Development of cryogenic detectors for rare event searches L. Gironi 30 Gennaio 2012 Università degli Studi di Milano – Bicocca Corso di Dottorato di Ricerca.

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1 Development of cryogenic detectors for rare event searches L. Gironi 30 Gennaio 2012 Università degli Studi di Milano – Bicocca Corso di Dottorato di Ricerca in Fisica e Astronomia XXIII Ciclo - A.A. 2008 - 2010 Advisor: Dott. O. Cremonesi

2 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Indice I rivelatori per lo studio di eventi rari La tecnica bolometrica Il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini (0νDBD) Risultati ottenuti (Cuoricino) e prospettive future (CUORE) I bolometri scintillanti Test effettuati Discriminazione in forma nella tecnica bolometrica Prospettive future nello studio del 0νDBD Le contaminazioni superficiali e i decadimenti α rari

3 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Rivelatori per lo studio di eventi rari Fisica fondamentale: Decadimento doppio beta senza emissione di neutrini (0νDBD) Materia Oscura Stabilità dell’elettrone … Eventi rari I Laboratori Nazionali del Gran Sasso Sorgenti radioattive: Decadimenti alfa rari Decadimenti beta rari Contaminazioni superficiali molto basse … Condizione fondamentale per lo studio degli eventi rari è un basso background. profondità ~ 3650 m.w.e. Riduzione flusso raggi cosmici ~1 0 6 Ridotto flusso di neutroni (ridotte quantità di Uranio e Torio nella roccia) Elevato spazio sperimentale

4 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Rivelatori per lo studio di eventi rari Neutrino: - Particella di Majorana - Particella massiva Sensibilità: vita media del processo corrispondente al massimo segnale che può essere rivelato. ε : efficienza di rivelazione T : tempo vivo di misura [y] N : numero di eventi attesi n : Confidence Level (C.L.) A : massa atomica η : abbondanza isotopica x : numero di atomi ββ per molecola M : massa rivelatore [kg] B : background [c/keV/kg/y] Δ : risoluzione energetica [keV] n : fluttuazioni del background ad un determinato C.L.. Il doppio decadimento beta senza emissioni di neutrini (0νDBD) Per esperimenti che studiano il 0νDBD e con fondo non nullo: Massa effettiva del neutrino: F N = fattore di merito nucleare (elemento di matrice nucleare + spazio fasi)

5 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 La tecnica bolometrica Nella tecnica bolometrica: Eccellente risoluzione energetica (Δ ~5 keV a 2615 keV) Basso background (B ≤ 0.17 counts/keV/kg/y) Esperimenti con massa fino a M ~1 ton Esperimenti con T ~5 y e tempo vivo > 80% Ampia scelta di materiali differenti come assorbitore (η, x, A) C = capacità termica G = conduttanza termica assorbitore termometro accoppiamento termico bagno termico ~10 mK Elevata Sensibilità Il principio di funzionamento dei bolometri: Parametri di Forma del segnale termico Rise Time (t 90% -t 10% ) Decay Time (t 30% -t 90% ) ….

6 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Cuoricino Cuoricino (2003 – 2008, 40,7 kg di TeO 2 ): l’esperimento bolometrico che ha permesso di raggiungere la migliore sensibilità nello studio del doppio decadimento beta senza emissioni di neutrini del 130 Te. 44 cristalli ‘grandi’ 5x5x5 cm 3 18 cristalli ‘piccoli’ 3x3x6 cm 3 130 TeTeO 2 Q ββ = 2528 keV Elevata abbondanza isotopica naturale (33.8 %) … Elevata temperatura di Debye Buone proprietà meccaniche Ridotte contaminazioni radioattive …

