MARE Microcalorimeter Arrays for a Rhenium Experiment CSN2, 1/10/2008 MARE è un progetto per determinare la massa del neutrino dalla misura dell'end-point.

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1 MARE Microcalorimeter Arrays for a Rhenium Experiment CSN2, 1/10/2008 MARE è un progetto per determinare la massa del neutrino dalla misura dell'end-point del decadimento  del 187 Re con tecniche calorimetriche MARE è l’unione di MIBETA (Milano) e MANU (Genova)  unici esperimenti al mondo che utilizzano il 187 Re per la misura diretta e calorimetrica della massa del neutrino  raggiunte sensibilità intorno a 15 eV A. Giuliani – Università dell’Insubria e INFN Mi-Bicocca

2 Effetti di una massa finita del neutrino sul decadimento  singolo 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] Tritium as an example

3 Due approcci sperimentali complementari  determinare tutta l’energia “visibile” del processo con un rivelatore nucleare ad alta risoluzione energetica  microcalorimetri a basse temperature  sensibilità attuale:  15 eV  sensibilità futura: ~ 2 eV a portata di mano; ~ 0.2 eV possibile  misura dell’energia del neutrino sorgente  rivelatore ( calorimetria ) (sorgente: 187 Re - Q=2.5 keV)   determinare l’energia dell’elettrone per mezzo di una selezione operata da oppurtuni campi elettrici e magnetici  misura dell’energia dell’elettrone fuori dalla sorgente  sensibilità attuale:  2 eV  sensibilità futura prevista:  0.2 eV  spettrometri magnetici ed elettrostatici sorgente separata dal rivelatore (sorgente: T - Q=18.6 keV)  Incertezze sistematiche completamente diverse

4 L’approccio calorimetrico alla misura della massa del neutrino Vantaggi della calorimetria  assenza di retrodiffusione  assenza di energia persa nella sorgente  nessun problema per gli stati finali eccitati 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 187 Re  187 Os + e - + e 5/2 +  1/2 – unica prima proibita (S(E e ) calcolabile) I calorimetri misurano l’intero spettro  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

5 La risoluzione temporale: un parametro cruciale energy [eV] Spettro  puro Spettro di pile-up

6 Microcalorimetri per la spettroscopia  del 187 Re concetti base Assorbitore cristallo contente Re M ~ 0.2 - 1 mg parametro cruciale: C Accoppiamenti termici fili di lettura gambette  -lavorate parametro fondamentale: G Termometro TES – film di IrAu Termistore di Si:P,B Termostato T ~ 50-150 mK refrigeratore a diluizione Vantaggi rispetto alle tecniche convenzionali:  alta risoluzione energetica ( ~ 10 eV)  ampia scelta del materiale per l’assorbitore

7 TES T R 100 mK m   C R JFET I due approcci al sensore termico Semiconduttore T R 100 mK MM CR Rs SQUID

8 La sfida sperimentale  M  Q 3  E A T M  4 risoluzione energetica attività totale della sorgente tempo vivo di misura

9 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 50000 elementi Statistica: N = 10 13 eventi  M    0.2 eV MARE-2 – 4 anni di R&D –  E ~ 5 - 10 eV –  R ~ 1 – 10  s Il percorso di MARE

10 MARE - 1 SEMICONDUTTORI U. Milano Bicocca / INFN Mi-Bicocca U. Insubria / INFN Milano Bicocca Itc-IRST / INFN Padova U. Madison, Wisconsin NASA Goddard Schiera di 288 elementi Tecnologia collaudata per il sensore Cristalli dielettrici di AgReO 4 TRANSITION EDGE SENSORS U. Genova / INFN Genova Schiera di 300 elementi Tecnologia innovativa per il sensore Cristalli superconduttori di Re metallico Due filoni

11 MARE-1 / termistori a semiconduttore Due opzioni in parallelo, in ogni caso schiere con micromachining:  Termistori di silicio drogato realizzati da NASA/Wisconsin 36 elements single pixel 0.3  0.3 mm AgReO 4 crystals  Termistori di silicio drogato realizzati da irst-ITC, Trento

12 MARE-1 / i cristalli di AgReO 4  In passato, vari problemi legati alla qualità dei cristalli hanno determinato incertezze e ritardi nell’esperimento  Oggi, dopo una lunga ma fruttuosa interazione con i produttori (ditta MATEK, Germania), la maggior parte dei problemi è stata risolta e le schiere sono pronte per l’assemblaggio  I cristalli hanno una notevole regolarità geometrica rispetto a MIBETA e hanno due facce piane e parallele

13 MARE-1 / termistori a semiconduttore stato dell’attività

14 MARE-1 / termistori a semiconduttore set-up criogenico

15 MARE-1 / termistori a semiconduttore stato dell’attività Prospettive Ott 2008  Completamento del montaggio crio-meccanico e test dell’elettronica fredda Nov 2008  Assemblaggio dell’array di 72 elementi (posizionamento dei cristalli sui sensori) Dic 2008  Raffreddamento e inizio presa dati

