Programme de R&D pour SuperNEMO F. Piquemal (CENBG) GDR neutrino Lyon, 19-20 septembre 2005.

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1 Programme de R&D pour SuperNEMO F. Piquemal (CENBG) GDR neutrino Lyon, 19-20 septembre 2005

2 Courant (V+A),, Double désintégration beta sans neutrino (A,Z) (A,Z+2) + 2 e -  L=2 et neutrino de Majorana Processus: paramètres T 1/2 = F(Q ,Z) |M| 2 2 Facteur espace de phase Element matrice ucléaire Mass effective: = m 1 |U e1 | 2 + m 2 |U e2 | 2.e i  1 + m 3 |U e3 | 2.e i  2 |Uei|: éléments matrice de mélange  1 et  2: Phase de Majorana 5 Echange de neutrino légers Emission de Majoron SUSY ’ 111, ’ 113 ’ 131,….. Somme en énergie des 2 e - Arbitrary unit Q    

3 S. Pascoli, S.T. Petcov and T. Schwetz hep-ph/0505226, Mai 2005 Solution low-LMA + best fits solar and atmospheric +95%CL Pour sin 2  chooz = 0.03 Quasi-Degenerated(QD) : | | < 0.7 eV (cosmology) Inverted hierarchy (IH) : 20 meV | < 55 meV Normale hierarchy(NH) : | | < 20 meV ~~ ~ ~ “Klapdor’s Claim” T 1/2 (  = 1.2 10 25 ans, = 0.44 eV Log ( | | [eV]) Log ( m  min [eV] ) sin 2  chooz = 0.01  0.008 IH QD NH Cosmologic limits  m < 2.1 eV 2008 NEMO 3, CUORICINO Reasonable goal for next 10 years: to reach ~50 meV test of IH Mass hierarchy and double beta

4 Recherche neutrinos bosoniques Double désintégration beta avec 2 neutrinos (A,Z) (A,Z+2) + 2 e - + 2 Observable avec la 

5 Tracko-calo à la NEMO, 3 signatures avec la  : somme en energie distribution angulaire énergie individuelle NEMO 3: 200 000  par an, S/B ~100 avec suppression radon SuperNEMO : 4 000 000  par an, S/B ~1000 (Data Feb. 2003 – Dec. 2004) Cos(  ) Angular Distribution 219 000 events 6914 g 389 days S/B = 40 NEMO- 3 100 Mo E 1 + E 2 (keV) Sum Energy Spectrum 219 000 events 6914 g 389 days S/B = 40 NEMO- 3 100 Mo Background subtracted Data 2  2 Monte Carlo Data 2  2 Monte Carlo Background subtracted Accepté dans Phys. Rev. Lett.

6 SuperNEMO: dessin préliminaire Géométrie plane Vue de dessus Vue de coté Source (40 mg/cm 2 ) 12m 2, volume de tracking (~3000 canaux), calorimètre (~1000 PMT) Modulaire (~5 kg d’isotope enrichi/module) 5 m 1 m 4 m 100 kg: 20 modules ~ 60 000 canaux pour les chambres à dérive ~ 20 000 PMT

7 Cavité nécessaire ~ 60m x 15m x15m Possible au LNGS (Gran Sasso, 3500 m.w.e) ou au LSM (Modane, 4800 m.w.e) avec le projet de nouvelle excavation 5,7 m 12m 3,75 m 15m Jacques Forget, NEMO, LAL Blindage avec eau