7 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Cuoricino, 0νDBD ( 130 Te) & background Statistica = 19.75 kg*y di 130 Te Background di Cuoricino al 0νDBD 0.169±0.006 counts/keV/kg/y Composizione del background nella regione di interesse (ROI – 2510-2550 keV): Eventi multi-Compton della linea γ del 208 Tl a 2615 keV + μ e particelle indotte da μ (n, γ) neutroni contaminazioni superficiali (α) 208 Tl0νDBD 190 Pt‘regione α’ 238 U+ 232 Th

8 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Contaminazioni superficiali Coincidenze in Cuoricino (contaminazioni superficiali dei cristalli) Numerosi metodi passivi utilizzati per eliminare le contaminazioni superficiali (pulizia delle superfici, assemblaggio in ambiente controllato, polietilene, …). Tuttavia sussiste un contributo residuo. Una possibile soluzione è l’utilizzo di un metodo attivo per identificare le particelle interagenti: i bolometri scintillanti. Simulazione di contaminazioni superficiali in 210 Po (Q=5.4 MeV) Energia cristallo 1 [keV] Energia cristallo 2 [keV]

9 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 CUORE ( C ryogenic U nderground O bservatory for R are E vents ) Top Frame TeO 2 Crystals Middle Frame Copper Columns Teflon Bottom Frame Array compatto di 988 cristalli di TeO 2 (5x5x5 cm 3 = 750 g) - 19 torri - 13 piani ciascuna - 4 cristalli ciascuno 741 kg di TeO 2 206 kg of 130 Te CUORE è in costruzione presso la Sala A dei LNGS.

10 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 CUORE Criostato Cristalli Pulse tube 4 K flange Detector suspension TeO 2 detectors No liquidi criogenici: maggiore tempo vivo. La sospensione del rivelatore è completamente indipendente dalla struttura del refrigeratore: minor rumore meccanico. Accurato controllo della radioattività di tutti i componenti del set-up: riduzione background. La produzione di 30 cristalli/mese è iniziata nel 2009 alla SICCAS in Cina. Certificazione di radio purezza basata sui risultati ottenuti con misure ICP-MS sulle materie prime e sui prodotti intermedi. Cristalli scelti casualmente da ogni batch vengono misurati come bolometri nel criostato installato in Sala C dei LNGS (misura delle contaminazioni radioattive e delle performance bolometriche)

11 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Il background dovuto alle contaminazioni alfa superficiali dei cristalli sarà notevolmente ridotto grazie alle anti coincidenze tra i rivelatori. L’intero array sarà circondato da 6 cm di piombo interno (a ~ 10 mK) e un’ulteriore schermatura di 30 cm di Pb sarà utilizzata per schermare dalla radioattività ambientale e dalle parti dello stesso criostato. All’esterno della schermatura di Pb saranno posizionati 18 cm di polietilene al fine di termalizzare i neutroni ambientali che saranno poi assorbiti dai 2 cm di H 3 BO 3. Background CUORE Sensibilità La sensibilità prevista per CUORE a 1σ con un tempo vivo di 5 y a un background di B=0.01 c/keV/Kg/y T 0ν 1/2 = 1.6 · 10 26 y

12 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 I Bolometri Scintillanti β/γβ/γ α α+βα+β Doppia lettura: informazioni sulla natura della particella interagente. Ge slab (Ø~50 mm, h~0.5 mm) Calibrazione con sorgente di 55 Fe FWHM = 250 eV 5,9 keV 6,5 keV Il rivelatore di luce e il foglio riflettente Rivelatori di piccole dimensioni (= piccola capacità termica) per piccoli rilasci di energia (luce di scintillazione) Rivelatori ‘opachi’ per assorbire tutta la luce di scintillazione Foglio riflettente attorno al cristallo scintillante per raccogliere tutta la luce di scintillazione Calore Luce Energy [keV] Counts

