Da Cuoricino a CUORE

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1 Società Italiana di Fisica XCVI Congresso Nazionale Bologna, Settembre 2010 Da Cuoricino a CUORE Matteo Biassoni (1) per la Collaborazione CUORE (1) Università degli Studi di Milano-Bicocca e INFN - Sezione di Milano-Bicocca

2 Outline Decadimento Doppio Beta: perché? Un approccio sperimentale: i bolometri TeO 2 e l esperimento Cuoricino: risultati Da Cuoricino a CUORE CUORE: stato dell arte CUORE: il futuro

3 La fisica del ν

4 La fisica del ν Cosa sappiamo

5 La fisica del ν Cosa sappiamo Cosa non sappiamo

6 La fisica del ν Cosa sappiamo tre famiglie attive (SM) solo interazione debole (SM) violazione massimale di parità: solo neutrino Lh attivo (SM) massa non nulla ( SM) oscillazioni ( SM): Δm 2 12, Δm 2 23 parametri della matrice di mixing Cosa non sappiamo famiglie di neutrini sterili violazione di CP nel settore leptonico meccanismo di generazione della massa scala assoluta delle masse conservazione del numero leptonico gerarchia delle masse (Δm ) Dirac o Majorana?

7 La fisica del ν Cosa sappiamo tre famiglie attive (SM) solo interazione debole (SM) violazione massimale di parità: solo neutrino Lh attivo (SM) massa non nulla ( SM) oscillazioni ( SM): Δm 2 12, Δm 2 23 parametri della matrice di mixing Cosa non sappiamo famiglie di neutrini sterili violazione di CP nel settore leptonico meccanismo di generazione della massa scala assoluta delle masse conservazione del numero leptonico gerarchia delle masse (Δm ) Dirac o Majorana?

8 La fisica del ν Cosa sappiamo tre famiglie attive (SM) solo interazione debole (SM) violazione massimale di parità: solo neutrino Lh attivo (SM) massa non nulla ( SM) oscillazioni ( SM): Δm 2 12, Δm 2 23 parametri della matrice di mixing Cosa non sappiamo famiglie di neutrini sterili violazione di CP nel settore leptonico meccanismo di generazione della massa scala assoluta delle masse conservazione del numero leptonico gerarchia delle masse (Δm ) Dirac o Majorana? Doppio Decadimento Beta (ββ0ν) è il processo che può fornire queste informazioni

9 ββ0ν Decadimento ββ0ν: (A,Z) (A,Z+2) + 2e - mai osservato sperimentalmente ΔL = 2 proibito dal Modello Standard

10 ββ0ν Decadimento ββ0ν: (A,Z) (A,Z+2) + 2e - mai osservato sperimentalmente ΔL = 2 proibito dal Modello Standard Nuova fisica oltre il SM; diagramma più semplice:

11 ββ0ν Decadimento ββ0ν: (A,Z) (A,Z+2) + 2e - mai osservato sperimentalmente ΔL = 2 proibito dal Modello Standard d u W- e Nuova fisica oltre il SM; diagramma più semplice: "=" d e u W- m ν > 0 ν anti-ν = particella di Majorana

12 ββ0ν Decadimento ββ0ν: (A,Z) (A,Z+2) + 2e - mai osservato sperimentalmente ΔL = 2 proibito dal Modello Standard d u W- e Nuova fisica oltre il SM; diagramma più semplice: "=" d e Segnatura sperimentale: ββ2ν: spettro continuo, i neutrini prendono parte dell energia del decadimento ββ0ν: picco monocromatico, tutta l energia del decadimento viene depositata nel rivelatore u W- m ν > 0 ν anti-ν = particella di Majorana

13 Approccio sperimentale (1)

14 Approccio sperimentale (1) SORGENTE = RIVELATORE Grandezza misurata: vita media dell emettitore (T 1/2 0ν) -1 <m ν >/m e ) 2 Informazioni su: scala assoluta delle masse dei neutrini gerarchia delle masse (inversa o diretta)

15 Approccio sperimentale (1) SORGENTE = RIVELATORE Grandezza misurata: vita media dell emettitore (T 1/2 0ν) -1 <m ν >/m e ) 2 Informazioni su: scala assoluta delle masse dei neutrini gerarchia delle masse (inversa o diretta) <m ν > = massa efficace di Majorana

16 Approccio sperimentale (1) SORGENTE = RIVELATORE Grandezza misurata: vita media dell emettitore (T 1/2 0ν) -1 <m ν >/m e ) 2 Informazioni su: scala assoluta delle masse dei neutrini gerarchia delle masse (inversa o diretta) <m ν > = massa efficace di Majorana

17 Approccio sperimentale (1) SORGENTE = RIVELATORE Grandezza misurata: vita media dell emettitore (T 1/2 0ν) -1 <m ν >/m e ) 2 Informazioni su: scala assoluta delle masse dei neutrini gerarchia delle masse (inversa o diretta)

