo che decade. Effetto dovuto alla interferenza quantistica tra la funzione d onda uscente dell elettrone emesso dall atomo che decade e la funzione d onda entrante dell elettrone scatterato dagli atomi vicini. E una possibile sorgente di errore sistematico 1 - MANU (Ge) Re metallico Dr.ssa Francesca Capozzi, - MIBETA (Mi) AgReO4 - meno evidente Dip. Fisica Università Milano-Bicocca IFAE Catania, 30 Marzo - Aprile 005

25 FASE I - R & D: test di nuovi termistori Termistori usati fino ad oggi nell esperimento MIBETA silicio drogato per impiantazione ionica IRST - Trento Al 17 µm Si termistore 500 x 350 x 0.5 µm3 contatto elettrico Niobio Ottenuti con Micro-machining NASA Si - termistore µm3 Ge NTD termistore 100 x 300 x 5 µm3 Bump bonding Indio r = 5 µm conduttanza verso il bagno termico e contatto elettrico Si 3 µm Dr.ssa Francesca Capozzi, Dip. Fisica Università Milano-Bicocca conduttanza verso il bagno termico Nitruro di silicio.mm x.mm x 0.5 µm IFAE Catania, 30 Marzo - Aprile 005

26 I DUE METODI A CONFRONTO Decadimento β del 3 H con spettrometri Decadimento β del 187 Re con bolometri VANTAGGI Moderata vita media del 3 H alta statistica Alta risoluzione energetica SVANTAGGI Sistematiche dovute ad effetti di sorgente - backscattering - perdita di energia nella sorgente Sistematiche dovute a dec. su stati eccitati Fondo incontrollato VANTAGGI Il 187 Re ha il Q-valore più piccolo in natura!!! Il 187 Re ha una elevata abbondanza isotopica Sorgente = rivelarore massima efficienza No backscattering Misura l energia di diseccitazione di eventuali decadimenti su stati eccitati Buona risoluzione energetica SVANTAGGI Alta vita media del 187 Re limitata statistica Sistematiche dovute ad effetti di pile-up Fondo dipendente dall energia I DUE METODI SONO COMPLEMENTARI

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29 Spettrometri elettrostatici con collimatore adiabatico magnetico Alto campo magnetico B max alla sorgente e al rivelatore. Basso campo B min al centro. Tutti gli elettroni emessi in avanti Spiraleggiano dalla sorgente al rivelatore MAC-E-filter Nel limite adiabatico E k / B = costante E k (centro) = E k (sorgente) (B min /B max ) E e = E k + E k = costante Efficiente effetto di collimazione al centro Il campo elettrico ritardante al centro ha massimo potenziale U 0 e ammette elettroni con magnetic bottle E k > eu 0 SPETTROMETRO INTEGRALE Potere risolvente: ΔE / E = B min / B max x 10-4 ΔE 4 ev at E 18 kev