Status de l’expérience NEMO3

Laurent SIMARD, LAL, Université Paris-Sud

GDR neutrino Marseille, 14 mars 2005

3 m

4 m

B (25 G)

20 secteursSource: 10 kg d’isotopes cylindrique, S = 20 m2, e ~ 60 mg/cm2

Détecteur de traces : chambre à fils en régime Geiger (6180 cellules)Gaz: He + 4% alcool éthylique+ 1% Ar + 0.1% H2O

Calorimètre: 1940 scintillateurs plastiques couplés à des PMs basse radioactivité

Champ magnétique : 25 GaussBlindage gamma : Fer (e = 18 cm)Blindage neutron: 30 cm eau (mur ext.)

40 cm bois (haut et bas) (depuis mars 2004: eau bore)

Permet d’identifier e, e, et

Le détecteur NEMO3Laboratoire Souterrain de Modane : 4800 m équivalent eau

Feuillesd’isotopes

scintillateurs

PMs

Tube de calibration

Anneaux cathodiques

chambre à fils

AOUT 2001

aimant

Blindage en fer

Réservoir d’eau

bois

Inauguration de NEMO-3, Juillet 2002

Début de prise de données

14 Février 2003

100Mo 6.914 kg Q= 3034 keV

Isotopes dans le détecteur NEMO-3

82Se 0.932 kg Q= 2995 keV

116Cd 405 g Q= 2805 keV

96Zr 9.4 g Q= 3350 keV

150Nd 37.0 g Q= 3367 keV

Cu 621 g

48Ca 7.0 g Q= 4272 keV

natTe 491 g

130Te 454 g Q= 2529 keV

mesure

Mesure du bdf d’origine externe aux sources

recherche (Tous les isotopes enrichis produits en Russie)

Energie depositee : E1+E2= 2088 keVHypothese interne : (t)mes –(t)theo = 0.22 nsVertex commun : (vertex) = 2.1 mm

Emission du vertex

(vertex)// = 5.7 mm

Emission du vertex

Vue transverse Vue longitudinaleRun : 2040Evénement : 9732Date: 2003-03-20

Criteres pour sélectionner les événements :• 2 traces e-

• 2 PMs, chacun > 200 keV• association trace-PM • Vertex commun

• Hypothese interne (rejet des evts externes)• Pas d’autre PM isole (rejet des )• Pas de trace retardee (rejet du 214Bi)

Distance de dérive

Feuille de100Mo

feuille de100Mo

Run : 2040Evenenement: 9732Date: 20/03/2003

Propagation longitudinaledu plasma Geiger

Scintillateur + PM

Sélectiond’événements dans NEMO-3

Evénement typique 2 observé venant du 100Mo

Trigger: 1 PM > 150 keV

3 coups Geiger (2 cellules voisines + 1)

Taux de trigger = 7 Hzévénements : 1 événement toute les 1.5 minutes

Détecteur de traces: 99.5 % cellules Geiger ON

Résolution sur le vertex :

canaux 2 e (482 and 976 keV) avec des sources 207Bi placées à 3 positions connues dans chaque secteur (Vertex) = 0.6 cm // (Vertex) = 1.3 cm (Z=0)

séparation e/e avec un champ magnétique de 25 G ~ 3% de confusion à 1 MeV

-

-

Vertex

Vertex = distance entre les deux vertex

Temps de vol :Résolution en temps (canal ) 250 ps à 1 MeV

ToF (e traversant de source externe) > 3 ns

e traversant de source externe totalement rejeté

Bruit de fond externe

événements de la peau

(tmes – tcalc) hypo. externe (ns)

(tmes – t

calc ) hypo. interne (ns)

Calorimètre: 97% des PMs+scintillateurs ON

Résolution en énergie: runs de calibration (tous les ~ 40 jours) avec des sources 207Bi

17%14%FWHM (1 MeV)

Mur int. 3" PMs

Mur ext. 5" PMs

207Bi2 e de conversion482 keV et 976 keV

482 keV

976 keV

FWHM = 135 keV (13.8%)

La performance attendue du détecteur a été atteinte

Performances du détecteur

Suivi laser journalier pour controler la stabilité du gain de chaque PM gamma: efficacité ~ 50 % @ 500 keV, Ethr = 30 keV

(Données 14 Fév. 2003 – 22 Mar. 2004)

T1/2 = 7.72 0.02 (stat) 0.54 (syst) 1018 y

Résultats préliminaires 100Mo 22

4.57 kg.y

Cos()

Distribution angulaire

Bruit de fond soustrait

Monte Carlo22

• Données

145 245 événements

6914 g241.5 joursS/B = 45.8

NEMO-3

100Mo

E1 + E2 (keV)

