Double bêta: présent et futur F. Piquemal (CENBG) Masse et nature du neutrino Double désintégration bêta Expériences: états des lieux et prospectives Conclusion.

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1 Double bêta: présent et futur F. Piquemal (CENBG) Masse et nature du neutrino Double désintégration bêta Expériences: états des lieux et prospectives Conclusion Journées LLR Paris Mai 04

2 Propriétés du neutrino 3 familles légères (largeur du Z0, cosmologie) Découverte du changement de saveur des neutrinos - neutrinos solaires - neutrinos atmosphériques - neutrinos accélérateurs (K2K) - neutrinos réacteurs U li : matrice MNS Atmosphériques accélérateurs K2K Réacteurs (CHOOZ) Accélérateurs (JPARC) Solaires Réacteurs  23 ~45°  13 <10°  12 ~30°  CP = violation de CP  : phase de Majorana

3 Les neutrinos sont massifs, mais: masse abolue ? échelle de masse ?    m 2 23 ~ 3. 10 -3 eV 2 e   m 2 12 ~ 5. 10 -5 eV 2 m2m2 m12m22m32m12m22m32 Dégénérée m 1 ≈m 2 ≈m 3 » |m i -m j | Hiérarchie Normale m 3 > m 2 ~m 1 Inverse m 2 ~m 1 >m 3 Masse des neutrinos Tritium m ve <2.3 eV WMAP  m i <1 eV  < 0.8 eV

4 Nature du neutrino Dans le modèle standard L et R Avec les oscillations: 2 nouvelles composantes: L et R 4 états neutrino de Dirac ou non conservation de L,  =  états L et R neutrino de Majorana (Possible que si le est strictement neutre donc pas de moments magnétiques ni électriques) Si neutrino de Majorana et violation de CP, dans Big Bang phase avec décroissance de neutrino de Majorana lourds. + Violation de CP asymétrie primordiale leptonique asymétrie baryonique

5 Matrice de masse généralisée M R >> m D >> m L ≈ 0 Pour chaque famille, 2 valeurs propres m 1 =M R et m 2 = m D ~ ordre de grandeur de la masse des fermions M R ~ ordre de grandeur GUT (10 15 GeV) Permet d'expliquer la faible masse des neutrinos mDmD MRMR Mécanisme du See-saw

6 Processus possibles avec  L=2 pour chercher Majorana Matrice de masse des neutrinos de Majorana: Double bêta (A,Z) (A,Z+2) + 2e -  – e conversion   + (A,Z) e + + (A,Z-2) j tri-production de muons  N       X Décroissance rare du K K +       e ± p v e l ± l'  X avec ll'= (e  La  est le phénomène le plus sensible pour recherche de  L=2 (hep-ph/0008080)

7 Double désintégration bêta n n p p e-e- e-e- e e  (2 ) Processus du 2 nd ordre de l'interaction faible n n p p e-e- e-e- e e h h h h  (0 )  L=2 Renversement hélicité massif = de Majorana D'autres processus sont possibles: courants droits, Majoron, SUSY,... (A,Z)(A,Z+1)(A,Z+2)(A,Z)(A,Z+1)(A,Z+2)

8   Ee1+Ee2 Q  Signature expérimentale: somme en énergie des 2 électrons U ei complexes peuvent s'annuler

9  et échelle de masse QD IH NH IH NH Log(m 1 ) (eV) Log(m ) (eV) Pascoli and Petcov, Phys. Lett B544, 239 (best fit atm + sol ) Quasi dégénéré (QD) ~ 0.6 eV Hiérarchie Inverse (IH) 0.01 eV < 0.6 eV Hiérarchie Normale (NH) < 0.005 eV

10 Elements de matrice nucléaires Différent modèles (QRPA, Modèle en couche) Gratta lepton-photon 03 Périodes calculées pour m =50 meV (x10 26 ans) Les calculs pour la  (2 ) ne sont transposables à la  (0 ) car les éléments de matrice sont différents. Pas de prédiction fiable pour le meilleur candidat

11 Choix du noyaux La décroissance vers le noyau intermédiaire doit être interdite Q  Contraintes: - Q bb > 2 MeV (espace phase ~Q  5 ) (> 2.6 MeV préférable à cause du bdf) - abondance isotopique > 1% pour l'enrichissement - Enrichissement possible

