Sviluppo del sistema di acquisizione per Cuore e ricerca...

Sviluppo del sistema di acquisizione per Cuore e ricerca del doppio

decadimento su stati eccitati con Cuoricino

SERGIO DI DOMIZIO

DOTTORATO DI RICERCA IN FISICA

Genova, 31 marzo 2009

RelatoreProf. M. Pallavicini

Relatore esternoProf. F. Ferroni

31/3/2009 2Sergio Di Domizio

Sommario

● Doppio decadimento beta

● CUORE & CUORICINO

● Sistema di acquisizione per CUORE

● Ricerca del doppio decadimento beta su stati eccitati con CUORICINO


Domande Aperte sui Neutrini

➔I neutrini hanno massa➔esiste il mescolamento tra i sapori➔Quasi tutti gli elementi della matrice

di mescolamento sono noti➔I valori di m2 sono noti

➔la scala assoluta delle masse➔il segno di (gerarchia)➔se il neutrino sia una particella di

Dirac o di Majorana

mATM2

Cosa sappiamo sui neutrini Cosa vorremmo ancora scoprire

gerarchia diretta gerarchia inversa

?? ??


Neutrini di MajoranaSe il numero leptonico non fosse conservato il neutrino sarebbe un fermione neutro: descrivibile da un campo di Majorana

Sarebbe più naturale spiegare perchè la massa dei neutrini è così piccola

=≠

Meccanismo See-Saw L

N R

DIRAC MAJORANA


Doppio Decadimento Beta

A,Z A,Z22e−2

A, Z A, Z22e−

● Previsto dal Modello Standard● Osservato per diversi isotopi

● Non previsto dal Modello Standard● Richiede neutrino di Majorana● Mai osservato

2:

Il Doppio Decadimento Beta è un processo raro in cui un nucleo cambia numero atomico di due unità

0:


Contenuto Scientifico

0

=1

T 1/20

= GQ , Z ∣MNUCL∣2∣m∣

2= FN

∣m∣2

me2

m =∑miUei2

Elemento di Matrice Nucleare(sorgente d'incertezza teorica)

Spazio delle fasi

Gli esperimenti possono misurare il tempo di decadimento: T 1 /20

Massa effettiva di Majorana

L'esistenza del processo prova che:

➔Il numero leptonico non è conservato

➔I neutrini sono particelle di Majorana

può dare informazioni sulla gerarchia e sulla scala assoluta delle masse


Massa di Majorana

mass of lightest neutrino [eV]

m [

eV

]

arXiv:hep-ph/0606054

m = cos213 m1cos

212 m2e

2 i sin212 m3e2 isin213

fasi di Majorana

m1, m2 e m3 possono essere espresse in termini dei due valori di m2 e della massa del neutrino più leggero

due casi possibili, a seconda che valga la gerarchia diretta o inversa

Se osservato

Se non Osservato

Ricerca del doppio decadimento

Majorana

non è possibile trarre conclusioni


Esperimenti su

S0 ∝ a⋅ MtbE

Risoluzione energetica

Abbondanza isotopica

Massa del rivelatore

Tempo di misura

Conteggi di fondo

Segnatura sperimentaleL'energia emessa nel processo è suddivisa tra i due elettroni: riga monocromatica corrispondente all'energia disponibile nel decadimento (Q-value)

Sensibilità S0:tempo di decadimento corrispondente al minor numero di eventi osservabili al di sopra del fondo


Tecniche sperimentalidue tipi di esperimenti

sorgente rivelatore sorgente rivelatore

Buona risoluzione energetica

È facile aumentare la massa

Scarse informazioni sulla topologia dell'evento

Restrizioni nella scelta dei materiali

Risoluzione energetica limitata

È difficile aumentare la massa

Ricostruzione della topologia dell'evento

È possibile usare qualsiasi materiale (anche diversi materiali allo stesso tempo)


CUORE & CUORICINOrivelatori bolometrici per la ricerca del decadimento del 130Te

CUORICINO è una realizzazione di CUORE in piccola scala➔La presa dati è terminata nel 2008➔Ha dimostrato la fattibilità di CUORE➔Ha posto il miglior limite inferiore sul tempo di

decadimento del 130Te

SALA C

Gli esperimenti si trovano nei Laboratori sotterranei del Gran Sasso: la montagna è uno schermo naturale di 3400 m w.e. contro i raggi cosmici

Apparatocriogenico di R&D

SALA ACuore & Cuoricino

CUORE cercherà il decadimento nella zona di m corrispondente alla gerarchia inversa