Spectre de la somme des énergies

145 245 événements

6914 g241.5 joursS/B = 45.8

NEMO-3

100Mo

• Données

Bruit de fond soustrait

Monte Carlo22

Simkovic, J. Phys. G, 27, 2233, 2001

Energie individuelle différente entre SSD and HSD

Distribution de l’énergie individuelle pour 100Mo 22

Monte Carlo 22 HSDHSD

Niveaux plus élevés Bruit de fondsoustrait

• DonnéesMonte Carlo 22 SSD Bruit de fond soustrait

• Données

SSDEtat unique

HSD: T1/2 = 8.61 0.02 (stat) 0.60 (syst) 1018 y

SSD: T1/2 = 7.72 0.02 (stat) 0.54 (syst) 1018 yLa distribution de l’énergie individuelle de la 22

de 100Mo en faveur du modeleSingle State Dominant (SSD)

4.57 kg.yE1 + E2 > 2 MeV

4.57 kg.yE1 + E2 > 2 MeV

HSD, niveaux plus hautscontribuent à la désintégration

SSD, le niveau 1 domine dans la désintégration (Abad et al., 1984, Ann. Fis. A 80, 9)

100Mo

0

100Tc

1

/ndf = 139. / 36 /ndf = 40.7 / 36

NEMO-3 NEMO-3

Eindividuelle (keV) Eindividuelle (keV)

Endividuelle(keV)

Bruit de fond soustrait

82Se T1/2 = 10.3 0.2 (stat) 1.0 (syst) 1019 y

116Cd if SSD T1/2 = 2.8 0.1 (stat) 0.3 (syst) 1019 y if HSD T1/2 = 3.05 0.1 (stat) 0.3 (syst) 1019 y

150Nd T1/2 = 9.7 0.7 (stat) 1.0 (syst) 1018 y

96Zr T1/2 = 2.0 0.3 (stat) 0.2 (syst) 1019 y

82Se

116Cd 150Nd

Résultats préliminaires pour la 22 d’autres noyaux

96Zr

• Données

simulation

Données

simulation

Données

simulation

Données

simulation

NEMO-3 932 g241.5 jours

2385 événements

S/B = 3.3

NEMO-3 NEMO-3NEMO-3 5.3 g168.4 jours

72 événements

S/B = 0.9

37 g168.4 jours

449 événements

S/B = 2.8

405 g168.4 jours

1371 événements

S/B = 7.5

E1+E2 (keV)

E1+E2 (MeV) E1+E2 (MeV) E1+E2 (MeV)

Bruit de fond externe 208Tl (PMs) Mesuré avec les événements (e, ) externes

~ 103 événements an1 kg 1 de type avec 2.8<E1 E2<3.2 MeV

Analysede la : mesure du bruit de fond

< 110 92 18100Mo métal.

400 100316 4682Se

< 100115 13100Mo comp.

A (Bq/kg)mesur HPGe

A (Bq/kg)avec (e, N)sources

En accord avec avec les mesures HPGe

impurités 208Tl dans les sources Mesuré avec les événements (e,2, (e,3venant de la source

~ 0.1 événements an1 kg 1 de type avec 2.8<E1 E2<3.2 MeV

Désintégration 100Mo T1/2 = 7.7 1018 y (SSD)~ 0.3 événements an1 kg 1 de type avec 2.8<E1+E2<3.2 MeV

Neutrons externes et gammas de haute energie Mesuré avec les événements (e,e)int avec E1E2 4 MeV

0.02 événements an1 kg 1 de type avec 2.8<E1 E2<3.2 MeV ~

Seulement 2 événements (e,e)int avecE1E2 4 MeV observés apres 260 jours de données (sans bore) 4253 keV (26 Mar. 2003)

6361 keV (8 Nov. 2003)

En accord avec le bruit de fond attendu

NEMO-3 peut mesurer tous les composants de son bruit de fond !

Radon dans le gaz de la chambre à fils de NEMO-3

Analyse : mesure du bruit de fond

Dû à une faible diffusion du radon du laboratoire dans le détecteurA(Radon) dans le labo ~15 Bq/m3

222Rn (3.8 days)

218Po

214Pb

214Bi

214Po

210Pb

s

~ 1 événements an1 kg 1 de type avec 2.8 < E1+E2 < 3.2 MeV

Radon était le bruit de fond dominantpour la recherche de la avec NEMO-3 !!!

