MARE Microcalorimeter Arrays for a Rhenium Experiment CSN2, 29/9/2009 MARE è un progetto per determinare la massa del neutrino tramite misure dirette di.

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1 MARE Microcalorimeter Arrays for a Rhenium Experiment CSN2, 29/9/2009 MARE è un progetto per determinare la massa del neutrino tramite misure dirette di processi di tipo  a carattere spettroscopico e calorimetrico  decadimento  del 187 Re  decadimento per EC dell’ 163 Ho (recente riconsiderazione) A. Giuliani – Università dell’Insubria e INFN Mi-Bicocca MARE è l’unione degli esperimenti storici MIBETA (Milano) e MANU (Genova)  unici esperimenti al mondo che hanno usato il 187 Re → sensibilità di 15 eV  previste sensibilità intorno a 2-4 eV nel giro di 1-2 anni (MARE-1)  R&D per portare la sensibilità a valori pari o inferiori a 0.2 eV (MARE-2)

2 Università di Genova and INFN Genova,Italy Goddard Space Flight Center, NASA, Maryland, USA GSI, Darmstadt, Germany Kirkhhof-Institute Physik, Universität Heidelberg, Germany Università dell'Insubria,Italy Univ. Milano-Bicocca and INFN Milano-Bicocca, Italy NIST, Boulder, Colorado, USA ITC-irst, Trento and INFN Padova,Italy PTB, Berlin, Germany University of Maryland, Maryland, USA University of Miami, Florida, USA University of Florida, Gainesville, Florida, USA Università Roma “La Sapienza” and INFN Roma I, Italy SISSA, Trieste, Italy University of Wisconsin, Madison, Wisconsin, USA Laboratori Italiani finanziati da INFN su MARE Istituzioni internazionali che contribuiscono a MARE con risorse proprie Istituzioni internazionali con una proposta approvata su MARE (NSF) Collaborazione e risorse

3 Effetti di una massa finita del neutrino sul decadimento  La corrispondente frazione di conteggi è  (M  Q) 3 sono preferiti bassi Q La parte modificata dello spettro beta sta soprattutto nell’intervallo [Q – M c 2, Q] E – Q [eV] Trizio come esempio

4 L’approccio calorimetrico alla misura della massa del neutrino 187 Re  187 Os + e - + e 5/2 +  1/2 – unica prima proibita (S(E e ) calcolabile I calorimetri sono forzati a misurare l’intero spettro dell’elettrone emesso  uso di isotopi a basso Q valore per raggiungere alta statistica vicino a Q  scelta migliore: 187 Re – Q = 2.47 keV -  ~ 4x10 10 y vs. 3x10 -10 per il Trizio frazione eventi in [Q-10] eV: 1.3x10 -7 I calorimetri sono rivelatori che contengono la sorgente in studio e intercettano e misurano l’energia delle particelle prodotte (eccetto quella del neutrino) e/o quella relativa a diseccitazioni atomiche  e Diseccitazioni 163 Ho  163 Dy* + e  163 Dy +   interessante alternativa: 163 Ho – Q ~ 2.5 keV -  ~ 4.5x10 3 y Spettro a righe (raggi x caratteristici) troncato al Q-valore Cinematica affine al decadimento , dove il ruolo dell’elettrone è svolto dal  EC

5 Microcalorimetri per la massa del neutrino concetti base Assorbitore cristallo contente Re (o Ho) M ~ 0.2 - 1 mg (Per Re) parametro cruciale: C Accoppiamenti termici fili di lettura gambette  -lavorate membrane parametro fondamentale: G Termometro TES Termistore di Si:P,B Sensore magnetico MKID Termostato T ~ 50-150 mK refrigeratore a diluizione Vantaggi rispetto alle tecniche convenzionali:  alta risoluzione energetica ( ~ 1-10 eV)  ampia scelta del materiale per l’assorbitore

