Rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER

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1 Rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER Lorenzo Pagnanini Università La Sapienza di Roma & INFN Roma1 100 Congresso Società Italiana di Fisica Pisa, 26 settembre 2014

2 Doppio Decadimento Beta senza neutrini Processo debole del secondo ordine, proibito nel modello standard poiché viola la conservazione del numero leptonico, ΔL=2. Può avvenire soltanto se neutrino ed antineutrino sono la stessa particella ed è tanto più probabile quanto maggiore è la massa dei neutrini. massa effettiva di Majorana spazio delle fasi vita media del doppio beta elemento di matrice nucleare Il neutrino è una particella di Majorana? Il numero leptonico è conservato? Indicazioni sulla massa del neutrino 2

3 CUORE Criogenic Underground Observatory for Rare Events RIVELATORE 988 cristalli di 10mK M = 741 kg - 34% 130 Te emettitore 0νββ dimensioni cristalli 5x5x5 cm 3 19 torri - 52 cristalli/torre fondo dominante dovuto alle α INZIO PRESA DATI 2015 Situato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso CUORE collab., Searching for neutrinoless double-beta decay of 130 Te with CUORE, arxiv: ,

4 0νββ CUORE Criogenic Underground Observatory for Rare Events Il dimostratore CUORE-0, attualmente in presa dati, ha ottimizzato la ricerca dei materiali radiopuri per la costruzione del criostato e le tecniche di pulizia del rame per diminuire le contaminazioni α, portando tali strategie al limite del loro potenziale. CUORE Tl Spettro di Cuoricino e CUORE Pt Picchi γ Rame + Fondo α piatto RISULTATI ATTESI Risoluzione 5 kev FWHM Fondo 0.01 conteggi/kev/kg/anno Sensibile ad una vita media di anni in 5 anni Segnatura: picco nella distribuzione dell energia ricostruita in corrispondenza del Q-valore del decadimento (2527 kev per il 130 Te). CUORE collaboration, Searching for neutrinoless double-beta decay of 130 Te with CUORE, arxiv: ,

5 Luce Cherenkov in CUORE Il fondo α si può separare dal segnale misurando la luce Cherenkov prodotta dagli e - e non dalle α. Ee- > 54 kev Eα > 400 MeV 900 ev di Luce Cherenkov DISCO DI GERMANIO operante come bolometro applicato al CRISTALLO di CUORE Termistore 1) I fotoni che escono dal cristallo di TeO2 vengono assorbiti nel Germanio e convertiti in fononi. 2) Aumento di temperatura ΔT. 3) La variazione in temperatura viene convertita dal termistore in segnale elettrico. N. Casali, M. Vignati et al, TeO2 bolometers with Cherenkov signal tagging, arxiv: ,

6 Luce Cherenkov in CUORE Il fondo α si può separare dal segnale misurando la luce Cherenkov prodotta dagli e - e non dalle α. Ee- > 54 kev Eα > 400 MeV 900 ev di Luce Cherenkov Luce Cherenkov [kev] Vengono rivelati soltanto 100 ev, dei 900 prodotti, la restante parte viene assorbita dal cristallo. Non potendo aumentare il segnale servono lettori a più basso rumore. Energia rilasciata nel TeO2 Progetto CALDER N. Casali, M. Vignati et al, TeO2 bolometers with Cherenkov signal tagging, arxiv: ,

7 LUCIFER Low-background Underground Criogenic Installation For Elusive Rate Segnale bolometrico + luce scintillazione 36 cristalli di ZnSe/ZnMoO in 4 torri M=15Kg dimensioni cristallo cilindro 5 x 5 altezza Lettori di luce NTD-Ge T sensitivity: y in 5y Utilizzando in LUCIFER lettori di luce con sensibilità < 20 ev si possono separare gli eventi β/γ (100 ev di luce di scintillazione) dai rinculi nucleari prodotti dalle interazioni di materia oscura. 7

8 Fotone Superconduttore Cryogenic wide-area Light Detector with Excellent Resolution Rivelatore ad induttanza cinetica (KID) a) Se un fotone colpisce la superficie di un superconduttore rompe alcune coppie di Cooper (figura a), variando l induttanza cinetica. (Energia necessaria = frazione di mev). b) Con un film sottile superconduttore si costruisce un circuito LC (fig. b) ad alto fattore di merito (risonanza molto stretta), lungo cui viene trasmessa una microonda fissata. c) Sollecitato dalla radiazione incidente il circuito cambia la risposta in frequenza (fig. c). d) La fase e l ampiezza dell onda subiscono una variazione. Più risonatori a accoppiati alla stessa linea, letti dallo stesso canale. 8

9 Cryogenic wide-area Light Detector with Excellent Resolution Rivelatore ad induttanza cinetica mediato da fononi I KIDs funzionano alle microonde, per cui le loro dimensioni non possono essere maggiori di qualche mm 2. Facce dei cristalli di CUORE = 25 cm 2 Serve un mediatore per assorbire fotoni. Si utilizza il silicio su cui i KID sono depositato. Rivelatore a 4 unità nel supporto in rame Collegamento linea RF fotoni KIDs Substrato Si fononi Realizzati da Fotoni Rivelatore a 9 unità 9

