Подземные низкофоновые эксперименты по поиску безнейтринного двойного бета-распада Ge-76

Подземные низкофоновые
эксперименты по поиску
безнейтринного двойного
бета-распада Ge-76
“Heidelberg-Moscow” и “GERDA”
Инжечик Лев Владиславович
Кафедра общей физики
inzhechik@stream.ru
Межпредметный семинар МФТИ - 03.11.2010
Потоки космических мюонов
в некоторых подземных лабораториях мира
Поток
космических
мюонов,
Spain
штук на кв. метр
в секунду
из телесного
угла 1 стерадиан
Japan
Italy
USA
France
Russia
Canada
India
03.11.2010
Межпредметный семинар
2
IUS Institute
CUPP
of Underground
Science, Boulby Mine
Centre for
Underground
Physics in Pyhäsalmi
LSM
BNO
Baksan
Neutrino Observatory
Laboratoire
Souterrain de Modane
LSC
LNGS
SUL
Laboratorio
Subterraneo de Canfranc
03.11.2010
Laboratori
Nazionali
del Gran
Sasso
Межпредметный
семинар
Solotvina
Underground Laboratory
3
Some other deep underground low background
labs:
CUPP
of Underground
Centre for
Kamioka Observatory (Japan)
Science, Boulby Mine
Underground
Sanford Laboratory at Homestake (USA) Physics in Pyhäsalmi
Soudan Underground Laboratory (USA)
WIPP (U.S. Department of Energy)
IUS Institute
...
Подводные лаборатории:
LSM
Байкальский нейтринный телескоп (ИЯИ РАН) BNO
Baksan
Laboratoire
NESTOR (Пилос, Греция)
Neutrino Observatory
Souterrain de Modane
ANTARES (Франция)
Подледный телескоп ICE CUBE (Антарктида)
LSC
LNGS
SUL
Laboratorio
Subterraneo de Canfranc
03.11.2010
Laboratori
Nazionali
del Gran
Sasso
Межпредметный
семинар
Solotvina
Underground Laboratory
4
The Sudbury Neutrino Observatory
The INCO mine and the clean lab
The Sudbury Neutrino Observatory
03.11.2010
Межпредметный семинар
6
The SNO Detector





Heavy Water (D2O) Cherenkov detector
2km underground (6000mwe) in active
nickel mine
12m diameter Acrylic Vessel (AV)
9000 PMTs on 18m diameter geodesic
structure (PSUP)
Surrounded by ultra-pure light water to
shield from rock
03.11.2010
Межпредметный семинар
7
Подводные и подледные детекторы нейтрино высоких энергий.
Байкальская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН
03.11.2010
Межпредметный семинар
8
Подводные и подледные детекторы нейтрино высоких энергий. Эксперимент NESTOR
03.11.2010
Межпредметный семинар
9
ICECUBE (Антарктида)
ICECUBE (Южный полюс)
ICECUBE (Антарктида)
Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН
Баксанское ущелье, Приэльбрусье, Кабардино-Балкария, Россия
максимальная толщина скальной защиты — 4700 метров водного эквивалента
Главный
корпус БНО
Вход в тоннель,
ведущий в подземные
лаборатории
Река Баксан
03.11.2010
Межпредметный семинар
12
Вход в штольню, ведущую в подземные помещения БНО
03.11.2010
Межпредметный семинар
13
Баксанская нейтринная обсерватория
Ga-Ge нейтринный телескоп ИЯИ РАН
Подземный низкофоновый эксперимент SAGE
Вид на реакторы с жидким галлием
03.11.2010
Межпредметный семинар
14
Двойной двух-нейтринный бета распад
A
zX

A
z  2Y
 2e  2 e
Q( 76Ge)= 2039 keV
T1/2(1,8 ± 0,1)  10 21 y
Сохраняют ся:
Энергия
Эл. заряд
q
Барионное число B
Лепт онное число Le
0
Emax
Энергетический спектр 2-х
электронов 2 бета-распада
76As
0+
76Ge
2–
2
76Se
0 1,122 МэВ
2 0,599 МэВ
2,041 МэВ
0
Схема двойного бета-распада 76Ge
03.11.2010
Межпредметный семинар
15
Разрешенные 2– и 2+ переходы ядер
Природное содержание,
%
Переход
Q, keV
2 – – переходы
46Ca46Ti
48Ca
70Zn
48Ti
70Ge
76Ge 76Se
80Se 80Kr
82Se 82Kr
86Kr 86Sr
94Zr 94Mo
96Zr 96Mo
98Mo 98Ru
100Mo 100Ru
104Ru 104Pd
110Pd 110Cd
114Cd 114Sn
116Cd 116Sn
122Sn 122Te
124Sn 124Te
128Te 128Xe
130Te 130Xe
134Xe 134Ba
136Xe 136Ba
03.11.2010
0,0035
0,187
0,62
7,8
49,8
9,2
17,3
17,4
2,8
24,1
9,6
18,7
11,8
28,7
7,5
4,56
5,64
31,7
