П оиск безнейтринного двойного бета-распада 76 Ge ....
description
Transcript of П оиск безнейтринного двойного бета-распада 76 Ge ....
1
ППоиск безнейтринного двойного бета-распадаоиск безнейтринного двойного бета-распада 7676GeGe..Проект Проект GERDAGERDA..
Кирпичников И. В.Кирпичников И. В., ИТЭФ, ИТЭФ
Germany,Italy,Russia,Poland, Belgium, China, Switzerland
95 physicists,17 institutions
Russia: KI, ITEP, INR, JINR
2
ПРОЕКТ ПРОЕКТ GERDA GERDA
Целью проекта GERDA является создание установки нового поколения и поиск безнейтринного двойного бета-распада 76Ge.
2
Основная концепция экспериментаОсновная концепция эксперимента: :
сборка кристаллов из обогащённого до 8сборка кристаллов из обогащённого до 866 % % 7676GeGe помещается помещается в криостат с жидким аргоном. Минимум конструкционных в криостат с жидким аргоном. Минимум конструкционных материалов.материалов.
3
Достоинства Ge детекторов
Источник (Ge-76) = = детектор (HP Ge)Возможность изготовлениядетекторов большой массы
Высокая эффективность регистрации (около 100%)независимо от массыдетектора
Очень чистый исходный материал
Низкий собственный фон
Рекордное разрешение (ΔЕ ~ 4 кэв)
Максимальная чувствительность.Нет фона 2b2nu-распада
Высокое обогащение 7.7 % 86 %
Lim T1/2 ~ k·(M·ε·t / B·∆E)1/2
M – масса мишени, к – содержание активного изотопа (%%) , ε – эффективность детектора, В – уровень фона (соб.кэв кг год), ∆E – разрешение детектора, t – время измерений
4
Детекторы из обогащённого Ge
Detector Mass, g HV,V Status
Enriched
ANG 1 958 3500 Operatig in GERDA
ANG 2 2833 4000 Operating in GERDA
ANG 3 2391 3000 Operating in GERDA
ANG 4 2372 3000 Operating in GERDA
ANG 5 2746 1800 Operating in GERDA
RG 1 2110 4500 Operating in GERDA
RG 2 2166 4000 Operating in GERDA
RG 3 2087 3300 Operating in GERDA
total 17.663
5
Коллаборации Гайдельберг-Москва во главе с Клапдором объявила в 2001 году о наблюдении 2b0nu-распада .
Ettore Fiorini, TAUP-2005, Ettore Fiorini, TAUP-2005, Zaragoza, September 12, 2005Zaragoza, September 12, 2005::
Claim: 4.2σ evidence for 0νββ Best fit: 1.19 x10**25 y PSA analysis (MPLA21,2006):
(2.23 + 0.44 – 0.31)x10**25 y (6σ)
6
GERDA: GERDA: Фазы экспериментаФазы эксперимента
ФАЗА I: 17.6 кг обогащенного Ge (86% Ge-76) 8 детекторов экспериментов H-M и IGEX3 года измерений, если фон ~ 10-2 cts/(keVkgyr) (проверка резудьтатов группы H-M) Начало – осень 2010, Gran Sasso T1/2 > 3 x 1025 yr <m> < 270 meV
ФАЗА II: около 40 кг обогащенного Ge (85% Ge-76) 8 детекторов экспериментов H-M и IGEX (17.9 кг) + (25-30) кг детекторов из обогащенного Ge типа BEGe.
Если фон = 10-3 cts/(keVkgyr) T1/2 > 1.5 1026 yr в течении 3 лет измерений
<m> < 110 meV
6
7
Схема установкиСхема установки
Размеры криостата:Ø4 м, h=6 м
Объём 70 куб.м.Криостат установленвнутри бака с водой.
Размеры бака:Ø10 м, h=~9 м
Объём 630 куб.м.
Установка размещенав LNGS,
1400 м под землёй(3800 мвэ)
7
8
9
10
Общий вид Общий вид GeGe-детектора и сборки -детектора и сборки детекторов в детекторов в IIйй ФАЗЕ эксперимента ФАЗЕ эксперимента GERDAGERDA..