13 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Il Bolometro Scintillante ideale Alcune caratteristiche da tenere in considerazione per la selezione dei bolometri scintillanti: IsotopoQ ββ (keV) Abbondanza isotopica 76 Ge20397.6 % 130 Te252833.8% 116 Cd28097.5 % 82 Se29968.7 % 100 Mo30349.6 % 130 Te 76 Ge 100 Mo 116 Cd Background γ ambientale 82 Se Isotopo candidato al 0νDBD con elevato Q valore (basso background, spazio delle fasi favorevole, …) ‘Elevata’ abbondanza isotopica (o possibilità di arricchimento) Basse contaminazioni radioattive Cristalli di grandi dimensioni Bassa massa molecolare e elevata molteplicità stechiometrica Buona risposta termica (i.e. elevata risoluzione energetica) Elevata discriminazione delle particelle interagenti

14 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Bolometri Scintillanti CdWO 4 BGO ZnSe CaMoO 4 ZnMoO 4 0νDBD 116 Cd Contaminazioni superficiali 0νDBD 82 Se 0νDBD 100 Mo UtilizzoAspetti ‘Tecnici’ Correlazione luce-calore Feedback elettrotermico Superfici ottiche Quenching Factor ‘inverso’ Correlazione luce-calore ‘inversa’ Discriminazione in forma … Discriminazione in forma … Decadimento α raro del 209 Bi

15 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Alcune definizioni Light Yield (L.Y.) = energia rilasciata nel rivelatore di luce (light detector, LD) per un rilascio di energia di 1 MeV nel cristallo scintillante Quenching Factor (Q.F.) di scintillazione = rapporto tra la resa in luce delle particelle interagenti (α, neutroni, nuclei) rispetto alla resa in luce per eventi β/γ alla medesima energia Light Discrimination confidence level (D Light ) = differenza tra l’ampiezza media del segnale di luce prodotto da particelle β/γ e quella degli eventi α pesata sulla larghezza delle due distribuzioni (σ β/γ e σ α ) α β-γβ-γBi-Po (α+β)

16 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Q  ( 116 Cd)=2809 keV i.a. = 7.5 % Bolometri Scintillanti - CdWO 4 0νDBD 116 Cd Array di 4 cristalli 3x3x3 cm 3 210 g 3x3x2 cm 3 140 g 3x3x6 cm 3 426 g Evoluzione dei cristalli di CdWO 4 Ø = 4cm, h = 5cm 510 g Superfici Ottiche

17 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 0νDBD 116 Cd Nel 2008 un array di 4 rivelatori è stato affacciato ad un solo rivelatore di luce. Foglio riflettente Array 4 CdWO 4 (3x3x3 cm 3 ) CdWO 4 (3x3x6 cm 3 ) Ge (Ø = 66 mm) Ge (Ø = 35 mm) 180 W 238 U 234 U 210 Po 230 Th 228 Th 224 Ra 220 Ra 216 Po 232 Th 212 Bi 212 Bi- 212 Po 1066 hours Elevata resa in luce di tutti i cristalli testati Contaminazioni interne molto differenti a seconda del produttore Regione alfa ‘allargata’ Energy [keV] Light [a.u.] Bolometri Scintillanti - CdWO 4

18 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Nuovo Cristallo: 508 g (Ø=40mm, h=50mm) con superfici ottiche 0νDBD 116 Cd Sorgente di particelle alfa degradate (sorgente 238 U coperta con ~ 6μm di Mylar) D Light a 2615 keV = 12 σ L.Y.(β)=17 keV/MeV Q.F. ( 180 W) = 0.160 ± 0.003 Q.F. ( 238 U) = 0.192 ± 0.006 Q.F. ( 234 U) = 0.201 ± 0.006 Astroparticle Physics 34 (2010) 143–150 : CdWO 4 scintillating bolometer for Double Beta Decay: Light and heat anticorrelation, light yield and quenching factors. Dipendenza del Q.F. dall’energia della particella α incidente stopping power dE/dx Scintillating Bolometers - CdWO 4 Substrato Sorgente alfa ( 238 U) Mylar (6 μm)