12 Emetteur Q  Abondance isotopique  : efficacité ai: enrichissement isotopique A: masse atomique M: masse (kg) t: temps (an)  : résolution en énergie FWHM (keV) BDF: bruit de fond (coups/kg.an.keV)

13 Les fonds 208 Tl 4.99 Mev  2.614 MeV 214Bi 208 Pb  214 Po 3.27 Mev  T 1/2 = 164  s Chaîne du Th Chaîne de l'U Radioactivité naturelle -Le radon et le thoron - Les neutrons (venant de la radioactivité naturelle) via (n,  ) - Les muons - Les  de haute énergie (n,  ) dans les matériaux, bremsthralung des muons Expérience souterraines

14  fond ultime à cause de la résolution en énergie

15 Techniques expérimentales Méthodes passives géochimiques: mesures dans des vielles roches du produit de la   par exemple recherche du 82 Kr et 130 Xe radiochimiques Méthodes temps réel détecteur=source: Semi-conducteur Ge enrichis en 76 Ge ou CdZnTe, Bolomètre TeO 2, Ge, Se Cristaux de CaF 2, CdWO 4 Avantages: résolution en énergie Désavantage: pas d'identification des e - détecteur ≠ source: TPC (mais uniquement pour Xe) NEMO tracking + calo, MOON Avantages: identification des e -, réjection du fond Désavantage: résolution en énergie

16 Avantages: Très bonne résolution en énergie (~4 keV à 2,040 MeV) Pureté de la source Grande masse Stabilité des détecteurs Désavantages: Q bb = 2039 keV => bruit de fond des chaines radioactives de U et T, cosmogeniques du Ge and du Cu ( 68 Ge and 60 Co),  venant des contacts électriques. Besoin de matériaux très purs autour du cristal. Pas de séparation directe e et  Détecteurs germanium 2 expériences Heidelberg-Moscow (germano-russe) IGEX (USA,Espagne, Russie) Cristaux enrichis à 86 % 10,9 Kg pour HM et 6,3 kg pour OGEX

17 M(kg.y) T 1/2 (y) HM 36.53 >1.9 10 25 0.35-1.05 IGEX 4.64 >1.5710 25 0.33-1.31 Résultats pour le 76 Ge T 1/2 = (0.8-18.3) 10 25 an = 0.05 – 0.85 eV hep-ph/0201231,0201222,0205229 (critique hep-ph/0202018) Publication par Heidelberg d'un signal 

18 La  (0 ) a-t-elle été vue ? Recalibration des données Estimation du fond ? Pics tous identifiés ? Rapport entre les pics du 214 Bi ? T 1/2 = (1.04-20.38) 10 25 ans = (0.11-0.47) eV Nouvelle publication de HM: hep-ph/0403018

19 Futur des expériences Ge R&D: retirer les matériaux autour des détecteurs Ge plongés directement dans de l'azote ou de l'argon liquid Segmentation des cristaux pour rejeter le fond par coincidence Améliorer la radiopureté des cristaux et du cuivre en les produisant sous terre Amélioration du PSA

20 Aalseth TAUP 2003 MAJORANA

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22 <m  eV

23 Ge dans N2 ou Ar liquide Idée originale GENIUS (1 ton puis 10 ton de 76 Ge), repris par Heidelberg Proposition expérience au Gran Sasso (Heidelberg,Tubingen,ITEP,...) avec les cristaux de IGEX et HM (~ 20 kg) Réduction du fond de 2.10 -1 /kg.y.keV à 10 -4 /kg.y.keV en éliminant la matière autour du détecteur, scintillation Ar liquide en veto, reduction radioactivité des contacts électriques Augmenter la masse de 20 kg à 100 kg petit à petit m n < 0.05 eV

24 Expérience NEMO Source et détecteur distincts Détection des électrons Identification et mesure du bruit de fond e -, e +, ,  Possibilités de mesurer différents noyaux candidats Mo 100, Se 82, Te 130, Cd 116, Zr 96, Ca 48, Nd 150 Expérience à 0 bruit de fond Neutrino Ettore Majorana Observatory CENBG, IN2P3-CNRS et Université de Bordeaux, France FNSPE, Prague University, Czech Republic INEEL, Idaho Falls, USA IReS, IN2P3-CNRS et Université de Strasbourg, France ITEP, Moscou, Russia JINR, Dubna, Russia JYVASKYLA University, Finland KOURCHATOV Institute, Russia LAL, IN2P3-CNRS et Université Paris-Sud, France LPC, IN2P3-CNRS et Université de Caen, France LSCE, CNRS Gif sur Yvette, France MHC, USA Saga University, Japon UCL London, UK