Tecnica BolometricaPrincipio di funzionamento:

Sensore(termistore NTD)

AssorbitoreBagno termico: ~ 8 mK

Conduttanza termica

Rilascio di energia

T =EC

: Serve bassa temperatura e bassa capacità termica

C ~ 10-9 J/KT/E ~ 0.2 mK/MeV

Segnale ai capi del sensore: ~ 100 V / MeVR ~ 100 M (dR/dT)dR/dT ~ 100 k/K

misurare l'incremento di temperatura prodotto dall'energia rilasciata nell'assorbitore


I bolometri di CUORE

130Te● Alta abbondanza isotopica: 34% non è necessario l'arricchimento

● Q-value: 2530 keV, al di sopra di gran parte della radioattività naturale

CUORE e CUORICINO usano cristalli di TeO2: sorgente rivelatore

decadimento: 130Te 130Xe + 2e-

76Ge130Te

100Mo116Cd


CUORICINO

Interna:

Rivelatore:Una torre di 62 cristalli di TeO2

massa totale: 42 Kg (11.8 Kg in 130Te)

Refrigeratore a diluizione(punto più freddo ~ 8mK)

2 piani da 9 cristalli:●Massa: 330g●Dim: 3x3x6 cm3

●2 arricchiti in 128Te (82%)●2 arricchiti in 130Te (75%)

11 piani da 4 cristalli●Non arricchiti●Massa: 790g●Dimensioni: 5x5x5 cm3

Esterna:➔20cm di Pb➔20cm di Polietilene Borato➔Continuo flusso di azoto per

ridurre la contaminazione del Rn

Schermatura➔1cm Pb bassa attività

(A < 4 mBq/Kg in 210Pb)


Calibrazione3 giorni ogni mese: sorgente di 232Th

Risoluzione media: ~ 8 keV@ 2615keV


Risultati di CUORICINO

StatisticaM·t = 15.53 kg·y in 130Te

Fondo0.18 conteggi/keV/kg/y

> 3.1· 1024 y @90% C.L.T 1 /20

< 0.20 ÷ 0.68 eVm

(Elementi di matrice nucleare: Nucl. Phys. A 766 (2006) + erratum nuclth/0706.4304 )

60Co

0

Nessun segnale osservato

Phys. Rev. C 78 (2008)


CUORE

988 cristalli di TeO2

19 torri

13 piani per torre

52 cristalli per torre

Massa totale:741 Kg

130Te: 203 Kg

Cryogenic Underground Observatory for Rare Events

80cm


SENSIBILITÀ DI CUORERiduzione del fondo in CUORE(goal: 0.01 counts/keV/Kg/y)

mass of lightest neutrino [eV]

m [

eV

]

S 0 = 2.1⋅1026 y @ 90%C.L.

m 20÷100meV

Fondo esterno al criostato➔ miglioramento della schermatura

➔ Anticoincidenze

Fondo interno al criostato➔ Miglioramento nelle tecniche di

pulizia

➔ Assemblaggio dei rivelatori con approccio “zero-contact” per evitare la ricontaminazione

CUORE

In 5 anni:

CUORICINO


Fondo in Cuoricino

Contributi al fondo●60Co prodotto dai raggi cosmici: trascurabile●Fondo indotto dai muoni: trascurabile●Multi-Compton dal 208Tl (cont. di 232Th negli schermi del criostato): ~40%● degradate prodotte nelle superfici dei cristalli: ~10%

● degradate prodotte nelle superfici dei supporti in rame: ~50%

degradate

208Tl60Co

214Bi


< 0.1

< 0.1

< 0.01

< 0.3

< 0.1

< 0.01

< 0.01

Componente Fondo atteso [10-2 c/keV/kg/y]

ambientali

apparato

cont. interne cristalli

superfici cristalli

cont. interne rame

superfici rame ~ 2 ÷ 4

neutroni

muoni

Fondo in CUORE

Test nell'apparato di R&D di Sala C● Riduzione di un fattore ~4 sulle

contaminazioni superficiali dei cristalli

● Riduzione di un fattore ~2 sulle contaminazioni delle superfici in rame

Previsione per CUORE(goal: 10-2 c/keV/kg/y)