34,5
10,4
8,9
Природное
содержание, %
Переход
142Ce
985
4272
1001
2045
136
3005
1249
1148
3350
111
3033
1301
2014
540
2808
358
2278
869
2533
843
2481
142Nd
146Nd 146Sm
148Nd 148Sm
150Nd 150Sm
154Sm 154Gd
160Gd 160Dy
170Er 170Yb
176Yb 176Hf
186W 186Os
192Os 192Pt
198Pt 198Hg
204Hg 204Pb
232Th 232U
238U 238Pu
11,1
17,2
5,7
5,6
22,6
21,8
14,9
12,6
28,6
41,0
7,2
6,9
100
99,275
Q, keV
1414
61
1928
3367
1250
1731
655
1077
489
408
1043
414
850
1146
2 + – переходы
78Kr
78Se
96Ru 96Mo
106Cd 106Pd
124Xe 124Te
130Ba 130Xe
136Ce 136Ba
Межпредметный семинар
0,356
5,5
1,26
0,096
0,106
0,190
838
676
738
1024
534
362
16
Результаты измерений 22 распадов ядер
[http://arxiv.org/abs/hep-ph/0202264v1
Double Beta Decay. S.R. Elliott, P. Vogel]
03.11.2010
Межпредметный семинар
17
Двойной безнейтринный бета распад
Neutrinoless double beta decay
2β0-decay
A
zX

A
z  2Y
 2e
Если т акой процесс происходит , т о:
Лепт онное число Le изменяет ся на 2!
Нейт рино имеет свойст ва
«майорановской» част ицы:
част ица = ант ичаст ице.
Масса покоя нейт рино ≠ 0
0
Emax
Энергетический спектр
2-х электронов 2 бета 0 распада
03.11.2010
Вся энергия распада передается двум
электронам, и в эксперименте вместо
широкого спектра должна
наблюдаться узкая линия
Межпредметный семинар
18
2β0 распад
Figure 2. Example of the discovery
potential of the 2β decay studies.
The 2ν distribution of 116Cd (with
T2ν1/2 = 3 × 1019 years) overlaps the
0ν peaks with half-life corresponding
to (a) 6.7 × 1023 years; (b) 1.6 × 1025
years; and (c) 3.8 × 1026 years.
Correspondingly, the 0ν peak with
the amplitude M (the energy
resolution at 2.8 MeV is FWHM =
4%) and the 2ν spectrum meet at
the relative height h/M for (a) 0.1;
(b) 0.5; (c) 1.
Qββ=2808 keV
[Next generation double-beta decay
experiments: metrics for their evaluation.
F T Avignone III, G S King III and
Yu G Zdesenko.
New Journal of Physics 7 (2005) 6]
03.11.2010
Межпредметный семинар
19
Результаты проведенных экспериментов
по поиску безнейтринного 2-бета распада
03.11.2010
Межпредметный семинар
20
Хребет Гран Сассо
Апеннины, Италия
Labratori Nazionali del
GranSasso (LNGS),
наземный комплекс
Шоссе, ведущее в туннель под хребтом
(Рим – L’Aquila -Адриатическое побережье)
03.11.2010
Межпредметный семинар
21
СХЕМА ПОДЗЕМНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ LNGS
Толщина скальной защиты 4800 m w. e.
Ослабление потока космических мюонов — 10 6 раз
Экспериментальные
залы LNGS
Туннель для
автомобилей
03.11.2010
Межпредметный семинар
22
Эксперимент «Гейдельберг- Москва». Двойной бета-распад 76Ge
Схема детектора из 76Ge для регистрации двойного бета-распада.
Оба электрона поглощаются в кристалле. Нейтрино вылетают вовне. Количество
рожденных носителей заряда пропорционально суммарной кинетической энергии бетаэлектронов. При безнейтринной моде распада энергия полностью передается электронам.
2β2ν мода : 76Ge → 76Se + 2e– + 2ν̃e
Защита от фона
2β0ν мода: 76Ge → 76Se + 2e–
e
монокристалл
HP 76Ge
e–
Rload
сигнал
e
76As
76Ge
0+
e–
2+
2 –
Q = 2.039 MeV
76Se
0+
Схема 2 бета-распада 76Ge
03.11.2010
Межпредметный семинар
23
Эксперимент «Гейдельберг- Москва»
HMBB (Heidelberg-Moscow Double Beta Decay Experiment)
Монокристалл
HP (high purity) 76(85%)Ge
Изотопный состав
природного Ge:
– 20.84%
72Ge – 27.54%
73Ge – 7.73%
74Ge – 36.28%
76Ge – 7.61%
70Ge
03.11.2010
Сборка из 3-х HP 76Ge детекторов
Межпредметный семинар
24
Эксперимент «Гейдельберг- Москва»
Installation of the enriched detectors
into the low level shielding
Hans Volker
KlapdorKleingrothaus
03.11.2010
Межпредметный семинар
25
Эксперимент «Гейдельберг- Москва»
Open setup with four of our five enriched detectors.
