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Status de lexpérience NEMO3 Laurent SIMARD, LAL, Université Paris-Sud GDR neutrino Marseille, 14 mars 2005.

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1 Status de lexpérience NEMO3 Laurent SIMARD, LAL, Université Paris-Sud GDR neutrino Marseille, 14 mars 2005

2 3 m 4 m B (25 G) 20 secteurs Source : 10 kg disotopes cylindrique, S = 20 m 2, e ~ 60 mg/cm 2 Détecteur de traces : chambre à fils en régime Geiger (6180 cellules) Gaz: He + 4% alcool éthylique+ 1% Ar + 0.1% H 2 O Calorimètre : 1940 scintillateurs plastiques couplés à des PMs basse radioactivité Champ magnétique : 25 Gauss Blindage gamma : Fer (e = 18 cm) Blindage neutron: 30 cm eau (mur ext.) 40 cm bois (haut et bas) (depuis mars 2004: eau bore) Permet didentifier e, e, et Le détecteur NEMO3 Laboratoire Souterrain de Modane : 4800 m équivalent eau

3 Feuilles disotopes scintillateurs PMs Tube de calibration Anneaux cathodiques chambre à fils

4 AOUT 2001

5 aimant Blindage en fer Réservoir deau bois Inauguration de NEMO-3, Juillet 2002 Début de prise de données 14 Février 2003

6 100 Mo kg Q = 3034 keV Isotopes dans le détecteur NEMO-3 82 Se kg Q = 2995 keV 116 Cd 405 g Q = 2805 keV 96 Zr 9.4 g Q = 3350 keV 150 Nd 37.0 g Q = 3367 keV Cu 621 g 48 Ca 7.0 g Q = 4272 keV nat Te 491 g 130 Te 454 g Q = 2529 keV mesure Mesure du bdf dorigine externe aux sources recherche (Tous les isotopes enrichis produits en Russie)

7 Energie depositee : E 1 +E 2 = 2088 keV Hypothese interne : ( t) mes –( t) theo = 0.22 ns Vertex commun : ( vertex) = 2.1 mm Emission du vertex ( vertex) // = 5.7 mm Emission du vertex Vue transverse Vue longitudinale Run : 2040 Evénement : 9732 Date: Criteres pour sélectionner les événements : 2 traces e- 2 PMs, chacun > 200 keV association trace-PM Vertex commun Hypothese interne (rejet des evts externes) Pas dautre PM isole (rejet des ) Pas de trace retardee (rejet du 214 Bi) Distance de dérive Feuille de 100 Mo feuille de 100 Mo Run : 2040 Evenenement: 9732 Date: 20/03/2003 Propagation longitudinale du plasma Geiger Scintillateur + PM Sélection dévénements dans NEMO-3 Evénement typique 2 observé venant du 100 Mo Trigger: 1 PM > 150 keV 3 coups Geiger (2 cellules voisines + 1) Taux de trigger = 7 Hz événements : 1 événement toute les 1.5 minutes

8 Détecteur de traces: 99.5 % cellules Geiger ON Résolution sur le vertex : canaux 2 e (482 and 976 keV) avec des sources 207 Bi placées à 3 positions connues dans chaque secteur ( Vertex) = 0.6 cm // ( Vertex) = 1.3 cm (Z=0) séparation e /e avec un champ magnétique de 25 G ~ 3% de confusion à 1 MeV - - Vertex Vertex = distance entre les deux vertex Temps de vol : Résolution en temps (canal ) 250 ps à 1 MeV ToF (e traversant de source externe) > 3 ns e traversant de source externe totalement rejeté Bruit de fond externe événements de la peau ( t mes – t calc ) hypo. externe (ns) ( t mes – t calc ) hypo. interne (ns) Calorimètre: 97% des PMs+scintillateurs ON Résolution en énergie: runs de calibration (tous les ~ 40 jours) avec des sources 207 Bi 17%14% FWHM (1 MeV) Mur int. 3" PMs Mur ext. 5" PMs 207 Bi 2 e de conversion 482 keV et 976 keV 482 keV 976 keV FWHM = 135 keV (13.8%) La performance attendue du détecteur a été atteinte Performances du détecteur Suivi laser journalier pour controler la stabilité du gain de chaque PM gamma: efficacité ~ keV, E thr = 30 keV

