ИССЛЕДОВАНИЕ ДВОЙНОГО БЕТА-РАСПАДА В ЭКСПЕРИМЕНТЕ NEMO-3. А.С. Барабаш 1), В.Б. Бруданин 2) (коллаборация NEMO) 1) Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва 2) Объединенный институт ядерных исследований, Дубна

21/06/ NEMO NEMO-3 Collaboration ( Neutrino Ettore Majorana Observatory) 60 physicists, 17 labs

КОЛЛАБОРАЦИЯ NEMO-3 CENBG, IN2P3-CNRS et Université de Bordeaux, France IReS, IN2P3-CNRS et Université de Strasbourg, France LAL, IN2P3-CNRS et Université Paris-Sud, France LPC, IN2P3-CNRS et Université de Caen, France LSCE, CNRS Gif sur Yvette, France IEAP, Czech Technical University, Prague, Czech Republic Charles University, Prague, Czech Republic INL, Idaho Falls, USA ITEP, Moscou, Russia JINR, Dubna, Russia JYVASKYLA University, Finland MHC, Massachusets, USA Saga University, Japan UCL London, UK FMFI, Comenius University, Bratislava, Slovakia

Built for aup experiment (proton decay) in Laboratoire Souterrain de Modane COMMISSARIAT À LÉNERGIE ATOMIQUE DIRECTION DES SCIENCES DE LA MATIÈRE 4700 m.w.e

3 m 4 m B (25 G) 20 sectors Source : 10 kg of isotopes cylindrical, S = 20 m 2, 60 mg/cm 2 Tracking detector : drift wire chamber operating in Geiger mode (6180 cells) Gas: He + 4% ethyl alcohol + 1% Ar + 0.1% H 2 O Calorimeter : 1940 plastic scintillators coupled to low radioactivity PMTs Magnetic field: 25 Gauss Gamma 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

Детектор после сборки

Radon purification facility Running since Oct. 4th, 2004 in FréjusUnderground Lab. 1 ton -50 o C, 7 bars Flux: 150 m 3 /h Activity of 222 Rn : Before Facility = 15 Bq/m 3 After Facility < 15 mBq/m 3

100 Mo kg Q = 3034 keV decay isotopes in NEMO-3 detector 82 Se kg Q = 2995 keV 116 Cd 405 g Q = 2805 keV 96 Zr 9.4 g Q = 3350 keV 150 Nd 37.0 g Q = 3367 keV Cu 621 g 48 Ca 7.0 g Q = 4272 keV nat Te 491 g 130 Te 454 g Q = 2529 keV measurement External bkg measurement search (All enriched isotopes produced in Russia)

Основные параметры детектора Энергетическое разрешение – 14-17%/E [Е – МэВ] Временное разрешение – 250 пс (Е е = 1 МэВ) Пространственное разрешение: В ячейке: - поперечное – 0.6 см - продольное – 1.1 см Восстановление вершины: - поперечное – 0.5 см - продольное – 0.8 см

100 Mo foil Transverse view Longitudinal view Run Number: 2040 Event Number: 9732 Date: Geiger plasma longitudinal propagation Scintillator + PMT Deposited energy: E 1 +E 2 = 2088 keV Internal hypothesis: ( t) mes –( t) theo = 0.22 ns Common vertex: ( vertex) = 2.1 mm Vertex emission ( vertex) // = 5.7 mm Vertex emission Transverse view Longitudinal view Run Number: 2040 Event Number: 9732 Date: 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 ( 214 Bi 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 100 Mo events selection in NEMO-3

РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА УСТАНОВКЕ NEMO-3

(Phase I: Feb – Dec. 2004) T 1/2 = (stat) 0.54 (syst) y 100 Mo 2 2 result 7.37 kg.y Cos( ) Angular Distribution events 6914 g 389 days S/B = 40 NEMO Mo E 1 + E 2 (keV) Sum Energy Spectrum events 6914 g 389 days S/B = 40 NEMO Mo Background subtracted Data 2 Monte Carlo Data 2 Monte Carlo Background subtracted Phys. Rev. Lett. 95 (2005)

