Recherche de la d

1
Journées de prospectives DSM/DAPNIA-IN2P3
Recherche de la désintégration Double Beta

• Processus double beta sans neutrino
• Eléments de matrice nucléaire et choix du noyau
• Les détecteurs calorimètriques
• Les détecteurs avec tracking
• Les TPC
• Conclusion

F. Piquemal (CENBG)
La colle sur Loup octobre 2004
2
Processus Double Beta sans neutrino (bb0n)
DL2 nn ?
Neutrino de Majorana nL ? nR neutrino
massif Autres modes possibles courant droit,
Majoron,
SUSY
Eléments de matrice
Espace de phase
bb0n
5
bb2n
Masse effective ltmngt
m1Ue12 m2Ue22.eia1 m3Ue32.eia2 Uei
matrice de mélange a1 et a2 phase de Majorana
Qbb
Ee1 Ee2
3
dégénérée
Hiérarchie inverse
Hiérarchie normale
4
Situation actuelle sur le calcul des éléments de
matrice
-1
T½ F.M2x0.1
Qbb (MeV)
Suhonen Neutrino 2004
Abondance isotopique

• Pas de critère théorique fort. Choix du noyau
  dépend
• - Possibilité enrichissement
• - Technique expérimentale
• - Valeur de Qbb (espace de phase, bruit de fond)

5
Techniques expérimentales
Signal quelques événements
par an Bruits de fond Radioactivité naturelle
214Bi et 208Tl (g 2.6 MeV)
Radon, neutrons (n,g), muons, bb(2n)


Expériences en cours 10 kg
sensibilité sur ltmngt 0.2-0.4 eV Futur proche,
100 kg est réaliste en fonction du temps
nécessaire pour la production des isotopes et
des développements à réaliser pour réduire le
bruit de fond
6
Méthodes calorimètriques
Ge (Heidelberg-Moscou,IGEX,Majorana,GERDA)
76Ge Bolomètres (Cuorecino-Cuore, EDELWEISS)
130Te, 76Ge Semi-conducteur ZnCdTe (COBRA)
130Te, 116Cd Scintillateurs (CAMEO, CANDLE)
116Cd, 48Ca Xe Liquid (EXO,XMASS)

Avantages Résolution en énergie 4-8 keV
(semi-conducteur et bolomètres) Compacité des
détecteurs Efficacité 80
Inconvénients Pas d'identification directe des
électrons Radiopureté des matériaux environnants
(Qbblt2.6 keV) Difficultés de connaitre lorigine
du fond (Ge) Cosmogénie dans les cristaux
7
Les détecteurs Germanium
Meilleurs limites actuelles Heidelberg-Moscou (5
détecteurs, 10.9 kg de 76Ge) IGEX (3 détecteurs,
6.3 kg de 76Ge)
M(kg.an) T1/2 (ans) bdf
(keV-1.kg-1.an-1) ltmngt (eV) HM
54.98 gt1.9 1025 0.06
lt 0.35-1.05 IGEX 8.87
gt1.57 1025 0.09
lt 0.33-1.31
Réanalyse des données de HM par Heidelberg en
2002-2004
RD pour les Ge 0.06 ? 0.001 cps.keV-1.kg-1.an-1
Segmentation des détecteurs pour rejeter fond
Élimination matière Matériaux radiopures Améliore
r analyse des impulsions (discrimination
b-g) Contacts électriques ultra-pure Blindage
actif Production des cristaux et du cuivre sous
terre Laboratoire plus profond
Klapdor et al. Phys. Lett. B 586(2004), 198-212
8
Le futur pour les détecteurs Ge
MAJORANA (USA,Russie)
GERDA (Europe,Russie)
Objectif 500 kg de 76Ge 210 détecteurs enrichis
segmentés Segmentation détecteurs Amélioration
du PSD Sélection des matériaux Faisabilité
détecteurs segmentés montrée En cours tests 16
détecteurs de Ge naturel 2 enrichis 10 ans
pour avoir le détecteur complet 2015 ? T1/2gt 4.
1027 ans ltmngt 0.02 0.03 eV
Objectif 100 kg de 76Ge Suppression matière Ge
plongés dans lazote liquide ou largon liquide
(scintillation pour rejeter le fond) Amélioration
PSD Faisabilité N2 liquide montrée 2005
cristaux HMIGEX pour test HM signal Si bdf0.01
cps.kev-1.kg-1.an-1 HM rejeté à 99.6 en 1
an 2010 100 kg (détecteurs segmentés) 2015
T1/2gt 2.1026 ans ltmngt 0.09 0.29 eV
A terme, les 2 projets pourraient fusionner
9
Bolomètres CUORICINO
Italie, Espagne, Pays-Bas, USA
Bolomètres de TeO2 (Qbb 2,528 MeV)
Enrichissement naturel 130Te 30 Résolution
(FWHM à 1 MeV) 5-7 keV CUORICINO 1 tour de
CUORE 42 modules de 555 cm3 18 modules de
236 cm3 10.4 kg de 130Te Efficacité 86
5.3 kg.an
T1/2 gt 1. 1024 ans (90) ltmngt lt0.5 2.4 eV
Fonctionne depuis 2003 Bdf 0.17
evt.keV-1.kg-1.an-1 208Tl dans matériaux,
contaminations de surface et du cristal en
émetteur a et b
bb(0n)
Energy (keV)
Dans 3 ans T1/2 gt 4. 1024 ans ltmngt lt0.2
1.2 eV
10
Bolomètres CUORE

