Relazione Scientifica Dottorato anno accademico 2004/05 Samuele Sangiorgio Tutore: prof. Andrea Giuliani University of Insubria Como - Italy INFN Milano - Italy

Sommario IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO » » IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO » RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI » PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE » CRIOGENIA Il mio lavoro di ricerca si colloca all’interno dell’esperimento CUORE e CUORICINO. Non trattero’ qui del inserimento all’interno del WG Data Analisi per ragioni di tempo

Il Doppio Decadimento Beta (DDB) La natura del neutrino: Neutrino di Dirac: caratterizzato dal numero leptonico L Neutrino di Majorana: caratterizzato dall’elicità H La massa del neutrino: valore assoluto della massa ? gerarchia delle masse ? » Doppio Decadimento Beta 0 bb2n permesso dal modello standard bb0n possibile solo con n di Majorana Vediamo di inquadrare velocemente l’ambito di ricerca. Uno dei quesiti fondamentali della fisica attuale riguarda il neutrino che sappiamo essere una particella massiva ma che cmq lascia aperti numerosi interrogativi ------- il fatto che la massa al neutrino compaia al quadrato e’ legato al fatto che nella teoria V-A del decadimento, per neutrini massivi, la probabilita’ che l’antineutrino (o il neutrino) venga emesso (assorbito) con l’elicita’ “sbagliata” e’ proporzionale al quadrato della velocita’ e quindi al quadrato della massa del neutrino

La tecnica bolometrica Richieste sperimentali: basso fondo e grandi masse elevata risoluzione energetica termalizzazione completa in tempi trascurabili temperature ~ mK dielettrici e diamagnetici energia bagno termico conduttanza termica cristallo assorbitore termometro La tecnica bolometrica: le richieste per misurare adeguadamente il DBD sono la tecnica che meglio si sposa con qs richieste Principali vantaggi: alta risoluzione energetica ampia discrezionalita’ nella nella scelta dei materiali

I bolometri di Cuoricino Cristallo Assorbitore Sensore di temperatura L’assorbitore è un cristallo 5x5x5 cm3 di TeO2 il quale contiene il nucleo candidato 130Te Il segnale termico è misurato tramite un Termistore di Ge NTD 5 cm 3 mm 3 mm

Underground National Laboratory - Gran Sasso Cuoricino @ LNGS Cuoricino ha una struttura a torre e contiene: 44 cristalli TeO2 5x5x5 cm3 18 cristalli TeO2 3x3x6 cm3 L’esperimento 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. Massa attiva (ultimo run): ~ 13 kg 130Te ~ 6 x 1025 nuclei

Le Prestazioni di Cuoricino Spettro di calibrazione (232Th) 2615 keV 208Tl Risoluzione energetica (media) @ 2615 keV cristalli 5x5x5 cm3 ~ 7.8±2.4 keV cristalli 3x3x6 cm3 ~ 11.0±4.7 keV Le risoluzione dei bolometri di Qino sono assolutamente di prim’ordine Risoluzioni dei germani??

I Risultati di Cuoricino Cuoricino sta acquisendo dati con successo da Aprile 2003 (MT = 5 kg y 130Te) Fondo nella regione del bb (spettro anticoincidenza, solo cristalli 5x5x5 cm3) 0.18  0.01 c/keV/kg/y 218Tl Risultati totali per vita media e massa di Majorana (90% c.l.): T1/20n (130Te) > 1.8 x 1024 y mbb < 0.2 - 1.1 eV Il picco a 2505 e’ dovuto alla somma di due linee gamma del 60Co 60Co Aggiornato 3 Aprile 2005

Il Futuro (prossimo): CUORE Cryogenic Underground Observatory for Rare Event Array di ~1000 bolometri Massa: ~750 kg di TeO2 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 Il naturale sviluppo di Qino e’ CUORE 19 torri tipo CUORICINO