Decay to the excited 0 + state (1130keV) of 100 Ru T 1/2 = (stat) 0.8 (syst) y Nuclear Physics A781 (2006) Decay to the excited 0 + ( 100 Mo 2nbb ) NEMO 3 Phase I Direct Observation With all the particles detected on the final state

Other nuclei: results of the ββ2 measurements 932 g, 389 days 2750 events S/B = 4 82 Se 150 Nd 130 Te NEMO-3 E 1 + E 2 (MeV) 133 events S/B days 7g NEMO-3 48 Ca 96 Zr NEMO days S/B g

Summary of 2νββ results IsotopeS/B (2νββ), y 100 Mo 40 (7.11 ± 0.02(stat)±0.54(syst))·10 18 (SSD favoured) * 100 Mo(0 + 1 ) 3 ( (stat) )±0.8(syst))·10 20 ** [NPA 781 (2006) 209] 82 Se 4 (9.6± 0.3(stat)±1.0(syst))·10 19 * 116 Cd 7.5 (2.8± 0.1(stat)±0.3(syst))·10 19 ** 130 Te 0.35 (6.9± 0.9(stat)±1.0(syst))·10 20 *** 150 Nd 2.8 ( (stat)±0.63(syst))·10 18 *** [PRC 80 (2009) R] 96 Zr 1.0 (2.35± 0.14(stat)±0.16(syst))·10 19 *** [ ] 48 Ca 6.8 ( (stat)±0.4(syst))·10 19 *** * Phase 1 data, Phys. Rev. Lett. 95 (2005) Additional statistics are being analysed, to be published soon. ** Phase 1 data. *** Phases 1 and 2, preliminary.

MCLIMIT : [2.0, 3.2] eV 18 events excluded Total mean 0ν efficiency = T 1/2 (0vββ) > C.L. < 0.45 – 0.93 eV Data until the end of 2008 [2.8, 3.2] MeV: Data: 20 events, Expected: 18.6 events Excluded at 90% C.L. 9.6 events Efficiency = Both simple counting and likelihood methods are consistent 0vββ of 100 Mo

MCLIMIT : [2.0, 3.2] MeV 9.8 events excluded Total mean 0v efficiency = T 1/2 (0νββ) > C.L. < 0.89 – 1.61 eV [2.6, 3.2] MeV: Data: 15 events, Expected: 13.2 events Excluded at 90% C.L. 8.9 events Efficiency = vββ of 82 Se Data until the end of 2008

Summary of 0νββ results No evidence for non conservation of the leptonic number Current limits on 0νββ (at 90% C.L.): NME references: [1] M.Kortelainen and J.Suhonen, Phys.Rev. C 75 (2007) (R) [2] M.Kortelainen and J.Suhonen, Phys.Rev. C 76 (2007) [3] F.Simkovic, et al. Phys.Rev. C 77 (2008) [4] V.A. Rodin et al. Nucl.Phys. A 793 (2007) 213 [5] V.A. Rodin et al. Nucl.Phys. A 766(2006) 107 [6] J.H.Hirsh et al. Nucl.Phys. A 582(1995) 124 [7] E.Caurrier et al. Phys.Rev.Lett 100 (2008) IsotopeExposure (kg·y) T 1/2 (0νββ), y m ν, eV [NME ref.] 100 Mo26.6> 1.1 · < 0.45 – 0.93 [1-3] 82 Se3.6> 3.6 · < 0.9 – 1.6 [1-3]; < 2.3 [7] 150 Nd0.095> 1.8 · < 1.7 – 2.4 [4,5] ;< 4.8 – 7.6 [6] 130 Te1.4> 9.8 · < 1.6 – 3.1 [2,3] 96 Zr0.031> 9.2 · < 7.2 – 19.5 [2,3] 48 Ca0.017> 1.3 · < 29.6 [7]

Лучшие современные результаты по поиску безнейтринного двойного бета-распада ЯдроT 1/2, лет, эВ QRPA, эВ SM Эксперимент 76 Ge > (?) (?) > < (?) (?) < < 0.75CUORICINO 100 Mo > < NEMO Xe > < < 2.2DAMA 82 Se > < < 2.3NEMO Cd > < < 1.8SOLOTVINO

V+A *n=1 **n=2 **n=3 **n=7 ** Mo > g ee > > Se > > g ee > > * 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

Результаты по поиску майорона для 96 Zr и 150 Nd n = 1n = 2n = 3n = 7 96 Zr [1] 1.9·10 21 < ( )· · · · Nd [2] 1.5·10 21 < ( 1.7-3)· · · ·10 19 [1] Nucl-ex/ [2] Phys. Rev. C 80 (2009) R.

