СОВРЕМЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДВОЙНОМУ БЕТА-РАСПАДУ

А.С. Барабаш

Институт теоретической и экспериментальной физики

План доклада

Введение Лучшие сегодняшние

эксперименты (NEMO-3, CUORICINO)

Эксперименты следующего поколения

Заключение

I. Введение 0+ _______ ////// 100Tc 0+_______ /////// 100Mo

0+ ______ 2+ ______ 0+ _____ ////// 100Ru

Qββ= 3.033 MeV

100Mo 100Ru + 2e-

100Mo 100Ru + 2e- + χ0

100Mo 100Ru + 2e- + 2ν

Experimental signature:

2 electronsE1+ E2 =Q

NEUTRINOLESS DOUBLE BETA DECAY

Безнейтринный двойной бета-распад тесно связан со следующими фундаментальными аспектами физики элементарных частиц:

- несохранение лептонного числа; - ненулевая масса нейтрино и ее природа (Dirac or Majorana?); - существование правых токов в электрослабом взаимодействии; - существование майорона; - структура хиггсовского сектора; - суперсимметрия; - тяжелое стерильное нейтрино; - существование лептокварков.

Осцилляционные эксперименты Нейтрино имеет массу!!!

Однако, осцилляционные эксперименты не могут решить вопрос о природе массы (Dirac or Majorana? ) и не дают информацию об абсолютной шкале масс (так как измеряется m2).

Эта информация может быть получена в экспериментах по изучению 2-распада

<m> = Uej2 eijmj

Двойной бета-распад чувствителен не только к массе нейтрино, но и значениям элементов матрицы смешивания и к значениям СР фаз j.

Чем интересны эксперименты по 2β-распаду?

Несохранение лептонного числа (L=2) Природа массы нейтрино (Dirac or Majorana?). Абсолютная шкала масс (величина или предел на m1). Тип иерархии (нормальная, обратная, квази-вырожденная). CP нарушение в лептонном секторе.

Лучшие современные результаты по поиску безнейтринного двойного бета-распада

Ядро T1/2, лет <m>, эВ

QRPA’07

<m>, эВ

SM’07

Эксперимент

76Ge > 1.91025

≈ 1.21025 (?)≈ 2.21025(?)> 1.61025

< 0.22-0.41≈ 0.28-0.52 (?)≈ 0.21-0.38(?)<0.24-0.44

< 0.69≈ 0.87 (?)≈ 0.64(?)< 0.75

HMPart of HMPart of HM’06IGEX

130Te >31024 < 0.34-0.57 < 0.75 CUORICINO

100Mo >5.81023 < 0.81-1.28 - NEMO

136Xe >4.51023 < 1.41-2.67 < 2.2 DAMA

82Se >2.11023 < 1.40-2.17 < 3.4 NEMO

116Cd >1.71023 < 1.45-2.76 < 1.8 SOLOTVINO

2(0) decay

DBD and neutrino mass hierarchy

Degenerate: can be tested

Inverted: can be tested by next generation of 2 experiments.

Normal: inaccessible (new approach is needed)

Двухнейтринный двойной бета-распад

Второй порядок по слабому взаимодействию Прямое измерение ЯМЭ! - Единственная возможность проверки качества расчетов ЯМЭ !!!; - gpp (параметр QRPA модели ЯМЭ(0)!)

Очень важно измерить этот тип распада для

многих ядер и различных процессов (2-, 2+, K+, 2K, возбужденные состояния) с хорошей точностью.