18 Approccio sperimentale (1) SORGENTE = RIVELATORE Grandezza misurata: vita media dell emettitore (T 1/2 0ν) -1 <m ν >/m e ) 2 Informazioni su: scala assoluta delle masse dei neutrini gerarchia delle masse (inversa o diretta) Sensibilità: S(T 1/2 0ν) a (M t ΔE -1 B -1 ) 1/2 a = abbondanza isotopica M = massa dell emettitore t = tempo di misura ΔE = risoluzione energetica B = fondo (in conteggi/kg/kev/anno)

19 Approccio sperimentale (1) SORGENTE = RIVELATORE Grandezza misurata: vita media dell emettitore (T 1/2 0ν) -1 <m ν >/m e ) 2 Informazioni su: scala assoluta delle masse dei neutrini gerarchia delle masse (inversa o diretta) Sensibilità: Per investigare la gerarchia inversa: O(1000kg) O(1keV) O(0.01conteggi/keV/kg/year) S(T 1/2 0ν) a (M t ΔE -1 B -1 ) 1/2 a = abbondanza isotopica M = massa dell emettitore t = tempo di misura ΔE = risoluzione energetica B = fondo (in conteggi/kg/kev/anno)

20 Approccio sperimentale (2) SORGENTE = RIVELATORE

21 Approccio sperimentale (2) SORGENTE = RIVELATORE

22 Approccio sperimentale (2) SORGENTE = RIVELATORE BOLOMETRO = rivelatore criogenico, calorimetro perfetto = virtualmente tutta l energia della particella incidente è convertita in calore e misurata

23 Approccio sperimentale (2) SORGENTE = RIVELATORE BOLOMETRO = rivelatore criogenico, calorimetro perfetto = virtualmente tutta l energia della particella incidente è convertita in calore e misurata Vantaggi: ottima risoluzione energetica sorgente = rivelatore => grande massa di sorgente alta efficienza di rivelazione scelta del miglior emettitore ββ0ν buon controllo della radiopurezza

24 Approccio sperimentale (2) SORGENTE = RIVELATORE BOLOMETRO = rivelatore criogenico, calorimetro perfetto = virtualmente tutta l energia della particella incidente è convertita in calore e misurata TeO 2 ( 130 Te) Vantaggi: ottima risoluzione energetica sorgente = rivelatore => grande massa di sorgente alta efficienza di rivelazione scelta del miglior emettitore ββ0ν buon controllo della radiopurezza alta abbondanza isotopica naturale (34%) alto Q-valore (2527keV) rapporto M(Te)/M(TeO 2 ) favorevole alto grado di radiopurezza cristalli di grandi dimensioni Cuoricino/CUORE

25 Cuoricino (1) I cristalli: IL RIVELATORE 44 cristalli di TeO 2 5x5x5 cm 3 da 790g ciascuno 18 cristalli di TeO 2 3x3x6 cm 3 da 330g ciascuno (2 arricchiti 130 Te Te) Le prestazioni 2615keV): cristalli grandi: (6.3±2.5) kev cristalli piccoli: (9.9±4.2) kev cristalli arricchiti: (13.9±5.3) kev

26 Cuoricino (2) L ANALISI: IL FONDO Array di cristalli affacciati = possibilità di effettuare analisi in coincidenza 130 Te e - α N e - e - e - Molteplicità 1 = candidato ββ0ν Molteplicità 2 = radioattività esterna, radioattività superficiale ɣ Analisi degli eventi a molteplicità >1: radioattività esterna muoni contaminanti sulla superficie dei cristalli B[3-4MeV] 0.13 c/kev/kg/year

27 Cuoricino (3) I RISULTATI: IL LIMITE Calcolo del limite sulla vita media del 130 Te ββ0ν selezione degli eventi in anti-coincidenza (molteplicità 1) selezione della regione di fit (incluso picco somma del 60 Co a 2505keV): (2470,2580) kev funzione di risposta dei rivelatori ricavata dalle calibrazioni parametri liberi (i = tipo di cristallo): (intensità 60 Co) i + (fondo) i + posizione 60 Co + rateββ0ν valutazione degli errori sistematici: efficienze, calibrazioni, finestra energetica, modello del fondo Esposizione: kg( % C.L. τ 1/2 > yr <m ββ > < eV Bibliografia NME: vedi slide CUORE(3)

28 Da Cuoricino a CUORE (1) L EVOLUZIONE della specie... HARDWARE: massa attiva criogenia disaccoppiamento meccanico schermature PERFORMANCE (L.Canonica, Aula C, ore 16, oggi): risoluzione riproducibilità controllo del rumore FONDO: scelta dei materiali trattamento dei materiali modellizzazione accurata delle sorgenti

29 Da Cuoricino a CUORE (2) HARDWARE Cuoricino rivelatori: cristalli, 1 torre 40.7kg TeO 2, 11kg 130 Te criogenia: criostato commerciale (Oxford Instr.) pre-cooling a LHe instabile, tempi morti per il refill scarso disaccoppiamento meccanico schermatura: 22cm piombo minimo rivelatori: CUORE 988 cristalli, 19 torri 741kg TeO 2, 204kg 130 Te criogenia: criostato custom (1ton@10mK per anni!) pulse tubes + unità a diluizione stabile, duty cycle migliore disaccoppiamento meccanico del rivelatore, riduzione del rumore da vibrazione schermatura: 31cm piombo minimo