19 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Aspetti tecnici Fluttuazioni nella partizione dell’energia tra il canale termico e la scintillazione (peggioramento della risoluzione energetica nei bolometri scintillanti) Correlazione tra i due canali Miglioramento della risoluzione attraverso una rotazione Calibrazione assoluta del calore e Quenching Factor termico Bolometri Scintillanti - CdWO 4

20 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 In sintesi: I cristalli di CdWO 4 sono buoni candidati per lo studio del 0νDBD Svantaggi: Elevata sezione d’urto per neutroni del 113 Cd Decadimento beta del 113 Cd (a.i.=12%, Q=306keV) Vantaggi: Elevata resa in luce e Q.F. + superfici ottiche -> eccellente discrimination confidence level (12 σ) 116 Cd buon candidato allo studio del 0νDBD Q ββ = 2809 keV i.a. = 7.5 % Buona radiopurezza Ottima risoluzione energetica ottenibile grazie alla rotazione degli assi Soluzioni: arricchimento in 116 Cd feedback elettrotermico Bolometri Scintillanti - CdWO 4

21 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Cristalli di ZnSe testati (differente stechiometria) Q  ( 82 Se) = 2996 keV i.a. = 8.7 % 0νDBD 82 Se cristalli ZnSe heaters termistori fogli riflettenti “ZnSe Small” Ø = 2cm, h = 2.1cm 37.5 g “ZnSe Huge” Ø = 4cm, h = 5cm 337 g “ZnSe Large” Ø = 4.1cm, h = 1.7cm 120 g Bolometri Scintillanti - ZnSe Rapporto tra le masse favorevole

22 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Astroparticle Physics 34 (2011) 344–353 : Characterization of ZnSe scintillating bolometers for Double Beta Decay. β/γβ/γ sorgente α degradata 210 Po Particelle direttamente ionizzanti sul rivelatore di luce Quenching Factor ‘inverso’ Q.F. ‘inverso’ IpotesiTests Autoassorbimento della luce dei β/γ (eventi di bulk, α superficiali) Sorgente alfa posizionata sulla faccia opposta al rivelatore di luce Problemi nella raccolta della luce Confronto con un cristallo di CdWO 4 (stesse dimensioni, montaggio e rivelatore di luce) rivelatore di luce ‘trasparente’ alle lunghezze d’onda della luce di scintillazione dei beta/gamma Utilizzato come rivelatore di luce un bolometro di zaffiro ricoperto con uno strato di Pb 0νDBD 82 Se Bolometri Scintillanti - ZnSe

23 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Cristalli estremamente puliti (no contaminazioni interne, solo eventi α dovuti al 210 Po) correlazione luce-calore ‘inversa’ risposta termica ‘non-lineare’ dipendenza del Q.F. dalla posizione della sorgente α Linea (keV) FWHM (keV) FWHM Rot (keV) 5837.5 ± 0.55.4 ± 0.3 9117.8 ± 0.65.9 ± 0.3 261528 ± 19.5 ± 0.4 Canale termico 0νDBD 82 Se Bolometri Scintillanti - ZnSe

24 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Sorgente alfa degradata Sorgente alfa di 224 Ra impiantato (monocromatica) Misura IMisura II 0νDBD 82 Se Misura I Misura II Bolometri Scintillanti - ZnSe Cristalli estremamente puliti (no contaminazioni interne, solo eventi α dovuti al 210 Po) correlazione luce-calore ‘inversa’ risposta termica ‘non-lineare’ dipendenza del Q.F. dalla posizione della sorgente α Sorgente alfa degradata