Двухнейтринный двойной бета-распад В настоящее время 2(2) зарегистрирован в

11 ядрах: 48Ca, 76Ge, 82Se, 96Zr, 100Mo, 116Cd, 128Te, 130Te,

150Nd, 238U; [130Ва – 2К(2)]

Для 100Mo and 150Nd 2(2) переход на 0+ возбужденное состояние тоже зарегистрирован

Главная цель: прецизионное изучение этого распада

II. Современные эксперименты

NEMO-3 и CUORICINO Другие эксперименты (TGV, Баксан, DAMA, COBRA, ИТЭФ-TPC, возбужденные состояния,…)

CuoricinoCuoricino

11 modules4 detectors each

Dimension: 5x5x5 cm3

Mass: 790 g

11 modules4 detectors each

Dimension: 5x5x5 cm3

Mass: 790 g

2 modules 9 detectors each,

Dimension: 3x3x6 cm3

Mass: 330 g

2 modules 9 detectors each,

Dimension: 3x3x6 cm3

Mass: 330 g

Total mass40.7 kg

Total mass40.7 kg

Cuoricino result on Cuoricino result on 130130Te Te nn decay decay

Anticoincidence background spectrum the bb-0nregion

CLy %90100.3 240

2/1

CLy %90100.3 240

2/1

CLeVm %9075.034.0 CLeVm %9075.034.0

Maximum Likelihood flat background + fit of 2505 peak

b = 0.18 ± 0.01 c/keV/kg/y b = 0.18 ± 0.01 c/keV/kg/y

Total statistic 11.8 kg (130Te) × yTotal statistic 11.8 kg (130Te) × y

Cou

nts

Energy [keV]

60Co sum peak60Co sum peak0-DBD peak @2530.3 keV0-DBD peak @2530.3 keV

(NME: MEDEX07 + SM07)

Чувствительность эксперимента CUORICINO за 3 года измерений

T1/2 ~ 5·1024 лет <mν> ~ 0.26-0.58 эВ

Что еще? 1) 2 распад 130Те; 2) 2 распад на 0+

возбужденное состояние

3 m

4 m

B (25 G)

20 sectors Source: 10 kg of isotopes cylindrical, S = 20 m2, 60 mg/cm2

Tracking detector: drift wire chamber operating in Geiger mode (6180 cells)Gas: He + 4% ethyl alcohol + 1% Ar + 0.1% H2O

Calorimeter: 1940 plastic scintillators coupled to low radioactivity PMTs

Magnetic field: 25 GaussGamma shield: Pure Iron (18 cm)Neutron shield: borated water (~30 cm) + Wood (Top/Bottom/Gapes between water tanks)

The NEMO3 detector Fréjus Underground Laboratory : 4800 m.w.e.

Able to identify e, e, and

Sector interior view

isotope foils

scintillators

PMT

calibration tube

cathode rings wire chamber

Calibration source

207Bi 2e– (IC) lines ~0.5 ,~1 MeV 90Sr 60Co

100Mo 6.914 kg Q= 3034 keV

decay isotopes in NEMO-3 detector

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

measurement

External bkg measurement

search (All enriched isotopes produced in Russia)

100Mo foil

100Mo foil

Transverse view

Longitudinal view

Run Number: 2040Event Number: 9732Date: 2003-03-20

Geiger plasmalongitudinalpropagation

Scintillator + PMT

Deposited energy: E1+E2= 2088 keVInternal hypothesis: (t)mes –(t)theo = 0.22 nsCommon vertex: (vertex) = 2.1 mm

Vertexemission

(vertex)// = 5.7 mm

Vertexemission

Transverse view Longitudinal view

Run Number: 2040Event Number: 9732Date: 2003-03-20

Criteria to select events:• 2 tracks with charge < 0• 2 PMT, each > 200 keV• PMT-Track association • Common vertex

• Internal hypothesis (external event rejection)• No other isolated PMT ( rejection)• No delayed track (214Bi rejection)

Trigger: at least 1 PMT > 150 keV

3 Geiger hits (2 neighbour layers + 1)

Trigger rate = 7 Hz events: 1 event every 2.5 minutes

Typical 2 event observed from 100Mo

events selection in NEMO-3

(Phase I: Feb. 2003 – Dec. 2004)

T1/2 = 7.11 0.02 (stat) 0.54 (syst) 1018 y

100Mo 22 result

7.37 kg.y

Cos()

