Recherche de la désintégration Double Beta

Processus double beta sans neutrino

Eléments de matrice nucléaire et choix du noyau

Les détecteurs calorimètriques

Les détecteurs avec tracking

Les TPC

Conclusion

F. Piquemal (CENBG)

Journées de prospectives DSM/DAPNIA-IN2P3

La colle sur Loup octobre 2004

n

n

p

p

e-

e-

e

e

hh

hh

(A,Z) (A,Z+1) (A,Z+2)

Processus Double Beta sans neutrino ()

L=2= Neutrino de Majorana

L

R neutrino massif

Autres modes possibles: courant droit, Majoron, SUSY

T1/2= F(Q,Z) |M|2 <m>2-1

Espace de phase Eléments de matrice

Masse effective:

<m>= m1|Ue1|2 + m2|Ue2|2.ei1 + m3|Ue3|2.ei2

|Uei|: matrice de mélange

1 et2: phase de Majorana

5

QEe1 +Ee2

Oscillations mesurent m2, mais n’accèdent pas à la masse absolue, ni à l’échelle de masse (dégénérée, hiérarchie, hiérarchie inverse). permettrait de déterminer l'échelle de masse et la masse absolue

Feruglio F. , Strumia A. , Vissani F. hep-ph/0201291

Situation actuelle

10 ans

5ans

dégén

érée

Hiérarchie normale

Hiérarchie inverse

Klapdor point (0.39 eV)

Situation actuelle sur le calcul des éléments de matrice

Suhonen Neutrino 2004

Pas de critère théorique fort. Choix du noyau dépend:- Possibilité enrichissement- Technique expérimentale - Valeur de Q (espace de phase, bruit de fond)

Abondanceisotopique

Q

(MeV)

T½ = F.|M|2x0.1-1

T0

2/1 > . . A

m . tNBDF . R

N : nombre d’AvogadrokC.L. =1,6445 à 90% C.L. A : masse atomique t : temps de mesure (ans)

ln2 . NkC.L.

(ans)

masse d’isotope (g)

bruit de fond (an-1. g-1. keV-1) FWHM (keV)

efficacité de détection

Signal: quelques événements par an Bruits de fond: Radioactivité naturelle 214Bi et 208Tl ( 2.6 MeV) Radon, neutrons (n,), muons,

Techniques expérimentales

Bruit de fond, choix de l’isotope

Tracking et calorimétrieSource ≠ détecteur

TPC (Xe)

Bruit de fond, Masse

CalorimètresSource=détecteur

Résolution, efficacité

Expériences en cours ~10 kg sensibilité sur <m> ~ 0.2-0.4 eV

Futur proche, 100 kg est réaliste en fonction du temps nécessaire pour la production des isotopes et des développements à réaliser pour réduire le bruit de fond

Méthodes calorimètriques

Ge (Heidelberg-Moscou,IGEX,Majorana,GERDA): 76Ge

Bolomètres (Cuorecino-Cuore, EDELWEISS): 130Te, 76Ge

Semi-conducteur ZnCdTe (COBRA): 130Te, 116Cd

Scintillateurs (CAMEO, CANDLE): 116Cd, 48Ca

Xe Liquid (EXO,XMASS)

AvantagesRésolution en énergie 4-8 keV (semi-conducteur et bolomètres)

Compacité des détecteursEfficacité ~80 %

Inconvénients Pas d'identification directe des électrons

Radiopureté des matériaux environnants (Q<2.6 keV)Difficultés de connaitre l’origine du fond (Ge)

Cosmogénie dans les cristaux

Les détecteurs Germanium

Meilleurs limites actuellesHeidelberg-Moscou (5 détecteurs, 10.9 kg de 76Ge)IGEX (3 détecteurs, 6.3 kg de 76Ge)

Klapdor et al. Phys. Lett. B 586(2004), 198-212

T 12

0.69 4.18 1025ans 90 CL

m 0.28 0.58eV

Réanalyse des données de HM par Heidelberg en 2002-2004

M(kg.an) T1/2 (ans) bdf (keV-1.kg-1.an-1) <m> (eV)