9 (Données 14 Fév – 22 Mar. 2004) T 1/2 = (stat) 0.54 (syst) y Résultats préliminaires 100 Mo kg.y Cos( ) Distribution angulaire Bruit de fond soustrait Monte Carlo 2 Données événements 6914 g jours S/B = 45.8 NEMO Mo E 1 + E 2 (keV) Spectre de la somme des énergies événements 6914 g jours S/B = 45.8 NEMO Mo Données Bruit de fond soustrait Monte Carlo 2

10 Simkovic, J. Phys. G, 27, 2233, 2001 Energie individuelle différente entre SSD and HSD Distribution de lénergie individuelle pour 100 Mo 2 2 Monte Carlo 2 2 HSD HSD Niveaux plus élevés Bruit de fond soustrait Données Monte Carlo 2 2 SSD Bruit de fond soustrait Données SSD Etat unique HSD: T 1/2 = (stat) 0.60 (syst) y SSD: T 1/2 = (stat) 0.54 (syst) y La distribution de lénergie individuelle de la 2 2 de 100 Mo en faveur du modele Single State Dominant (SSD) 4.57 kg.y E 1 + E 2 > 2 MeV 4.57 kg.y E 1 + E 2 > 2 MeV HSD, niveaux plus hauts contribuent à la désintégration SSD, le niveau 1 domine dans la désintégration (Abad et al., 1984, Ann. Fis. A 80, 9) 100 Mo Tc 1 /ndf = 139. / 36 /ndf = 40.7 / 36 NEMO-3 E individuelle (keV) E ndividuelle (keV)

11 Bruit de fond soustrait 82 Se T 1/2 = (stat) 1.0 (syst) y 116 Cd if SSD T 1/2 = (stat) 0.3 (syst) y if HSD T 1/2 = (stat) 0.3 (syst) y 150 Nd T 1/2 = (stat) 1.0 (syst) y 96 Zr T 1/2 = (stat) 0.2 (syst) y 82 Se 116 Cd 150 Nd Résultats préliminaires pour la 2 2 dautres noyaux 96 Zr Données simulation Données simulation Données simulation Données simulation NEMO g jours 2385 événements S/B = 3.3 NEMO g jours 72 événements S/B = g jours 449 événements S/B = g jours 1371 événements S/B = 7.5 E 1 +E 2 (keV) E 1 +E 2 (MeV)

12 Bruit de fond externe 208 Tl (PMs) Mesuré avec les événements (e, ) externes ~ 10 3 événements an 1 kg 1 de type avec 2.8

13 Radon dans le gaz de la chambre à fils de NEMO-3 Analyse : mesure du bruit de fond Dû à une faible diffusion du radon du laboratoire dans le détecteur A(Radon) dans le labo ~15 Bq/m Rn (3.8 days) 218 Po 214 Pb 214 Bi 214 Po 210 Pb s ~ 1 événements an 1 kg 1 de type avec 2.8 < E 1 +E 2 < 3.2 MeV Radon était le bruit de fond dominant pour la recherche de la avec NEMO-3 !!! Deux mesures du radon dans le gaz de NEMO-3 Bon accord entre les deux mesures Détecteur de radon à lentrée/sortie du gaz de NEMO-3 ~ 20 coups/jour pour 20 mBq/ m 3 canal (1e + 1 ) dans les données de NEMO-3: Traces retardées (<700 s) pour sélectionner retardé du 214 Po 214 Bi 214 Po (164 s) 210 Pb ~ 200 coups/heure pour 20 mBq/m 3 A(Radon) in NEMO mBq/m 3 Désintégration dans le gaz retardé 214 Bi 214 Po (164 s) 210 Pb

