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Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 Relazione Scientifica Dottorato anno accademico.

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1 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 Relazione Scientifica Dottorato anno accademico 2004/05 University of Insubria Como - Italy INFN Milano - Italy Samuele Sangiorgio Tutore: prof. Andrea Giuliani

2 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 2/43 IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO Sommario RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI » »» PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE » CRIOGENIA »

3 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 3/43 La natura del neutrino: Neutrino di Dirac: caratterizzato dal numero leptonico L Neutrino di Majorana: caratterizzato dallelicità H Il Doppio Decadimento Beta (DDB) La massa del neutrino: valore assoluto della massa ? gerarchia delle masse ? 2 permesso dal 2 permesso dal modello standard 0 possibile solo 0 possibile solo con di Majorana » Doppio Decadimento Beta 0

4 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 4/43 La tecnica bolometrica termalizzazione completa in tempi trascurabili energia bagno termico conduttanza termica cristallo assorbitore termometro La tecnica bolometrica: temperature ~ mK dielettrici e diamagnetici Richieste sperimentali: basso fondo e grandi masse elevata risoluzione energetica Principali vantaggi: - alta risoluzione energetica - ampia discrezionalita nella nella scelta dei materiali nella scelta dei materiali

5 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 5/43 I bolometri di Cuoricino 5 cm Il segnale termico è misurato tramite un Termistore di Ge NTD Sensore di temperatura 3 mm Cristallo Assorbitore Lassorbitore è un cristallo 5x5x5 cm 3 di TeO 2 il quale contiene il nucleo candidato 130 Te

6 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 6/43 LNGS Lesperimento Cuoricino è operante presso i Underground National Laboratory - Gran Sasso (L'Aquila) la montagna fornisce una schermatura contro i raggi cosmici pari a 3500 m.w.e. Cuoricino ha una struttura a torre e contiene: 44 cristalli TeO 2 5x5x5 cm 3 18 cristalli TeO 2 3x3x6 cm 3 Massa attiva (ultimo run): ~ 13 kg 130 Te ~ 6 x nuclei

7 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 7/43 Le Prestazioni di Cuoricino 2615 keV 208 Tl Spettro di calibrazione ( 232 Th) 2615 keV cristalli 5x5x5 cm 3 ~ 7.8±2.4 keV cristalli 3x3x6 cm 3 ~ 11.0 ±4.7 keV

8 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 8/43 I Risultati di Cuoricino Risultati totali per vita media e massa di Majorana (90% c.l.): T 1/2 0 ( 130 Te) > 1.8 x y m < eV Aggiornato 3 Aprile 2005 Cuoricino sta acquisendo dati con successo da Aprile 2003 (MT = 5 kg y 130 Te) Fondo nella regione del (spettro anticoincidenza, solo cristalli 5x5x5 cm 3 ) c/keV/kg/y 218 Tl 60 Co

9 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 9/43 Il Futuro (prossimo): CUORE 19 torri tipo CUORICINO C.U.O.R.E. Cryogenic Underground Observatory for Rare Event Array di ~1000 bolometri Massa: ~750 kg di TeO 2 Esperimento di seconda generazione in quanto a sensibilità sulla massa del neutrino CUORE è stato approvato e finanziato CUORE dovrebbe iniziare a prendere dati nel 2009

10 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 10/43 RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI Sommario IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI » » » PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE » CRIOGENIA »

11 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 11/43 Sensibilità: Sensibilità: Il problema della riduzione del fondo Le simulazioni MonteCarlo mostrano che la componente più pericolosa del fondo è dovuta a alpha e beta degradate in energia emesse dalle superfici affacciate al rivelatore >> riduzione di questo fondo di un fattore » Migliorare la qualità del trattamento delle superfici » Rivedere la struttura del rivelatore minimizzando le superfici affacciate » Sviluppare calorimetri intelligenti (risoluz spaziale) Possibili soluzioni Previsione (conservativa) per CUORE: T = 10 anni - = 10 keV b = 0.01 c/(keVkgy) M: massa attivab: fondo T: live time: risoluz energ