25 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Differenti forme del segnale nel rivelatore di luce delle particelle α e β. β/γβ/γ α β/γβ/γ α Particelle direttamente ionizzanti sul rivelatore di luce ZnSe Huge ZnSe Large Discrimination confidence level su TVR della luce = 15 σ Condizioni di misura ottimizzate: Bessel 120 Hz temperatura di lavoro leggermente maggiore 16384 punti, finestra acquisizione di 4 sec 0νDBD 82 Se Bolometri Scintillanti - ZnSe Particelle direttamente ionizzanti sul rivelatore di luce Pulse Shape Analysis

26 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 In sintesi: ZnSe è un buon candidato allo studio del 0νDBD; alcuni aspetti devono ancora essere compresi completamente. Svantaggi: Quenchin Factor ‘inverso’ dipendenza del Q.F. dalla posizione della sorgente α correlazione luce-calore ‘inversa’ Vantaggi: 82 Se ottimo candidato al 0νDBD Q ββ = 2996 keV i.a. = 8.7 % Cristalli estremamente puliti (no contaminazioni interne, solo eventi α dovuti al 210 Po) Eccellente discriminazione attraverso la Pulse Shape Analysis sul rivelatore di luce (15σ) 0νDBD 82 Se Bolometri Scintillanti - ZnSe Soluzioni: discriminazione attraverso Pulse Shape Analysis rotazione degli assi

27 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Q  ( 100 Mo) = 3030 keV i.a. = 9.6 % Q  ( 48 Ca) = 4270 keV i.a. = 0.187 % 2νββ 48 Ca 0νββ 100 Mo L’abbondanza isotopica naturale del 48 Ca è troppo bassa per studiare il 0νDBD di questo isotopo ma troppo alta per avere un’elevata sensibilità sul 0νDBD del 100 Mo a causa del 2νDBD del 48 Ca. 0νDBD 100 Mo Cristalli impoveriti in 48 Ca Bolometri Scintillanti - CaMoO 4

28 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Sorgente α degradata Contaminazioni interne α + sorgente α Bi-Po (α+β) β/γ Buon scintillatore e bolometro 0νDBD 100 Mo FWHM (2615 keV) = 9 keV Q.F. = 0.174 Bolometri Scintillanti - CaMoO 4

29 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Per la prima volta sono state osservate differenze tra la forma del segnale termico prodotto da α e β/γ nel cristallo scintillante. 0νDBD 100 Mo Differenza percentuale tra l’impulso medio α e quello γ. Impulso medio γ (2615 keV) Impulso medio α (2615 keV) Bolometri Scintillanti - CaMoO 4

30 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 0νDBD 100 Mo Discrimination confidence level su Rise Time = 6.5 σ NIM A 617 (2010) 478-481 : Scintillating bolometers for Double Beta Decay search. Astroparticle Physics 34 (2011) 797-804 : A novel technique of particle identification with bolometric detectors. Bolometri Scintillanti - CaMoO 4

31 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 0νDBD 100 Mo Journal of Instrumentation 5 (2010) P11007 : Performance of ZnMoO 4 crystal as cryogenic scintillating bolometer to search for double beta decay of molybdenum. Discrimination confidence level su RDC = 5.4 σ Bolometri Scintillanti - ZnMoO 4

32 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Installazione più semplice Minor numero di canali di acquisizione riduzione dei costi e del lavoro. riduzione del link termico tra la temperatura ambiente e la temperatura di lavoro di pochi mK. Rimozione del rivelatore di luce significativa riduzione dei costi (rivelatori di luce, termistori, elettronica). il notevole lavoro di R&D che deve ancora essere fatto al fine di ottimizzare i rivelatori di luce non sarà più necessario. Rimozione del foglio riflettente considerevole semplificazione della struttura possibilità di utilizzare le anti-coincidenze tra i cristalli per ridurre ulteriormente il background α Pulse Shape Analysis NO RIVELATORE DI LUCE NO FOGLIO RIFLETTENTE Bolometri Scintillanti - Pulse Shape Analysis