30 Da Cuoricino a CUORE (3) FONDO Goal di CUORE: c/kev/kg/y nella regione di interesse = riduzione di un fattore rispetto a Cuoricino Cuoricino: 3 sorgenti principali Gamma: eventi multi-compton dal 2615keV del 208 Tl (contaminazioni di 232 Th nel criostato, 1Bq) Alfa/Beta: contaminazioni di U/Th sulla superficie del rame contaminazioni di U/Th sulla superficie dei cristalli

31 Da Cuoricino a CUORE (3) FONDO Goal di CUORE: c/kev/kg/y nella regione di interesse = riduzione di un fattore rispetto a Cuoricino Cuoricino: 3 sorgenti principali Gamma: eventi multi-compton dal 2615keV del 208 Tl (contaminazioni di 232 Th nel criostato, 1Bq) Controllo e selezione dei materiali e delle tecniche costruttive del criostato di CUORE Alfa/Beta: contaminazioni di U/Th sulla superficie del rame contaminazioni di U/Th sulla superficie dei cristalli

32 Da Cuoricino a CUORE (3) FONDO Goal di CUORE: c/kev/kg/y nella regione di interesse = riduzione di un fattore rispetto a Cuoricino Cuoricino: 3 sorgenti principali Gamma: eventi multi-compton dal 2615keV del 208 Tl (contaminazioni di 232 Th nel criostato, 1Bq) Alfa/Beta: contaminazioni di U/Th sulla superficie del rame contaminazioni di U/Th sulla superficie dei cristalli Controllo e selezione dei materiali e delle tecniche costruttive del criostato di CUORE Studio delle sorgenti e sviluppo di nuove tecniche per il trattamento delle superfici Three Towers Test + CUORE0

33 Da Cuoricino a CUORE (4)

34 Da Cuoricino a CUORE (4) THREE TOWERS TEST Obiettivo: studio comparativo di metodi per la pulizia superficiale del rame ricopertura con polietilene elettrochimica TECM (plasma cleaning)

35 Da Cuoricino a CUORE (4) THREE TOWERS TEST Obiettivo: studio comparativo di metodi per la pulizia superficiale del rame ricopertura con polietilene elettrochimica TECM (plasma cleaning) COMPATIBILI Fondo [3,4]MeV (0.048 ± 0.007)c/keV/kg/y B[3-4MeV] Cuoricino 2*B[3-4MeV] TTT

36 Da Cuoricino a CUORE (4) THREE TOWERS TEST Obiettivo: studio comparativo di metodi per la pulizia superficiale del rame ricopertura con polietilene elettrochimica TECM (plasma cleaning) Fondo [3,4]MeV (0.048 ± 0.007)c/keV/kg/y COMPATIBILI Indicazione del contributo alfa nella ROI B[3-4MeV] Cuoricino 2*B[3-4MeV] TTT

37 Da Cuoricino a CUORE (4) THREE TOWERS TEST Obiettivo: studio comparativo di metodi per la pulizia superficiale del rame ricopertura con polietilene elettrochimica TECM (plasma cleaning) Fondo [3,4]MeV (0.048 ± 0.007)c/keV/kg/y COMPATIBILI Indicazione del contributo alfa nella ROI B[3-4MeV] Cuoricino 2*B[3-4MeV] TTT Obiettivi: CUORE0 test con alta statistica del livello di fondo raggiunto test finale di costruzione/assemblaggio di una torre di CUORE esperimento ββ0ν stand-alone, in 6 mesi raggiungerà la sensibilità di Cuoricino

38 CUORE (1) Cryogenic Underground Observatory for Rare Events esperimento 1ton scale scopo principale: decadimento doppio beta senza emissione di neutrini osservatorio : studio di altri eventi rari (DM, assioni) alto livello di segmentazione = reiezione del fondo con analisi in coincidenza Collocazione: Hall LNGS Società Italiana di Fisica, XCVI Congresso Nazionale Bologna, Settembre 2010

39 CUORE (2) COSTRUZIONE commissioning criostato completamento consegna cristalli inizio assemblaggio rivelatori completamento infrastrutture/gabbia di Faraday commissioning front-end e DAQ 2013 inizio presa dati

40 CUORE (3) Fondo [c/kev/ kg/y] FWHM [kev] SENSIBILITA (5 anni di statistica) τ 1/2 0ν 68%C.L. <m ν > [mev] R(QRPA) 1 pn(qrpa) 2 ISM 3 IBM x x Bibliografia su NME: [1] Simkovic et al., PRC 77 (2008) [2] Civitarese et al., JoP:Conference series 173 (2009) [3] Menéndez et al., NPA 818 (2009) 139 [4] Barea e Iachello, PRC 79 (2009)