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 46Ca46Ti 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 22 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: 22- мода — τ1/2 = 1,1 х 10 21 лет 20- 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> = (0.240.58) 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 < 0.090.29 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