• 750 kg TeO2 ? 203 kg 130Te
• 19 tours x 13 modules x 4 détecteurs

RD pour CUORE 0.17 ? 0.01 cps.keV-1.kg-1.an-1
Nettoyage surface Coincidence avec
semiconducteur Ge pour détection des a et b de
surface Détection scintillation 48CaF2, 76Ge,
100MoPbO4, 116CdWO4, 150NdF3
Sensibilités pour 5
ans Nbdf0.01 cps.keV-1.kg-1.an-1
Nbdf0.001 cps.keV-1.kg-1.an-1 T½ gt 2.1
1026 ans T½ gt 6.6
1026 ans ltmngt lt 0.03 0.17 eV
ltmngt lt 0.015 0.1 eV
Expérience approuvée, démarrage 2009 ? Résultat
2015 ?
11
Bolomètres EDELWEISS
Bolomètres de Ge pour détection matière
noire Installés au LSM Détection de la chaleur
et de lionisation Réjection des événements en
surface Réjection mutiple Compton par analyse des
impulsions
Démonstration rejet du fond venant des alpha de
surface 2004- 2006 collaboration avec Duban
Baksan pour la production de
cristaux enrichi en 73Ge et 76Ge
1ères livraisons octobre 2004 2004-2007 RD
sur localisation et électronique refroidie GaAs
ultra bas bruit 2006-2007 Si estimations
confirmées sur localisation et
anticompton proposition dexpérience
12
Méthode avec tracking
Tracko-calo (NEMO,MOON) 100Mo, 82Se TPC gazeuze
(EXO, DCBA) 136Xe, 150Nd
Avantages Identification des électrons Energie
individuelle des électrons Corrélations
angulaires Très bonne rejection du
fond Multisource (tracko-calo)
Inconvénients Résolution en energie (calorimètre
pertes dénergie dans source) Efficacité Taille
des détecteurs (sources très minces)
13
NEMO 3 Neutrino Ettore Majorana Observatory
(France, Finlande, Japon, Maroc, République
tchèque, R-U, Russie,Ukraine, USA.)
Détecteur de traces (6180 cellules Geiger)
?t 5 mm, ?z 1 cm ( vertex )
Calorimètre (1940 scintillateurs plastiques
PM bas bruits) FWHM14
(1 MeV) Blindages gamma, neutrons, B
Matériaux de grandes radiopuretés
Identification e-,e,g,a Efficacité 20
Installé au LSM, en fonctionnement depuis janvier
2003
Détecteur multi-source
E1
e-
Vertex
??????
e-
E2
Evénement bb
14
NEMO 3
Après 265 jours de données 100Mo
T1/2(????) gt 3.5 1023 y
?m?? lt 0.7 1.2 eV 82Se
T1/2(????) gt 1.9 1023 y
?m?? lt 1.3 3.6 eV
Après suppression du fond radon 208Tl, 214Bi,
bb(2n) 100Mo
0.001cps.keV-1.kg-1.an-1
82Se 0.0003 cps.keV-1.kg-1.an-1
2008 6914 g of
100Mo T1/2(????) ??4 .1024 y (90
C.L.) ?m?? lt 0.2 0.35 eV 932 g of 82Se
T1/2(????) ??8 .1023 y (90 C.L.) ?m?? lt
0.65 1.8 eV
Fond dominant radon 20 30 mBq/m3 dans le
détecteur (lié au radon du labo 10
Bq/m3) Diminution dun facteur 10
nécessaire Installation système
anti-radon (diminution facteur 75) Opérationnel
en octobre 2004 Pas de contribution du fond
externe
15
De NEMO 3 à Super NEMO
Principal enseignement de NEMO 3 maitrise des
fonds (radon mais pas de surprise) Juin 2004
expression dintérêt pour une expérience
tracko-calo Objectif 30 meV et 0 bruit de
fond pour avoir des événements en or
100 kg de source La plupart des isotopes sont
utilisables
82Se T½ (bb2n) elévée, coût raisonnable,
le rêve 150Nd
Programme de RD sur 2 ans
Tracking Diamètre des fils Taille des cellules
Source RD purification 82Se 208Tl 5mBq/kg et
214Bi 20 mBq/kg (facteur 10 / NEMO3) RD
production 82Se (ILIAS 2kg) source épaisseur
10-20 mm
Calorimètre 7 avec scintillateurPMT Collaborat
ion France, Dubna, Kharkov et Photonis Etude
calorimetre Si
Simulations Géométrie Blindages
Discussion dans la collaboration pour 2007 15
kg de 82Se dans NEMO 3 ltmngt 0.1 0.2 eV

