Подземные низкофоновые эксперименты по поиску безнейтринного двойного бета-распада Ge-76 Heidelberg-Moscow и GERDA Инжечик Лев Владиславович Кафедра общей. - презентация

1 Подземные низкофоновые эксперименты по поиску безнейтринного двойного бета-распада Ge-76 Heidelberg-Moscow и GERDA Инжечик Лев Владиславович Кафедра общей физики Межпредметный семинар МФТИ

2 Межпредметный семинар Потоки космических мюонов в некоторых подземных лабораториях мира Поток космических мюонов, штук на кв. метр в секунду из телесного угла 1 стерадиан Spain Russia Japan Italy USA France Canada India

3 Межпредметный семинар IUS Institute of Underground Science, Boulby Mine LSCLaboratorio Subterraneo de Canfranc LNGSLaboratori Nazionali del Gran Sasso SULSolotvina Underground Laboratory LSMLaboratoire Souterrain de Modane BNOBaksan Neutrino Observatory CUPP Centre for Underground Physics in Pyhäsalmi

4 Межпредметный семинар IUS Institute of Underground Science, Boulby Mine LSCLaboratorio Subterraneo de Canfranc LNGSLaboratori Nazionali del Gran Sasso SULSolotvina Underground Laboratory LSMLaboratoire Souterrain de Modane BNOBaksan Neutrino Observatory CUPP Centre for Underground Physics in Pyhäsalmi Some other deep underground low background labs: Kamioka Observatory Kamioka Observatory (Japan) Sanford Laboratory at HomestakeSanford Laboratory at Homestake (USA) Soudan Underground LaboratorySoudan Underground Laboratory (USA) WIPPWIPP (U.S. Department of Energy)... Подводные лаборатории: Байкальский нейтринный телескоп (ИЯИ РАН) NESTOR (Пилос, Греция) ANTARES (Франция) Подледный телескоп ICE CUBE (Антарктида)

5 The INCO mine and the clean lab The Sudbury Neutrino Observatory

6 Межпредметный семинар The Sudbury Neutrino Observatory

7 Межпредметный семинар The SNO Detector Heavy Water (D2O) Cherenkov detector 2km underground (6000mwe) in active nickel mine 12m diameter Acrylic Vessel (AV) 9000 PMTs on 18m diameter geodesic structure (PSUP) Surrounded by ultra-pure light water to shield from rock

8 Межпредметный семинар Подводные и подледные детекторы нейтрино высоких энергий. Байкальская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН

9 Межпредметный семинар Подводные и подледные детекторы нейтрино высоких энергий. Эксперимент NESTOR

10 ICECUBE (Антарктида)

11 ICECUBE (Южный полюс)

12 Межпредметный семинар Главный корпус БНО Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН Баксанское ущелье, Приэльбрусье, Кабардино-Балкария, Россия максимальная толщина скальной защиты 4700 метров водного эквивалента Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН Баксанское ущелье, Приэльбрусье, Кабардино-Балкария, Россия максимальная толщина скальной защиты 4700 метров водного эквивалента Вход в тоннель, ведущий в подземные лаборатории Река Баксан

13 Межпредметный семинар Вход в штольню, ведущую в подземные помещения БНО

14 Межпредметный семинар Баксанская нейтринная обсерватория Ga-Ge нейтринный телескоп ИЯИ РАН Подземный низкофоновый эксперимент SAGE Вид на реакторы с жидким галлием

15 Межпредметный семинар E max Энергетический спектр 2-х электронов 2 бета-распада Q ( 76 Ge)= 2039 keV T 1/2 (1,8 ± 0,1) y 2 2–2– 0 1,122 МэВ 2 0,599 МэВ 0 76 Ge 76 As 76 Se 0+0+ Схема двойного бета-распада 76 Ge 2,041 МэВ Двойной двух-нейтринный бета распад Сохраняются: Энергия Эл. заряд q Барионное число B Лептонное число L e