Deux mesures du radon dans le gaz de NEMO-3

Bon accord entre les deux mesures

Détecteur de radon à l’entrée/sortie du gaz de NEMO-3

~ 20 coups/jour pour 20 mBq/ m3

canal (1e + 1 ) dans les données de NEMO-3:Traces retardées (<700 s) pour sélectionner retardé du 214Po

214Bi 214Po (164 s) 210Pb

~ 200 coups/heure pour 20 mBq/m3

A(Radon) in NEMO-3 20-30 mBq/m3

Désintégration dans le gaz

retardé

214Bi 214Po (164 s) 210Pb

Analyse pour le 100Mo

V-A: T1/2() > 3 1023 annéesV+A: T1/2 > 1.8 1023 années avec E1- E2> 800 keV

Majoron: T1/2 > 1.4 1022 années avec Eindividuelle > 700 keV

100Mo

8

7.0 1.7

5.6 1.7

1.4 0.2

55.8 7.0TOTAL Monte-Carlo

2.6<E1+E2<3.2

50DATA

23.5 6.7Radon M-C

32.3 1.9100Mo 22M-C

100Mo

6914 g265 days

DataMonte-CarloRadonMonte-Carlo

E1+E2 (MeV)

unité arbitraire

PRELIMINAIRE

2.8<E1+E2<3.2

Cu + natTe + 130Te

265 jours

Monte-CarloRadon

Données

E1+E2 (MeV)

Cu + natTe + 130Te

8

11.4 3.4

11.4 3.4

____

2.6 0.7

2

2.6 0.7

____

2.6<E1+E2<3.2 2.8<E1+E2<3.2

Analyse likelihood pour le 100Mo

3 variables utilisées pour le likelihood• Ec1+ Ec2 somme des énergies cinétiques des 2 e

• Ecmin énergie de l’e de plus petite énergie

• Cos angle entre les deux traces

Ec = Energie à la sortie de la feuille de 100Mo = Energie déposée dans le scintillateur (E) + correction des pertes dans le détecteur de traces

x est le parametre libreN

Ntot

L calculé avec des événements Ec1+Ec2>2 MeV

-

-

CosEc1

Ec2

E1

E2

!

Analyse likelihood de la du 100Mo

Ec1+Ec2 (keV)

Data

Monte-Carlo

RadonMonte-Carlo

100Mo 6914 g

216.4 days4.10 kg.y

PRELIMINAIRE

DonnéesMonte-CarloMonte-CarloRadonT1/2 = 3.5 1023

100Mo 6914 g

216.4 jours4.10 kg.ans

Ec1+Ec2 (keV)

Limite précedente V-A: T1/2() > 5.5 1022 années (Elegant V, Ejiri et al., 2001)

V-A: T1/2() > 3.5 1023 années (90% C.L.) V+A: T1/2 > 2.0 1023 années (90% C.L.)

-Log

(Lik

elih

ood)

x N

Ntot

Limite avant V-A: T1/2() > 9.5 1021 ans (NEMO-2) Arnold et al. Nucl. Phys. A636 (1998)

Analyse likelihood de la du 82SePRELIM

INAIRE

Données

Monte-Carlo

Monte-CarloRadon

82Se 932 g

216.4 jours0.55 kg.ans

Données

Monte-Carlo

Monte-CarloRadon

82Se 932 g

216.4 jours0.55 kg.ans

Ec1+Ec2 (keV) Ec1+Ec2 (keV)

V-A: T1/2() > 1.9 1023 ans (90% C.L.) V+A: T1/2 > 1.0 1023 ans (90% C.L.) Majoron: T1/2 > 1.2 1022 ans (90% C.L.)

Limite sur la masse effective du neutrino de Majorana,sur le Majoron et sur V+A

Limites sur T1/2 sont @ 90% C.L.

Limite sur le Majoron 100Mo: T1/2 > 1.4 1022 années < (5.3 – 8.5) 105 Simkovic (1999), Stoica (1999) 82Se: T1/2 > 1.2 1022 années < (0.7 – 1.6) 104 Simkovic (1999), Stoica (2001)

Limite sur V+A 100Mo: T1/2 > 2.0 1023 y < (1.5 – 2.0) 106 Tomoda (1991), Suhonen (1994) 82Se: T1/2 > 1.0 1023 y < 3.2 106 Tomoda (1991)

Simkovic et al., Phys. Rev. C60 (1999)Stoica, Klapdor, Nucl. Phys. A694 (2001)

Simkovic et al., Phys. Rev. C60 (1999)Stoica, Klapdor, Nucl. Phys. A694 (2001)Caurier et al., Phys. Rev. Lett. 77 1954 (1996)

Limite sur la masse effective du neutrino de Majorana 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

