Презентация на тему «Подземные низкофоновые эксперименты по поиску безнейтринного двойного бета-распада Ge-76 Heidelberg-Moscow и GERDA»

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

03.11.2010

2

Межпредметный семинар

03

11.2010

3

Межпредметный семинар

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)

03.11.2010

4

Межпредметный семинар

The Sudbury Neutrino Observatory

The INCO mine and the clean lab

The Sudbury Neutrino Observatory

03.11.2010

6

Межпредметный семинар

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

7

Межпредметный семинар

Подводные и подледные детекторы нейтрино высоких энергий

Байкальская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН

03.11.2010

8

Межпредметный семинар

Подводные и подледные детекторы нейтрино высоких энергий

Эксперимент NESTOR

03.11.2010

9

Межпредметный семинар

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

Река Баксан

Главный корпус БНО

Вход в тоннель, ведущий в подземные лаборатории

03.11.2010

12

Межпредметный семинар

Вход в штольню, ведущую в подземные помещения БНО

03.11.2010

13

Межпредметный семинар

Баксанская нейтринная обсерватория Ga-Ge нейтринный телескоп ИЯИ РАН

Подземный низкофоновый эксперимент SAGE Вид на реакторы с жидким галлием

03.11.2010

14

Межпредметный семинар

Двойной двух-нейтринный бета распад

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

Сохраняются: Энергия Эл. заряд q Барионное число B Лептонное число Le

03.11.2010

15

Межпредметный семинар

Разрешенные 2

– и 2?+ переходы ядер

2? – – переходы

2? – – переходы

2? – – переходы

2? + – переходы

2? + – переходы

2? + – переходы

2? + – переходы

2? + – переходы

2? + – переходы

142Ce ?142Nd

11,1

1414

46Ca?46Ti

0,0035

985

146Nd ?146Sm

17,2

61

48Ca ?48Ti

0,187

4272

148Nd ?148Sm

5,7

1928

70Zn ?70Ge

0,62

1001

150Nd ?150Sm

5,6

3367

76Ge ?76Se

7,8

2045

154Sm ?154Gd

22,6

1250

80Se ?80Kr

49,8

136

160Gd ?160Dy

21,8

1731

82Se ?82Kr

9,2

3005

170Er ?170Yb

14,9

655

86Kr ?86Sr

17,3

1249

176Yb ?176Hf

12,6

1077

94Zr ?94Mo

17,4

1148

186W ?186Os

28,6

489

96Zr ?96Mo

2,8

3350

192Os ?192Pt

41,0

408

98Mo ?98Ru

24,1

111

198Pt ?198Hg

7,2

1043

100Mo ?100Ru

9,6

3033

204Hg ?204Pb

6,9

414

104Ru ?104Pd

18,7

1301

232Th ?232U

100

850

110Pd ?110Cd

11,8

2014

238U ?238Pu

99,275

1146

114Cd ?114Sn

28,7

540

116Cd ?116Sn

7,5

2808

122Sn ?122Te

4,56

358

78Kr ?78Se

0,356

838

124Sn ?124Te

5,64

2278

96Ru ?96Mo

5,5

676

128Te ?128Xe

31,7

869

106Cd ?106Pd

1,26

738

130Te ?130Xe

34,5

2533

124Xe ?124Te

0,096

1024

134Xe ?134Ba

10,4

843

130Ba ?130Xe

0,106

534

136Xe ?136Ba

8,9

2481

136Ce ?136Ba

0,190

362

Переход

Природное содержание, %

Q, keV

Переход

Природное содержание, %

Q, keV

03.11.2010

16

Межпредметный семинар

Результаты измерений 2

2? распадов ядер

[http://arxiv.org/abs/hep-ph/0202264v1 Double Beta Decay. S.R. Elliott, P. Vogel]

03.11.2010

17

Межпредметный семинар

Двойной безнейтринный бета распад

Neutrinoless double beta decay 2?0?-decay

Если такой процесс происходит, то:

Лептонное число Le изменяется на 2! Нейтрино имеет свойства «майорановской» частицы: частица = античастице. Масса покоя нейтрино ? 0

Вся энергия распада передается двум электронам, и в эксперименте вместо широкого спектра должна наблюдаться узкая линия

03.11.2010

18

Межпредметный семинар

2?0? распад

Q??=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]

Figure 2. Example of the discovery potential of the 2? decay studies. The 2? distribution of 116Cd (with T2?1/2 = 3 ? 1019 years) overlaps the 0? peaks with half-life corresponding to (a) 6.7 ? 1023 years; (b) 1.6 ? 1025 years; and (c) 3.8 ? 1026 years. Correspondingly, the 0? peak with the amplitude M (the energy resolution at 2.8 MeV is FWHM = 4%) and the 2? spectrum meet at the relative height h/M for (a) 0.1; (b) 0.5; (c) 1.

03.11.2010

19

Межпредметный семинар

03

11.2010

20

Межпредметный семинар

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

побережье)

Хребет Гран Сассо Апеннины, Италия

Labratori nazionali del gransasso (LNGS), наземный комплекс

03.11.2010

21

Межпредметный семинар

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

22

Межпредметный семинар

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.

03.11.2010

23

Межпредметный семинар

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%

HMBB (Heidelberg-Moscow Double Beta Decay Experiment)

03.11.2010

24

Межпредметный семинар

Эксперимент «Гейдельберг- Москва»

Installation of the enriched detectors into the low level shielding

Hans Volker Klapdor-Kleingrothaus

03.11.2010

25

Межпредметный семинар

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

26

Межпредметный семинар

Эксперимент «Гейдельберг- Москва»

View of the first enriched 76Ge detector, with silicon cap surrounded by copper and lead shielding

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

03.11.2010

27

Межпредметный семинар

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, whereas electronics and data acquisition systems are upstairs.

03.11.2010

28

Межпредметный семинар

Результаты эксперимента «Heidelberg - Moscow»

2???

Energy, keV

03.11.2010

29

Межпредметный семинар

Результаты эксперимента «Heidelberg - Moscow»

Результат анализа: 2?2?- мода — ?1/2 = 1,1 х 10 21 лет 2?0?- мода — ?1/2 ? 1.9 х 10 25 лет H.V. (Hans Volker) Klapdor-Kleingrothaus & I.V. Krivosheina): Есть пик — 28.75±6.86 событий (4.2 ?) ?1/2 = (0.69?4.18) ? 1025 лет <mee> = (0.24?0.58) 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 f?r 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

30

Межпредметный семинар

Журнальная публикация 2006 г. о выделении 0

?? событий

03.11.2010

31

Межпредметный семинар

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

Krivosheina о выделении 0??? 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 Q?? on a 4.0, 5.2 and 6.0 ? 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 Q?? are found on a 6.6, 7.2 and 6.7 ? confidence level ((b), (d), (f), respectively): 7.39 ? 1.12, 7.50 ? 1.04 and 6.24 ? 0.93 events. [выделение ЛИ]

03.11.2010

32

Межпредметный семинар

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 < 0.09?0.29 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

33

Межпредметный семинар

Двойной безнейтринный бета распад GERDA experiment for search for

neutrinoless double-beta decay of Ge-76

03.11.2010

34

Межпредметный семинар

Двойной безнейтринный бета распад GERDA experiment Физический пуск

установки (inauguration) планируется ноябрь 2010 г.

03.11.2010

35

Межпредметный семинар

03

11.2010

36

Межпредметный семинар