10 Cryogenic wide-area Light Detector with Excellent Resolution Specifiche richieste Area attiva: 25 cm 2 divisi in ~10 pixel Risoluzione in energia < 20 ev RMS Risoluzione temporale : < 10 ms Temperatura di lavoro: 10 mk Basso contenuto radioattivo dei materiali utilizzati Vantaggi: Tecnologia versatile Si adatta ad esperimenti già progettati e realizzati Lettura su un singolo canale di più rivelatori Elettronica fredda semplice (un singolo LNA per coassiale) Fabbricazione semplice A che punto siamo? Film superconduttore in Alluminio caratterizzazione della risposta dei risonatori ad una sorgente di luce impulsata (LED) ed alla sorgente di raggi X ( 55 Fe). S. Di Domizio et al., Cryogenic Wide-Area Light Detectors for Neutrino and Dark Matter Searches, J. Low. Temp. Phys., 2013 CUORE CUORE + NTD-Ge LD CUORE + nuovi LD Steps futuri Film superconduttore in TiN (maggiore induttanza cinetica e minor energia per rompere una coppia) KID con area attiva maggiore minor numero di pixel per chip 10

11 Alcuni risultati dei test Tdecadimento_fast T decadimento_slow Usando una fibra ottica si inviano al KID impulsi LED; il singolo impulso ha energia di 0.7 kev, aumentando il numero di impulsi inviati si varia l energia. Variazione di fase della microonda indotta dall interazione luce LED nel KID Tempo di salita di circa 5 μs Tempo di discesa di 10 μs e 100 μs Ampiezza (A.U.) 35 kev 21 kev 14 kev L ampiezza è data dalla differenza fra la linea di base ed il massimo dell impulso della fase 10 kev 8 kev 7 kev 5.6 kev 4.2 kev 11

12 Conclusioni KIDs Si substrate photons phonons CUORE CUORE + NTD-Ge LD CUORE + nuovi LD 2020? : CUORE + cristalli arricchiti di 130 Te + CALDER sensibilità sulla massa effettiva di Majorana di circa 30 mev. M.Vignati, Cryogenic Wide-Area Light Detectors for Neutrino and Dark Matter Searches, Yale University,

13 FINE GRAZIE PER L ATTENZIONE 13

14 BACKUP SLIDE 14

15 Primo prototipo - CALDER 1 l Ia Ib w s Fattore di uniformità λ (induttività) = Ib/Ia Lo studio è realizzato con SONNET, che simula la risposta e la distribuzione di corrente dei risonatori disegnati. CARATTERISTICHE GEOMETRICHE RISULTATI di SONNET #meandri w l s Area attiva 14 80μm μm 2 mm 20μm μm Freq. di Risonanza Si vogliono ottenere sensori con area attiva maggiore ed il massimo α possibile. α Fattore di uniformità 2.4 mm 2.34 GHz 6.2% 81% 15

16 Uniformità della corrente Nei prototipi fin ora testati la corrente è stata uniformata aggiungendo dita capacitive, ma si può ottenere lo stesso risultato variando la larghezza dei meandri con la stessa funzione con cui varia la densità ci corrente. Densità di corrente costante = Risposta uniforme Variazione della densita' di corrente lungo il risonatore Densita' di corrente [Ampere/m] χ / ndf / Prob 1 p ± p ± p ± Ib/Ia =25% Ib/Ia =80% Indice di meandro 16

17 Uniformità della corrente Nei prototipi fin ora testati la corrente è stata uniformata aggiungendo dita capacitive, ma si può ottenere lo stesso risultato variando la larghezza dei meandri con la stessa funzione con cui varia la densità ci corrente. larghezza fissa larghezza variabile # meandri Larghezza 80 μm μm Spaziatura 20 μm 20 μm Area attiva 4.48 mm 4.94 mm La corrente al bordo è addirittura maggiore di quella al centro. Valore ottimale 80% Fattore di uniformità Frequenza di risonanza 55% 112% 1.81 GHz 1.86 GHz α 6,3% 6,1% 17

18 Uniformità della corrente Poiché il risonatore non è più omogeneo, occorre verificare che la risposta sia uniforme Per verificarlo si localizza la rottura della coppie di Cooper in una piccola area. Spostando tale area nelle posizioni indicate dagli indici (variando l area quando ci si sposta su un meandro differente per metallizzare lo stesso numero di quadrati) si comparano i risultati ottenuti valutando il parametro: cambia spostando la metallizzaione area metallizzata Se la risposta è omogenea il parametro p resta costante. 18

19 Poiché il risonatore non è più omogeneo, occorre verificare che la risposta sia uniforme. Meandro ID f riso (GHz) width (um) Area (um2) Hz/um2 11 3, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,95 Uniformità della corrente Per verificarlo si localizza la rottura della coppie di Cooper in una piccola area. Spostando tale area nelle posizioni indicate dagli indici (variando l area quando ci si sposta su un meandro differente per metallizzare lo stesso numero di quadrati) si comparano i risultati ottenuti valutando il parametro: cambia spostando la metallizzaione area metallizzata 19

20 Prototipo CALDER2 CALDER 1 CALDER 2 Larghezza 80 μm μm Ia Ib Spaziatura 20 μm 5 μm Area attvia 2.2 mm 3.8 mm Fattore di uniformità Frequenza di risonanza 85% 81% 2.34 Ghz 2.18 Ghz α 6.2% 12.1% Ottimo risultato dal punto di vista progettuale. Sarà implementato nei prossimi test. 20