Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato –...

Samuele Sangiorgio, Universita’ dell’Insubria, Como, Italy Relazione Attivita’ di Ricerca Dottorato – aa 2004/05

Relazione Scientifica DottoratoRelazione Scientifica Dottoratoanno accademico 2004/05anno accademico 2004/05

University of InsubriaUniversity of Insubria

Como - ItalyComo - Italy

INFNINFN

Milano - ItalyMilano - Italy

Samuele Sangiorgio

Tutore: prof. Andrea Giuliani

2/43Samuele Sangiorgio, Universita’ dell’Insubria, Como, Italy Relazione Attivita’ di Ricerca Dottorato – aa 2004/05

IL CONTESTO: CUORE e CUORICINOIL CONTESTO: CUORE e CUORICINO

SommarioSommario


RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVIRIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI»»

»»»»

PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUOREPERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE»»

CRIOGENIACRIOGENIA»»


La natura del neutrino:

• Neutrino di Dirac: caratterizzato dal numero leptonico L

• Neutrino di Majorana: caratterizzato dall’elicità H

Il Doppio Decadimento Beta (DDB)Il Doppio Decadimento Beta (DDB)

La massa del neutrino:

• valore assoluto della massa ?

• gerarchia delle masse ?

22permesso dalpermesso dalmodello standardmodello standard

00 possibile solo possibile solocon con di Majorana di Majorana

2200

02/1

1~

eemMGT

2200

02/1

1~

eemMGT

N

iieiiee mUm

1

2

N

iieiiee mUm

1

2

» Doppio Decadimento Beta 0» Doppio Decadimento Beta 0


La tecnica bolometricaLa tecnica bolometrica

termalizzazione completa in

tempi trascurabili

energia

bagno termico

conduttanza termica

cristallo assorbitore

termometro

La tecnica bolometrica:

temperature ~ mK

dielettrici e diamagnetici

Richieste sperimentali:Richieste sperimentali:

basso fondo e grandi masse

elevata risoluzione energetica

Principali vantaggi:Principali vantaggi:- alta risoluzione energeticaalta risoluzione energetica- ampia discrezionalita’ nella ampia discrezionalita’ nella nella scelta dei materialinella scelta dei materiali


I bolometri di CuoricinoI bolometri di Cuoricino

5 cm

Il segnale termico è misurato tramite un Termistore di Ge NTD

Sensore di temperatura

3 mm

3 mm

Cristallo Assorbitore

L’assorbitore è un cristallo 5x5x5 cm3 di TeO2 il quale contiene il

nucleo candidato 130Te


Cuoricino @ LNGSCuoricino @ LNGS

L’esperimento Cuoricino L’esperimento Cuoricino è è operante presso i operante presso i

Underground National Underground National Laboratory Laboratory - - Gran SassoGran Sasso

(L'Aquila)(L'Aquila)

la montagna fornisce una la montagna fornisce una schermatura contro i raggi cosmici schermatura contro i raggi cosmici pari a pari a 3500 m.w.e.3500 m.w.e.

Cuoricino ha una struttura a torre e contiene:

44 cristalli TeO2

5x5x5 cm3

18 cristalli TeO2

3x3x6 cm3

Massa attiva (ultimo run):Massa attiva (ultimo run):

~ 13 kg ~ 13 kg 130130TeTe

~ 6 x 10~ 6 x 102525 nuclei nuclei


Le Prestazioni di CuoricinoLe Prestazioni di Cuoricino

2615 keV 2615 keV 208208TlTlSpettro di calibrazione (Spettro di calibrazione (232232Th)Th)

RisoluzioneRisoluzioneenergeticaenergetica

(media)(media)@ 2615 keV@ 2615 keV

cristallicristalli5x5x5 cm5x5x5 cm33

~ 7.8±2.4 keV~ 7.8±2.4 keV

cristallicristalli3x3x6 cm3x3x6 cm33

~ 11.0~ 11.0±4.7±4.7 keV keV


I Risultati di CuoricinoI Risultati di Cuoricino

Risultati totali per vita media e Risultati totali per vita media e massa di Majorana (90% c.l.):massa di Majorana (90% c.l.):

TT1/21/200 ((130130Te) > 1.8 x 10Te) > 1.8 x 102424 y y

mm < 0.2 - 1.1 eV < 0.2 - 1.1 eV

Aggiornato 3 Aprile Aggiornato 3 Aprile 20052005

Aggiornato 3 Aprile Aggiornato 3 Aprile 20052005

Cuoricino sta acquisendo dati con successo da Aprile 2003 (MT = 5 kg y 130Te)

