LNS LNSNUMEN: From the pilot experiment towards the “hot cases” ! Clementina Agodi, CSN3 Roma 31-03-2015.

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1 LNS LNSNUMEN: From the pilot experiment towards the “hot cases” ! Clementina Agodi, CSN3 Roma 31-03-2015

2 Table of Content INTRODUCTION 1 THE PHASES OF NUMEN PROJECT 2 ESTIMATED COSTS 3 STRENGHS AND WEAKNESSES OPPORTUNITIES AND THREATS 4 LNS LNS

3 Experimental limits Determination of nuclear matrix elements seems to be at our reach… BUT : 1. one order of magnitude more yield is necessary,for most favorable cases ; 2. ( 18 O, 18 Ne) is of β + β + kind while most of the research on 0νββ is on the opposite side; 3. Some reactions of β - β - kind have a smaller B(GT): a reduction of the yield is foreseen ; 4. Gas target will be necessary; 5. Sometimes energy resolution of ≈ half MeV is not enough to separate the g. s. form excited states in the final nucleus: coincident detection of  -rays is necessary; 6. A strong fragmentation of the double GT strength is known in the nuclei of interest. Upgraded set-up to work with two orders of magnitude more current than the present Substantial change in the technologies used in CS and in the MAGNEX detecor LNS LNS

4 “Credo non sia facile fare fisica molto innovativa se questa non è sorretta da tecnologie altrettanto innovative” Experimental limits Mid Term 1-2 APRILE 2015 LNS LNS

5 The four phases of NUMEN project  Phase1: the experiment feasibility 40 Ca( 18 O, 18 Ne) 40 Ar @ 270 MeV already done: the results demostrate the technique feasibility.  Phase2: toward “hot” cases optimizing experimental conditions and getting first result Upgrading of CS and MAGNEX, preserving the access to the present facility. Tests will be crucial.  Phase3: the facility upgrade Disassembling of the old set-up and re-assembling of the new ones will start: about 18-24 months  Phase4: the experimental campaign High beam intensities (some p  A) and long experimental runs to reach integrated charge of hundreds of mC up to C, for the experiments in coincidences, for all the variety of isotopes for 0 ββ decay. year20132014201520162017201820192020 Phase1 Phase2 Phase3 Phase4 LNS LNS PRELIMINARY TIME TABLE

6 NUMEN Phase2 LNS LNS EXPERIMENTAL CAMPAIGN 1 DETECTOR UPGRADE 2 THEORETICAL MODELS DEVELOPMENTS 3

7 Phase2: Experimental campaign LNS LNS Few experiments to investigate the best working conditions The complete net of reactions involving the multi-step transfer processes with the same initial and final nuclei will be studied

8 The present day experimental set-up LNS LNS Focal Plane Detector Dipole Quadrupole Plane view of the MAGNEX magnetic layout Schematic view of the focal plane region

9 MAGNEX Upgrade LNS LNS substitution of the present Focal Plane Detector (FPD) gas tracker with a GEM – like tracker system; 1 substitution of the wall of silicon pad stopping detectors with a wall of telescopes based on SiC-CsI detectors; 2 introduction of an array of detectors for measuring the coincident  -rays; 3 enhancement of the maximum magnetic rigidity. 4

10 LNS LNS MAGNEX Focal Plane Detector  Gas-filled hybrid detector Drift chamber 1400mm x200mmx100mm Pure isobutane pressure range: 5-100mbar; 600-800 Volt,wires 20 micron  Wall SI 500 μm 20 columns, 3 rows 57 Silicon Detectors → E res 5 Proportional Wires → ΔE 4 Induction Strip → X 1,X 2,X 3,X 4 → X foc,θ foc 4 Drift Chamber (DC) → Y 1,Y 2,Y 3,Y 4 → Y foc,φ foc Ion identification Ray-reconstruction

11 FPD criticity @ high rates LNS LNS TRACKER : Space charge limits to few hundreds Hz / cm 1 Silicon detector damaging : 10 detetectors broken/12days beam in 3.6 mC total integrated charge 2

12 R&D: a new gas tracker LNS LNS FPD gas vs. GEM – like tracker From Multiwire gas tracker To GEM – like gas tracker to go to 100 kHz Ion trajectories limited to about 1 kHz  R&D key issue : GEM-based tracker at low pressure and wide dynamic range  Collaboration with LNF and CERN

13 R&D: Ion identification LNS LNS High rates : standard technologies ( Si) vs. new ones ( SiC crystals) Silicon detectors  double hits (high segmentation-high costs)  radiation hardness at 0 0 rate limit 10 8 ions/cm 2 Si death in few days  Rate limit SiC crystals  Preserves good Si properties  Much harder to radiations  double hits (high segmentation-high costs)  Rate limit Irradiations tests: around 10 13 ions 12 C @ 62 AMeV at LNS in collaboration with CNR R&D: to built a realiable number of epitaxial SiC, in order to built a telescopes wall of epitaxial SiC (100 μm and surface of 1cm 2 ) for energy loss + CsI (1 cm) for residual energy; decupling tracking from ion identification.