15 kg dans 1er module du détecteur
à 100 kg 2010 démarrage et 2015 0.03
0.05 eV
16
TPC Xenon EXO (USA,Suisse)
TPC Xenon possibilité grande masse
T½ bb(2n) très grande
Identifier lion Ba de 136Xe ? 136Ba 2e- par
fluoresence laser
1ère phase 200 kg de 136Xe Xe liquide, détection
de la scintillation Démarrage 2006 Fond attendu
0.003 cps.keV-1.kg-1.an-1 T½ gt 2.1026 ans ltmngt
lt 0.39 1.2 eV
Difficultés neutralisation Ba ? Ba
collection de lion
Avec identification Ba et 1 tonne de 136Xe Fond
attendu lt 0.0005 cps.keV-1.kg-1.an-1 Résolution
2 (FWHM à 2.5 MeV) (ionisationscintillation)
Date ? T½ gt 8. 1026 ans ltmngt lt
0.05-0.14 eV
17
PROJETS à 10 ans
Expérience isotope Masse kg Type de détecteur Lab. Bdf (cps FWHM Kg.y) Sensibilité T1/2(y) Limite ltmngt eV Commen-taire
NEMO3 phase2 82Se 10 Tracko-Calo Modane 0.02 1 x 1025 0.2-0.5 2008 ?
150Nd 10 Tracko-Calo ? 0.2 6 x 1024 0.07-0.35 2008 ?
MPI phase I 76Ge 15 Ge Detector Gran Sasso 0.01 3 x 1025 0.3-0.9 2006
MOON 100Mo 10 Tracko-calo ? 0.2-0.3 0.03 RD in progress
CANDLES 48Ca 0.180 CaF2 (200kg) Otho (Japon) 0.3 0.5 En cours
COBRA 130Te 116Cd 10 CdZnTe Boulby U.K 0.2, 0.03 1 x 1024 0.7 RD in progress
DCBA 150ND 20 TPC ? 0.05 RD in progress
CUORE 130Te 200 Bolometer Gran Sasso 0.005 3 x 1026 0.015-0.090 Start 2009 ?
Super NEMO 82Se ou 150Nd 100 Tracko-Calo ? 0.02 0.03 Start 2010 ?
MPI phase II 76Ge 100 Ge Detector Gran Sasso 0.001 2 x 1026 0.09- 0.29 2009 ?
Majorana 76Ge 500 Ge Detector ? 0.01 4 1027 0.034- 0.039 Start 2014 ?
EXO 136Xe 200 1000 TPC WIPP (US) 0.015 0-0.0018 21026 8.3 x 1026 0.39-1.2 0.05-0.14 Start 2005 ?
18
Projets à long terme
Expérience isotope Masse kg Type de détecteur Lab. Background (counts FWHM Kg.an) Sensibi-lité T1/2(y) Sensibilité ltmngt
EXO 136Xe 10000 TPC WIPP (US) 0-0.00055 1.3 x 1028 0.013-0.037
XMASS 136Xe 10000 TPC Kamioka (Japan) 3 x 1026 0.08
MOON 100Mo 1000 Tracko-calo ? 1 x 1027 0.03
MPI 76Ge 1000 Ge ? 0.0001 1028 0.010
GENIUS 76Ge 1000 Ge ? 0.0001 1028 0.010
CANDLES 48Ca 2.9 CaF2 (3200 kg) Otho (Japon) 0.3 0.15
19
ILIAS (Integrated Large Infrastructure for
Astroparticle Science)