8 SuperNEMO R&D LAL S. Jullian Steering comittee CENBG, IN2P3-CNRS et Université de Bordeaux, France IReS, IN2P3-CNRS et Université de Strasbourg, France LAL, IN2P3-CNRS et Université Paris-Sud, France LPC, IN2P3-CNRS et Université de Caen, France LSCE, CNRS Gif sur Yvette, France Fes University, Marocco IEAP, CTU Prague, Czech Republic INL, Idaho Falls, USA ITEP, Moscow, Russia JINR, Dubna, Russia Calorimeter CENBG Drift chamber Manchester,UCL Sources LAL Low bckg meas. CENBG-LAL Electronics France-UK Calibrations UCL Simulations IReS, LAL, LPC, CENBG, UCL, Dubna, Prague, Manchester, U. Texas, Osaka Mechanics LAL,Manchester UCL Acquisition-Slow control LAL, LPC, Osaka Computing LPC, LAL (JYVASKYLA University, Finland) KURCHATOV Institute, Russia MHC, MA, USA Saga University, Japan UCL London, UK University of Manchester, UK University of Texas, USA Osaka, Japan Charles University, Czech Republic ISMA Kharkov, Ukraine Scintillators CENBG,LAL, Kharkov,Dubna, UCL, Prague, U Texas, Osaka Photomultipliers CENBG, UCL, U. Texas Photonis Prototype Automatic wiring Manchester Carbone wires LAL Production LAL,ITEP Purification LAL, LSCE, INL, MHC Mechanics LAL- Ge spectroscopy CENBG Radon CENBG, Saga, Prague 212Bi meas. bench LAL Calorimeter LAL, CENBG, UCL Drift chamber LAL, Manchester Trigger LPC Absolute UCL Survey UCL, CENBG Theory IReS, Jyvaskula, Bratislava

9 Enrichissement 82 Se But: produire 100 kg de 82 Se très radiopure 5 kg de 82 Se financés par ILIAS (Europe) Enrichissementt: 1 kg de 82 Se en 2005 2 kg de 82 Se en 2006 2 kg de 82 Se en 2007 ECP (Electro-Chemical Plant, Svetlana) à Zelenogorsk Enrichissement de 100 kg de 82 Se possible en 3 ans au ECP Contrôle de la radiopureté à chaque étape Possibilité de purifier par distillation

10 Purification du 82 Se But: contaminations internes 208 Tl < 2  Bq/kg et 214 Bi < 10  Bq/kg (NEMO-3: 208 Tl < 20  Bq/kg et 214 Bi < 100  Bq/kg Production des feuilles sources (LAL) ~250 m 2 de feuilles de 40 mg/cm 2 d’épaisseur  E/E ~ 4% (FWHM) à 3 MeV Purification chimique (INL, USA) 2x500 g nat Se purifié à INL 5 kg of 82 Se à INL USA R&D Même chimie (en plus simple) que pour le 100 Mo 500 g de nat Se déjà purifié, prochainement mesuré à Modane

11 R&D pour les mesures basse radioactivité But: développer des détecteurs sensibles à 1  Bq/kg en 208 Tl et 10  Bq/kg en 214 Bi Améliorer les détecteurs HPGe pour la sélection des matériaux développer des détecteurs de radon sensibles à 0.1 mBq/m 3 Détecteurs Ge Meilleurs HPGe (400 cm 3 ) sensible à 60  Bq/kg en 208 Tl et 200  Bq/kg en 214 Bi (1 mois, 1 kg) Développement avec Canberra-Eurysis et Modane (ILIAS): grand volume (1000 cm 3 ), bdf réduit d’un facteur 10 et plus grande masse. Nécessite de nouvelles mesures pour trouver des matériaux ultra-purs Effort local au CENBG pour conserver savoir-faire et pour assurer les développements futurs Détecteurs de radon Détecteurs radon de NEMO 3 sensibles à 1 mBq/m 3 (basé sur la collection des ions Po dans un volume de 70 l) Développement d’un détecteur de 1000 l ou de nouveaux détecteurs utilisant des chambres à dérive ou du Scintillateur liquide.