25 4 m Source: 10 kg of  isotopes ( 20 m 2, 50  m) Tracking detector: Gas mixture of Helium + ethyl alcohol(4%) + Ar(1%) Drift wire chamber operating in Geiger mode (6180 cells)  l = 0.8 cm  t = 0.5 mm Calorimeter: 1940 plastic scintillators coupled to low radioactivity PMs FWHM ~8 % at 3 MeV  (t)= 250 ps at 1 MeV Selection of materials by  spectroscopy + Magnetic field + Iron shielding + Neutrons shielding + Fréjus Laboratory (4800 m.w.e.) Identification: e -,e +,  and delayed-  and ToF Measurement of source radiopurity Background rejection Détecteur NEMO 3

26 NEMO3 SOURCES 130 Te (0.45 kg)  (2 ) 48 Ca 150 Nd (36.5 g) (9.43 g) 96 Zr (6.99 g) 116 Cd (0.4 kg)   (  ),  (2 ) Cu (0.62 kg) External background (0.61 kg) nat Te  (2 ) External background   (0 ),  (  ),  (2 ) 82 Se (0.93 kg) 130 Te (0.45 kg)  (2 ) 48 Ca 150 Nd (36.5 g) (9.43 g) 96 Zr (6.99 g) 116 Cd (0.4 kg)   (  ),  (2 ) Cu (0.62 kg) External background (0.61 kg) nat Te  (2 ) External background 100 Mo (6.9 kg)  (0 ),  (  ),  (2 )    (2 ) 10 5 evts/y angular distribution single electron spectrum

27  source Calibration tube Plastic scintillator PMT Cathodic rings Wire chamber

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29 22 e-N    l   +  delay track (164  s) 214 Bi  214 Po  210 Pb e + – e - pair B rejection 

30 2  2 results: 100 Mo 3800 h of data ~ 80 000 events 2 e - energy sum distribution Angular distribution Preliminary T 1/2 =7.3 ±O.025(stat)±0.7(syst)10 18 y 100 Mo (February 2003-September 2003) Preliminary NEMO3

31 2  2 Preliminary results 116 Cd 810 events S/B=5.6 82 Se 1100 events S/B=4.2 150 Nd 400 events S/B=4 3800 h 82 Se T 1/2 = 9.5 ±0.3(stat)±0.9(syst).10 19 y 150 Nd T 1/2 = 7.5±0.3(stat)±0.7(syst).10 18 y 116 Cd T 1/2 = 2.7±0.1(stat)±0.3(syst).10 19 y Background subtracted 3800 h Preliminary NEMO3

32 NEMO 3 contrainte: 214 Bi < 300  Bq/kg Radon à l'intérieur du détecteur venant du laboratoire mesuré de 2 façons: - Détecteur de radon (sensibilité ~1mBq/m3) mesure du gaz (entré et sortie) : 20 mBq/m3 - NEMO3 (canal 1e + 1  ): 30 mBq/m3 quelques événements de fond  (0 ) par an 218 Po 214 Pb 214 Bi 214 Po 210 Pb    s 222 Rn Mesure de la contamination en 214 Bi

33 Radon events in the e-  channel Near the sourceIn the gas 214 Bi activity on the 100 Mo source: 0.02 Bq 214 Bi activity on the wire: 0.90 Bq Delay time (  s) Expected: 164  s Data: 158 ±4  s Expected: 164  s Data: 156 ±15  s

34 Radon effect on the  Radon must be reduced by a factor ~ 50 Final energy calibration not yet applied ! 2  2 Radon(30 mBq/m 3 ) Preliminary  (0 ) expected peak position 3800h NEMO3

35 Fall 2003 : Tent surrounding the detector A( 222 Rn) ~ 5 Bq/m 3 Today : A( 222 Rn) in the LSM ~10 Bq/m 3 Free-Radon Purification System

36 Very preliminary results on T 1/2 (0  for 100 Mo T 1/2 (0  (V-A) > 1.8 10 23 y (90% CL) T 1/2 (0 ) (V+A)> 1.2 10 23 y (90% CL) For the  analysis a likelihood analysis is performed in particular it takes into account single energy and angular distributions Allows to distinguish between V-A and V+A process Ejiri et al. T 1/2 > 5.5 10 22 y