16 MARE-1 / termistori a semiconduttore progresso della sensibilità

17 MARE-1 / TES Cristallo singolo di Re metallico  TES su membrane di SiN  Cristalli cubici di Re metallico lato 0.5 mm Membrana sospesa di SiN Re TES Separatore di Si  schiera di 16 elementi realizzata

18 risetime: 160  s Risoluzione energetica 11 eV FWHM @ 5.9 keV MARE-1 / TES – prestazioni del singolo elemento Prestazioni non ancora riprodotte a causa di:  Read-out con trasformatori  Problemi di pick-up e di guadagno dei trasformatori READ-OUT a SQUID

19 Multiplexing a SQUID

20 TES (upside -down) PADs and Al1%Si wires SQUID array C5X16FM Multiplexing a SQUID

21 -108 -104 -100 -96 -92 0.0E+005.0E+061.0E+071.5E+07 Multiplexing a SQUID Conseguita una banda fino a 10 MHz

22 MARE-1 / TES – sensibilità 300 elementi

23 Statistica richiesta per MARE-2 KATRIN

24 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 (per aumentare la statistica senza aggravare il pile-up) Transition Edge Sensors (TES) bi-strato di film superconduttivi a cavallo della temperatura critica, regolata tramite effetto prossimità (MANU2, 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, JPL)

25 Sensibilità di MARE-2

26 A. De Rujula M. Lusignoli (1985) Alternativa al Re in MARE-2 cattura elettronica dell’ 163 Ho 163 Ho → 163 Dy * + e EC Decadimento per cattura elettronica radiativa dell’Olmio-163 In modo analogo al decadimento beta, la forma dello spettro di energia del fotone vicino all’end-point fornisce informazioni sulla massa del neutrino 163 Dy* decade attraverso transizioni Coster-Kronig nS, nP 1/2 Vantaggio rispetto al Renio: vita media dell’ordine di 4500 anni  Occorre un numero di atomi di molti ordini di grandezza inferiore per ottenere la stessa statistica

27  Test di impiantazione di 163 Ho eseguita ad ISOLDE (0.1 - 1 x10 15 ions/mm 2 su area di 100  m )  La contaminazione con altri isotopi ha portato a campioni radiaottivi  Metodo di impiantazione “pulito” allo studio  In prospettiva, impiantazione in bolometri con assorbitore di oro già realizzati e messi a disposizione da GSFC, che hanno risoluzioni di 2 eV alle energie di interesse 250  m Alternativa al Re in MARE-2 cattura elettronica dell’ 163 Ho

28 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

29 1)realizzazione elettronica basata su SQUID per lettura di TES 30-06-2008 2) primi risultati preliminari della misura con 72 canali con assorbitore dielettrico 31-10-2008 3) completamento di 3 mesi di misura con 72 canali con assorbitore dielettrico, con prime analisi delle sistematiche (BEFS, forma dello spettro, pile-up) 31-12-2008 4) inizio presa dati con schiera di rivelatori a assorbitore metallico 31-03-2008 5) risultati preliminari della misura con schiera di rivelatori a assorbitore metallico 31-12-2008 Milestones 2008 concordate

30 Attività 2009 proposte  Presa dati array a semiconduttore con 72 canali  risultati di fisica  Presa dati array a TES: innalzamento numero canali e miglioramento prestazioni  Completamento array a semiconduttore a > 200 canali  Completamento elettronica multiplexing e lettura set di rivelatori a TES  Cablatura criostato per MKIDs e primi test  Misura con rivelatore impiantato con 163 Ho

31 FTE-MIB: 8.9 (ric) + 1.3 (tecnologi) + 1.6 (tecnici)

32 FTE-GE: 4.6 (ric) + 1.5 (tecnici)

33 Relazione dei referee sull'esperimento MARE-RD Il gruppo di MIB inizier à la presa dati con il suo rivelatore con 72 cristalli entro la fine dell'anno. Questo permettera' l'anno prossimo di accumulare statistica aumentando la definizione degli spettri e di testare la tecnologia. Si incoraggia ancora l'integrazione dei rivelatori del gruppo di GE nei criostati a MIB. I referee ritengono importante finanziare le misure e l'R&D proposto da MIB e l'attivita' di sviluppo dei rivelatori a squid a GE, che e' ben documentata e in buon sviluppo. I referee ritengono inoltre di dover finanziare le assegnazioni di elio liquido, per le necessita' di R&D e presa dati. L'importo e' stato comunque ridotto ritenendo non opportuno immobilizzare una notevole cifra per elio liquido dall'inizio dell'anno, tenendo presente che la richiesta puo' essere comunque fatta alla commissione in corso d'anno, in caso di necessita'. La collaborazione concorda con i referee che ritengono che la richiesta di MIB di altri 72 canali non sia la priorita' principale per l'anno prossimo. I referee rinnovano l'invito ai due gruppi ad elaborare e sottoporre alla commissione un cammino che porti alla fusione dei due gruppi e alla definizione della tecnologia per MARE 2. In questo senso si propongono di organizzare una review generale dell'esperimento in maggio. Mauro Mezzetto Piero Rapagnani Gabriella Sartorelli CSN2 - Villa Mondragone 1-10-2008

34 MARE: proposte di assegnazione per il 2009 CSN2 - Villa Mondragone 1-10-2008