Инжечик Лев Владиславович Кафедра общей физики...

Подземные низкофоновыеПодземные низкофоновыеэксперименты по поиску эксперименты по поиску безнейтринного двойного безнейтринного двойного бета-распада бета-распада GeGe-76-76

“Heidelberg“Heidelberg--Moscow”Moscow” и и “GERDA”“GERDA”

Подземные низкофоновыеПодземные низкофоновыеэксперименты по поиску эксперименты по поиску безнейтринного двойного безнейтринного двойного бета-распада бета-распада GeGe-76-76

“Heidelberg“Heidelberg--Moscow”Moscow” и и “GERDA”“GERDA”

Инжечик Лев ВладиславовичКафедра общей физики[email protected]

Межпредметный семинар МФТИ - 03.11.2010

Межпредметный семинар 203.11.2010

Потоки космических мюонов в некоторых подземных лабораториях мира

Потоккосмических

мюонов,штук на кв. метр

в секунду из телесного

угла 1 стерадиан

Spain

Russia

Japan

Italy

USA

France

Canada

India


IUSIUS Institute Institute of Undergroundof UndergroundScience,Science, Boulby MineBoulby Mine

LSCLSCLaboratorio Laboratorio Subterraneo de CanfrancSubterraneo de Canfranc

LNGSLNGSLaboratori Laboratori Nazionali delNazionali del Gran SassoGran Sasso

SULSULSolotvina Solotvina UndergroundUnderground LaboratoryLaboratory

LSMLSMLaboratoire Laboratoire SouterrainSouterrain de Modanede Modane

BNOBNOBaksanBaksanNeutrinoNeutrino ObservatoryObservatory

CUPPCUPPCentre for Centre for Underground Underground Physics in PyhPhysics in Pyhäsalmiäsalmi


IUSIUS Institute Institute of Undergroundof UndergroundScience,Science, Boulby MineBoulby Mine

LSCLSCLaboratorio Laboratorio Subterraneo de CanfrancSubterraneo de Canfranc

LNGSLNGSLaboratori Laboratori Nazionali delNazionali del Gran SassoGran Sasso

SULSULSolotvina Solotvina UndergroundUnderground LaboratoryLaboratory

LSMLSMLaboratoire Laboratoire SouterrainSouterrain de Modanede Modane

BNOBNOBaksanBaksanNeutrinoNeutrino ObservatoryObservatory

CUPPCUPPCentre for Centre for Underground Underground Physics in PyhPhysics in Pyhäsalmiäsalmi

Some other deep underground low background labs: Kamioka Observatory (Japan)Sanford Laboratory at Homestake (USA)Soudan Underground Laboratory (USA)WIPP (U.S. Department of Energy)

...

Подводные лаборатории:Байкальский нейтринный телескоп (ИЯИ РАН)NESTOR (Пилос, Греция)ANTARES (Франция)

Подледный телескоп ICE CUBE (Антарктида)

http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/index_e.html

http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/index_e.html

http://www.sanfordundergroundlaboratoryathomestake.org/

http://www.sanfordundergroundlaboratoryathomestake.org/

http://www.hep.umn.edu/soudan/

http://www.wipp.energy.gov/

The INCO mine and the clean lab

The Sudbury Neutrino Observatory


The Sudbury Neutrino Observatory


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


Подводные и подледные детекторы нейтрино высоких энергий.Байкальская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН


Подводные и подледные детекторы нейтрино высоких энергий. Эксперимент NESTOR

ICECUBE (Антарктида)

http://gallery.icecube.wisc.edu/external/main.php?g2_view=core.DownloadItem&g2_itemId=822

http://gallery.icecube.wisc.edu/external/main.php?g2_view=core.DownloadItem&g2_itemId=819

ICECUBE (Антарктида)

ICECUBE (Южный полюс)