37 NEMO3 sensitivity 5 years  (0 ) efficiency: 14 % Source contamination: A( 214 Bi) < 0.3 mBq/kg A( 208 Tl) < 0.02 mBq/kg Internal background: 214 Bi < 0,04 event/y/kg 208 Tl < 0,04 event/y/kg  (2 ) 0.11 event/y/kg External background: 0 event Total background < 1.4 evt/y T 1/2 > 8.10 24 years 100 Mo 7 kg Q  =3.034 MeV < 0.1 – 0.3 eV 82 Se 1 kg Q  =2.995 MeV < 0.6 – 1.2 eV Source contamination: A( 214 Bi) = 1.2 ±0.5 mBq/kg A( 208 Tl) = 0.4 ±0.1 mBq/kg Internal background: 214 Bi and 208 Tl Hot Spot rejected by vertex  (2 ) 0.01 event/y/kg External background: 0 event Total background ~0 evt/y T 1/2 > 1.5 10 24 years

38 Consensus au sein de la collaboration pour proposer une phase à 10-15 kg de 82 Se dans NEMO 3 m v ~ 0.1 eV R&D purification en cours (2 kg de 82 Se financés) Calendrier pour introduction de la source ~2007 En parallèle R&D pour Super NEMO Même technique que NEMO 3 ( ≠ sources, identification e - et fond) 100 kg d'isotopes Efficacité: 50 % Background: 0.1 evt/kg.an « gold event » Améliorations Résolution en énergie (plastic + PMT ou Si ou....) < 5% à 1 MeV Efficacité ~ 50 % (fils plus fin, source très mince) Source active (plan de fils entre les sources) Purification source (méthodes chimiques et/ou physiques) Enrichissement des sources ~100 kg but atteindre m < ~ 0.05 eV Soutien du programme européen ILIAS pour 5 ans pour la R&D Futur de NEMO

39 Thermal coupling (teflon) 4pW/mK Thermometer NTDGe thermistors (R ~100 M  ) dR/dT ~100 M  / mK Crystal absorber dT=dE/C C : thermal capacity ~1 MeV/0.1mK Heat sink T ~10 mk (Cu) Cuoricino module Les bolomètres CUORE Cristaux refroidis à quelques mk Plusieurs sources possibles 130 Te, 82 Se et peut-être 150 Nd Très bonne résolution quelques keV à 2 MeV Problème des contaminations de surface CUORE collaboration Italie, USA, Pays-Bas, Espagne Prototype en cours CUORICINO

40 CUORICINO : the detector Lead shield ~20 cm PEB shield ~10 cm Roman lead Mixing chamber  MiDBD 135 cm 11 modules  4 detectors 790 g - 5  5  5 cm 3 each + 2 modules  9 detectors 340g - 3  3  6 cm 3 each Total active mass : 40.9 kg 130 Te ~ 11.1 kg Central detector is almost completely surrounded by active materials 14 detectors TeO 2 2 detectors enriched in 128 Te (82.3 %) 2 detectors enriched in 130 Te (75.0 %) 44 detectors TeO 2 Anti-Rn box Ch. Marquet NEMO dec03

41 Energy (kev) CUORICINO : limits on  Preliminary value : < 0.7 - 1.7 eV Or : < 0.6 - 3.4 eV with NME from I. Tretyak and Y.G. Zdesenko, Nucl. Data Tables, 80 (2002) 3 years – Full mass : T 1/2 > 4 10 24 < 0.35 - 1.2 eV Ch. Marquet NEMO dec03

42 CUORICINO : backgrounds in  region 4 possible sources: Neutrons: excluded since addind B-polyethilene shield has no effect Degraded alpha from TeO 2 surfaces Degraded alpha from Cu frame and plate surfaces Degraded 2615 keV photons In  region ( 2480-2600 keV ) : continuum (no peaks) Data spectrum + MC simulations proved the contributions of U-Th contaminations in the surfaces (Crystal but also materials) MiDBD I  MiDBDII CUORICINO (2.26 kg.y 130 Te) 0.23  0.04 c/keV/kg/y MiDBD II  CUORICINO ! First result :  bkg dominated by 208 Tl  ’s MiDBDII : 0.33 c/keV/kg/y Expected (Cuoricino): 0.1 c/keV/kg/y Ch. Marquet NEMO dec03