Angular Distribution

219 000 events6914 g

389 daysS/B = 40

NEMO-3

100Mo

E1 + E2 (keV)

Sum Energy Spectrum

219 000 events6914 g

389 daysS/B = 40

NEMO-3

100Mo

Background subtracted

• Data22 Monte Carlo

• Data22 Monte CarloBackground subtracted

Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 182302

932 g389 days

2750 eventsS/B = 4

48Ca

82Se

82Se T1/2 = 9.6 0.3 (stat) 1.0 (syst) 1019 y

116Cd T1/2 = 2.8 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

48Ca T1/2 = 3.9 0.7 (stat) 0.6 (syst) 1019 y

130Te T1/2 = 7.6 ± 1.5 (stat) ± 0.8 (syst) 1020 y (new!)

100Mo-

100Ru(0+1) T1/2 = 5.7+1.3

-0.9 (stat) ± 0.8 (syst) 1020 y

Background subtractedBackground subtracted

22 results with other nuclei results with other nuclei

NEMO-3 is 2(2)-decay factory!!!

534 days, 454 g of 130Te

109 events607 events

background subtracted

130Te (preliminary)

Other interesting results using information obtained with 2-decay of 100Mo

SSD mechanism is confirmed for 2 decay of 100Mo [Phys.At.Nucl. 69(2006) 2090]

“Bosonic” properties of neutrino1) is checked:

- pure “bosonic” neutrinos are excluded;

- conservative upper limit sin2 <0.6 is obtained [A.S. Barabash, A.D. Dolgov, R. Dvornicky, F. Simkovic and A.Yu. Smirnov, Nucl.Phys. B 782 (2007) 90. ]

1) A. Dolgov and A. Smirnov, PL B621 (2005) 1

Single electron spectrum100Mo)

T1/2 = 7.11 0.02 (stat) 0.54 (syst) 1018 yPhys. Rev. Lett. 95 (2005) 182302

SSD model confirmed

HSD, higher levels contribute to the decay

SSD, 1 level dominates in the decay (Abad et al., 1984, Ann. Fis. A 80, 9)

100Mo

0

100Tc

1

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

Single electron spectrum different between SSD and HSD

Esingle (keV)

SSD simulation

HSD

5,01 кg.yE1 + E2 > 2 МeV

2/ndf = 254 / 42

SSD

2/ndf = 42,3 / 42

5,01 кg.yE1 + E2 > 2 МeV

The normalized distribution of the total energy of two electrons 100Mo(0+

g.s. ) 100Ru(0+g.s.)

[A.S. Barabash, A.D. Dolgov, R. Dvornicky, F. Simkovic and A.Yu. Smirnov, Nucl.Phys. B 782 (2007) 90. ]

Large admixture of bosonic is excluded: sin2 < 0.6

100Mo, Phase I + II, 693 days

expected in 2009: T1/2 > 2 x 1024 (90 % CL)

<m> < 0.4 – 0.7 eV

T1/2 > 5.8 x 1023 (90 % CL) <m> < 0.8 – 1.3 eV

82Se ,Phase I + II, 693 days

T1/2 > 2.1 x 1023 (90 % CL)

<m> < 1.4-2.2 eV

T1/2 > 8 x 1023 (90 % CL)

<m> < 0.7-1.1 eV

Collaboration decided to perform blind analysis with mock data Plan to open the box and update the results ~ summer 2008

and once again at the end of the experiment ~ early 2010.