6 L’approccio calorimetrico alla misura della massa del neutrino Vantaggi della calorimetria (rispetto a MAINZ-TROITZK e KATRIN)  non sussiste il problema dell’energia persa nella sorgente  non sussiste il problema della retrodiffusione da parte del rivelatore  l’esistenza di stati finali eccitati non altera lo spettro nella zona di interesse Svantaggi della calorimetria  sistematica indotta da effetti di pile-up (dN/dE) exp =[(dN/dE) theo + A  r (dN/dE) theo  (dN/dE) theo ]  R(E) genera “fondo” in prossimità dell’energia finale e deteriora la sensibilità spettro sperimentale spettro teorico frazione di pile-up non identificato (attività x risoluzione temporale) risposta del rivelatore

7 Le proprietà e la struttura di massima del rivelatore energy [eV] Spettro  puro Spettro di pile-up  M  Q 3  E N ev  4 Risoluzione energetica Statistica totale Alta risoluzione temporale Alta risoluzione energetica Elevatissima statistica Frazionamento del rivelatore in un grande numero di elementi

8 Semiconduttori Elemento singolo Schiera di 10 elementi Statistica: N = 10 6 eventi  M    20 eV Precursori (MANU, MIBETA) Transition Edge Sensors Semiconduttori Schiere di 300 elementi Statistica: N = 10 10 eventi  M    2 eV MARE-1 – pronto alla partenza –  E ~ 10 – 30 eV –  R ~ 100  s Transition Edge Sensors Calorimetri Magnetici Riv. a Induttanza Cinetica Schiere di ~100k elementi Statistica: N = 10 14 eventi  M    0.2 eV MARE-2 – 4-5 anni di R&D –  E ~ 1 - 10 eV –  R ~ 1 – 10  s Il percorso di MARE

9 La sfida di MARE-2 Misure di molti anni con ~ 100k canali Per ottenere una sensibilità di 0.2 eV:

10 Tecnologie per il termometro in MARE-2 Tecnologie in sviluppo per astrofisica X e per CMB Termometro: è richiesto un tempo di salita dell’ordine di 1  s Transition Edge Sensors (TES) bi-strato di film superconduttivi a cavallo della temperatura critica, regolata tramite effetto prossimità (Genova, NASA) Magnetic MicroCalorimeters (MMC) sensore paramagnetico esposto ad un debole campo magnetico ioni paramagnetici in un metallo ospite (Heidelberg) Kinetic Inductance Detectors (KIDs) film superconduttivo la cui induttanza dipende da T 10 3 – 10 4 canali leggibili su un unico coax (Trento, Roma, Perugia, JPL)

11 ATTIVITÀ NEL 2009

12 Transition Edge Sensor T R 100 mK m   C R JFET I due approcci al sensore termico in MARE-1 Semiconduttore T R 100 mK MM CR Rs SQUID

13 MARE - 1 SEMICONDUTTORI + CRISTALLI DIELETTRICI DI AgReO 4 U. Milano Bicocca / INFN Mi-Bicocca U. Insubria / INFN Milano Bicocca Itc-IRST / INFN Padova U. Madison, Wisconsin NASA Goddard Schiera di 288 elementi TRANSITION EDGE SENSORS (TES) + CRISTALLI SUPERCONDUTTORI DI Re metallico U. Genova / INFN Genova U. Miami PTB - Berlin Schiera di 300 elementi Due filoni

14 MARE-1 / termistori a semiconduttore – elementi base 300  m 600 µm SchieraPixel Cristallo di AgReO 4 Assemblaggio e test delle resine di accoppiamento termico

15   E = 33 eV@ 2.6 keV   R ~ 500  s  Araldit / ST2850 15 Al K  Cl K  Ca K  Ca K  Ti K  Ti K  Mn K  Mn K  T op  m  MARE-1 / termistori a semiconduttore – prestazioni