10
11
2010-2011 гг. Тестовые измерения.Детекторы,
использованные при тестовых измерениях.
Test.doc Детекторы использовавшиеся при тестовых измерениях
детектор
полная масса,грамм
содерж.Ge-76,%%
рабочеенапряж.,
вольт
GTF45 2.312 7.9 3000
GTF32 2.321 7.9 3000
GTF112 2.957 7.9 3000
7.590
RG1 2.110 85 4500
ANG4 2.372 85 3000
RG2 2.166 85 4000
6.648
12
Начало измерений осень 2010: неожиданно большой фон Ar-42.
13
Тестовые экспозиции 2011 года
position top Middle bottom
R12,gtf 30.68 d 13.02-16.03.11 Norm gtf45 gtf32 Gtf112
R14,enr 7.1 d 21.08-28.08.11 50 cm high Rg1 Ang4 Rg2
R15,enr 16.02 d 30.06-25.07.11 Norm Rg1 Ang4 Rg2
R16, enr 8.9 d 1.08-10.08 Norm Rg1 Ang4 Rg2
R16, gtf 8.9 d 1.08-10.08 70 cm high gtf32 gtf45 gtf112
R17 enr 6.0 d 11.08-17.08 Norm Rg1 Ang4 Rg2
R17 gtf 6.0 d 11.08-17.08 70 cm high gtf32 gtf45 gtf112
R18 enr 6.0 d 17.08-22.08.11 Norm Rg1 Ang4 Rg2
R18 gtf 6.0 d 17.08-22.08.11 Norm gtf32 gtf45 gtf112
R19, enr 2.8 d 25.08-28.08.11 80 cm high gtf32 gtf45 gtf112
R20, enr 6.7 d 31.08-6.09.11 120 cm high Rg1 Ang4 Rg2
R20, gtf 6.7 d 31.08-6.09.11 - 25 cm low gtf32 gtf45 gtf112
R21, enr 13.65 d 5.09-19.09.11 60 cm high Rg1 Ang4 Rg2
R21, gtf 13.65.d 5.09-19.09.11 - 25 cm low gtf32 gtf45 gtf112
R22,enr 15.73 d 19.09-16.10.11 - 25 cm low Rg1 Ang4 Rg2
R22,gtf 15.73 d 19.09-16.10.11 - 25 cm low gtf32 gtf45 gtf112
14
Установка мини-экрана (minishroud) : цилиндр из 50 мк медной фольги диаметром 115 мм и высотой 45 см. Экран заземлён. На внешней поверхности детекторов +(3-4) кв.
15
Эффект мини-экрана
16
Фон : 79 дней измерений с необогащёнными Ge-76.
Недостатки – продолжение достоинств. Предельно малый уровень фона означает предельно большое время измерений для точной его
оценки.
17
Первые измерения с детекторами из обогащённого германия.
Спектр в области 2b2nu-распада
18
Эффект мини-экрана в области ожидаемого 2b0nu-эффекта
(детекторы из природного Ge,79 дней измерений).
19
Измерения с обогащёнными детекторами.
<1950-2150 keV>BI=0.045 events/kev kg year
3 детектора (1 струна)36.9 дней
RUN 15-18, 36.9 d
00,20,40,60,8
11,2
19
51
20
01
20
51
21
01
energy, MeV
ev
en
ts / 2
ke
V
2037 keV
20
RUN 22, 15.3 d
00.5
11.5
22.5
16
01
17
01
18
01
19
01
20
01
21
01
22
01
23
01
24
01
25
01
26
01
27
01
28
01
29
01
energy,MeV
ev
en
ts / 2
ke
V
2037 k eV
Измерения с обогащёнными детекторами. Недостатки – продолжение достоинств. Предельно малый уровень фона означает предельно большое время измерений для точной его оценки.
1 событие в 200 кэв интервале (1950-2150).Формально <BI>=0.018 соб/кэв кг год
21
Монтаж полной сборкиИзмерения начаты 9 ноября 2011 г.