33 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Bolometri Scintillanti - Pulse Shape Analysis Assunzione: la produzione di tutti i fononi che partecipano alla formazione del segnale termico non può essere considerata istantanea neanche in rivelatori lenti come i bolometri. Evoluzione temporale della formazione del segnale termico in bolometri scintillanti: Fononi e Fotoni Interazione particella nel cristallo scintillante Canale termico Scintillazione Il segnale bolometrico nel cristallo scintillante è dato dalla somma di tutti i fononi emessi (sia nel canale termico che in quello di scintillazione) e prodotti per autoassorbimento. La produzione di fononi, la loro propagazione e raccolta è molto veloce (<10 -6 s) e può essere considerata istantanea nei bolometri. (ω)(ω)(1-ω) Fononi ritardati τ CaMoO4 (a 4K) = 3,810 -4 s Fononi ‘prompt’ Stati a vita ‘lunga’ Luce di scintillazione (~50% energia canale scintillazione in molibdati)

34 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Bolometri Scintillanti - Pulse Shape Analysis La percentuale che fluisce nel canale di scintillazione dipende dal tipo di particella interagente: le particelle con elevata densità di ionizzazione (α) occupano tutti i livelli di scintillazione fino alla saturazione. Fononi e Fotoni Verifiche del modello grazie alle differenti informazioni a disposizione (2 impulsi nel cristallo scitillante + 2 impulsi nel rivelatore di luce). Per poter applicare questo modello al segnale bolometrico è necessario ancora del lavoro (convoluzione della produzione di fononi con la risposta del bolometro (link al bagno termico), andamento esponenziale della resistenza, filtro Bessel, …). ωαωα ωβ/γωβ/γ < Differenti L.Y. per α e β/γ La percentuale che fluisce nel canale termico a seguito dell’interazione di una particella α è maggiore rispetto ai β/γ. Differenti forme nel segnale termico. Journal of Low Temp. Phys (DOI 10.1007/s10909-012-0478-x): Pulse Shape Analysis with scintillating bolometers. Il numero di fononi ‘ritardati’ è infatti proporzionale a ω.

35 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Bolometri Scintillanti & Background Nei bolometri scintillanti, grazie alla discriminazione sul L.Y. o sulla forma del segnale, le contaminazioni alfa superficiali possono essere eliminate completamente (99.9%=3.3 σ). Cristallo Tecnica Discriminazione Rivelatore di luce Discrimination Confidence Level CdWO 4 Light YieldSi12 σ ZnSePSA (TVR Light) Si15 σ CaMoO 4 PSA (Rise Time) No6.5 σ ZnMoO 4 PSA (Ratio Decay Const) No5.4 σ Rese trascurabili le contaminazioni superficiali Studio dei contributi precedentemente trascurabili 2νDBD Contaminazioni interne (decadimento beta del 208 Tl e 210 Tl ) Contaminazioni del criostato ( 214 Bi, 2615+583 keV) Background ambientale (μ, n)

36 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Bolometri Scintillanti & Background Fondo dovuto a 2νDBD T 0ν valutato per =50 meV, T 2ν misurato (Barabash). 10 keV40 keV100 keV 130 Te9,1 · 10 6 2,2 · 10 3 9,1 116 Cd7,1 · 10 5 1,7 · 10 2 0,7 82 Se2,0 · 10 6 4,9 · 10 2 2,0 100 Mo2,8 · 10 5 6,8 · 10 1 0,3 Risoluzione @ 2615 keV TeO 2 = 5 keV CdWO 4 = 16,5 keV CdWO 4 Rot = 6,25 keV ZnSe = 28 keV ZnSe Rot = 9,5 keV Contaminazioni criostato (gamma) 208 Tl - Somma 583 keV + 2615 keV 214 Bi - Gamma con E>2615keV (B.R. totale= 0.15 % catena 238 U) c/keV/Kg/y (2976-3016 keV) 208 Tl 214 Bi OVC(1,40±0,31) · 10 -6 OVC_NoPb(4,76±0,56) · 10 -5 (3,65±0,03) · 10 -6 PbRomano(6,32±0,12) · 10 -4 Frame(6,81±0,05) · 10 -5 (4,12±0,03) · 10 -6 Simulazione: criostato Cuoricino, cristallo ZnSe. Per isotopi con Q  > Q  ( 82 Se) questo contributo risulta essere ulteriormente abbattuto. Pile-up 2νDBD Per cristalli con massa ~500g, arricchimento al 90%, risoluzione temporale 5ms. B<10 -3 c/keV/kg/y