HM 54.98 >1.9 1025 0.06 < 0.35-1.05

IGEX 8.87 >1.57 1025 0.09 < 0.33-1.31

R&D pour les Ge

0.06 0.001 cps.keV-1.kg-1.an-1

Segmentation des détecteurs pour rejeter fond Élimination matière

Matériaux radiopuresAméliorer analyse des impulsions (discrimination )

Contacts électriques ultra-pureBlindage actif

Production des cristaux et du cuivre sous terreLaboratoire plus profond

Le futur pour les détecteurs Ge

MAJORANA (USA,Russie)

Objectif: 500 kg de 76Ge210 détecteurs enrichis segmentés

Segmentation détecteursAmélioration du PSD

Sélection des matériaux

Faisabilité détecteurs segmentés montrée

En cours tests 16 détecteurs de Ge naturel + 2 enrichis

~10 ans pour avoir le détecteur complet

2015 ?: T1/2> 4. 1027 ans <m> 0.02 –0.03 eV

Objectif: 100 kg de 76GeSuppression matière

Ge plongés dans l’azote liquide ou l’argon liquide (scintillation pour rejeter le fond)

Amélioration PSD

Faisabilité N2 liquide montrée2005: cristaux HM+IGEX pour test HM signal

Si bdf=0.01 cps.kev-1.kg-1.an-1 HM rejeté à 99.6% en 1 an

2010: 100 kg (détecteurs segmentés)

2015: T1/2> 2.1026 ans <m> 0.09 –0.29 eV

GERDA (Europe,Russie)

A terme, les 2 projets pourraient fusionner

Bolomètres: CUORICINO

Fonctionne depuis 2003

Bdf: 0.17 evt.keV-1.kg-1.an-1

208Tl dans matériaux, contaminations de surface et du cristal en émetteur et

Italie, Espagne, Pays-Bas, USA

Bolomètres de TeO2 (Q= 2,528 MeV) Enrichissement naturel 130Te 30%Résolution (FWHM à 1 MeV) 5-7 keV

CUORICINO: 1 tour de CUORE

42 modules de 5*5*5 cm318 modules de 2*3*6 cm3

10.4 kg de 130Te

Efficacité: 86 %

214Bi

(238U chain)

208Tl(232Th chain)

60Copile up

5.3 kg.anT1/2 > 1. 1024 ans (90%)<m> <0.5 – 2.4 eV

Energy (keV)

Dans 3 ans: T1/2 > 4. 1024 ans <m> <0.2 – 1.2 eV

Bolomètres: CUORE

750 kg TeO2 203 kg 130Te

19 tours x 13 modules x 4 détecteurs

R&D pour CUORE

0.17 0.01 cps.keV-1.kg-1.an-1

Nettoyage surface

Coincidence avec semiconducteur Ge pour détection des et de surface

Détection scintillation48CaF2, 76Ge, 100MoPbO4, 116CdWO4, 150NdF3

Sensibilités pour 5 ans Nbdf=0.01 cps.keV-1.kg-1.an-1 Nbdf=0.001 cps.keV-1.kg-1.an-1

T½ > 2.1 1026 ans T½ > 6.6 1026 ans

<m> < 0.03 – 0.17 eV <m> < 0.015 – 0.1 eV

TeO2

Ge-2Ge-1

αα

Expérience approuvée, démarrage 2009 ? Résultat 2015 ?

Bolomètres de Ge pour détection matière noireInstallés au LSM

Détection de la chaleur et de l’ionisation Réjection des événements en surfaceRéjection mutiple Compton par analyse des impulsions

Bolomètres EDELWEISS

Démonstration rejet du fond venant des alpha de surface

2004- 2006 collaboration avec Duban Baksan pour la production de cristaux enrichi en 73Ge et 76Ge 1ères livraisons octobre 2004

2004-2007: R&D sur localisation et électronique refroidieGaAs ultra bas bruit

2006-2007: Si estimations confirmées sur localisation et anticompton proposition d’expérience

Méthode avec tracking

Tracko-calo (NEMO,MOON): 100Mo, 82Se

TPC gazeuze (EXO, DCBA): 136Xe, 150Nd

Inconvénients Résolution en energie (calorimètre + pertes d’énergie dans source)

EfficacitéTaille des détecteurs (sources très minces)

AvantagesIdentification des électrons

Energie individuelle des électronsCorrélations angulaires Très bonne rejection du fond

Multisource (tracko-calo)

NEMO 3: Neutrino Ettore Majorana Observatory(France, Finlande, Japon, Maroc, République tchèque, R-U, Russie,Ukraine, USA.)