00 search ( search (L = 2L = 2))

V+A * n=1 ** n=2 ** n=3 ** n=7 **

Mo >3.2∙1023

<1.8∙10-

6

>2.7∙1022 gee<(0.4-

1.8)∙10-4

>1.7∙1022 >1.0∙1022 >7∙1019

Se >1.2∙1023 2.8∙10-6

>1.5∙1022 gee<(0.7-

1.9)∙10-4

>6∙1021 >3.1∙1021 >5∙1020

* PI+PII data** PI data, R.Arnold et al. Nucl. Phys. A765 (2006) 483

best limits

n: spectral index, limits on half-life in years

Majorons and V+A currents

III. Эксперименты следующего поколения

Основная цель: достижение чувствительности ~ 0.01-0.1 эВ Стратегия: - исследование нескольких изотопов (>2-3) ; - использование разных методик

Эксперименты, которые будут реализованы в ближайшие ~5-10 лет

CUORE (130Te, низкотемпературный детектор)

GERDA (76Ge, HPGe детектор) MAJORANA (76Ge, HPGe детектор) EXO (136Xe, TPC + Ba+) SuperNEMO (82Se, 150Nd, трековый

детектор)

(NME from MEDEX’07 and SM’07)

Experiment nucleus mass (kg) status start T1/2(y) <m> eV Location Expected bkg

(cts/keV/y/kg)

CUORE 130Te 200 accepted + R&D ~2011 2.1· 1026 0.04-0.09 Gran Sasso 0.01 ~2011 6.5· 1026 0.02-0.05 Gran Sasso 0.001

GERDA 76Ge 40 accepted + R&D ~2009 2 1026 0.07-0.21 Gran Sasso 0.001

1000 ~2011 6·1027 0.01-0.04 0.00025·MAJORANA 76Ge 60 R&D ~2009 1.6·1026 0.08-0.24 SNO 0.00025

1000 R&D ~2011 6·1027 0.01-0.04

EXO 136Xe 200 accepted + R&D ~2008 6.4·1025 0.12-0.18 WIPP 0.0006

1000 ~2011 2·1027 0.02-0.033 10-6

SuperNEMO 82Se ~ 100-200 R&D ~2011 2 1026 0.04 –0.11 LSM, Can Franc 10-5

150Nd

SUMMARY TABLE

Резонансный ЕСЕС(0) захват R. Winter, Phys. Rev. 100 (1955) 142 на возбужденное состояние М. Волошин, Г. Мицельмахер, Р. Эрамжян, Письма в

ЖЭТФ, 32 (1982) 530 на основное состояние J. Bernabeu, A. De Rujula, C. Jarlskog, Nucl. Phys. B 223

(1983) 15) теоретически исследован 112Sn (предсказан

фактор усиления ~ 106! ) Z. Sujkowski and S. Wycech, Phys. Rev. C 70 (2004)

052501 реанимировали идею

Изотопы-кандидаты

Ядро A,% M, кэВ E*, кэВ EK EL2

74Se 0.89 1209.7±2.3 1204.2(2+) 11.1 1.2378Kr 0.35 2846.4±2.0 2838.9(2+) 12.6 1.4796Ru 5.52 2718.5±8.2 2700(?) 20 2.86106Cd 1.25 2770±7.2 2741.0(1,2+) 24.3 3.33112Sn 0.97 1919.5±4.8 1871.0(0+) 26.7 3.73130Ba 0.11 2617.1±2.0 2608.4(?) 34.5 5.10136Ce 0.20 2418.9±13 2399.9(1+,2+

2392.1(1+,2+

37.4 5.62

162Er 0.14 1843.8±5.6 1745.7(1+) 53.8 8.58

Первые эксперименты

74Se T1/2(0;L1L2) > 5.5·1018 y

(A.S.B. et al., Nucl. Phys. A (2007) 371)

112Sn T1/2(0;KK) > 1.6·1018 y

(COBRA Collaboration, nucl-ex/0709.4342)

Показана возможность увеличения чувствительности до ~ 1026 лет (<m> < 0.1 эВ)

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Серьезные успехи достигнуты в изучении 2-распада (NEMO-3).

2. Современный консервативный экспериментальный предел на <mν> из экспериментов по поиску 2β-распада составляет ~ 0.75

эВ.