DAQ per CUORE

➔ Acquisizione di 1000 bolometri

➔ Integrazione con i sottosistemi dell'apparato

➔ Monitoraggio immediato della qualità della misura

➔ Automatizzazione delle procedure per lo start-up del rivelatore

● segnale differenziale di ampiezza compresa tra 0 V e 10 V

● banda in frequenza fino a ~12 Hz

● tempo di salita ~50 ms

● tempo di discesa ~300 ms

● durata dell'impulso ~5s

Caratteristiche dei segnali

Caratteristiche del sistema


Schede di acquisizioneSchede di acquisizione commerciali NI PXI-628x (National Instruments)

●Risoluzione 18 bit●Frequenza di campionamento fino a 500 kS/s●Input range -10 10 V●Segnali differenziali o unipolari●Analog input●Analog output●I/O digitale

La scheda si serve di un unico ADC preceduto da un multiplexer e da un circuito analogico per il condizionamento dei segnali


Struttura del sistema

rivelatori

Elettronicadi front-end

Filtri bessel

digitalizzazione

DataReader EventBuilder

PulserControllerMessage Logger

Daq ServerSlow Control

InterfacciagraficaSchede di

impulsatore

23Sergio Di Domizio31/3/2009

rivelatori


Filtri bessel

digitalizzazione





impulsatore

Configurazione Hardware

rivelatori


Filtri bessel

digitalizzazione

Schede diimpulsatore

Attraverso una resistenza in Si incollata su ciascun cristallo, impulsi elettrici di energia fissata sono inviati periodicamente sui rivelatori, per monitorarne le variazioni in guadagno (T=E/C)

Circuito di polarizzazione dei sensori, amplificazione dei segnali e aggiunta di una tensione di offset per ottenere un segnale nel range dalle schede di digitalizzazione

Filtro anti-aliasing: rimozione delle componenti del segnale superiori a qualche decina di Hz


rivelatori


Filtri bessel

digitalizzazione





impulsatore

Acquisizione dati

digitalizzazione

DataReader

Un DataReader per ogni crate di acquisizione

➔ Lettura dei dati dalle schede di DAQ

➔ ricerca di eventi

➔ salvataggio dei dati in continua


rivelatori


Filtri bessel

digitalizzazione





impulsatore

Costruzione degli eventi

EventBuilder

➔ Costruzione degli eventi triggerati

➔ Correlazione tra diversi canali

➔ Informazioni sulla tipologia dell'evento

➔ Semplice analisi per il monitoraggio della misura

➔ salvataggio dei dati in formato ROOT

Triggerprincipale

Triggersecondario


rivelatori


Filtri bessel

digitalizzazione





impulsatore

Slow Control

rivelatori


Filtri bessel

Slow Control

Schede diimpulsatore

Nasconde i dettagli di implementazione dei protocolli usati per la comunicazione con i vari dispositivi dell'apparato.

Permette di controllare:

➔ I parametri del circuito di polarizzazione dei rivelatori

➔ Il guadagno e la tensione di offset dell'elettronica di front-end

➔ La frequenza di taglio dei filtri bessel

➔ I parametri di configurazione delle schede di impulsatore

➔ Dispositivi di alimentazione

PulserController

Gestisce le schede di impulsatore: invia periodicamente sui rivelatori gli impulsi di calibrazione utilizzati per correggere off-line le variazioni del guadagno indotte dalle instabilità termiche dell'apparato


rivelatori


Filtri bessel

digitalizzazione





impulsatore

Interfaccia grafica

Interfacciagrafica

ultimoimpulso

spettro inampiezza

counting rate

oscilloscopio virtualecontrollo della misura


Prototipi ai LNGS

Apparato di R&D in Sala C● 48 canali di acquisizione● installazione di test: gennaio 2007● sistema usato stabilmente dalla

fine del 2007

Sistema di Sala A: Cuoricino● 80 canali di acquisizione● installazione in febbraio 2008, ultimi

mesi di presa dati di Cuoricino● utilizzo del sistema per I nuovi test

di radioattività per Cuore

Confronto con il vecchio sistema di acquisizione

Due prototipi del sistema di acquisizione sono stati installati presso gli apparati sperimentali dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso


Curve di caricomisura della curva corrente-tensione dei rivelatori

Il circuito di polarizzazione dissipa potenza sul sensore, innalzandone la temperatura: R = R(T)

zona lineare

punto di inversione


Grandezze misurabili

Offset Gain Bessel DAQSENSORE

RLOAD

VBIAS

V bol =V Out

− V Out−

2G

I bol =V BIAS − V bol

RLOAD

2 misure con tensione di polarizzazione opposta per eliminare possibili offset

La curva (Ibol, Vbol) si ottiene misurando Vout per diversi valori di VBIAS

Vout


Curve di carico: esempio


Test in Sala C

Misura manuale●Misura automatica – Run 342

Misura automatica – Run 386


2 su stati eccitati

Il doppio decadimento beta può avvenire anche su stati eccitati del nucleo figlio