14 R&D : exclusive measurements LNS LNS SCINTILLATORS ARRAY Detecting γ-rays in coincidende with MAGNEX to:  improve energy resolution from the present limit of ≈ 1 MeV for 50 MeV/u heavy ions (1/1000 of 1 GeV 18 Ne), mandatory for DCE reactions.  Work with an intense flux of γ-rays and neutrons to optimize signal-to-noise ratio and reduce spurious coincidences.  Work done on HPGe and LaBr 3 by other collaborations that can be used for this purpose; CsI or NaI seems more promising for high rates applications.  Members of the Italian-Brasilian (INFN-IFUSP-IFUFF collaboration MoU) collaboration are interested to collaborate on this topics with possible in-kind contribution in the future development of NUMEN.

15 R&D: increase the magnetic rigidity LNS LNS Present day magnetic rigidity : 1.8 Tm i.e. 50 MeV/u 18 Ne 10+ and ≈ 30 MeV/u 20 O 8+ To extend the dynamical conditions magnetic rigidity :  2.8 Tm requires superconducting magnets with present MAGNEX optical layout  Power supply upgrade to obtain 2.1-2.2 Tm i.e. 70 MeV/u 18 Ne 10+ and ≈ 42 MeV/u 20 O 8+

16 R&D : front -end and read – out electronics LNS LNS ELECTRONICS PROTOTYPES (coll. Sez, Ct) 1)ASIC front – end chip: for FPD chip VMM2 in collaboration with Prof.G.De Geronimo ( Head of Microelectronics-Instrumentation Division of Brookhaven National Laboratory (NY,USA); for PM and PM-like signal chip DRS3 commercial delivered by PSI. 2) Read – out : new generation of FPGA and System On Module (SOM)

17 Preliminary time table for NUMEN R&D activities 17 LNS LNS

18 R&D Phase2: estimated costs 2015 1)Misure di reazioni come da prospetto mostrato nella Tabella. Attività condotta con le facility dei LNS (CS, MAGNEX, linee di trasporto) nelle condizioni attuali, quindi non è previsto R&D al riguardo,sono previste due campagne di misura. Ciò comporta la necessità di un adeguato approvvigionamento di materiale di consumo per lo svolgimento dei suddetti esperimenti. In dettaglio, tenendo conto dell’esperienza maturata sulle reazioni di Doppio Scambio di Carica (DCE) a zero gradi con MAGNEX, riteniamo essenziale una fornitura minima di: n.80 rivelatori al Si di 50x70x1mm il cui costo è stimato di 256k€ (fornitura per i tre anni ) v.All.1. 4 bombole di gas isobutano da 20 lt, del costo di 8.3K€, vedi All.2. Isotopi per bersagli del costo di circa 14k€.,vedi All.3. Tre rotoli di mylar di spessore 1,5, 2,5 e 3,5 micron, per un totale di 4.5k€, All.4. 1 switch Gbit per acquisizione dati dal costo di 3k€ 1 PC di acquisizione di 1k€, vedi All.5.

19 R&D Phase2: estimated costs 2015 2) Costruzione e messa in opera di prototipi di tracciatore a gas, moduli di identificazione e rivelatori gamma. 2a) Tracciatore a gas Prototipi del tracciatore a gas. Tali prototipi verranno testati su banco. Le dimensioni dei prototipi sono state scelte in modo da adattarsi allo standard 10x10cm 2 dei moltiplicatori di elettroni basati sulle tecnologie GEM, THGEM, MICROMEGA. Il costo stimato per ciascuno di tali elementi è riassunto nella seguente tabella, vedi All.6 e All.7. LNS LNS