3. NEMO-3 и CUORICINO будут продолжать набор данных до ~ 2010 года и достигнут чувствительности ~ (0.3-0.6) эВ.

4. GERDA-I, MAJORANA-I, CUORE-0, SuperNEMO-I и EXO-200 – первые результаты появятся в 2009-2010 г. (<mν> ~ 0.1-0.2 eV в ~ 2012 г.)

5. Новое поколение экспериментов позволит достичь чувствительности

к <mν> на уровне ~ (0.01-0.1) эВ в ~ 2012-2015 г.

Дополнительные слайды

Used five 76Ge crystals, with a total of 10.96 kg of mass, and 71 kg-years of data.1/2 = 1.2 x 1025 y (4.2 σ)0.24 < m < 0.58 eV (± 3 sigma)(NME from Eur. Lett. 13(1990)31)

A Recent Claim

There are some problems with this result:

Klapdor-Kleingrothaus H V, Krivosheina I V, Dietz A and Chkvorets O, Phys. Lett. B 586 198 (2004).

1) Only one measurement. 2) Only ~4σ level (independent analysis gives even ~ 2.7σ).3) In contradiction with HM’01 and IGEX.4) Moscow part of Collaboration: NO EVIDENCE.5) 214Bi peaks are overestimated. 6) “Total” and “analyzed” spectra are not the same.

“2β community”: very conservative reaction

In any case new experiments are needed, which will confirm (or reject) this result

Mod.Phys.Lett. A21(2006)1547

Old data, new pulse shape anal.1/2 = 2.23+0.44

-0.31 x 1025 y (6 σ) m = 0.32 ± 0.03 eV n = 11±1.8 events where is a statistical error?! non-correct peak position?!

Recommended values for half-lives:Recommended values for half-lives:

• 48Ca - (4.2 +2.1-1.0)1019 y

• 76Ge – (1.5 0.1)1021 y

• 82Se – (0.92 0.07)1020 y

• 96Zr – (2.0 0.3)1019 y

• 100Mo – (7.1 0.4)1018 y • 100Mo – 100Ru (0+

1) – (6.2+0.9

-0.7)1020 y

• 116Cd – (3.0 0.2)1019 y

• 128Te(geo) – (2.5 0.3)1024 y

130Te(geo) – (0.9 0.1)1021 y • 150Nd - (7.8 0.7)1018 y

• 150Nd – 150Sm (0+1) –

(1.4+0.5-0.4)·1020 y

• 238U(rad) - (2.0 0.6)1021 y

ECEC(2):

• 130Ba(geo) - (2.2 0.5)1021 y

The half-life of 130Te has been a long-standing mystery:

Geochemical experiments: (26 ± 2.8) x 1020 years (Kirsten 83) (27 ± 1) x 1020 years (Bernatowicz 93)

(7.9 ± 1) x 1020 years (Takaoka 96) ~8 x 1020 years (Manuel 91)

Difference between ‘old’ and ‘young’ ores due to time dependence of constants..? [A.S.B. JETP Lett. 68 (1998) 1]

Using geochemical ratio of 82Se/130Te and present half-life value for 82Se from direct experiments:

(9 ± 1) x 1020 years (recommended value, A.S.B. 2001) Direct measurement: [6.1 ± 1.4 (stat)+2.9

-3.4 (syst)] x 1020 years (Arnaboldi 2003)

CUORE

70 cm

Array of 988 crystals: 19 towers of 52 crystals/tower.

M = 0.78 ton of TeO2

Search for 0 DBD of 130TeQ = 2529 keVNatural isotopic abundance [130Te] = 34.08%Therefore, isotopic enrichment is unnecessay

Phases of GERDA Phase I: Use of existing 76Ge-diodes from Heidelberg-Moscow

and IGEX-experiments 17.9 kg enriched diodes ~15 kg 76Ge Background-free probe of KKDC claim

Phase II: Adding new segmented diodes (total: ~40 kg 76Ge) Demonstration of bkg-level <10-3 counts/(kg·keV·y)

If KKDC claim not confirmed: Goal: O(1 ton) experiment in worldwide collaboration