12 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 12/43 Bolometri Sensibili alla Superficie (BSS) = + 2cm 1.5 cm In questo modo la usuale tecnica delle anticoincidenze non è particolarmente utile in quanto un rilascio di energia in una parte di questo bolometro composito comporta un rialzo di temperatura di tutte le sue componenti. Schermatura attiva del bolometro principale mediante un bolometro ausiliario Idea innovativa: gli schermi sono incollati direttamente sullassorbitore in modo da formare un singolo bolometro composito Bolometro di Ge Bolometro di TeO 2 Bolometro composito

13 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 13/43 BSS: Comportamento Atteso classic pulse fast and high pulse Bolometro con cristallo assorbitore di TeO2 e il suo termistore + Bolometro con wafer di Ge come assorbitore e il suo termistore La presenza degli schermi modifica la dinamica termica del rivelatore dando origine a impulsi con forme e ampiezze differenti Punti di impatto differenti implicano impulsi diversi sui due termistori classic pulse

14 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 14/43 BSS: Discriminazione mediante scatter plot Possibile discriminazione mediante scatter plot Comportamento supportato da simulazioni

15 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 15/43 BSS: Setup Sperimentale run1run2 termistori NTD assorbitore principale TeO 2 schermi attivi di Ge Le facce schermate sono state esposte a particelle. La sorgente e stata ottenuta impiantando nuclidi 224 Ra su dello scotch di rame affacciato al cristallo

16 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 16/43 BSS: Run con Silicio (PL) eventi di superficie nello schermo di Si eventi di bulk nellassorbitore di TeO 2 eventi misti che rilasciano energia sia nellassorbitore principale sia nello schermo

17 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 17/43 BSS: la scelta del materiale Germanio ultrapuro PROs: - ottimo livello di purezza Silicio ultrapuro (PL – IRST) PROs: - costo contenuto TeO 2 PROs: - Materiale gia noto - Contrazioni differenziali CONTRAs: - elevato costo CONTRAs: - minor purezza CONTRAs: - Fragilita (h=500 μm) - Incollaggio NTD

18 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 18/43 BSS: Discriminazione sulla forma dellimpulso Distribuzione dei tempi di salita degli impulsi acquisiti dal termistore sullo schermo di Ge FAST surface events SLOW bulk events Due classi di eventi: In principio è possibile identificare il tipo di evento utilizzando solo il sensore sullo schermo di Ge e la PSA

19 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 19/43 BSS: Discriminazione sui Decay Time E possibile selezionare gli impulsi anche osservando il DECAY TIME degli impulsi sullASSORBITORE PRINCIPALE >> Evita la proliferazione dei canali di lettura e semplifica il montaggio

20 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 20/43 BSS: Lettura in Parallelo degli Schermi Ogni riga corrisponde ad uno schermo RUN 9 TBT – TeO2 main + 2xSLAB TeO2

21 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 21/43 BSS: comportamenti bizzarri RUN 11 TBT – TeO2 main + 2xSLAB Si-IRST

22 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 22/43 BSS: LNGS SCOPO: bolometri in scala Cuoricino (5x5x5 cm 3 ) bolometri in scala Cuoricino (5x5x5 cm 3 ) misure non affette da pile-up misure non affette da pile-up NB: Nessun trattamento specifico per la pulizia superficiale

23 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 23/43 BSS: LNGS eventi nellassorbitore principale eventi superficiali sugli schermi (letti in parallelo) si identificano classi di eventi attribuibili a particelle Energia nel main (keV) Ampiezza nelle slab [mV]

24 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 24/43 BSS: LNGS Selezione impulsi con il DECAY TIME sullassorbitore principale Energia nel main (keV) Ampiezza nelle slab [mV] Decay Time [ms] Energia nel main (keV)