Fondo nella regione del (spettro anticoincidenza, solo cristalli 5x5x5 cm3) 0.18 0.01 c/keV/kg/y

218Tl

60Co


Il Futuro (prossimo): CUOREIl Futuro (prossimo): CUORE

19 torri tipo CUORICINO

C.U.O.R.E.Cryogenic Underground

Observatory for Rare Event

Array di ~1000 bolometriMassa: ~750 kg di TeO2

Esperimento di seconda generazione in quanto a sensibilità sulla massa del neutrino

CUORE è stato approvato e finanziatoCUORE dovrebbe iniziare a prendere dati nel 2009


RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVIRIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI

SommarioSommario



»»

»»




SensibilitàSensibilità::

Il problema della riduzione del fondoIl problema della riduzione del fondo

Le simulazioni MonteCarlo mostrano che la componente più pericolosa del fondo è dovuta a alpha e beta degradate in energia emesse dalle superfici affacciate al rivelatore >> riduzione di questo fondo di un fattore 10-100

» Migliorare la » Migliorare la qualità del qualità del

trattamento delle trattamento delle superficisuperfici

» Rivedere la struttura » Rivedere la struttura del rivelatore del rivelatore

minimizzando le minimizzando le superfici affacciatesuperfici affacciate

» Sviluppare » Sviluppare calorimetri calorimetri

“intelligenti” “intelligenti” (risoluz spaziale)(risoluz spaziale)

Possibili Possibili soluzionisoluzioni

b

TMF ~0

b

TMF ~0

Previsione (conservativa) per CUORE:Previsione (conservativa) per CUORE:

T = 10 anni - = 10 keV b = 0.01 c/(keV∙kg∙y)

MM: massa attiva: massa attiva b: fondob: fondoT: live timeT: live time : risoluz energ: risoluz energ

meV 13324

y 101.2 260

eem

F

meV 13324

y 101.2 260

eem

F


Bolometri Sensibili alla Superficie (BSS)Bolometri Sensibili alla Superficie (BSS)

=+

2cm

2cm 2cm

1.5 cm

1.5

cm

In questo modo la usuale tecnica delle anticoincidenze non è particolarmente utile in quanto un rilascio di energia in una parte di questo bolometro composito comporta un rialzo di temperatura di tutte le sue componenti.

Schermatura attiva del bolometro principale mediante un bolometro ausiliario

Idea innovativaIdea innovativa: gli schermi sono : gli schermi sono incollati direttamente sull’assorbitore incollati direttamente sull’assorbitore in modo da formare un singolo in modo da formare un singolo bolometro compositobolometro composito

Bolometro di GeBolometro di Ge Bolometro di TeOBolometro di TeO22 Bolometro compositoBolometro composito


BSS: Comportamento AttesoBSS: Comportamento Atteso

classic pulse

classic pulse

fast and high pulse

Bolometro con cristallo assorbitore di TeO2 e il suo termistore

+

Bolometro con wafer di Ge come assorbitore e il suo termistore

La presenza degli La presenza degli schermi modifica la schermi modifica la dinamica termica dinamica termica

del rivelatore dando del rivelatore dando origine a impulsi origine a impulsi

con forme e con forme e ampiezze differentiampiezze differenti

Punti di impatto Punti di impatto differenti differenti

implicano impulsi implicano impulsi diversi sui due diversi sui due

termistoritermistori

classic pulse


BSS: Discriminazione mediante scatter plotBSS: Discriminazione mediante scatter plot

Possibile discriminazione Possibile discriminazione mediante scatter plotmediante scatter plot

Comportamento supportato Comportamento supportato da simulazionida simulazioni


BSS: Setup SperimentaleBSS: Setup Sperimentale

run1run1 run2run2

termistori NTD

assorbitore principale TeO2

schermi attivi di Ge

Le facce schermate sono state esposte a particelle . La sorgente e’ stata ottenuta impiantando nuclidi 224Ra su dello scotch di rame affacciato al cristallo


BSS: Run con Silicio (PL)BSS: Run con Silicio (PL)

eventi di superficie nello

schermo di Si

eventi di bulk nell’assorbitore

di TeO2

eventi misti che rilasciano energia

sia nell’assorbitore

principale sia nello schermo


BSS: la scelta del materialeBSS: la scelta del materiale

Germanio ultrapuroGermanio ultrapuro

PROs:

- ottimo livello di purezza

Silicio ultrapuro (PL – IRST)Silicio ultrapuro (PL – IRST)

PROs:

- costo contenuto

TeOTeO22

PROs:

- Materiale gia’ noto

- Contrazioni differenziali

CONTRAs:

- elevato costo

CONTRAs:

- minor purezza

CONTRAs:

- Fragilita’ (h=500 μm)

- Incollaggio NTD


BSS: Discriminazione sulla forma dell’impulsoBSS: Discriminazione sulla forma dell’impulso

Distribuzione dei tempi di salita degli impulsi acquisiti dal termistore sullo schermo di Ge

“FAST” surface events

“SLOW” bulk events

Due classi di eventi:

In principio è possibile

identificare il tipo di evento

utilizzando solo il sensore sullo

schermo di Ge e la PSA


BSS: Discriminazione sui Decay TimeBSS: Discriminazione sui Decay Time

E’ possibile selezionare gli impulsi anche osservando il DECAY TIME degli impulsi sull’ASSORBITORE

PRINCIPALE

>> Evita la proliferazione dei canali di lettura e semplifica il

montaggio


BSS: Lettura in Parallelo degli SchermiBSS: Lettura in Parallelo degli Schermi

Ogni riga corrisponde ad uno schermo

RUN 9 TBT – TeO2 main + 2xSLAB TeO2RUN 9 TBT – TeO2 main + 2xSLAB TeO2


BSS: comportamenti “bizzarri” BSS: comportamenti “bizzarri”

RUN 11 TBT – TeO2 main + 2xSLAB Si-IRST RUN 11 TBT – TeO2 main + 2xSLAB Si-IRST


BSS: Test @ LNGSBSS: Test @ LNGS

SCOPO:SCOPO: bolometri in scala Cuoricino (5x5x5 cmbolometri in scala Cuoricino (5x5x5 cm33)) misure non affette da pile-upmisure non affette da pile-up

NB: NB: Nessun trattamento specifico per la Nessun trattamento specifico per la pulizia superficialepulizia superficiale



eventi nell’assorbitore

principale

eventi superficiali sugli schermi (letti in parallelo)

si identificano classi di eventi attribuibili a

particelle

Energia nel main (keV)

Am

pie

zza

ne

lle s

lab

[m

V]



Selezione impulsi con il DECAY TIME

sull’assorbitore principale


Am

pie

zza

ne

lle s

lab

[m

V]

De

cay

Tim

e [

ms]




RISULTATO ECCELLENTE !!RISULTATO ECCELLENTE !! ottimi risultati nella discriminazione del segnale mediante scatter plotottimi risultati nella discriminazione del segnale mediante scatter plot importante possiblita’ di discriminare efficacemente mediante DT sul mainimportante possiblita’ di discriminare efficacemente mediante DT sul main eccellente riduzione del fondo eccellente riduzione del fondo senza alcun accorgimento di puliziasenza alcun accorgimento di pulizia conoscenza dettagliata ancora da approfondire conoscenza dettagliata ancora da approfondire » RUN» RUN@@LNGS in preparazione LNGS in preparazione

misuramisura 2.7 – 3.2 MeV2.7 – 3.2 MeV[c/keV/kg/y][c/keV/kg/y]

3.2 – 3.4 MeV3.2 – 3.4 MeV[c/keV/kg/y][c/keV/kg/y]

CUORICINOCUORICINO(anticoinc, cristalli btb)(anticoinc, cristalli btb)

0.14 ± 0.020.14 ± 0.02 0.70 ± 0.070.70 ± 0.07

RADIOATTIVITA’RADIOATTIVITA’(anticoinc, 6 cristalli)(anticoinc, 6 cristalli)

0.14 ± 0.020.14 ± 0.02 0.49 ± 0.060.49 ± 0.06

LNGS BSS TESTLNGS BSS TEST(2 cristalli, DT cuts)(2 cristalli, DT cuts)

0.18 ± 0.200.18 ± 0.20[2.9 – 3.2 MeV][2.9 – 3.2 MeV]

0.51 ± 0.160.51 ± 0.16

MISURE DI FONDOMISURE DI FONDO

BSS utili per la BSS utili per la comprensione comprensione

del fondo del fondo

fondo ancora fondo ancora oggetto di oggetto di

studiostudio


SommarioSommario



»»





NTD per CUORE: il parametro TNTD per CUORE: il parametro T00

Il segnale termico è misurato con un termistore di Ge NTD

in regime di VRH:

Sensore di temperatura

106

104

102

20 120 200T [mK]

R [

]

3 mm

E’ la temperatura degli elettroni in quanto vale il modello Hot Electron: sperimentalmente si osserva una conduttanza termica finita tra gli elettroni e fononi (reticolo) del termistore

electrons

lattice

absorber

heat sink

Au wires

teflon

glue

e-ph

energy

Rete termica Rete termica »»»»

Domande :Domande :

- Esiste un valore ottimo per TEsiste un valore ottimo per T00??