You can see the copper caps, which contain the 76Ge crystals, inside the lead shielding.
The cooling rods made from copper as well are connected to the liquid nitrogen filled
dewars and have the preamplifiers attached.
03.11.2010
Межпредметный семинар
26
Эксперимент «Гейдельберг- Москва»
View of the first enriched 76Ge detector,
with silicon cap surrounded by copper
and lead shielding
View of the fifth
surrounded
03.11.2010
Межпредметный семинар
enriched 76Ge detector
by copper shielding
27
Эксперимент «Гейдельберг- Москва»
Low level building (left), in the tunnel between hall A and hall B of the underground laboratory.
The detectors are at ground level behind the blue door,
28
Межпредметный
whereas electronics and data
acquisitionсеминар
systems are upstairs.
03.11.2010
Результаты эксперимента
«Heidelberg - Moscow» ― 2νββ
et al.
Energy, keV
03.11.2010
Межпредметный семинар
29
Результаты эксперимента «Heidelberg - Moscow»
“The total sum spectrum of all five detectors (in total
10.96 kg enriched in 76Ge), in the range 2000–2060
keV and its fit, for the periods … August 1990 to May
2003 (71.7 kg yr)” *
Результат анализа:
22- мода — τ1/2 = 1,1 х 10 21 лет
20- мода — τ1/2 ≥ 1.9 х 10 25 лет
H.V. (Hans Volker) Klapdor-Kleingrothaus
& I.V. Krivosheina):
Ест ь пик — 28.75±6.86 событ ий (4.2 σ)
τ1/2 = (0.69÷4.18) × 1025 лет
<mee> = (0.240.58) eV (KK matrix el.)
“The background achieved in the
energy region of the Q-value
for double beta decay is
0.11 events/ kg y keV”
*) Search for neutrinoless double beta decay with enriched 76Ge in Gran Sasso 1990–2003. H.V. Klapdor-Kleingrothaus,
I.V. Krivosheina (on leave of the Radiophysical Research Institute, Nishnii-Novgorod, Russia), A. Dietz, O. Chkvorets.
Max-Planck-Institut für Kernphysik, PO 10 39 80, D-69029 Heidelberg, Germany. Physics Letters B 586 (2004) 198–
212. P. 204, Fig. 4, top, right.
03.11.2010
Межпредметный семинар
30
Журнальная публикация 2006 г.
о выделении 0νββ событий
[Modern Physics Letters A. Vol. 21, No. 20 (2006) 1547÷1566]
03.11.2010
Межпредметный семинар
31
Журнальная публикация 2006 г.
H. V. Klapdor-Kleingrothaus &
I. V. Krivosheina
о выделении 0νββ событий
методом анализа
формы импульсов
03.11.2010
Fig. 7. Left column: The pulse shape selected
spectrum after applying the zero range library
(left column) with “small" cuts (see text) ((a),
(c), (e)) measured with detectors 2, 3, 4, 5
from 1995 to 2003 in the energy range of
2000-2060 keV. The events in the full detector
(a) and cutting boundary areas of 1(2) mm,
(c) and (e) are shown. Signals are found near
Qββ on a 4.0, 5.2 and 6.0 σ level (a), (c), (e),
respectively: 5.03  1.25, 5.42  1.04 and
5.63  0.94 events.
Right column: The pulse shape selected
spectra (subsection NN by neuronal net, see
Fig. 33 from Ref. 4 and text below) measured
with detectors 2, 3, 4, 5 from 1995 to 2003 in
the energy range of 2000-2060 keV. The
events in the full detector (b) and cutting
boundary areas of 1(2) mm, (d) and (f) are
shown. The signals near Qββ are found on a
6.6, 7.2 and 6.7 σ confidence level ((b), (d),
(f), respectively): 7.39  1.12, 7.50  1.04 and
6.24  0.93 events.
32
Межпредметный семинар
[выделение ЛИ]
Эксперимент GERDA
Proposal to LNGS of 2004:
The experiment would probe the neutrinoless double beta decay of 76Ge with a sensitivity of
T1/2 > 2×1026 years at 90% confidence level (C.L.) corresponding to a range of the effective
neutrino mass of < 0.090.29 eV within 3 years.
Phase I: The external background will be reduced to a level of 10−3 cts/(keV·kg·y).
03.11.2010
Межпредметный семинар
33
Двойной безнейтринный бета распад
GERDA experiment for search for neutrinoless double-beta decay of Ge-76
03.11.2010
Межпредметный семинар
34
Двойной безнейтринный бета распад
GERDA experiment
Физический пуск установки (inauguration) планируется ноябрь 2010 г.
03.11.2010
Межпредметный семинар
35
03.11.2010
Межпредметный семинар
36