Главный корпус БНО

Главный корпус БНО

Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН

Баксанское ущелье, Приэльбрусье, Кабардино-Балкария, Россиямаксимальная толщина скальной защиты — 4700 метров водного эквивалента

Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН

Баксанское ущелье, Приэльбрусье, Кабардино-Балкария, Россиямаксимальная толщина скальной защиты — 4700 метров водного эквивалента

Вход в тоннель, ведущий в подземные

лаборатории

Вход в тоннель, ведущий в подземные

лаборатории

Река БаксанРека Баксан


Вход в штольню, ведущую в подземные помещения БНО


Баксанская нейтринная обсерваторияБаксанская нейтринная обсерваторияGa-Ge Ga-Ge нейтринный телескоп ИЯИ РАНнейтринный телескоп ИЯИ РАНПодземный низкофоновый эксперимент Подземный низкофоновый эксперимент SAGESAGE

Вид на реакторы с жидким галлиемВид на реакторы с жидким галлием


2 2 2A Az z eX Y e

0 Emax

Энергетический спектр 2-хэлектронов 2 бета-распада

Q( 76Ge)= 2039 keV T1/2(1,8 ± 0,1) 10 21 y

2

2–

0 1,122 МэВ

2 0,599 МэВ

0

76Ge

76As

76Se

0+

Схема двойного бета-распада 76Ge

2,041 МэВ

Двойной двух-нейтринный бета распад

Сохраняются:

Энергия Эл. заряд q

Барионное число BЛептонное число Le


Переход Природное содержание, % Q, keV Переход Природное

содержание, % Q, keV

2 – – переходы 142Ce 142Nd 11,1 141446Ca46Ti 0,0035 985 146Nd 146Sm 17,2 6148Ca 48Ti 0,187 4272 148Nd 148Sm 5,7 1928

70Zn 70Ge 0,62 1001 150Nd 150Sm 5,6 336776Ge 76Se 7,8 2045 154Sm 154Gd 22,6 125080Se 80Kr 49,8 136 160Gd 160Dy 21,8 173182Se 82Kr 9,2 3005 170Er 170Yb 14,9 65586Kr 86Sr 17,3 1249 176Yb 176Hf 12,6 1077

94Zr 94Mo 17,4 1148 186W 186Os 28,6 48996Zr 96Mo 2,8 3350 192Os 192Pt 41,0 40898Mo 98Ru 24,1 111 198Pt 198Hg 7,2 1043

100Mo 100Ru 9,6 3033 204Hg 204Pb 6,9 414104Ru 104Pd 18,7 1301 232Th 232U 100 850110Pd 110Cd 11,8 2014 238U 238Pu 99,275 1146114Cd 114Sn 28,7 540

2 + – переходы116Cd 116Sn 7,5 2808122Sn 122Te 4,56 358 78Kr 78Se 0,356 838124Sn 124Te 5,64 2278 96Ru 96Mo 5,5 676128Te 128Xe 31,7 869 106Cd 106Pd 1,26 738130Te 130Xe 34,5 2533 124Xe 124Te 0,096 1024134Xe 134Ba 10,4 843 130Ba 130Xe 0,106 534136Xe 136Ba 8,9 2481 136Ce 136Ba 0,190 362

Разрешенные 2Разрешенные 2–– и 2 и 2++ переходы ядер переходы ядерРазрешенные 2Разрешенные 2–– и 2 и 2++ переходы ядер переходы ядер


Результаты измерений 2Результаты измерений 222 распадов ядер распадов ядерРезультаты измерений 2Результаты измерений 222 распадов ядер распадов ядер

[http://arxiv.org/abs/hep-ph/0202264v1Double Beta Decay. S.R. Elliott, P. Vogel]


Двойной безнейтринный бета распад

2 2A Az zX Y e

Neutrinoless double beta decay2β0-decay

Лептонное число Le изменяется на 2!

Нейтрино имеет свойства «майорановской» частицы:

частица = античастице.