- Che correlazione esiste tra TChe correlazione esiste tra T00 e G e Ge-phe-ph? Quanto incide questa ? Quanto incide questa correlazione sulle prestazioni del bolometro?correlazione sulle prestazioni del bolometro?

- Il TIl T00 e’ legato ad altri parametri del rivelatore? e’ legato ad altri parametri del rivelatore?

- CriticitCriticitàà di T di T00 sulle prestazioni del bolometro? sulle prestazioni del bolometro?

Le Le risposterisposte incidono su: incidono su:

» prestazioni complessive del bolometro» prestazioni complessive del bolometro

» tempi e modalita’ di produzione dei termistori» tempi e modalita’ di produzione dei termistori

Cuoricino usa Cuoricino usa NTD #31 NTD #31 ma non e’ mai stata fatta ma non e’ mai stata fatta alcuna ottimizzazione su alcuna ottimizzazione su valore di Tvalore di T00


RUN T0: possibili scenariRUN T0: possibili scenari

TypeType GeometryGeometry R0R0 T0T0

NTD 37NTD 37 3 x 3x1.5 mm3 x 3x1.5 mm33 1.201.20 4.324.32

NTD 31NTD 31 3 x 3x1 mm3 x 3x1 mm33 1.171.17 3.23.2

NTD 35BNTD 35B 3 x 3x1 mm3 x 3x1 mm33 2.062.06 2.62.6

T0 inferiore: valore di resistenza più basso alla stessa temperatura (quindi un minore rumore spurio)

disaccoppiamento elettrone-fonone meno marcato

possibilità di lavorare a temperature più elevate (segnali più veloci, stabilizzazione più facile, performance del criostato meno critiche – ma anche maggiore capacità termica del cristallo)

Rispetto al TRispetto al T00 dei termistori NTD#31 si puo’ pensare di usare dei termistori NTD#31 si puo’ pensare di usare

T [K]

R [

Ω]

T0 superiore:

low T0

NTD 31

high T0


RUN T0: setup sperimentaleRUN T0: setup sperimentale

Run T0Montaggio tipo Cuoricino con cristalli 5x5x5 cm3

Run info

Assemblaggio a Como

Misura effettuata nel criostato di SalaC LNGS

Problema con la temperatura di base » conduttanza tra holder e MC non ottimale » T~15 mK


RUN T0: misure staticheRUN T0: misure statiche

low T0NTD 31

high T0

I chip con alto T0 non sopportano un bias elevato

(NB: amp ~ Vbol)


RUN T0: misure staticheRUN T0: misure statiche

low T0

NTD 31

high T0

low T0

NTD 31

high T0

Si nota l’effetto del maggior

disaccoppiamento elettrone-fonone

all’aumentare del T0


RUN T0: misure dinamicheRUN T0: misure dinamiche

low T0

NTD 31

high T0

low T0

NTD 31

high T0

L’ampiezza degli impulsi degli NTD31 è

sempre maggiore


R&D Accoppiamenti TermiciR&D Accoppiamenti Termici

In CUORICINOIn CUORICINO

Incollaggio mediante gocce di colla epossidica a due componenti (Araldite)

spessore gocce ~ 50 μm

TeO2

3mm

Table-legs NTDsTable-legs NTDs

Utilizzare termistori NTD dotati di 4 piccoli piedistalli su cui applicare leggero strato di colla

Accoppiamento termistore - assorbitoreAccoppiamento termistore - assorbitore

Verifica proprietà termomeccaniche di questo accoppiamento, in particolare mantenere la stessa conduttanza termica delle gocce di colla

Verifica delle prestazioni bolometriche (forma degli impulsi, risoluzione,…)




Semplicità di incollaggio e buona

riproducibilità statica

Risultati dinamici paragonabili a quelli

con l’incollaggio standard

Ma: rottura del cristallo in

corrispondenza dei piedistalli




Grasso da vuotoGrasso da vuoto

Scarsa tenuta meccanica

Conduttanza termica non ben definita

Ampiezza e parametri di forma (DT, RT) molto simili



AttualmenteAttualmente

Utilizzo di martelletti di Teflon

Accoppiamento assorbitore – bagno termicoAccoppiamento assorbitore – bagno termico

Test 1Test 1

Utilizzo di stand-off di Germanio

Test 2Test 2

Incollaggio diretto al supporto di rame

Rottura del Rottura del cristallo!cristallo!