16 Межпредметный семинар Переход Природное содержание, % Q, keVПереход Природное содержание, % Q, keV 2 – – переходы 142 Ce 142 Nd11, Ca 46 Ti 0, Nd 146 Sm17, Ca 48 Ti 0, Nd 148 Sm 5, Zn 70 Ge 0, Nd 150 Sm 5, Ge 76 Se 7, Sm 154 Gd22, Se 80 Kr49, Gd 160 Dy21, Se 82 Kr 9, Er 170 Yb14, Kr 86 Sr17, Yb 176 Hf12, Zr 94 Mo17, W 186 Os28, Zr 96 Mo 2, Os 192 Pt41, Mo 98 Ru24, Pt 198 Hg 7, Mo 100 Ru 9, Hg 204 Pb 6, Ru 104 Pd18, Th 232 U Pd 110 Cd11, U 238 Pu 99, Cd 114 Sn28, – переходы 116 Cd 116 Sn 7, Sn 122 Te 4, Kr 78 Se0, Sn 124 Te 5, Ru 96 Mo5, Te 128 Xe31, Cd 106 Pd1, Te 130 Xe34, Xe 124 Te0, Xe 134 Ba10, Ba 130 Xe0, Xe 136 Ba 8, Ce 136 Ba0, Разрешенные 2 – и 2 + переходы ядер

17 Межпредметный семинар Результаты измерений 2 2 распадов ядер [ Double Beta Decay. S.R. Elliott, P. Vogel]

18 Межпредметный семинар Двойной безнейтринный бета распад Neutrinoless double beta decay 2β0 -decay Лептонное число L e изменяется на 2! Нейтрино имеет свойства «майорановской» частицы: частица = античастице. Масса покоя нейтрино 0 0 E max Энергетический спектр 2-х электронов 2 бета 0 распада Вся энергия распада передается двум электронам, и в эксперименте вместо широкого спектра должна наблюдаться узкая линия Если такой процесс происходит, то:

19 Межпредметный семинар β0 распад Figure 2. Example of the discovery potential of the 2β decay studies. The 2 ν distribution of 116 Cd (with T 2ν 1/2 = 3 × years) overlaps the 0 ν peaks with half-life corresponding to (a) 6.7 × years; (b) 1.6 × years; and (c) 3.8 × years. Correspondingly, the 0ν peak with the amplitude M (the energy resolution at 2.8 MeV is FWHM = 4%) and the 2ν spectrum meet at the relative height h/M for (a) 0.1; (b) 0.5; (c) 1. Q ββ =2808 keV [Next generation double-beta decay experiments: metrics for their evaluation. F T Avignone III, G S King III and Yu G Zdesenko. New Journal of Physics 7 (2005) 6]

20 Межпредметный семинар Результаты проведенных экспериментов по поиску по поиску безнейтринного 2-бета распада

21 Межпредметный семинар Хребет Гран Сассо Апеннины, Италия Labratori Nazionali del GranSasso (LNGS), наземный комплекс Шоссе, ведущее в туннель под хребтом (Рим – LAquila -Адриатическое побережье)

22 Межпредметный семинар Туннель для автомобилей Экспериментальные залы LNGS СХЕМА ПОДЗЕМНЫХ ПОМЕЩЕНИЙ LNGS Толщина скальной защиты 4800 m w. e. Ослабление потока космических мюонов 10 6 раз

23 Межпредметный семинар Эксперимент «Гейдельберг- Москва». Двойной бета-распад 76 Ge Схема детектора из 76 Ge для регистрации двойного бета-распада. Оба электрона поглощаются в кристалле. Нейтрино вылетают вовне. Количество рожденных носителей заряда пропорционально суммарной кинетической энергии бета- электронов. При безнейтринной моде распада энергия полностью передается электронам. Схема 2 бета-распада 76 Ge 2 – 76 Ge As Se 0 + Q = MeV 2 β 2 ν мода : 76 Ge 76 Se + 2e – + 2 ν̃ e 2 β 0 ν мода: 76 Ge 76 Se + 2e – R load сигнал Защита от фона монокристалл монокристалл HP 76 Ge HP 76 Ge e – e –

24 Межпредметный семинар Сборка из 3-х HP 76 Ge детекторов HMBB (Heidelberg-Moscow Double Beta Decay Experiment) Эксперимент «Гейдельберг- Москва» Монокристалл HP (high purity) 76(85%) Ge Изотопный состав природного Ge : 70 Ge – 20.84% 72 Ge – 27.54% 73 Ge – 7.73% 74 Ge – 36.28% 76 Ge – 7.61%

25 Межпредметный семинар Эксперимент «Гейдельберг- Москва» Installation of the enriched detectors into the low level shielding Hans Volker Klapdor- Kleingrothaus

26 Межпредметный семинар Эксперимент «Гейдельберг- Москва» Open setup with four of our five enriched detectors. You can see the copper caps, which contain the 76 Ge crystals, inside the lead shielding. The cooling rods made from copper as well are connected to the liquid nitrogen filled dewars and have the preamplifiers attached.