• Fort soutien de lEurope pour la RD Double Beta
  avec le programme IDEA
• (Integrated Double b Decay) avec JRA2 (Joint
  Research Activity) et N4 (Network) sur 5 ans
• JRA2 (RD technique) Groupes de travail
• - Isotope Enrichment
• 82Se Project
• 150Nd Project
• - Study on Cosmogenic Induced Activity
• Underground Crystal Growth
• Rejection of Surface Radioactivity
• Operation of Ge-diodes in Liquid N2
• N4 (coordination communauté bb) Groupes de
  travail
• - Coordination of DBD searches
• - Bank of pure isotopes
• Collection and investigation of experimental
  inputs, needed for the calculation
• of nuclear matrix elements
• Forte implication de la communauté bb française
  dans les groupes de travail

20
Conclusion (1)
La double bêta est un test de la physique au-delà
du Modèle Standard. Elle permet daccéder à la
nature du neutrino (Majorana ou Dirac), à la
masse absolue et à léchelle de masse.
Expériences actuelles ltmngt 0.2-0.4 eV
Dans les 10 ans, expériences à 100 kg hypothèse
réaliste et étape nécessaire (temps de
production, amélioration des fonds). Sensibilité
ltmngt 0.03-0.07 eV exclusion de léchelle de
masse dégénérée et début du test de la
hiérarchie inverse
21
Conclusion (2)
Nombreux projets en Europe,au Japon et aux USA
(DOE Double beta classée en priorité
2-3) Plusieurs expériences nécessaires à cause
des éléments de matrice Nécessité dune percée
théorique En France une expérience en cours
NEMO 3 (2007)
projet EDELWEISS (bolomètre)
NEMO3 phase 2 (2007) ?
Super-NEMO (tracko-calo)
2010 Super-NEMO 2 ans de RD pour montrer la
faisabilité pour 100 kg pour 2010. Tracko-calo
indispensable pour confirmer un éventuel
signal Dans les 10 ans, 4 expériences à 100 kg
une Ge, une bolomètre, une tracko-calo, une TPC
Xe
En France, signal pour la bb pour NEMO
Renforts nécessaires pour running et analyse de
NEMO3 et pour la RD tracko-calo