Масса покоя нейтрино ≠ 0

0 Emax

Энергетический спектр 2-х электронов 2 бета 0 распада

Вся энергия распада передается двум электронам, и в

эксперименте вместо широкого спектра должна наблюдаться

узкая линия

Если такой процесс происходит, то:


2β0 распад

Figure 2. Example of the discovery potential of the 2β decay studies. The 2ν distribution of 116Cd (with T2ν

1/2 = 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]


Результаты проведенных экспериментовРезультаты проведенных экспериментовРезультаты проведенных экспериментовРезультаты проведенных экспериментовпо поискупо поиску безнейтринного 2-бета распада


Хребет Гран СассоАпеннины, Италия

Labratori Nazionali del GranSasso (LNGS),

наземный комплекс

Шоссе, ведущее в туннель под хребтом(Рим – L’Aquila -Адриатическое

побережье)


Туннель для автомобилей

Экспериментальные залы LNGS

СХЕМА ПОДЗЕМНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ LNGSТолщина скальной защиты 4800 m w. e.

Ослабление потока космических мюонов — 10 6 раз


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 бета-электронов. При безнейтринной моде распада энергия полностью передается электронам.

Схема 2 бета-распада 76Ge

2 –

76Ge 0+

76As 2+

76Se0+

Q = 2.039 MeV

2β2ν мода : 76Ge → 76Se + 2e– + 2ν�e

2β0ν мода: 76Ge → 76Se + 2e–

Rload

сигналe

e

Защита от фона

монокристаллмонокристалл HPHP 7676GeGe ee––

ee––


Сборка из 3-х HP 76Ge детекторов

HMBB (Heidelberg-Moscow Double Beta Decay Experiment)

Эксперимент «Гейдельберг- Москва»

Монокристалл

HP (high purity) 76(85%)Ge

Изотопный состав природного Ge:

70Ge – 20.84%72Ge – 27.54%73Ge – 7.73%

74Ge – 36.28% 76Ge – 7.61%


Эксперимент «Гейдельберг- Москва»Installation of the enriched detectors into the low level shielding

Hans Volker Klapdor-Kleingrothaus


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.



View of the first enriched View of the first enriched 7676Ge detector, Ge detector, with silicon cap surrounded by copper and with silicon cap surrounded by copper and lead shieldinglead shielding

View of the first enriched View of the first enriched 7676Ge detector, Ge detector, with silicon cap surrounded by copper and with silicon cap surrounded by copper and lead shieldinglead shielding

View of the fifth enriched 76Ge detector surrounded by copper shielding

View of the fifth enriched 76Ge detector surrounded by copper shielding



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,

whereas electronics and data acquisition systems are upstairs.


Результаты эксперимента «Heidelberg - Moscow» ― 2νββ

et al.

Energy, keV


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): Есть пик — 28.75±6.86 событий (4.2

σ)

τ1/2 = (0.69÷4.18) × 1025 лет

<mee> = (0.240.58) eV (KK matrix el.)

Результаты эксперимента «Heidelberg - Moscow»

*) 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.

“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)” *

“The background achieved in the energy region of the

Q-value for double beta decay is

0.11 events/ kg y keV”


Журнальная публикация 2006 г. о выделении 0νββ событий

[Modern Physics Letters A. Vol. 21, No. 20 (2006) 1547÷1566][Modern Physics Letters A. Vol. 21, No. 20 (2006) 1547÷1566]


Журнальная публикация 2006 г.H. V. Klapdor-Kleingrothaus &

I. V. Krivosheina о выделении 0νββ событий

методом анализа формы импульсов

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.

[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).


Двойной безнейтринный бета распадGERDA experiment for search for neutrinoless double-beta decay of Ge-76


Двойной безнейтринный бета распадGERDA experiment

Физический пуск установки (inauguration) планируется ноябрь 2010 г.

Инжечик Лев Владиславович Кафедра общей физики...

Documents