20 R&D Phase2: estimated costs 2015 LNS LNS 2) Costruzione e messa in opera di prototipi di tracciatore a gas, moduli di identificazione e rivelatori gamma. 2a) Tracciatore a gas Prototipi di due anodi segmentati (obliquo e retto) per la raccolta degli elettroni secondari iniettati su un piano resistivo e la formazione del segnale elementare: costo di circa 6 k( (vedi All.8) (presenza di fori interrati, simile densità di piste, simile spessore etc.). Approvvigionamento di fili e minuteria elettronica per la costruzione della sezione a deriva (catodo, partitore di tensione etc.) per un totale stimato di circa 0.5 k€. Cameretta di contenimento del gas, con finestra, flange e passanti per i segnali ed il gas. (All. 9) 11 k€. Sistema di flussaggio gas, sarà necessario realizzarne uno nuovo, visto che quello attualmente in uso sarà impegnato per l’attività sperimentale. Si allega un’offerta (All.10 e All.11) che comprende un’unità di controllo, un misuratore di pressione differenziale, un’unità di read-out a 4 canali e due flussimetri: totale 13 k€.

21 R&D Phase2: estimated costs 2015 LNS LNS 2b) Moduli di identificazione. Telescopi (DE-E) basati su rivelatori epitassiali al SiC da circa 100 micron seguiti da scintillatori CsI di circa 1cm di spessore. Messa a punto delle tecniche per sviluppare in larga scala spessori epitassiali dell’ordine di 100 micron necessari per l’identificazione degli ioni prodotti nelle reazioni d’interesse. Da contatti con ditte attive nel settore abbiamo assicurazioni sulla fattibilità tecnica di wafer e di rivelatori con tali caratteristiche. Sviluppo di 5 wafer dimostratori dello spessore di 100 micron e diverse superfici e geometrie, 240 k€ (vedi All.12), in gran parte necessari per la progettazione e lo sviluppo dei processi. Costo per 80 wafer, necessari per l’intero lotto dei rivelatori di NUMEN, è di 310 k€ a cui bisogna aggiungere i costi di fonderia (vedi All.13) di circa 320 k€. L’acquisto degli 80 wafer con le relative spese di fonderia è previsto nel 2017, mentre quello dei dimostratori per i test e la realizzazione del prototipo di telescopio finale, andrà effettuato nel 2015. I costi previsti potranno essere parzialmente rivalutati in fase di gara.

22 R&D Phase2: estimated costs 2015 LNS LNS

23 R&D Phase2: Total estimated costs LNS LNS

24 Calculations constraints A new generation of DCE constrained for 0  NME theoretical calculations can emerge Compare sensitivity Sensitivity of different half-life experiments NUMEN Holy Graal Studying if the unit cross section a predictable and a smooth function of E p and A The NUMEN The NUMEN goals LNS LNS 1 2

25 S W T O Physics case 0νββ MAGNEX CS > 30 years of Heavy- Ion Nuclear Physics @ LNS 3 goals Search of Physics beyond the SM Different communities involved International Collaborations Strengths New technologies Manpower Budget National Collaborations Tight time schedule Weaknesses Physics case 0νββ MAGNEX R&D CS R&D INFN WHAT NEXT Budget extra CSN3 New Challenges New technologies New theories involved Collaborations (Nat.+Int.) Opportunities Budget Tight Time schedule New technologies New theories involved Threats LOW RISKS HIGH BENEFITS! NUMEN SWOT Analysis LNS LNS

26 SlideModel.com26

27 Electronic scheme SlideModel.com 27

28 MAGNEX Focal Plane Detector Entrance window Ion trajectory Silicon detectors Cathode (- 950V) Frisch grid (0V) Induction pads DC wires (750V) φ foc - + Section view 57 Silicon Detectors → E res 5 Proportional Wires → ΔE 4 Induction Strip → X 1,X 2,X 3,X 4 → X foc,θ foc 4 Drift Chamber (DC) → Y 1,Y 2,Y 3,Y 4 → Y foc,φ foc Ion identification Ray- reconstruction C.Boiano et al., IEEE 55 (2008) 3563 M.Cavallaro et al. EPJ A 48: 59 (2012) D.Carbone et al. EPJ A 48: 60 (2012)

29 LNS LNS Measured Resolution: Energy  E/E  1/1000 Angle Δθ  0.3° Mass Δm/m  1/160 Measured Resolution: Energy  E/E  1/1000 Angle Δθ  0.3° Mass Δm/m  1/160 Optical characteristicsActual values Maximum magnetic rigidity (Tm)1.8 Solid angle (msr)50 Momentum acceptance (cm/%)-14%, +10% Momentum dispersion3.68 First order momentum resolution5400 F. Cappuzzello et al., MAGNEX: an innovative large acceptance spectrometer for nuclear reaction studies, in Magnets: Types, Uses and Safety (Nova Publisher Inc., NY, 2011) pp. 1–63.