14 Analyse pour le 100 Mo V-A: T 1/2 ( ) > années V+A: T 1/2 > années avec E 1 - E 2 > 800 keV Majoron: T 1/2 > années avec E individuelle > 700 keV 100 Mo TOTAL Monte-Carlo 2.6

15 Analyse likelihood pour le 100 Mo 3 variables utilisées pour le likelihood Ec 1 + Ec 2 somme des énergies cinétiques des 2 e Ec min énergie de le de plus petite énergie Cos angle entre les deux traces Ec = Energie à la sortie de la feuille de 100 Mo = Energie déposée dans le scintillateur (E) + correction des pertes dans le détecteur de traces x est le parametre libre N N tot L calculé avec des événements Ec 1 +Ec 2 >2 MeV - - Cos Ec 1 Ec 2 E1E1 E2E2 !

16 Analyse likelihood de la du 100 Mo Ec 1 +Ec 2 (keV) Data Monte-Carlo Radon Monte-Carlo 100 Mo 6914 g days 4.10 kg.y PRELIMINAIRE Données Monte-Carlo Monte-Carlo Radon T 1/2 = Mo 6914 g jours 4.10 kg.ans Ec 1 +Ec 2 (keV) Limite précedente V-A: T 1/2 ( ) > années (Elegant V, Ejiri et al., 2001) V-A: T 1/2 ( ) > années (90% C.L.) V+A: T 1/2 > années (90% C.L.) -Log(Likelihood) x N N tot

17 Limite avant V-A: T 1/2 ( ) > ans (NEMO-2) Arnold et al. Nucl. Phys. A636 (1998) Analyse likelihood de la du 82 Se PRELIMINAIRE Données Monte-Carlo Monte-Carlo Radon 82 Se 932 g jours 0.55 kg.ans Données Monte-Carlo Monte-Carlo Radon 82 Se 932 g jours 0.55 kg.ans Ec 1 +Ec 2 (keV) V-A: T 1/2 ( ) > ans (90% C.L.) V+A: T 1/2 > ans (90% C.L.) Majoron: T 1/2 > ans (90% C.L.)

18 Limite sur la masse effective du neutrino de Majorana, sur le Majoron et sur V+A Limites sur T 1/2 90% C.L. Limite sur le Majoron 100 Mo: T 1/2 > années < (5.3 – 8.5) 10 5 Simkovic (1999), Stoica (1999) 82 Se: T 1/2 > années < (0.7 – 1.6) 10 4 Simkovic (1999), Stoica (2001) Limite sur V+A 100 Mo: T 1/2 > y < (1.5 – 2.0) 10 6 Tomoda (1991), Suhonen (1994) 82 Se: T 1/2 > y < Tomoda (1991) Simkovic et al., Phys. Rev. C60 (1999) Stoica, Klapdor, Nucl. Phys. A694 (2001) Simkovic et al., Phys. Rev. C60 (1999) Stoica, Klapdor, Nucl. Phys. A694 (2001) Caurier et al., Phys. Rev. Lett (1996) Limite sur la masse effective du neutrino de Majorana 100 Mo: T 1/2 ( ) > y m < 0.7 – 1.2 eV 82 Se: T 1/2 ( ) > y m < 1.3 – 3.6 eV

19 Mai 2004 : Tente entoure le détecteur A( 222 Rn) au LSM ~ 15 Bq/m 3 Septembre 2004 : Usine à purifier lair du radon (comme dans SuperKamiokande) Activité dans la tente : A( 222 Rn) ~ 0.3 Bq/m m 3 /h 500 kg -40 o C Système de purification anti-Radon installé Radon était le bruit de fond dominant pour NEMO-3 Mai 2004 Facteur de purification obtenu dans la tente~50 Facteur ~ 10 trop élevé