Probabile causa: Probabile causa: contrazioni differenzialicontrazioni differenziali Ge e Ge e TeO2 durante il raffreddamento TeO2 durante il raffreddamento » » test in LN2» » test in LN2

Test 3Test 3

Compensazione delle contrazioni 100 m

1 mm


»» CRIOGENIACRIOGENIA

SommarioSommario


CRIOGENIACRIOGENIA


»»

»»



Problematiche criogeniche in CUOREProblematiche criogeniche in CUORE

OBIETTIVI: Massa totale da raffreddare ~ 4ton Temperatura di base ~ 10 mK Materiali radiopuri Elevata affidabilità del sistema criogenico per lungo tempo Livelli di vibrazioni contenuti Massimizzare il tempo vivo di misura Elevato potere refrigerante

Attualmente [Cuoricino]Attualmente [Cuoricino]

Criostato a diluizione 3He-4He con bagno di 4He a 4K » refill periodici, rumore 1KPOT, costi elevati, sicurezza

Futuro [CUORE]Futuro [CUORE]

Precooling a 4K mediante Pulse Tube » LHe free MA vibrazioni e tempi raffreddamento da valutare


Un criostato LHe-free a ComoUn criostato LHe-free a Como

Criostato ALCriostato AL

Refrigeratore a diluizione con Pulse Tube precooling » no liquidi criogenici (LHe) Tbase = ~ 10 mK Ampio spazio sperimentale Risolti problemi con superfuga Blocco impedenza risolto con trappola LHe (test) e poi Gas Purifier

Gas Handling System

Criostato

Compressore PT

PT

CRIOSTATO di CRIOSTATO di PROSSIMA PROSSIMA

GENERAZIONEGENERAZIONE


Test criogenici del Criostato ALTest criogenici del Criostato AL

Run timingRun timing

PT cooling (300to4K): ~ 24-30 ore Rate e tempo di condensazione miscela: ~ 32h @ ~ 20 mbar/h Temperature di base sulla MC poche ore dopo la fine della condensazione

Misure di potere refrigeranteMisure di potere refrigerante

PPMCMC [[μμW]W]

TTMCMC [mK] [mK] PPMCMC [[μμW]W]

TTMCMC [mK][mK]

2020 23.523.5 200200 86.886.8

5050 40.340.3 400400 127127

100100 59.159.1 400*400* 115.5115.5

Pstill = 3 mW – *: Pstill = 5 mW

bolometro TeO2

CMN

Termometro NTD#31

Termometro RuO2

Punti Fissi [1.2K – 15mK]


Misure di rumore preliminariMisure di rumore preliminari

Vrms/√Hz

rumore indotto dal PT


Misure di rumore preliminariMisure di rumore preliminari

Vrms/√Hz

RUMORE MEDIO INTEGRATO:RUMORE MEDIO INTEGRATO:

~ 0.5 ~ 0.5 μμVrms [1 – 40 Hz]Vrms [1 – 40 Hz]

~ 0.3~ 0.3 μμVrms [1 – 12 Hz]Vrms [1 – 12 Hz]

LNGS: ~ 0.1-0.2 LNGS: ~ 0.1-0.2 μμVrms [1 – 12 Hz]Vrms [1 – 12 Hz]

Ampi margini di miglioramento del Ampi margini di miglioramento del setup sperimentale riducendo il setup sperimentale riducendo il

rumore sia meccanico sia elettricorumore sia meccanico sia elettrico


ConclusioniConclusioni

Partecipazione alle fasi di presa dati per l’esperimento Cuoricino ai LNGS in qualita’ di turnista esperto

Partecipazione alle fasi di programmazione, montaggio, avviamento, presa dati e analisi del RUN T0 in qualita’ di responsabile run

Partecipazione attiva alle serie di misure effettuate a Como riguardo nei progetti di R&D per CUORE (accoppiamenti termici, test BSS)

Partecipazione a tutte le fasi della misura di BSS ai LNGS

Realizzazione della campagna di test sul criostato AL a Como

Inserimento con successo all’interno del Working Group ANALISI DATI di Cuore » realizzazione del database delle misure per Cuoricino

Lavoro svolto:Lavoro svolto:

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