Détecteur de traces (6180 cellules Geiger) t = 5 mm, z = 1 cm ( vertex ) Calorimètre (1940 scintillateurs plastiques – PM bas bruits) FWHM=14% (1 MeV) Blindages gamma, neutrons, B Matériaux de grandes radiopuretés

Identification e-,e+,

Efficacité 20 %

Installé au LSM, en fonctionnement depuis janvier 2003

Vertex

BDF

Sources épaisseurmg/cm2)

82Se (0,93 kg)

Détecteur multi-source

Evénement

E1+E2= 2088 keV t= 0.22 ns(vertex) = 2.1 mm

E1

E2

e-

e-

100Mo6914 g

265 days

DataMonte-CarloRadonMonte-Carlo

E1+E2 (MeV)

arbitrary unit

Fond dominant: radon20 –30 mBq/m3 dans le détecteur(lié au radon du labo ~10 Bq/m3)Diminution d’un facteur 10 nécessaireInstallation système anti-radon:(diminution facteur 75) Opérationnel en octobre 2004

Pas de contribution du fond externe

Après suppression du fond radon: 208Tl, 214Bi, 100Mo: 0.001cps.keV-1.kg-1.an-1

82Se: 0.0003 cps.keV-1.kg-1.an-1

20086914 g of 100Mo T1/2() 4 .1024 y (90% C.L.)

m < 0.2 – 0.35 eV

932 g of 82Se T1/2() 8 .1023 y (90% C.L.)m < 0.65 – 1.8 eV

Après 265 jours de données: 100Mo: T1/2() > 3.5 1023 y

m < 0.7 – 1.2 eV

82Se: T1/2() > 1.9 1023 y

m < 1.3 – 3.6

eV

NEMO 3

De NEMO 3 à Super NEMO

Principal enseignement de NEMO 3: maitrise des fonds (radon mais pas de “surprise”)Juin 2004 expression d’intérêt pour une expérience tracko-calo

Objectif: 30 meV et 0 bruit de fond pour avoir des “événements en or”

100 kg de source: La plupart des isotopes sont utilisables 82Se : T½ () elévée, coût raisonnable, le rêve 150Nd

Programme de R&D sur 2 ans

Calorimètre 7 % avec scintillateur+PMT

Collaboration France, Dubna, Kharkov et PhotonisEtude calorimetre Si

TrackingDiamètre des filsTaille des cellules

Simulations GéométrieBlindages

Discussion dans la collaboration pour 2007: 15 kg de 82Se dans NEMO 3 <m> ~0.1 –0.2 eV 15 kg dans 1er module du détecteur à 100 kg

2010 démarrage et 2015 ~ 0.03 – 0.05 eV

SourceR&D purification 82Se

208Tl ~5mBq/kg et 214Bi 20 mBq/kg (facteur 10 / NEMO3)

R&D production 82Se (ILIAS 2kg) source épaisseur 10-20 m

TPC Xenon: EXO (USA,Suisse)

TPC Xenon : possibilité grande masse T½ très grande

Identifier l’ion Ba de 136Xe 136Ba++ +2e- par fluoresence laser

Difficultés: neutralisation Ba++ Ba+ collection de l’ion

1ère phase: 200 kg de 136XeXe liquide, détection de la scintillationDémarrage 2006

Fond attendu 0.003 cps.keV-1.kg-1.an-1

T½ > 2.1026 ans <m> < 0.39 – 1.2 eV

Avec identification Ba et 1 tonne de 136XeFond attendu < 0.0005 cps.keV-1.kg-1.an-1

Résolution 2% (FWHM à 2.5 MeV) (ionisation+scintillation) Date ? T½ > 8. 1026 ans <m> < 0.05-0.14 eV

PROJETS à 10 ansExpérience isotope Masse

kgType dedétecteur Lab.

Bdf(cps FWHM

Kg.y)

SensibilitéT1/2(y)

Limite<m> eV

Commen-taire

NEMO3 phase2

82Se 10Tracko-

CaloModane

0.02 1 x 1025 0.2-0.5 2008 ?

150Nd 10 Tracko-Calo

? 0.2 6 x 1024 0.07-0.35 2008 ?