22
Первые результаты с полной сборкой (12 дней)Измерения начаты 9 ноября 2011 г.
total counts between 1939 and 2139 keV
Detector 0: 1 Detector 1: 0 Detector 2: 0 Detector 3: 0 Detector 4: 0 Detector 5: 1 Detector 6: 0 Detector 7: 0 Detector 8: 0 Detector 9: 1 Detector 10: 0
BI ---> 0.012 ev / keV*kg*y
BI ---> 0.018 ev / keV*kg*y
Mass of enriched Ge detectors: 17.671 kgMass of natural Ge detectors: 7.59 kg
23
Одновременно с работами с детекторами основной установки GERDA проводились исследования возможности подавления фона путём регистрации сцинтилляций в жидком аргоне на установке LArGe-test facility. Получены впечатляющие результаты.
24
Подавление Комптона от пика 2.615 Мэв превышает 5000. Рассматривается возможность применении метода в 1-ой фазе эксперимента.
25
Подготовка 2-ой фазы эксперимента.
1. Закуплены 37 кг обогащённого германия 2. Идёт процесс выращивания кристаллов.3. Все детекторы будут изготовлены к концу 2012 года ( типа BEGe)
26
1. Монтаж установки GERDA завершён летом 2010 года.2. С осени 2010 года на установке ведутся тестовые измерения. Все узлы установки работают стабильно.3. Неожиданно высокий фон Ar-42 (К-42) удалось значительно снизить. В области 2b2nu-эффекта фон Ar-42 (К-42) составляет около 8% от измеренного спектра. Вклад других источников фона мал.4. Фон в области 2b0nu-эффекта измерянный при помощи детекторов из природного германия составляет 0.074 соб/кэв кг год. Оценка этого фона для детекторов из обогащённого германия показала что его величина существенно ниже ( 0.01-0.02 соб/кэв кг год ). 5. 1 ноября начаты измерения в полной геометрии (8 детекторов из обогащённого германия).6. Ведётся подготовка 2-ой фазы: а) закуплены и прошли дополнительную очистку 37 кг обогащённого германия б) начато выращивание кристаллов Ge-76 в) все новые детекторы будут изготовлены до конца 2012 года (типа BEGe)7. Проверена система оптического подавления фона
итоги
27
28
Gerda-EXO
Ge. M=17.6 ε=100 % B=0.04 ∆E=5 keVLim T1/2 = k·(M·ε·t / B·∆E)1/2= k· (17.6·1·t / 0.04·5) ½ = 8.4· k·t
Xe. M=63 ε= 0.65 B=0.004 ∆E=200 keVLim T1/2 = k·(M·ε·t / B·∆E)1/2= k· (63·0.65·t / 0.004·300) ½ = 4.8 · k·t
29
Matrix elements
30
2b0nu-распад?
31
Klapdor data
Klapdor data
02468
1012141618
2001
2006
2011
2016
2021
2026
2031
2036
2041
2046
2051
2056
2061
energy, keV
even
ts \
keV
FULL
SSE
sse ss
Klapdor data
02468
1012141618
2001
2006
2011
2016
2021
2026
2031
2036
2041
2046
2051
2056
2061
energy , keV
even
ts /
keV
FULL
SSE
low cut
32
Lim T1/2 = k·(M·ε·t / B·∆E)1/2
M – масса мишени, к – содержание активного изотопа, ε – эффективность детектора, В – уровень фона (соб /кэв кг год), ∆E – разрешение детектора, t – время измерений
Почему германий ?
33
34
ПРОЕКТ ПРОЕКТ GERDA GERDA
Целью проекта GERDA является создание установки нового поколения и поиск безнейтринного двойного бета-распада 76Ge. Обнаружение и исследование безнейтринного двойного бета распада (20-распад) представляет физикам уникальную возможность выхода за рамки Стандартной Модели Электрослабого Взаимодействия. Существование процесса означает нарушение лептонного числа, наличие у нейтрино массы и его майорановскую природу. Обнаружение осцилляций нейтрино показало, что нейтрино является массивной частицей. Однако вопрос о природе нейтрино, абсолютной шкале и иерархии масс остаётся открытым. 34