25 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 25/43 BSS: LNGS RISULTATO ECCELLENTE !! ottimi risultati nella discriminazione del segnale mediante scatter plot ottimi risultati nella discriminazione del segnale mediante scatter plot importante possiblita di discriminare efficacemente mediante DT sul main importante possiblita di discriminare efficacemente mediante DT sul main eccellente riduzione del fondo senza alcun accorgimento di pulizia eccellente riduzione del fondo senza alcun accorgimento di pulizia conoscenza dettagliata ancora da approfondire » LNGS in preparazione conoscenza dettagliata ancora da approfondire » LNGS in preparazione misura 2.7 – 3.2 MeV [c/keV/kg/y] 3.2 – 3.4 MeV [c/keV/kg/y] CUORICINO (anticoinc, cristalli btb) 0.14 ± ± 0.07 RADIOATTIVITA (anticoinc, 6 cristalli) 0.14 ± ± 0.06 LNGS BSS TEST (2 cristalli, DT cuts) 0.18 ± 0.20 [2.9 – 3.2 MeV] 0.51 ± 0.16 MISURE DI FONDO BSS utili per la comprensione del fondo fondo ancora oggetto di studio

26 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 26/43 Sommario IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI » » PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE » CRIOGENIA » »

27 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 27/43 NTD per CUORE: il parametro T 0 Il segnale termico è misurato con un termistore di Ge NTD in regime di VRH: Sensore di temperatura T [mK] R [ ] 3 mm E la temperatura degli elettroni in quanto vale il modello Hot Electron: sperimentalmente si osserva una conduttanza termica finita tra gli elettroni e fononi (reticolo) del termistore electrons lattice absorber heat sink Au wires teflon glue e-ph energy Rete termica »» Domande : - Esiste un valore ottimo per T 0 ? - Che correlazione esiste tra T 0 e G e-ph ? Quanto incide questa correlazione sulle prestazioni del bolometro? - Il T 0 e legato ad altri parametri del rivelatore? - Criticità di T 0 sulle prestazioni del bolometro? Le risposte incidono su: » prestazioni complessive del bolometro » tempi e modalita di produzione dei termistori Cuoricino usa NTD #31 ma non e mai stata fatta alcuna ottimizzazione su valore di T 0

28 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 28/43 RUN T0: possibili scenari TypeGeometryR0T0 NTD 37 3 x 3x1.5 mm NTD 31 3 x 3x1 mm NTD 35B 3 x 3x1 mm T 0 inferiore:valore di resistenza più basso alla stessa temperatura (quindi un minore rumore spurio) disaccoppiamento elettrone-fonone meno marcato possibilità di lavorare a temperature più elevate (segnali più veloci, stabilizzazione più facile, performance del criostato meno critiche – ma anche maggiore capacità termica del cristallo) Rispetto al T 0 dei termistori NTD#31 si puo pensare di usare T [K] R [Ω] T 0 superiore: low T0 NTD 31 high T0

29 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 29/43 RUN T0: setup sperimentale Run T 0 Montaggio tipo Cuoricino con cristalli 5x5x5 cm 3 Run info Assemblaggio a Como Misura effettuata nel criostato di SalaC LNGS Problema con la temperatura di base » conduttanza tra holder e MC non ottimale » T~15 mK

30 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 30/43 RUN T0: misure statiche low T0 NTD 31 high T0 I chip con alto T0 non sopportano un bias elevato (NB: amp ~ Vbol)

31 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 31/43 RUN T0: misure statiche low T0 NTD 31 high T0 low T0 NTD 31 high T0 Si nota leffetto del maggior disaccoppiamento elettrone-fonone allaumentare del T 0

32 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 32/43 RUN T0: misure dinamiche low T0 NTD 31 high T0 low T0 NTD 31 high T0 Lampiezza degli impulsi degli NTD31 è sempre maggiore

33 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 33/43 R&D Accoppiamenti Termici In CUORICINO Incollaggio mediante gocce di colla epossidica a due componenti (Araldite) spessore gocce ~ 50 μm TeO 2 3mm Table-legs NTDs Utilizzare termistori NTD dotati di 4 piccoli piedistalli su cui applicare leggero strato di colla Accoppiamento termistore - assorbitore Verifica proprietà termomeccaniche di questo accoppiamento, in particolare mantenere la stessa conduttanza termica delle gocce di colla Verifica delle prestazioni bolometriche (forma degli impulsi, risoluzione,…)