MPI phase I

76Ge 15 GeDetector

GranSasso

0.01 3 x 1025 0.3-0.9 2006

MOON 100Mo 10 Tracko-calo

? 0.2-0.30.03

R&D in progress

CANDLES 48Ca 0.180 CaF2

(200kg)Otho

(Japon)0.3 0.5 En cours

COBRA 130Te116Cd

10 CdZnTe BoulbyU.K

0.2, 0.03 1 x 1024 0.7 R&D in progress

DCBA 150ND 20 TPC ? 0.05 R&D in progress

CUORE 130Te 200 Bolometer GranSasso

0.005 3 x 1026 0.015-0.090

Start2009 ?

Super NEMO

82Se ou150Nd

100 Tracko-Calo

? 0.02 0.03 Start2010 ?

MPI phase II

76Ge 100 GeDetector

GranSasso

0.001 2 x 1026 0.09-0.29

2009 ?

Majorana 76Ge 500 GeDetector

? 0.01 4 1027 0.034-0.039

Start2014 ?

EXO 136Xe 2001000

TPC WIPP(US)

0.0150-0.0018

21026

8.3 x 1026

0.39-1.20.05-0.14

Start 2005?

Projets à long terme

Expérience isotope Massekg

Type dedétecteur Lab.

Background(counts FWHMKg.an)

Sensibi-lité

T1/2(y)

Sensibilité <m>

EXO 136Xe 10000 TPC WIPP(US)

0-0.00055 1.3 x 1028 0.013-0.037

XMASS 136Xe 10000 TPC Kamioka(Japan)

3 x 1026 0.08

MOON 100Mo 1000 Tracko-calo

? 1 x 1027 0.03

MPI 76Ge 1000 Ge ? 0.0001 1028 0.010

GENIUS 76Ge 1000 Ge ? 0.0001 1028 0.010

CANDLES 48Ca 2.9CaF2

(3200 kg)Otho

(Japon) 0.3 0.15

ILIAS(Integrated Large Infrastructure for Astroparticle Science)

Fort soutien de l’Europe pour la R&D Double Beta avec le programme IDEA (Integrated Double Decay) avec JRA2 (Joint Research Activity) et N4 (Network) sur 5 ans

JRA2 (R&D technique) Groupes de travail:- Isotope Enrichment-82Se Project- 150Nd Project- Study on Cosmogenic Induced Activity- Underground Crystal Growth- Rejection of Surface Radioactivity- Operation of Ge-diodes in Liquid N2

N4 (coordination communauté ) Groupes de travail:- Coordination of DBD searches- Bank of pure isotopes- Collection and investigation of experimental inputs, needed for the calculation of nuclear matrix elements

Forte implication de la communauté française dans les groupes de travailObjectif: donner recommendations pour les expériences à soutenir dans 5 ans

Conclusion (1)

La double bêta est un test de la physique au-delà du Modèle Standard.Elle permet d’accéder à la nature du neutrino (Majorana ou Dirac), à la masse absolue et à l’échelle de masse.

Expériences actuelles <m>~ 0.2-0.4 eV

Dans les 10 ans, expériences à 100 kg hypothèse réaliste et étape nécessaire (temps de production, amélioration des fonds). Sensibilité <m>~ 0.03-0.07 eV exclusion de l’échelle de masse dégénérée et début du test de la hiérarchie inverse

Nombreux projets en Europe,au Japon et aux USA (DOE: Double beta classée en priorité 2-3)Plusieurs expériences nécessaires à cause des éléments de matriceNécessité d’une percée théorique

En France: une expérience en cours NEMO 3 (2007) projet EDELWEISS (bolomètre) NEMO3 phase 2 (2007) ? Super-NEMO (tracko-calo) 2010Super-NEMO 2 ans de R&D pour montrer la faisabilité pour 100 kg pour 2010.Tracko-calo indispensable pour confirmer un éventuel signal

Dans les 10 ans, 4 expériences à 100 kg: une Ge, une bolomètre, une tracko-calo, une TPC Xe

Conclusion (2)

En France, signal pour la pour

Renforts nécessaires pour running et analyse de NEMO3 et pour la R&D tracko-calo

Age des physiciens (ans)

123

Rayé des cadres30 50