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 + _______ ////// 100 Tc 0 + _______ /////// 100 Mo 0 + ______ 2 + ______ 0 + _____ ////// 100 Ru Q ββ = MeV 100 Mo 100 Ru + 2e Mo 100 Ru + 2e - + χ Mo 100 Ru + 2e - + 2ν

Experimental signature: 2 electrons E1 + 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 m 2 ). Эта информация может быть получена в экспериментах по изучению 2-распада = U ej 2 e i j m j 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 m 1 ). Тип иерархии (нормальная, обратная, квази-вырожденная). CP нарушение в лептонном секторе.

Лучшие современные результаты по поиску безнейтринного двойного бета-распада ЯдроT 1/2, лет, эВ QRPA07, эВ SM07 Эксперимент 76 Ge > (?) (?) > < (?) (?) < < 0.75CUORICINO 100 Mo > < NEMO 136 Xe > < < 2.2DAMA 82 Se > < < 3.4NEMO 116 Cd > < < 1.8SOLOTVINO

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 !!!; - g pp (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: 48 Ca, 76 Ge, 82 Se, 96 Zr, 100 Mo, 116 Cd, 128 Te, 130 Te, 150 Nd, 238 U; [ 130 Ва – 2К(2)] Для 100 Mo and 150 Nd 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,…)

Cuoricino 11 modules 4 detectors each Dimension: 5x5x5 cm 3 Mass: 790 g 11 modules 4 detectors each Dimension: 5x5x5 cm 3 Mass: 790 g 2 modules 9 detectors each, Dimension: 3x3x6 cm 3 Mass: 330 g 2 modules 9 detectors each, Dimension: 3x3x6 cm 3 Mass: 330 g Total mass 40.7 kg Total mass 40.7 kg

Cuoricino result on 130 Te n decay Anticoincidence background spectrum the bb-0n region Maximum Likelihood flat background + fit of 2505 peak b = 0.18 ± 0.01 c/keV/kg/y Total statistic 11.8 kg ( 130 Te) × y Counts Energy [keV] 60 Co sum peak 0 -DBD keV (NME: MEDEX07 + SM07)

Чувствительность эксперимента CUORICINO за 3 года измерений T 1/2 ~ 5·10 24 лет ~ эВ Что еще? 1) 2 распад 130 Те; 2) 2 распад на 0 + возбужденное состояние

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

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

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)

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

(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)

932 g 389 days 2750 events S/B = 4 48 Ca 82 Se 82 Se T 1/2 = (stat) 1.0 (syst) y 116 Cd T 1/2 = (stat) 0.3 (syst) y 150 Nd T 1/2 = (stat) 1.0 (syst) y 96 Zr T 1/2 = (stat) 0.2 (syst) y 48 Ca T 1/2 = (stat) 0.6 (syst) y 130 Te T 1/2 = 7.6 ± 1.5 (stat) ± 0.8 (syst) y (new!) 100 Mo- 100 Ru(0 + 1 ) T 1/2 = (stat) ± 0.8 (syst) y Background subtracted 2 results with other nuclei 2 results with other nuclei NEMO-3 is 2 (2 )-decay factory!!!

534 days, 454 g of 130 Te 109 events 607 events background subtracted 130 Te (preliminary)

Other interesting results using information obtained with 2 -decay of 100 Mo SSD mechanism is confirmed for 2 decay of 100 Mo [Phys.At.Nucl. 69(2006) 2090] Bosonic properties of neutrino 1) is checked: - pure bosonic neutrinos are excluded; - conservative upper limit sin 2

Single electron spectrum 100 Mo) T 1/2 = (stat) 0.54 (syst) y Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 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) 100 Mo Tc 1 Simkovic, J. Phys. G, 27, 2233, 2001 Single electron spectrum different between SSD and HSD E single (keV) SSD simulation HSD 5,01 кg. y E 1 + E 2 > 2 МeV 2 /ndf = 254 / 42 SSD 2 /ndf = 42,3 / 42 5,01 кg. y E 1 + E 2 > 2 МeV

The normalized distribution of the total energy of two electrons 100 Mo(0 + g.s. ) 100 Ru(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: sin 2 < 0.6

100 Mo, Phase I + II, 693 days expected in 2009: T 1/2 > 2 x (90 % CL) < 0.4 – 0.7 eV T 1/2 > 5.8 x (90 % CL) < 0.8 – 1.3 eV 82 Se, Phase I + II, 693 days T 1/2 > 2.1 x (90 % CL) < eV T 1/2 > 8 x (90 % CL) < 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 search ( L = 2) 0 search ( L = 2)

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

III. Эксперименты следующего поколения Основная цель: достижение чувствительности ~ эВ Стратегия: - исследование нескольких изотопов (>2-3) ; - использование разных методик

Эксперименты, которые будут реализованы в ближайшие ~5-10 лет CUORE ( 130 Te, низкотемпературный детектор) GERDA ( 76 Ge, HPGe детектор) MAJORANA ( 76 Ge, HPGe детектор) EXO ( 136 Xe, TPC + Ba + ) SuperNEMO ( 82 Se, 150 Nd, трековый детектор)

(NME from MEDEX07 and SM07) Experiment nucleus mass (kg) status start T 1/2 (y) eV Location Expected bkg (cts/keV/y/kg) CUORE 130 Te 200 accepted + R&D ~ · Gran Sasso 0.01 ~ · Gran Sasso GERDA 76 Ge 40 accepted + R&D ~ Gran Sasso ~ · · MAJORANA 76 Ge 60 R&D ~ · SNO R&D ~2011 6· EXO 136 Xe 200 accepted + R&D ~ · WIPP ~2011 2· SuperNEMO 82 Se ~ R&D ~ –0.11 LSM, Can Franc Nd 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 112 Sn (предсказан фактор усиления ~ 10 6 ! ) Z. Sujkowski and S. Wycech, Phys. Rev. C 70 (2004) реанимировали идею