37 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Bolometri Scintillanti & Background Esperimento di ~1 ton di bolometri scintillanti 10 -3 -10 -4 counts/keV/kg/y Contaminazioni interne (beta 208 Tl e 210 Tl in ZnMoO 4 ) Coincidenza ritardata 214 Bi- 210 Tl (catena 238 U): Eff. tagging alfa (5617 keV) = 99,96% B.R. 210 Tl (5489keV) = 0.02 % Contaminazione interna in 238 U < 3,2 · 10 -5 Bq/kg Background = 1,62 · 10 -3 c/keV/kg/y Background coinc. rit. = 1,16 · 10 -5 c/keV/kg/y 5 τ (tempo morto 0,01 %) Coincidenza ritardata 212 Bi- 208 Tl (catena 232 Th): Eff. tagging alfa (6207 keV) = 99,94 % B.R. 208 Tl (5001 keV) = 36 % Contaminazione interna in 232 Th < 3,2 · 10 -5 Bq/kg Background = 2,97 · 10 -2 c/keV/kg/y Background coinc. rit. = 2,18 · 10 -4 c/keV/kg/y 5 τ (tempo morto 2,0 %) Contaminazioni CdWO 4 238 U = 1,2 · 10 -5 g/g 232 Th < 3,5 · 10 -6 g/g Contaminazioni ZnSe 238 U < 4 · 10 -7 Bq/kg 232 Th < 4 · 10 -7 Bq/kg Gli unici contributi dovuti alle catene radioattive naturali sono il beta del 208 Tl e quello del 210 Tl. Questi contributi sono tuttavia eliminabili grazie alle coincidenze ritardate (necessario il contenimento totale dell'alfa). 208 Tl e 210 Tl in ZnMoO 4 (cristalli da ~750g)

38 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Sensibilità – Background vs Risoluzione energetica Ris. Energetica [keV] a 2615 keV ( 208 Tl) TeO 2 7±1 CdWO 4 16.5±0.5 CdWO 4 (Ruotato) 6.3±0.2 ZnSe28±1 ZnSe (Ruotato) 9.5±0.4 ZnMoO 4 5.6±2 Sensibilità di un esperimento CUORE-like con ZnSe per 5 anni di tempo vivo.

39 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Sensibilità – Background vs Risoluzione energetica + ‘mass cut-off’ regione proibita Esperimenti a background ≠ da zero ( ) Esperimenti a background zero ( )

40 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 988 cristalli (5x5x5 cm 3 ), 5 y CristalloS 0B Massa NeutrinoB * ΔB (for Δ=5 keV) [yr][meV][counts/kg/yr][counts/keV/kg/yr] TeO 2 (33.4%)1.2 x 10 27 14-341.4 x 10 -3 2.8 x 10 -4 CdWO 4 (90%)1.9 x 10 27 11-261.1 x 10 -3 2.1 x 10 -4 ZnSe (90%)2.8 x 10 27 10-271.6 x 10 -3 3.2 x 10 -4 ZnMoO 4 (90%)1.4 x 10 27 12-282.0 x 10 -3 4.0 x 10 -4 Sensibilità – Background vs Risoluzione energetica + ‘mass cut-off’ Esperimenti a background ≠ da zero ( ) Esperimenti a background zero ( )