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Il problema della riduzione del fondo Sensibilità: M: massa attiva b: fondo T: live time : risoluz energ Previsione (conservativa) per CUORE: T = 10 anni -  = 10 keV b = 0.01 c/(keV∙kg∙y) 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 10-100 Data la formula per la sensibilita’, uno dei parametri piu’ critici e’ il fondo che deve essere ridotto di 1-2 odg L’idea portata avanti dal gruppo di Como e’ stata di sviluppare Possibili soluzioni » Migliorare la qualità del trattamento delle superfici » Rivedere la struttura del rivelatore minimizzando le superfici affacciate » Sviluppare calorimetri “intelligenti” (risoluz spaziale)

Bolometri Sensibili alla Superficie (BSS) Schermatura attiva del bolometro principale mediante un bolometro ausiliario Idea innovativa: gli schermi sono incollati direttamente sull’assorbitore in modo da formare un singolo bolometro composito Bolometro di Ge Bolometro di TeO2 Bolometro composito 2cm 1.5 cm 2cm 2cm + = 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.

BSS: Comportamento Atteso classic pulse 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 Bolometro con cristallo assorbitore di TeO2 e il suo termistore + Bolometro con wafer di Ge come assorbitore e il suo termistore classic pulse classic pulse fast and high pulse Per semplificare e comprendere il funzionamento consideriamo

BSS: Discriminazione mediante scatter plot Possibile discriminazione mediante scatter plot Comportamento supportato da simulazioni

BSS: Setup Sperimentale run1 run2 termistori NTD Questi sono degli esempi di rivelatori utilizzati per I test qui a Como Le alpha servono per avere una sorgente ad energia nota e alto rate assorbitore principale TeO2 schermi attivi di Ge Le facce schermate sono state esposte a particelle . La sorgente e’ stata ottenuta impiantando nuclidi 224Ra su dello scotch di rame affacciato al cristallo

BSS: Run con Silicio (PL) eventi misti che rilasciano energia sia nell’assorbitore principale sia nello schermo eventi di superficie nello schermo di Si eventi di bulk nell’assorbitore di TeO2 Questi sono i risultati del RUN2

BSS: la scelta del materiale Germanio ultrapuro PROs: - ottimo livello di purezza CONTRAs: - elevato costo Silicio ultrapuro (PL – IRST) PROs: costo contenuto CONTRAs: - minor purezza vantaggi e svantaggi TeO2 PROs: Materiale gia’ noto Contrazioni differenziali CONTRAs: Fragilita’ (h=500 μm) Incollaggio NTD

BSS: Discriminazione sulla forma dell’impulso Distribuzione dei tempi di salita degli impulsi acquisiti dal termistore sullo schermo di Ge Due classi di eventi: “FAST” surface events “SLOW” bulk events In principio è possibile identificare il tipo di evento utilizzando solo il sensore sullo schermo di Ge e la PSA

BSS: Discriminazione sui Decay Time E’ possibile selezionare gli impulsi anche osservando il DECAY TIME degli impulsi sull’ASSORBITORE PRINCIPALE RUN 12 >> Evita la proliferazione dei canali di lettura e semplifica il montaggio

BSS: Lettura in Parallelo degli Schermi RUN 9 TBT – TeO2 main + 2xSLAB TeO2 Ogni riga corrisponde ad uno schermo Run 9 Ulteriore possibilita’ per ridurre il fondo Questo e’ il risultato di un test qui a Como

BSS: comportamenti “bizzarri” RUN 11 TBT – TeO2 main + 2xSLAB Si-IRST RUN 11 con Si IRST Si tratta di una tecnica generale che per la prima volta permette a dei bolometri di avere risoluzione spaziale e non solo energetica

BSS: Test @ LNGS SCOPO: bolometri in scala Cuoricino (5x5x5 cm3) misure non affette da pile-up NB: Nessun trattamento specifico per la pulizia superficiale Concludo questa parte sul BSS presentadovi l’ultimo run che e’ stato fatto al GS proprio con lo scopo di avere