Mai 2004 : Tente entoure le détecteur

A(222Rn) au LSM ~ 15 Bq/m3

Septembre 2004 : Usine à purifier l’air du radon (comme dans

SuperKamiokande) Activité dans la tente : A(222Rn) ~ 0.3 Bq/m3

125 m3/h500 kg charbon @ -40oC

Système de purification anti-Radon installé

Radon était le bruit de fond dominant pour NEMO-3

Mai 2004

Facteur de purification obtenu dans la tente~50

Facteur ~ 10 trop élevé

Début du fonctionnement le 4 Octobre 2004 Au Laboratoire Souterrain de Modane

1 tonne charbon @ -50oC, 7 bars

Activité: A(222Rn) < 1 mBq/m3 !!!Flux: 125 m3/h

Usine de purification de l’air en radon

Après installation de la tente et del’usine anti-radon (charbon actif)

Activité en 222Rn entre février 2003 et septembre 2004 ~ 0.95 Bq

5.8 11.6 17.4 23.1 Temps (jours)

actuellement ~ 0.14 Bq (réduction d’un facteur ~ 7)

Plus que 1 evt/an de fond pour la du 100Mo < Nbdf dû à

Sensibilité attendue dans NEMO-3(apres purification en radon)

Bruit de fond : Bruit de fond externe est négligeable Bruit de fond interne :

208Tl : 100 Bq/kg pour 100Mo 300 Bq/kg pour 82Se214Bi : < 300 Bq/kg

~ 0.1 evt kg1 y 1 avec 2.8<E1+E2<3.2 MeV : T1/2 = 7.7 1018 années (SSD)

~ 0.3 evt kg1 y 1 avec 2.8<E1+E2<3.2 MeV

5 ans de prise de données

6914 g de 100Mo T1/2() 4 .1024 années (90% C.L.)m < 0.2 – 0.35 eV

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

CONCLUSIONS SUR NEMO3CONCLUSIONS SUR NEMO3 Le détecteur NEMO-3 prend des données depuis le 14 Fév. 2003

La performance attendue du détecteur a ete atteinte !

Résultats préliminaires pour 100Mo, 82Se, 96Zr, 116Cd and 150Nd déjà plus de 140 000 événements collectés 100Mo: le modele Single State Dominance (SSD) est favorisé la désintégration 100Mo vers l’état excité a été mesurée avec ~ 4

Limite Préliminaire T1/2() (216.4 jours de données):

• 100Mo (4.10 kg.ans) T1/2() > 3.5 1023 années m < 0.7 – 1.2 eV

• 82Se (0.55 kg.ans) T1/2() > 1.9 1023 années m < 1.3 – 3.6 eV

Niveaux de bruits de fond observés=attendus sauf Radon ~ 10 fois trop élevéSystème de purification de l’air en radon depuis Septembre 2004Déjà réduction d’un facteur ~7

Sensibilité attendue apres 5 ans apres la purification en radon

• 100Mo: T1/2() > 4 .1024 années m < 0.2 – 0.35 eV

• 82Se: T1/2() > 8 1023 années m < 0.65 – 1.8 eV

Un document a été écrit :

présentation au conseil scientifique de l’IN2P3 le 21 mars

OPTION CHOISIE PAR LES PHYSICIENS DE NEMO

pousser à fond la méthode de mesure à la NEMO

(détecteur tracko-calo), faire un programme de R&D de ~ 3 ans et voir quelles performances on

obtient

R&D sources

OBJECTIF : A(214Bi) < ~ 20 Bq/kgA(208Tl) < ~2 Bq/kg

non seulement enrichir et purifier les sources, mais aussi mesurer leur radiopureté

Pour 1kg, 2 Bq/kg donne 64 désintégrations/an !!!

sensibilité en 208Tl des détecteurs Germanium utilisés pour la mesure des sources de NEMO3 : 60 Bq/kg

But : atteindre un FWHM inférieur à 4% à 3 MeV (rappel : pour NEMO-3 9%)

R&D calorimétrie

Idée : rester avec des scintillateurs plastiques (pour garder le temps de vol) mais ameliorer la résolution

collaboration CEN Bordeaux Gradignan-LAL-Kharkov-Dubna déjà des résultats prometteurs en plus : des anglais travaillent sur des scintillateurs inorganiques

Une option : diminuer épaisseur de scintillateur pour collecter plus de photons produits par scintillation et séparer le tagging des de la mesure de l’énergie des e-

optimisation de la forme du scintillateur (petit bloc, grande barre lue par plusieurs PMs…)

sans doute également améliorer les performances du photomultiplicateur : scintillateur adapté à la géométrie des PMs, améliorer efficacité quantique

collaboration CEN Bordeaux Gradignan-Photonis

7% (source) (+) 4 % (calo) ~ 8 % (global)