Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE.

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1 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE Double beta decay study at LNGS (the experiments CUORE and CUORE-0) I. Dafinei Università "La Sapienza" di Roma and Sezione INFN - Roma made in the frame of LUCIFER experiment FP7/2007-2013 ERC grant agreement n. 247115. Lucifer XXIV SEMINARIO NAZIONALE di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE OTRANTO, Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2012 Argomento : Studio del decadimento doppio beta ai LNGS Lezione 2 : Esperimento CUORE

2 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE Outline double beta decay study at LNGS cryogenic bolometers; insights CUORE and CUORE-0 experiments

3 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE LNGS in a glance past experiments neutrino physics 0νDBD DBD 0νDBD (claimed evidence!)

4 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE LNGS in a glance current experiments: neutrino physics 0νDBD DBD

5 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE LNGS in a glance current experiments: GERDA – 76 Ge Array of enriched Ge diodes operated in liquid argon First phase: 18 Kg; second phase: 40 Kg - LNGS Proved energy resolution: 0.2 % FWHM CUORE – 130 Te Array of low temperature natural TeO 2 calorimeters operated at 10 mK First step: 200 Kg (2014) – LNGS – it can take advantage from Cuoricino experience Proved energy resolution: 0.2 % FWHM LUCIFER – 82 Se – 116 Cd – 100 Mo Array of scintillating bolometers operated at 10 mK (ZnSe or ZnMoO 4 or CdWO 4 ) First step: ~ 10 Kg (2014) – LNGS – essentially R&D project to fully test the principle Proved energy resolution: 0.3 – 0.7 % FWHM

6 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE (more about) LNGS merits LNGS (underground facility) position: latitude 42°27'N, longitude 13°34'E average depth: 3800 m of water equivalent (m.w.e.) minimum depth: 3000 m.w.e. altitude: 963 m above sea level intensity of charged cosmic rays reduced 10 6 times with respect to the flux at the surface (~1muon·m -2 ·h -l ; energy threshold 2 TeV). reduced neutrons flux due to spontaneous fission in the rocks ~3×10 -6 cm -2 s -1 (thermal neutrons) <0.3×10 -6 cm -2 s -1 (fast neutrons) (three orders of magnitude less than at the surface) background due to gamma rays similar or higher than in a surface laboratory due to the radioactivity of the rocks and concrete which cover the halls (problem easily solved by proper shielding)

7 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE (more about) LNGS merits C. Arpesella, Appl. Radiat. Isot. 47, 9/10 (1996), 991 background gamma spectra measured with Ge detector with proper shielding Milano LNGS typical HPGe spectrum in hall C radionuclides: of natural radioactive series ( 226 Ra, 214 Bi, 214 Pb 238 Ac, 224 Ra, 208 Tl, 212 Pb and the Actinium series) long-lived natural ( 40 K, 87 Rb, 115 In, 133 La, 142 Ce, etc.) of cosmogenic origin ( 3 H, 7 Be, 14 C, 22 Na, 26 Al, 60 Co) of artificial origin (long-lived fission products like 95 Nb, 95 Zr, l44 Ce, l06 Ru, 134 Cs, 125 Sb, 137 Cs, etc.)

8 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE (more about) cryogenic bolometers energy resolution : 100 eV 30 eV 3 eV < 0.01 eV scintillatorgas detectorsolid state detectors LTD energy threshold much lower than in conventional devices sensitivity to non-ionizing events large choice for energy absorber materials possible discrimination of interacting particle advantages

9 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE (more about) cryogenic bolometers FWHM= 7.8 keV largest (2.1kg) bolometer ever operated

10 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE CUORE 19 towers containing 13 4=52 detectors each 988 TeO 2 crystals (5x5x5 cm 3 ) total detector mass: 741 kg total 130 Te mass: 206 kg (natural abundance) CUORE in a glance FWHM resolution ~ 5 keV @0νDBD (2528 keV) all the particle energy is converted into phonons, producing a crystal temperature variation of ~0.1 mK/MeV crystal heating changes the thermistor resistance of ~3MΩ/MeV determining a voltage variation of ~0.3 mV/MeV 2.528MeV

11 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE CUORE 11 pulse tube remote motor CUORE detector pulse tube head detector suspension support dilution unit lateral Pb shield top Pb shield how? dilution refrigerator (Leiden Cryogenics) detector suspensions independent minimum lead thickness ~ 36 cm strict radiopurity controls materials assembly

12 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE CUORE 12 CUORE Hut Cuoricino Hut where?

13 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 13 CUORE the hut, now

14 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 14 CUORE CUORE-0 52 CUORE crystals mounted in CUORE-style frames as a single tower (39 kg TeO2) assembled from detector components manufactured, cleaned and stored following the same protocols defined for CUORE to be operated in the Cuoricino cryostat expected to surpass Cuoricino performance

15 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 15 CUORE CUORE-0 Cartesian robot for glue dosing Anthropomorphous robot for sensors and crystals handling sensor-to-crystal connections

16 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 16 CUORE CUORE-0 sensor-to-crystal connections

17 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 17 CUORE CUORE-0 precise and uniform gluing sensor-to-crystal connections

18 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 18 CUORE CUORE-0 CUORE Tower Assembling Line (CTAL) single assembly station (4 interchangeable glove boxes) mechanics wiring/shielding bonding storage zero contact system (controlled nitrogen atmosphere) 18 Universal Working Plane Clean Room Floor Tower Garage Tower can be conveniently lifted up and down

19 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 19 CUORE CUORE-0 CUORE Tower Assembling Line (CTAL) single assembly station (4 interchangeable glove boxes) mechanics wiring/shielding bonding storage zero contact system (controlled nitrogen atmosphere) 19 MechBoxMechBox

20 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 20 CUORE CUORE-0 CUORE Tower Assembling Line (CTAL) single assembly station (4 interchangeable glove boxes) mechanics wiring/shielding bonding storage zero contact system (controlled nitrogen atmosphere) 20 CablingBoxCablingBox

21 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 21 CUORE CUORE-0 CUORE Tower Assembling Line (CTAL) single assembly station (4 interchangeable glove boxes) mechanics wiring/shielding bonding storage zero contact system (controlled nitrogen atmosphere) 21 BondingBoxBondingBox

22 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 22 CUORE CUORE-0 CUORE Tower Assembling Line (CTAL) single assembly station (4 interchangeable glove boxes) mechanics wiring/shielding bonding storage zero contact system (controlled nitrogen atmosphere) 22 StorageBoxStorageBox

23 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE 23 CUORE CUORE-0 assembling 23

24 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE CUORE CUORE-0 wiring 24

25 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE CUORE CUORE-0 wiring 25 51/52 NTD successfully bonded

26 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE CUORE CUORE-0 shielding 26

27 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE CUORE CUORE-0 shielding 27

28 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE CUORE CUORE-0 shielding 28

29 Dafinei_Otranto2012_Lesson-2 Ioan Dafinei INFN Sezione di Roma, ITALY OTRANTO 21-27 Settembre 2012 XXIV SEMINARIO NAZIONALE Di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE acknowledgements this work was made in the frame of LUCIFER experiment funded by the European Research Council under the European Unions Seventh Framework Programme FP7/2007-2013 / ERC grant agreement n. 247115.