BSS: Test @ LNGS eventi superficiali sugli schermi (letti in parallelo) si identificano classi di eventi attribuibili a particelle  Ampiezza nelle slab [mV] eventi nell’assorbitore principale Energia nel main (keV) Nuovamente, con uno scatter plot, e’ possibile identificare la proveninza degli eventi

BSS: Test @ LNGS Selezione impulsi con il DECAY TIME sull’assorbitore principale Ampiezza nelle slab [mV] Energia nel main (keV) Ancora, come avevamo gia’ osservato nei nostri test a Como, e’ possibile selezionare Decay Time [ms] Energia nel main (keV)

BSS: Test @ LNGS BSS utili per la comprensione del fondo MISURE DI FONDO misura 2.7 – 3.2 MeV [c/keV/kg/y] 3.2 – 3.4 MeV CUORICINO (anticoinc, cristalli btb) 0.14 ± 0.02 0.70 ± 0.07 RADIOATTIVITA’ (anticoinc, 6 cristalli) 0.49 ± 0.06 LNGS BSS TEST (2 cristalli, DT cuts) 0.18 ± 0.20 [2.9 – 3.2 MeV] 0.51 ± 0.16 BSS utili per la comprensione del fondo fondo ancora oggetto di studio RISULTATO ECCELLENTE !! ottimi risultati nella discriminazione del segnale mediante scatter plot importante possiblita’ di discriminare efficacemente mediante DT sul main eccellente riduzione del fondo senza alcun accorgimento di pulizia conoscenza dettagliata ancora da approfondire » RUN@LNGS in preparazione I risultati delle misure di fondo su questi cristalli sono davvero impressioananti

Sommario IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO » IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO » RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI » » PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE » CRIOGENIA Ulteriore ambito della R&D per CUORE riguarda il perfezionamento del

NTD per CUORE: il parametro T0 Sensore di temperatura 3 mm Il segnale termico è misurato con un termistore di Ge NTD 106 104 102 20 120 200 T [mK] R [W] in regime di VRH: Cuoricino usa NTD #31 ma non e’ mai stata fatta alcuna ottimizzazione su valore di T0 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 T0? Che correlazione esiste tra T0 e Ge-ph? Quanto incide questa correlazione sulle prestazioni del bolometro? Il T0 e’ legato ad altri parametri del rivelatore? Criticità di T0 sulle prestazioni del bolometro? Le risposte incidono su: » prestazioni complessive del bolometro » tempi e modalita’ di produzione dei termistori Un parametro importante nella progettazione del bolometro è il T0. Vediamo brevemente cos’è. E’ chiaro che un elevato disaccoppiamento impedisce una corretta lettura del segnale perche’ tutto il segnale termico si disperde verso il bagno termico. spiegare che per noi e’ meglio che la Ge-ph sia elevata in modo da non avere disaccoppiamento. Con l’aumentare del T0 la Ge-ph diminuisce. Vedi anche lucido seguente.

RUN T0: possibili scenari Rispetto al T0 dei termistori NTD#31 si puo’ pensare di usare T0 inferiore: valore di resistenza più basso alla stessa temperatura (quindi un minore rumore spurio) disaccoppiamento elettrone-fonone meno marcato T0 superiore: 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) Type Geometry R0 T0 NTD 37 3 x 3x1.5 mm3 1.20 4.32 NTD 31 3 x 3x1 mm3 1.17 3.2 NTD 35B 2.06 2.6 R [Ω] high T0 NTD 31 low T0 T [K]

RUN T0: setup sperimentale Montaggio tipo Cuoricino con cristalli 5x5x5 cm3 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 Permesso di simulare la possibilita’ che il criostato id CUOre non ce la faccia

I chip con alto T0 non sopportano un bias elevato RUN T0: misure statiche low T0 high T0 NTD 31 I chip con alto T0 non sopportano un bias elevato (NB: amp ~ Vbol)

RUN T0: misure statiche NTD 31 high T0 low T0 high T0 low T0 NTD 31 Si nota l’effetto del maggior disaccoppiamento elettrone-fonone all’aumentare del T0 high T0 low T0 NTD 31