16 MARE-1 / termistori a semiconduttore – la complessità dell’apparato (1)

17 25 mK 4 K 1 cm Scatole dei JFET Schermo di Pb per la sorgente di calibrazione Porta- rivelatori Schermo di rame per il fondo esterno Croci di Kevlar Microbridges di Al in out JFET Barre di Vespel 135 K 4 K MARE-1 / termistori a semiconduttore – la complessità dell’apparato (2)

18 Ti o Al 200 nm SiO 2 800 nm Si 3 N 4 150 nm SiO 2 500 nm Si 330 µm SiO 2 e Si 3 N 4 (strati protettivi) Fabbricazione di film di Ti/Al Polyimide 3µm Piazzole per bonding Al Filo sospeso L = 6.5 mm W = 20 µm Etching del silicio Prima dell’etching del Si Dopo l’etching del Si “microbridge”: Ti o Al con polyimide MARE-1 / microbridge Inaspettato fallimento dei microbridge di Al Grave ritardo nella preparazione del set-up

19 MARE-1 / termistori a semiconduttore – prospettive immediate Ott 2009  Completamento del montaggio crio-meccanico (con rimpiazzo dei microbridge) e raffreddamento con pochi assorbitori per scelta colla Nov 2009  Assemblaggio dell’array di 72 elementi (posizionamento dei cristalli sui sensori) Dic 2009  Raffreddamento e inizio presa dati

20 MARE-1 / TES – struttura del singolo pixel Ir TES su membrane di SiN Cristalli cubici di Re metallico (lato 0.5 mm) Re crystal Al leads for TES

21 Re Present TES-Re detector Re TES Epoxy (Metal contact to be tested) Metal bonded and deep etched Re crystal Future array using planar lithography  La tecnica di produzione di TES di Ir su mebrana e ormai fissata: risoluzioni di 3-4 eV FWHM @ 6keV con assorbitori metallici di Au e Sn a contatto diretto con il TES (contatto elettronico)  Persiste un limite a 11eV con il Re nei rivelatori che sono ora realizzati con contatto assorbitore-TES di tipo fononico (epoxy)  Necessario un approfondimento dello studio dei meccanismi di termalizzazione dell’energia Re-contatto termico-TES  Questa attività è in collaborazione con Univ-Florida e Univ-Miami finanziati da NSF per R&D per MARE. MARE-1 / TES – prestazioni

22 SQUID amp Multiplexing a SQUID

23 Here goes SQUID Heat sink for TES RstRst L C  SQUID ad alta banda (10 - 50 MHz) prodotto dal PTB – Berlino  montato sullo stadio a 100 mk per la lettura di 5 rivelatori contemporaneamente  La risoluzione temporale di 1  s richiede una banda di 160 kHz per canale e 1 MHz inter-banda Prototipo a 5 canali realizzato da PTB - Berlino

24 Difficoltà con assorbitori di renio – la via dell’olmio Il renio non è un assorbitore facile rispetto ad altri assorbitori superconduttori (Sn) e metallici (Au) → Test eseguiti ad Heidelberg con calorimetri magnetici non hanno consentito di ottenere risoluzioni migliori di 170 eV Vantaggio dell’olmio: data la breve vita media (~ 4500 y) è possibile utilizzare assorbitori ottimizzati per alta risoluzione energetica e temporale (tipicamente Au) e impiantare in essi 163 Ho nella quantità richiesta per avere un’attività dell’ordine di 1-10 Bq In prospettiva, impiantazione in bolometri con assorbitore di oro già realizzati e messi a disposizione da NASA/ GSFC, che hanno risoluzioni di 2 eV alle energie di interesse 250  m

