View
215
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
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
31/3/2009 3Sergio Di Domizio
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
?? ??
31/3/2009 4Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 5Sergio Di Domizio
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:
31/3/2009 6Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 7Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 8Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 9Sergio Di Domizio
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)
31/3/2009 10Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 11Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 12Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 13Sergio Di Domizio
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)
31/3/2009 14Sergio Di Domizio
Calibrazione3 giorni ogni mese: sorgente di 232Th
Risoluzione media: ~ 8 keV@ 2615keV
31/3/2009 15Sergio Di Domizio
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)
31/3/2009 16Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 17Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 18Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 19Sergio Di Domizio
< 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)
31/3/2009 20Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 21Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 22Sergio Di Domizio
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
Elettronicadi front-end
Filtri bessel
digitalizzazione
DataReader EventBuilder
PulserControllerMessage Logger
Daq ServerSlow Control
InterfacciagraficaSchede di
impulsatore
Configurazione Hardware
rivelatori
Elettronicadi front-end
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
24Sergio Di Domizio31/3/2009
rivelatori
Elettronicadi front-end
Filtri bessel
digitalizzazione
DataReader EventBuilder
PulserControllerMessage Logger
Daq ServerSlow Control
InterfacciagraficaSchede di
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
25Sergio Di Domizio31/3/2009
rivelatori
Elettronicadi front-end
Filtri bessel
digitalizzazione
DataReader EventBuilder
PulserControllerMessage Logger
Daq ServerSlow Control
InterfacciagraficaSchede di
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
26Sergio Di Domizio31/3/2009
rivelatori
Elettronicadi front-end
Filtri bessel
digitalizzazione
DataReader EventBuilder
PulserControllerMessage Logger
Daq ServerSlow Control
InterfacciagraficaSchede di
impulsatore
Slow Control
rivelatori
Elettronicadi front-end
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
27Sergio Di Domizio31/3/2009
rivelatori
Elettronicadi front-end
Filtri bessel
digitalizzazione
DataReader EventBuilder
PulserControllerMessage Logger
Daq ServerSlow Control
InterfacciagraficaSchede di
impulsatore
Interfaccia grafica
Interfacciagrafica
ultimoimpulso
spettro inampiezza
counting rate
oscilloscopio virtualecontrollo della misura
31/3/2009 28Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 29Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 30Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 31Sergio Di Domizio
Curve di carico: esempio
31/3/2009 32Sergio Di Domizio
Test in Sala C
Misura manuale●Misura automatica – Run 342
Misura automatica – Run 386
31/3/2009 33Sergio Di Domizio
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-
31/3/2009 34Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 35Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 36Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 37Sergio Di Domizio
Spettro attorno a 1257 keV
simulazione
cuoricino
Stessi tagli applicati alla simulazione e ai dati di cuoricino
31/3/2009 38Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 39Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 40Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 41Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 42Sergio Di Domizio
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
31/3/2009 43Sergio Di Domizio
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
Recommended