27 Межпредметный семинар Эксперимент «Гейдельберг- Москва» View of the first enriched 76 Ge detector, with silicon cap surrounded by copper and lead shielding View of the fifth enriched 76 Ge detector surrounded by copper shielding

28 Межпредметный семинар Эксперимент «Гейдельберг- Москва» Low level building (left), in the tunnel between hall A and hall B of the underground laboratory. The detectors are at ground level behind the blue door, whereas electronics and data acquisition systems are upstairs.

29 Межпредметный семинар Результаты эксперимента «Heidelberg - Moscow» 2νββ et al. Energy, keV

30 Межпредметный семинар Результат анализа: мода τ 1/2 = 1,1 х лет мода τ 1/2 1.9 х лет H.V. (Hans Volker) Klapdor-Kleingrothaus & I.V. Krivosheina): Есть пик 28.75±6.86 событий (4.2 σ) τ 1/2 = (0.69÷4.18) × лет = ( ) eV (KK matrix el.) Результаты эксперимента «Heidelberg - Moscow » * ) Search for neutrinoless double beta decay with enriched 76 Ge in Gran Sasso 1990–2003. H.V. Klapdor-Kleingrothaus, I.V. Krivosheina (on leave of the Radiophysical Research Institute, Nishnii-Novgorod, Russia), A. Dietz, O. Chkvorets. Max-Planck-Institut für Kernphysik, PO , D Heidelberg, Germany. Physics Letters B 586 (2004) 198– 212. P. 204, Fig. 4, top, right. The total sum spectrum of all five detectors (in total kg enriched in 76 Ge), in the range 2000–2060 keV and its fit, for the periods … August 1990 to May 2003 (71.7 kg yr) * The background achieved in the energy region of the Q-value for double beta decay is 0.11 events/ kg y keV

31 Межпредметный семинар Журнальная публикация 2006 г. о выделении 0νββ событий [Modern Physics Letters A. Vol. 21, No. 20 (2006) 1547÷1566]

32 Межпредметный семинар Журнальная публикация 2006 г. H. V. Klapdor-Kleingrothaus & I. V. Krivosheina о выделении 0νββ событий методом анализа формы импульсов Fig. 7. Left column: The pulse shape selected spectrum after applying the zero range library (left column) with small" cuts (see text) ((a), (c), (e)) measured with detectors 2, 3, 4, 5 from 1995 to 2003 in the energy range of keV. The events in the full detector (a) and cutting boundary areas of 1(2) mm, (c) and (e) are shown. Signals are found near Q ββ on a 4.0, 5.2 and 6.0 σ level (a), (c), (e), respectively: , and events. Right column: The pulse shape selected spectra (subsection NN by neuronal net, see Fig. 33 from Ref. 4 and text below) measured with detectors 2, 3, 4, 5 from 1995 to 2003 in the energy range of keV. The events in the full detector (b) and cutting boundary areas of 1(2) mm, (d) and (f) are shown. The signals near Q ββ are found on a 6.6, 7.2 and 6.7 σ confidence level ((b), (d), (f), respectively): , and events. [выделение ЛИ]

33 Межпредметный семинар Эксперимент GERDA Proposal to LNGS of 2004: The experiment would probe the neutrinoless double beta decay of 76 Ge with a sensitivity of T 1/2 > 2×10 26 years at 90% confidence level (C.L.) corresponding to a range of the effective neutrino mass of < eV within 3 years. Phase I: The external background will be reduced to a level of 10 3 cts/(keV·kg·y).

34 Межпредметный семинар Двойной безнейтринный бета распад GERDA experiment for search for neutrinoless double-beta decay of Ge-76

35 Межпредметный семинар Двойной безнейтринный бета распад GERDA experiment Физический пуск установки (inauguration) планируется ноябрь 2010 г.

36 Межпредметный семинар