20 Début du fonctionnement le 4 Octobre 2004 Au Laboratoire Souterrain de Modane 1 tonne -50 o C, 7 bars Activité: A( 222 Rn) < 1 mBq/m 3 !!! Flux: 125 m 3 /h Usine de purification de lair en radon

21

22 Après installation de la tente et de lusine anti-radon (charbon actif) Activité en 222 Rn entre février 2003 et septembre 2004 ~ 0.95 Bq Temps (jours) actuellement ~ 0.14 Bq (réduction dun facteur ~ 7) Plus que 1 evt/an de fond pour la du 100 Mo < N bdf dû à

23 Sensibilité attendue dans NEMO-3 (apres purification en radon) Bruit de fond : Bruit de fond externe est négligeable Bruit de fond interne : 208 Tl : 100 Bq/kg pour 100 Mo 300 Bq/kg pour 82 Se 214 Bi : < 300 Bq/kg ~ 0.1 evt kg 1 y 1 avec 2.8

24 CONCLUSIONS SUR NEMO3 Le détecteur NEMO-3 prend des données depuis le 14 Fév La performance attendue du détecteur a ete atteinte ! Résultats préliminaires pour 100 Mo, 82 Se, 96 Zr, 116 Cd and 150 Nd déjà plus de événements collectés 100 Mo: le modele Single State Dominance (SSD) est favorisé la désintégration 100 Mo vers létat excité a été mesurée avec ~ 4 Limite Préliminaire T 1/2 ( ) (216.4 jours de données): 100 Mo (4.10 kg.ans) T 1/2 ( ) > années m < 0.7 – 1.2 eV 82 Se (0.55 kg.ans) T 1/2 ( ) > années m < 1.3 – 3.6 eV Niveaux de bruits de fond observés=attendus sauf Radon ~ 10 fois trop élevé Système de purification de lair en radon depuis Septembre 2004 Déjà réduction dun facteur ~7 Sensibilité attendue apres 5 ans apres la purification en radon 100 Mo: T 1/2 ( ) > années m < 0.2 – 0.35 eV 82 Se: T 1/2 ( ) > années m < 0.65 – 1.8 eV

25 Un document a été écrit : présentation au conseil scientifique de lIN2P3 le 21 mars

26 OPTION CHOISIE PAR LES PHYSICIENS DE NEMO pousser à fond la méthode de mesure à la NEMO (détecteur tracko-calo), faire un programme de R&D de ~ 3 ans et voir quelles performances on obtient

27 R&D sources OBJECTIF : A( 214 Bi) < ~ 20 Bq/kg A( 208 Tl) < ~2 Bq/kg non seulement enrichir et purifier les sources, mais aussi mesurer leur radiopureté Pour 1kg, 2 Bq/kg donne 64 désintégrations/an !!! sensibilité en 208 Tl des détecteurs Germanium utilisés pour la mesure des sources de NEMO3 : 60 Bq/kg

28 But : atteindre un FWHM inférieur à 4% à 3 MeV (rappel : pour NEMO-3 9%) R&D calorimétrie Idée : rester avec des scintillateurs plastiques (pour garder le temps de vol) mais ameliorer la résolution collaboration CEN Bordeaux Gradignan-LAL-Kharkov-Dubna déjà des résultats prometteurs en plus : des anglais travaillent sur des scintillateurs inorganiques Une option : diminuer épaisseur de scintillateur pour collecter plus de photons produits par scintillation et séparer le tagging des de la mesure de lénergie des e - optimisation de la forme du scintillateur (petit bloc, grande barre lue par plusieurs PMs…) sans doute également améliorer les performances du photomultiplicateur : scintillateur adapté à la géométrie des PMs, améliorer efficacité quantique collaboration CEN Bordeaux Gradignan-Photonis 7% (source) (+) 4 % (calo) ~ 8 % (global)


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