25  Primi test di produzione e impianto (metodo on-line)  ISOLDE  A causa della grande sezione del fascio (5mm), sono occorsi molti giorni di fascio di Ho a circa 800 pA  resa di 10 9 ions/s  Severe contaminazioni in 147 Eu, 147 Gd e altre  grave radiottività gamma  È necessario un metodo differente, in cui la produzione (effettuata grazie a reazioni nucleari su isotopi opportunamente scelti) sia separata dall’impianto. Individuati 3 possibili processi che partono da 165 Ho e 164 Dy, che possono essere procurati sul mercato con elevata purezza e in forma metallica. Possibile con 162 Er, ma richiede l’arricchimento isotopico. Microbolometro con TES di Ir e sensore di Au dopo test di impianto a ISOLDE Test di impiantazione di olmio

26 ATTIVITÀ PREVISTE NEL 2010

27 1.RIVELATORI CON ASSORBITORI DIELETTRICI  mantenimento della misura e l'analisi dei dati con un set-up comprendente 72 canali bolometrici  nel corso del 2010, sulla base dei risultati preliminari ottenuti sarà possibile prendere una decisione sul futuro di questa fase sperimentale con assorbitori dielettrici: ovvero se e quanto prolungare la presa dati e se ampliare l'esperimento con altri 6 array nel 2011. 2. RIVELATORI CON ASSORBITORI METALLICI  completamento dello sviluppo del rivelatore planare con Re metallico montato con "post" sulla membrana con obiettivo 2-5 eV FWHM di risoluzione energetica a 6 keV e tempi di salita veloci, ossia <10 us → definizione del rivelatore finale.  dal punto di vista della lettura, si effettuera` il confronto fra le due differenti soluzioni in studio (trasformatore e SQUID multiplexato) e si adottera` quella piu` promettente. Attività previste 2010 (1)

28 3. RICERCA E SVILUPPO  Sviluppo di MKIDs: intensificazione del'R&D sui sensori ad induttanza cinetica in stretta collaborazione con il gruppo di P. De Bernardis di Roma (esperimento RIC di Gr. 5) e, per quanto riguarda la preparazione dei sensori, con Memsrad/FBK di Trento. Si intende anche sviluppare connessioni strette con il gruppo HELFA all'Istituto Néel (CNRS- UJF), che sta portando avanti un'attivita` su MKIDs rivolta principalmente all'osservazione del cielo nella regione millimetrica e sub- millimetrica, ma che contempla in agenda anche rivelatori con assorbitori di renio metallico in connessione con MARE.  Test di un rivelatore con Ho-163 con produzione "clean" dell'isotopo e impiantazione presso facility da individuare. Attività previste 2010 (2)

29 Milestones 2009 1) Risultati preliminari misura con 2 array (72 canali) con assorbitori dielettrici 30-06-2010 2) Definizione elettronica finale per assorbitori metallici e sue prestazioni 31-07-2010 3) Definizione rivelatore planare di Renio metallico e sue prestazioni 30-09-2010 4) Rivelatore di Ho-163 impiantato 31-12-2010 5) Completamento di un anno di misura con assorbitori dielettrici 31-12-2010 6) Analisi preliminare delle misure con assorbitori dielettrici e con renio metallico e confronto critico dei risultati ottenuti 31-12-2010 7) Completamento dei primi test su MKIDs 31-12-2010

30 FTE: 4 (RIC) + 2 (TECNICI) FTE: 7,4 (RIC) +1,3 (TECNOLOGI) + 2,3 (TECNICI) Richieste e dimensioni dei gruppi GE MIB

31 MARE: proposte di assegnazione per il 2009 “Come referee proponiamo alla Commissione di finanziare a Milano la presa dati dell'array da 72 microcristalli, prevista durare un anno, e a Genova il finanziamento per gli sviluppi dell'elettronica di lettura.” […] “Ogni altro finanziamento e' posto sub-judice ad una re-definizione di medio termine dei programmi sperimentali che tenga conto degli sviluppi, non sempre positivi, ottenuti in questi primi tre anni di R&D. A tal fine dovremo fissare un incontro prima della riunione di Giugno 2010 per poterne poi discutere in Commissione.”