2:

Oltre ai due elettroni è possibile rivelare i fotoni di diseccitazione

Segnatura sperimentale molto chiara: forte riduzione del fondo

osservato in 100Mo e 150Nd sullo stato eccitato 0+

0: mai osservato, ridotta sensibilità sperimentale a causa della riduzione nello spazio delle fasi

Ho cercato il decadimento 2 sullo stato eccitato 0+ dell'isotopo 130Xe con Cuoricino

e-

e-


Segnatura sperimentaleSpettro di Cuoricino a molteplicità 1 e 2

T 1 /2 =ln2⋅N⋅t⋅

c

Segnatura: picco a 1257 keV prodotto dalla diseccitazione dello 130Xe nello spettro di energia a molteplicità 2

efficienza dirivelazione

numero di conteggi osservati

tempo dimisuranumero di nuclei sorgente


Valutazione dell'efficienza

● 2 elettroni (0 keV < Esomma < 736.5 keV)● (E=1257.41 kev)● (E=536.09 keV)

Eventi simulati: 120000

Spettro simulato

Il processo studiato è stato simulato nel rivelatore di Cuoricino

Picco ricercato

Picco gaussiano a 1257 keV + fondo piatto

=conteggi sotto il picco

numero di eventi simulati

Valutazione dell'efficienza


Selezione degli eventi

Energia rilasciata nei singoli cristalli● Un cristallo “vede” il da 536 keV e i due elettroni (526 keV < E < 1283 keV)● L'altro cristallo “vede” il da 1257 keV (1230 keV < E < 1280 keV)

eventi a molteplicità 2

energia totale < 2540 keV(energia disponibile + 10 keV per risoluzione)

distanza tra il centro dei due cristalli < 10.7 cm(accetta > 90% degli eventi simulati)

E1,2

accettati

scartati

Dist

TotE

M2


Spettro attorno a 1257 keV

simulazione

cuoricino

Stessi tagli applicati alla simulazione e ai dati di cuoricino


Eccesso di eventi a 1253 keV

Picco prodotto dalla fuga singola del da 1764 keV emesso nel decadimento del 214Bi

Parte degli eventi attorno al picco è in coincidenza con eventi tra 500 e 520 keV

Abbassando a 500 keV la soglia del taglio E2 (istogramma viola) appare un eccesso di eventi attorno a 1253 keV


1173.24 keV 1332.5 keV

Risoluzione energeticaLa risoluzione energetica è stata valutata sui picchi prodotti dai due emessi nel decadimento del 60Co

= 1.6 keV = 2.1 keV


Procedura di fitLimite sul numero di conteggi ottenuto con il metodo di massima verosimiglianza

2 parametri liberi● Ampiezza del picco● Livello di fondo

Esempio di fit sui dati di Cuoricino (tagli M2+TotE+Dist+E 1,2)

➔tagli M2 e M2+TotE+Dist: gaus(1253) + gaus(1257) + fondo piatto

➔tagli M2+TotE+Dist+E1,2: gaus(1257) + fondo piatto

Modello utilizzato


Procedura di fitEsempio di fit sui dati di Cuoricino (taglio M2)

3 parametri liberi● Ampiezza del picco a 1253 keV● Ampiezza del picco a 1257 keV● Livello di fondo


Risultati

T 1 / 2 =ln2⋅N⋅t⋅

c

M2 4.98% < 18.74.56% < 20.73.00% < 5.7

M2 + TotE + Dist

M2 + TotE + Dist + E1,2

tagli Conteggi (90%C.L.)efficienza

statistica analizzata

N×t = 1.07 x 1025 y

Limite sul tempo di dimezzamento

> 3.4· 1022 y @90% C.L.T 1 / 2

> 1.4· 1022 y @90% C.L.T 1 / 2Caso peggiore

Caso migliore

Il miglior limite in letteratura è

Barabash et al,, Eur. Phys. J. A11, pp 143-145, (2001)

> 2.3 · 1021 y @90% C.L.T 1/2


CONCLUSIONI

Durante il dottorato ho collaborato agli esperimenti Cuore e Cuoricino, occupandomi in particolare dei seguenti argomenti:

● Ho sviluppato e testato il sistema di acquisizione per Cuore, anche con misure bolometriche

● Ho portato avanti un'analisi sul doppio decadimento beta su stati eccitati con i dati di Cuoricino

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