12 Détecteur dédié à la mesure du 212 Bi Mesure de la radiopurité en 208 Tl des sources Recherche de la décroissance: 212 Bi → 212 Po → 208 Pb  mesure du  et de  retardé 232 Th 212 Bi (60.5 mn) 208 Tl (3.1 mn) 212 Po (300 ns) 208 Pb (stable) 36%   Chambre à dérive Scintillateur + PM Feuille source à mesurer e-e-  e  rapide  t 0  retardé t 1 ~ 300 ns Blindage (radon + neutron +  5 kg de feuille source de 82 Se (~ 10 m 2, 40 mg/cm 2 ) avec une contamination de 1  Bq/kg en 208 Tl  ~ 23 décroissances/mois (e ,  retardé  )

13 Ultra pure very thin foil to stop scintillation light Naked scintillator 10x 10 x 2cm Light guide PMT 5" 1 cm bored Polyethylen 20cm iron Air outlet + cables Radon-free air Radon-tight enveloppe 10 cm bored Polyethylen Analysis on oscilloscope: trigger on 1 st PMT look for delayed hit in the 2 nd PMT 1 st limit for the surface contamination First prototype: 2 scintillators face to face Two possible design: Naked scintillator + ultra pure Au foil (thickness ~ 250 nm, Ac < 1 mBq/kg) spottering of ultra pure metal on the surface of the scintillators We will use NEMO-3 equipments (5” PMTs, scintillator, etc…)

14 2 nd prototype: Increase the surface of scintillator (1/2) If no delayed hit observed in the first prototype 2nd prototype: increase of the number of scintillators in order to reach the required sensitivity on the surface purity

15 R&D pour le calorimeter Scintillateurs plastiques Production lumière, homogénéité de la réponse Amélioration de la technique polystyrène à Karkhov and Dubna (voie de développement principale) Développement du Polyvinylxylene à Kharkov Test de scintillateur liquide Etudes de la forme optimale, barres de scintillateurs, « shashlik »…. Goal: Atteindre 4% (FWHM) à 3 MeV (7% à 1 MeV) avec des scintillateurs plastiques et des PMTs Réduire le nombre de PMT Très radiopure pour controler le fond externe Controler la qualité de production du scintillateur plastique Photomultiplicateurs Résolution et très bas bruit de fond En France, accord avec Photonis Aux US et UK, tests avec Hamamatsu et ETL Simulations Forme, habillage,…….

16 e - Spectrometer 90 Sr source, 370 Mbq  E/E ~ 2-3% Range 0.4 – 2 MeV XY table 1 MeV e - Plastic scintillator p=2cm h=2cm + XP5312 PMT Test of plastic scintillator at CENBG

17 Resolution (FWHM) at 1 MeV with XP5312b Results of PVT scintillator measurements done at CENBG for 1 MeV e - Scintillator references Samples from Kharkov Samples from JINR Dubna Sample from Bicron Samples are based on the polystyren technology. Maximum size of samples: 6x6x2 cm 3 Measurements with XP5312B from Photonis company

18 Shashlyk Detector Design Only the first few scintillator plates!

19 Results: Energy resolution This figure shows the resolution variation with number of initial photons 1.0 mm fibers Lots of improvement over 16 fibers Limited improvement over 64 fibers

20 0 0 +20cm+40cm+60cm+80cm+100cm-20cm-40cm-60cm-80cm-100cm Left PMTRight PMT We received 2m and 1m long strips (cross-section 10x1.25cm) from Bicron – allegedly BC408 (see later) Tests with 2m only so far 207 Bi AND/OR

21

22 L/R ratio. Attenuation length.

23 Energy resolution

24 Can we use timing from 2 pmts to reconstruct Z- coordinate? (Rpmt – Lpmt) time difference as a function of the source position Can reconstruct the position of the source within ~ 5cm (inclusive measurement)

25 Time resolution  = 1ns The resolution is mainly determined by compton electrons from gammas. If e-like events can be identified the timing resolution should improve a lot and 5-10 cm accuracy (3  ) might be reachable. An interesting possibility for cross-checking the tracker and background rejection ~9 cm

26 Conclusion Début de la R&D (attente de financement) Programme de 3 ans Brassage d’idées surtout au niveau du calorimètre mais ligne directrice: blocs de scintillateurs + PMT Challenge: mesure des radiopuretés au niveau du mBq/kg en 208 Tl et de 20 mBq/kg en 214 Bi Expérience à haute statistique pour la  pour test des neutrinos bosoniques ?