Изотопы-кандидаты ЯдроA,% M, кэВ E*, кэВEKEK E L2 74 Se ± (2 + ) Kr ± (2 + ) Ru ± (?) Cd ± (1,2 + ) Sn ± (0 + ) Ba ± (?) Ce ± (1 +, (1 +, Er ± (1 + )

Первые эксперименты 74 Se T 1/2 (0;L 1 L 2 ) > 5.5·10 18 y (A.S.B. et al., Nucl. Phys. A (2007) 371) 112 Sn T 1/2 (0;KK) > 1.6·10 18 y (COBRA Collaboration, nucl-ex/ ) Показана возможность увеличения чувствительности до ~ лет ( < 0.1 эВ)

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Серьезные успехи достигнуты в изучении 2-распада (NEMO-3). 2. Современный консервативный экспериментальный предел на 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 ~ ( ) эВ. 4. GERDA-I, MAJORANA-I, CUORE-0, SuperNEMO-I и EXO- 200 – первые результаты появятся в г. ( ~ eV в ~ 2012 г.) 5. Новое поколение экспериментов позволит достичь чувствительности к на уровне ~ ( ) эВ в ~ г.

Дополнительные слайды

Used five 76 Ge crystals, with a total of kg of mass, and 71 kg-years of data. 1/2 = 1.2 x 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 (2004). 1)Only one measurement. 2)Only ~4σ level (independent analysis gives even ~ 2.7σ). 3) In contradiction with HM01 and IGEX. 4) Moscow part of Collaboration: NO EVIDENCE. 5) 214 Bi 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 = x 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: 48 Ca - ( ) y 76 Ge – ( ) y 82 Se – ( ) y 96 Zr – ( ) y 100 Mo – ( ) y 100 Mo – 100 Ru (0 + 1 ) – ( ) y 116 Cd – ( ) y 128 Te(geo) – ( ) y 130 Te(geo) – ( ) y 150 Nd - ( ) y 150 Nd – 150 Sm (0 + 1 ) – ( )·10 20 y 238 U(rad) - ( ) y ECEC(2 ): 130 Ba(geo) - ( ) y

The half-life of 130 Te has been a long- standing mystery: Geochemical experiments: (26 ± 2.8) x years (Kirsten 83) (27 ± 1) x years (Bernatowicz 93) (7.9 ± 1) x years (Takaoka 96) ~8 x 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 82 Se/ 130 Te and present half-life value for 82 Se from direct experiments: (9 ± 1) x years (recommended value, A.S.B. 2001) Direct measurement: [6.1 ± 1.4 (stat) (syst)] x years (Arnaboldi 2003)

CUORE 70 cm Array of 988 crystals: 19 towers of 52 crystals/tower. M = 0.78 ton of TeO 2 Search for 0 DBD of 130 Te Q = 2529 keV Natural isotopic abundance [ 130 Te] = 34.08% Therefore, isotopic enrichment is unnecessay

Phases of GERDA Phase I: Use of existing 76 Ge-diodes from Heidelberg-Moscow and IGEX-experiments 17.9 kg enriched diodes ~15 kg 76 Ge Background-free probe of KKDC claim Phase II: Adding new segmented diodes (total: ~40 kg 76 Ge) Demonstration of bkg-level

GERDA design Cleanroom Lock Water tank (650 m 3 H 2 O) Cryostat (70 m 3 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 /(keV·kg·y) /(keV·kg·y) /(keV·kg·y) 6·10 27

EXO (Enriched Xenon Observatory) USA-RUSSIA-CANADA 136 Xe 136 Ba e - (E 2β = 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 136 Xe (80% enrichment) - ΔE/E(FWHM) = 3.8% at 2.5 MeV (ionization and scintillation readout) - Background (5 y) = 1 event - Sensitivity (5 y): 2·10 27 y ( ~ eV)

EXO-200 (without Ba + tagging) 200 kg of 136 Xe (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): 6.4·10 25 y ( ~ eV) Is under construction now (at Stanford) Start of measurements: in ~ 2008

SuperNEMO preliminary design Plane geometry Top view Side view Source (40 mg/cm 2 ) 12m 2, 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 ~ channels for drift chamber ~ PMT

From NEMO-3 to SuperNEMO NEMO-3SuperNEMO T 1/2 ( ) >(2- 4)·10 24 y < 0.2 – 0.9 eV T 1/2 ( ) > 2·10 26 y < 40 – 110 meV Sensitivity 7 kg 100 Mo T 1/2 ( ) = 7·10 18 y 100 kg 82 Se T 1/2 ( ) = 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 resolution e backscattering on scintillator ( ) ~ 40 % Internal contaminations in the source foils in 208 Tl and 214 Bi 214 Bi < 300 Bq/kg 208 Tl < Bq/kg 214 Bi < 10 Bq/kg 208 Tl < Bq/kg Background ~ 2 cts / 7 kg / y ( 208 Tl, 214 Bi) ~ 0.5 cts/ 7 kg /y + ( 208 Tl, 214 Bi) 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 Cap 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 Plate 1.1 kg Crystal Thermal Shroud Vacuum jacket Cold Finger Bottom Closure 1 of 19 Towers 40 cm x 40 cm Cryostat