41 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Bolometri Scintillanti CdWO 4 BGO ZnSe CaMoO 4 ZnMoO 4 0νDBD 116 Cd Contaminazioni superficiali 0νDBD 82 Se 0νDBD 100 Mo Crystal useAspetti ‘Tecnici’ Correlazione luce-calore Feedback elettrotermico Superfici Ottiche Quenching Factor ‘inverso’ Correlazione luce-calore ‘inversa’ Discriminazione in forma … Discriminazione in forma … Decadimento α raro del 209 Bi

42 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Bolometri Scintillanti - BGO Principale fonte di background in esperimenti bolometrici per lo studio del 0νDBD. Studio delle contaminazioni superficiali Per studiare le contaminazioni superficiali il bolometro deve essere affacciato al rame BGO – Elevata resa in luce No foglio riflettente Rivelatori a barriera superficiale (Si) Bolometri Superficie attiva rivelatore10 cm 2 100 cm 2 Risoluzione energetica25-30 keV5-10 keV Background (3-8 MeV)0.05 c/h/cm 2 0.001 c/h/cm 2

43 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Bolometri Scintillanti - BGO Misura preliminare (array di 4 cristalli 2x2x2 cm 3 ) β/γβ/γ 209 Bi 147 Sm source (2233 keV) Light Heat α region T 1/2 ( 209 Bi) = (1,99+/-0,03)*10 19 y Nature 442 (2003) 876 T 1/2 ( 209 Bi) = (1,9+/-0,2)*10 19 y L.Y. (β/γ) 18,8 keV/MeV L.Y. (α) 2,4 keV/MeV Alpha 209 Bi (Q= 3137 keV) Questa misura preliminare ha mostrato un raffreddamento dei cristalli insolito (molto lungo) e la presenza di numerosi eventi gamma dovuti a 207 Bi (attivazione cosmogenica).

44 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Test di un cristallo di grandi dimensioni (5x5x5 cm 3 ): prova di raffreddamento radioattività 207 Bi Bolometri Scintillanti - BGO

45 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Bolometri Scintillanti - BGO (decadimento α del 209 Bi su stato eccitato) Decadimenti α sullo stato fondamentale Physical Review Letters (accepted): First measurement of the partial widths of 209 Bi decay to the ground and to the first excited states. Decadimenti α sullo stato eccitato

46 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 Bolometri Scintillanti - BGO Nuova misura con un array di 4 cristalli per lo studio delle contaminazioni superficiali. Attualmente in presa dati presso la Sala C dei LNGS. Array di 4 cristalli 5x5x5 cm 3 300 cm 2 affacciati a polietilene 200 cm 2 in coincidenza Very preliminary Calore Luce

47 Luca GironiRoma – 30 Gennaio 2012 La tecnica bolometrica permette di raggiungere elevate sensibilità nello studio degli eventi rari (elevata risoluzione energetica e basso fondo). L’utilizzo di metodi attivi ( bolometri scintillanti ) permette di ridurre ulteriormente il background e quindi migliorare la sensibilità dei bolometri. Alcuni dei cristalli testati hanno mostrato un eccellente potere di discriminazione. Scoperta molto promettente: la Pulse Shape Analysis Sensibilità raggiungibile per 0νDBD per un esperimento ~ 1 ton (CUORE-like) con bolometri scintillanti Conclusioni CristalloRiv. LuceDiscrimination C.L.ΔB * ΔMassa neutrino [keV][counts/kg/yr][meV] CdWO 4 (90%)Si12 σ6.3±0.2 (rot)1.1 x 10 -3 11-26 ZnSe (90%)Si15 σ9.5±0.4 (rot)1.6 x 10 -3 10-27 ZnMoO 4 (90%)No5.4 σ5.6±22.0 x 10 -3 12-28 Studio di eventi rari con i bolometri scintillanti: Contaminazioni superficiali Decadimento alfa raro del 209 Bi