RUN T0: misure dinamiche L’ampiezza degli impulsi degli NTD31 è sempre maggiore NTD 31 high T0 low T0 NTD 31 Se potessimo avere tempo infinito… low T0 high T0

R&D Accoppiamenti Termici Accoppiamento termistore - assorbitore In CUORICINO Table-legs NTDs Incollaggio mediante gocce di colla epossidica a due componenti (Araldite) spessore gocce ~ 50 μm Utilizzare termistori NTD dotati di 4 piccoli piedistalli su cui applicare leggero strato di colla 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,…) Lavoro duplice nello studio delle proprieta’ termomecc e nelle prestazioni bolometriche TeO2 3mm

R&D Accoppiamenti Termici Accoppiamento termistore - assorbitore Semplicità di incollaggio e buona riproducibilità statica Risultati dinamici paragonabili a quelli con l’incollaggio standard Ma: rottura del cristallo in corrispondenza dei piedistalli Mettere qui i risultati del RUN7. Buona riproducibilita’ delle curve di carico ma misure dinamiche inconcludenti. Quali sono i parametri a cui le curve di carico sono praticamente insensibili? Le differenze negli impulsi sono dentro il comportamento standard di irriproducibilita’ dei bolometri?

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 Ulteriori test sono in corso

R&D Accoppiamenti Termici Accoppiamento assorbitore – bagno termico Rottura del cristallo! Attualmente Utilizzo di martelletti di Teflon Test 1 Probabile causa: contrazioni differenziali Ge e TeO2 durante il raffreddamento » » test in LN2 Utilizzo di stand-off di Germanio Test 2 100 mm 1 mm Incollaggio diretto al supporto di rame Il problema di incollare direttamente il TeO2 e’ legato al fatto che il TeO2 si contrae prima del Cu durante il raffreddamento. Test 3 Compensazione delle contrazioni

Sommario IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO » IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO » RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI » PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE » » CRIOGENIA CRIOGENIA

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 3He-4He con bagno di 4He 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

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 Compressore PT PT Inserire foto del criostato CRIOSTATO di PROSSIMA GENERAZIONE Criostato

Test criogenici del Criostato AL Run timing Termometro RuO2 Termometro NTD#31 PT cooling (300to4K): ~ 24-30 ore Rate e tempo di condensazione miscela: ~ 32h @ ~ 20 mbar/h Temperature di base sulla MC poche ore dopo la fine della condensazione Misure di potere refrigerante PMC [μW] TMC [mK] 20 23.5 200 86.8 50 40.3 400 127 100 59.1 400* 115.5 Ho quindi studiato le prestazioni termiche di questo sistema sia dal punto di vista della temperatura di base (vedi foto) sia del potere refrigerante, sia delle conduttanze termiche e del comportamento generale del criostato (tempistiche) Punti Fissi [1.2K – 15mK] CMN bolometro TeO2 Pstill = 3 mW – *: Pstill = 5 mW

Misure di rumore preliminari Vrms/√Hz rumore indotto dal PT

Misure di rumore preliminari Vrms/√Hz RUMORE MEDIO INTEGRATO: ~ 0.5 μVrms [1 – 40 Hz] ~ 0.3 μVrms [1 – 12 Hz] LNGS: ~ 0.1-0.2 μVrms [1 – 12 Hz] Ampi margini di miglioramento del setup sperimentale riducendo il rumore sia meccanico sia elettrico

Conclusioni Lavoro svolto: Partecipazione alle fasi di presa dati per l’esperimento Cuoricino ai LNGS in qualita’ di turnista esperto Partecipazione alle fasi di programmazione, montaggio, avviamento, presa dati e analisi del RUN T0 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 all’interno del Working Group ANALISI DATI di Cuore » realizzazione del database delle misure per Cuoricino In conclusione, oltre all’approfondimento delle tematiche generali, teoriche e sperimentali, legate all’esperimento CUORE, mi sono occupato, durante quest’anno, di