(cooperation with Majorana)

GERDA design

Cleanroom Lock

Water tank (650 m3 H2O)

Cryostat (70 m3 LAr)

GERDA design

Germanium-detector array

Vacuum-insulated double wall stainless steel cryostat

Additional inner copper shield

Liquid argon

GERDA sensitivity

assumed energy resolution:

E = 4 keV

Background reduction!!!

phase II

phase I KKDC claim

Phases and Physics reach of GERDA world-wide collaboration for Phase-III; coop. with MAJORANA started

Phase-II

Phase-III

Phase-I

10-1/(keV·kg·y)

10-2/(keV·kg·y)

10-3/(keV·kg·y) 6·1027

EXO (Enriched Xenon Observatory)USA-RUSSIA-CANADA

136Xe → 136Ba++ + 2e- (E2β = 2.47 MeV)

Main idea is: to detect all products of the reaction with good

enough energy and space resolution (M.Moe PRC 44(1991)931)

1 ton EXO

- Liquid (gas) Xe TPC + Ba+ tagging- 1 ton of 136Xe (80% enrichment)- ΔE/E(FWHM) = 3.8% at 2.5 MeV

(ionization and scintillation readout)- Background (5 y) = 1 event- Sensitivity (5 y): 2·1027 y ( <mν> ~

0.05-0.08 eV)

EXO-200 (without Ba+ tagging) 200 kg of 136Xe (80% enrichment) – exist! Possible location: WIPP (USA) ΔE/E(FWHM) = 3.8% at 2.5 MeV (ionization

and scintillation readout) Background (5 y) = 40 events Sensitivity (5 y): 6.4·1025 y ( <mν> ~ 0.25-

0.47 eV) Is under construction now (at Stanford) Start of measurements: in ~ 2008

SuperNEMO preliminary design

Plane geometry

Top view Side view

Source (40 mg/cm2) 12m2, tracking volume (~3000 channels) and calorimeter (~1000 PMT)

Modular (~5 kg of enriched isotope/module)

5 m

1 m

4 m

100 kg: 20 modules ~ 60 000 channels for drift chamber ~ 20 000 PMT

From NEMO-3 to SuperNEMO

NEMO-3 SuperNEMO

T1/2() >(2- 4)·1024 y<m> < 0.2 – 0.9 eV

T1/2() > 2·1026 y<m> < 40 – 110 meV

Sensitivity

7 kg 100MoT1/2() = 7·1018 y

100 kg 82SeT1/2() = 1020 y

Mass of isotope

Energy resolution(FWHM of the )

FWHM ~ 12% at 3 MeV(dominated by calorimeter ~ 8%)

FWHM ~ 6% at 3 MeV(dominated by source foil)

Efficiency() = 8 %poor energy resolutione backscattering on scintillator

() ~ 40 %

Internal contaminations in the source foils in 208Tl and 214Bi

214Bi < 300 Bq/kg208Tl < Bq/kg

214Bi < 10 Bq/kg208Tl < Bq/kg

Background ~ 2 cts / 7 kg / y

(208Tl, 214Bi) ~ 0.5 cts/ 7 kg /y+ (208Tl,214Bi)

≤ 1 cts/ 100 kg /y

Conceptual Design of 57 Crystal Module

• Conventional vacuum cryostat made with electroformed Cu• Three-crystal tower is a module within a module• Allows simplified detector installation & maintenance• Low mass of Cu and other structural materials per kg Ge

CapCap

Tube (0.007” wall thickness)Tube (0.007” wall thickness)

Ge(62mm x 70 mm)Ge(62mm x 70 mm)

Tray(Plastic, Si, etc)Tray(Plastic, Si, etc)

Cold PlateCold Plate

1.1 kg Crystal 1.1 kg Crystal

Thermal Shroud

Vacuum jacketVacuum jacket

Cold Finger

Bottom Closure1 of 19 Towers

40 cm x 40 cm Cryostat