43 CUORE: the detector project Lead shield ~20 cm PEB shield ~10 cm = anti-Rn box Dilution unit Damping suspension Thermal shield 25 towers  10 modules  4 detectors 790 g - 5  5  5 cm 3 TeO 2 each Total active mass : 790 kg 130 Te ~ 200 kg 70 cm Ch. Marquet NEMO dec03

44 < 0.03 – 0.17 eV CUORE: Expected sensitivity A= 27.1 % in TeO 2, A=130, E=86 %, A=130, m=790kg, FWHM=5 keV, N BKG =0.01 counts/kev/kg/yN BKG =0.001 counts/kev/kg/y > 2.1 10 26 y in 5 years >.a. AA m. t N BKG. FWHM A: atomic mass a: isotopic abundance t : running time (y) 4.17 10 26 (y) Expected performances < 0.015 – 0.1 eV > 6.6 10 26 y in 5 years MiDBD II CUORICINO CUORE published First result (2003) 3 y – total mass 0.01 c/y/kg/keV 0.001 c/y/kg/keV eV Ch. Marquet NEMO dec03

45 heat ionization Thermometer (NTD Ge) (NTD Ge) Ge Crystal T~20mK Autre approche avec bolomètres: EDELWEISS détection de l'ionisation et de la chaleur

46 Wamba NOON 04

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53 48 Ca >9.5 10 21 (76%) < 8.3 76 Ge >1.9 10 25 < 0.35 >1.57 10 25 < 0.33-1.35 82 Se >2.7 10 22 (68%) < 5 100 MO >5.5 10 22 < 2.1 116 Cd >7 10 22 < 2.6 130 Te >2.1 10 22 < 0.85-2.1 136 Xe >7 10 23 < 1.4-4.1 150 Nd >1.2 10 21 < 3 Limites actuelles sur  et Emetteur T1/2 (90% CL) Plus résultats de Klapdor et al. Hep-ph/040318 ??? T 1/2 = (1.04 - 20.38) 10 25 ans (1.98 10 25 ans) = (0.11-0.47) eV (0.34 eV)

54 Futur (et actuel) Projets Experience Isotope détecteur lieux T1/2 NEMO3 100 Mo 10 kg détecteur tracko-calo France 6x10 24 0.3 NEMO3 phase2 82 Se 15 kg détecteur tracko-calo France 1x 10 25 0.1 SUPER NEMO 82 Se 100 kg détecteur tracko-calo ? 6x 10 25 0.05 MOON 100 Mo 34 t de naturelle pris entre Japon 1x10 27 0.035 fibres scintillantes CUORECINO 130 Te 40 kg de TeO 2 en bolomètre Italie 1.5x10 25 0.19 CUORE 130 Te 760 kg de TeO 2 en bolomètre Italie 7x10 26 0.27 82 Se ? 150 Nd ? EXO 136 Xe 1 t dans TPC Xenon USA 8x10 26 0.05 10 t 1x10 28 0.01 XMASS 136 Xe 10 t dans TPC Xenon Japon 3x10 26 0.08 Ge Ar liquid 76 Ge 20 kg diode Ge dans Ae liquide Italie GENIUS 76 Ge 1 t Italie 1x10 28 0.015 MAJORANA 76 Ge 0.5 t diode GE segmentée USA 4x10 27 0.035 COBRA 130 Te 10 kg de CdTeZn semiconducteur Allemagne ? 1x10 24 0.71 EDELWEISS ? Bolomètre Ge CANDLES 48 Ca Cristaux de CaF 2 Japon 1x10 26 DCBA 150 Nd 20 kg Couche de Nd avec tracking Japon 2x10 25 0.3 CAMEO 116 Cd 1t de cristaux de CdWO 4 Russie >10 26 <0.07

55 Conclusion  indispensable pour accéder à: la nature du neutrino l'échelle de masse absolue Détecteur actuels (NEMO et CUORICINO) devrait exclure la solution dégénérée Détecteurs avec 100 kg d'isotopes enrichis semble raisonnable dans 10 prochaines années Nombreux projets pour atteindre 50 meV pour la prochaine génération pour commencer à tester la hiérarchie inverse Hiérarchie normale hors de portée dans les 10 prochaines années Détecteurs proposés sont complémentaires (indispensable de vérifier un signal  par la détection des électrons) Nécessité d'une nouvelle méthode d 'enrichissement des sources ? R&D en Europe soutenue par ILIAS, rapport dans 5 ans pour recommandation du choix de la technique Journée double bêta France au mois de juin (le 3 ?)