34 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 34/43 R&D Accoppiamenti Termici Accoppiamento termistore - assorbitore Semplicità di incollaggio e buona riproducibilità statica Risultati dinamici paragonabili a quelli con lincollaggio standard Ma: rottura del cristallo in corrispondenza dei piedistalli

35 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 35/43 R&D Accoppiamenti Termici Accoppiamento termistore - assorbitore Grasso da vuoto Scarsa tenuta meccanica Conduttanza termica non ben definita Ampiezza e parametri di forma (DT, RT) molto simili

36 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 36/43 R&D Accoppiamenti Termici Attualmente Utilizzo di martelletti di Teflon Accoppiamento assorbitore – bagno termico Test 1 Utilizzo di stand-off di Germanio Test 2 Incollaggio diretto al supporto di rame Rottura del cristallo! Probabile causa: contrazioni differenziali Ge e TeO2 durante il raffreddamento » » test in LN2 Test 3 Compensazione delle contrazioni 100 m 1 mm

37 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 37/43 » CRIOGENIA Sommario IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO CRIOGENIA RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI » » » PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE »

38 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 38/43 Problematiche criogeniche in CUORE OBIETTIVI: Massa totale da raffreddare ~ 4ton Temperatura di base ~ 10 mK Materiali radiopuri Elevata affidabilità del sistema criogenico per lungo tempo Livelli di vibrazioni contenuti Massimizzare il tempo vivo di misura Elevato potere refrigerante Attualmente [Cuoricino] Criostato a diluizione 3 He- 4 He con bagno di 4 He a 4K » refill periodici, rumore 1KPOT, costi elevati, sicurezza Futuro [CUORE] Precooling a 4K mediante Pulse Tube » LHe free MA vibrazioni e tempi raffreddamento da valutare

39 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 39/43 Un criostato LHe-free a Como Criostato AL Refrigeratore a diluizione con Pulse Tube precooling » no liquidi criogenici (LHe) Tbase = ~ 10 mK Ampio spazio sperimentale Risolti problemi con superfuga Blocco impedenza risolto con trappola LHe (test) e poi Gas Purifier Gas Handling System Criostato Compressore PT PT CRIOSTATO di PROSSIMA GENERAZIONE

40 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 40/43 Test criogenici del Criostato AL Run timing PT cooling (300to4K): ~ ore Rate e tempo di condensazione miscela:~ ~ 20 mbar/h Temperature di base sulla MC poche ore dopo la fine della condensazione Misure di potere refrigerante P MC [μW] T MC [mK] P MC [μW] T MC [mK] *115.5 Pstill = 3 mW – *: Pstill = 5 mW bolometro TeO 2 CMN Termometro NTD#31 Termometro RuO 2 Punti Fissi [1.2K – 15mK]

41 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 41/43 Misure di rumore preliminari Vrms/Hz rumore indotto dal PT

42 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 42/43 Misure di rumore preliminari Vrms/Hz RUMORE MEDIO INTEGRATO: ~ 0.5 μVrms [1 – 40 Hz] ~ 0.3 μVrms [1 – 12 Hz] LNGS: ~ μVrms [1 – 12 Hz] Ampi margini di miglioramento del setup sperimentale riducendo il rumore sia meccanico sia elettrico

43 Samuele Sangiorgio, Universita dellInsubria, Como, Italy Relazione Attivita di Ricerca Dottorato – aa 2004/05 43/43 Conclusioni Partecipazione alle fasi di presa dati per lesperimento Cuoricino ai LNGS in qualita di turnista esperto Partecipazione alle fasi di programmazione, montaggio, avviamento, presa dati e analisi del RUN T 0 in qualita di responsabile run Partecipazione attiva alle serie di misure effettuate a Como riguardo nei progetti di R&D per CUORE (accoppiamenti termici, test BSS) Partecipazione a tutte le fasi della misura di BSS ai LNGS Realizzazione della campagna di test sul criostato AL a Como Inserimento con successo allinterno del Working Group ANALISI DATI di Cuore » realizzazione del database delle misure per Cuoricino Lavoro svolto:


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