Ближайшие планы: Набор данных до ~ 2011 г. 0 -мода: Доведение чувствительности до: ~ (1.5-2)·10 24 лет для 100 Мо ( ~ эВ); ~ 6-7·10 23 лет для 82 Se ( ~ эВ) 2 -мода: Прецизионное изучение процесса в 7-ми ядрах Майорон: Доведение чувствительности до: ~ 5·10 22 лет для 100 Мо ( ~ (3-6)·10 -5 ) Исследование SSD механизма Поиск «бозонных» нейтрино

Дополнительные слайды

Sector interior view isotope foils scintillators PMT calibration tube cathode rings wire chamber Calibration source 207 Bi 2e– (IC) lines ~0.5,~1 MeV 90 Sr 60 Co

USA MHC INL (U Texas) Japan U Saga KEK U Osaka France CEN Bordeaux IReS Strasbourg LAL ORSAY LPC Caen LSCE Gif/Yvette UK UCL U Manchester Imperial College Finland U Jyvaskyla Russia JINR Dubna ITEP Moscow Kurchatov Institute Ukraine INR Kiev ISMA Kharkov Czech Republic Charles U Praha IEAP Praha Marocco Fes U Slovakia (U. Bratislava) ~ 90 physicists, 12 countries, 27 laboratories Spain U Valencia U Saragossa U Barcelona SuperNEMO Collaboration Poland U Warsaw

Possible location : LSM current laboratory Demonstrator to be placed in NEMO3's current location Full SuperNEMO detector in a new cavity (extension finished on 2012) 21/24 A m 3 extension

Single sub-module with ~7 kg of isotope ~20 sub-modules for 100+ kg of isotope surrounded by shielding Very preliminary design

Эффективность 18 % ~ 30 % NEMO-3 SuperNEMO 7 кг кг Масса изотопа M Изотоп 100 Mo 82 Se Внутренние загрязнения 208 Tl and 214 Bi в фольге 208 Tl < Бк/кг 214 Bi < 300 Бк/кг 208 Tl < Бк/кг 214 Bi < 10 Бк/кг T 1/2 ( ) > (1.5-2) · y < 0.3 – 0.7 eV T 1/2 ( ) >(1-2)·10 26 y ~ meV Чувствительность Энергетическое разрешение FWHM (калориметр) 3МэВ R&D: 1) источник 3) Чистота мат. 2) Энерг. разрешение 4) Трекинг От NEMO-3 к SuperNEMO

SuperNEMO Demonstrator (1 st module) MAIN GOALS : To demonstrate the feasibility of large scale detector with requiered performance (efficiency, energy resolution, radiopurity, …) To measure the radon background To finalize detector design To produce competitive physics measurement : T 1/2 (ββ0ν) > 6.5 x years < 210 – 570 meV with 7 kg of 82 Se after ~ 2 years of demonstrator data taking 20/24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Частично обработаны данные с установки NEMO-3: а) Зарегистрирован 2 -распад для всех 7-ми изотопов (с регистрацией всех параметров распада); получены наиболее точные значения Т 1/2. б) Получены лучшие ограничения на 0 -распад для 100 Мо, 82 Se, 96 Zr и 150 Nd; для 100 Мо предел составило 1.1·10 24 лет ( < эВ). с) Получены лучшие ограничения на все типы распада с испусканием майорона. 2. Набор данных на установке NEMO-3 продолжается. Все результаты будут улучшены. Для 100 Мо чувствительность будет доведена до ~ (1.5-2)·10 24 лет ( < эВ). 3. Разработан проект эксперимента SuperNEMO. Начало создания «демонстратора» г. В полном объеме SuperNEMO начнет работать в г. Чувствительность - ~ (1-2) ·10 26 лет.