Status de l’expérience NEMO3 Laurent SIMARD, LAL, Université Paris-Sud GDR neutrino Marseille, 14 mars 2005

Laboratoire Souterrain de Modane : 4800 m équivalent eau Le détecteur NEMO3 3 m 4 m B (25 G) 20 secteurs Laboratoire Souterrain de Modane : 4800 m équivalent eau 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) Source: 10 kg d’isotopes  cylindrique, S = 20 m2, e ~ 60 mg/cm2 Détecteur de traces : chambre à fils en régime Geiger (6180 cellules) Gaz: He + 4% alcool éthylique+ 1% Ar + 0.1% H2O Calorimètre: 1940 scintillateurs plastiques couplés à des PMs basse radioactivité Permet d’identifier e-, e+, g et a

Anneaux cathodiques chambre à fils Feuilles d’isotopes bb PMs Tube de calibration scintillateurs Feuilles d’isotopes bb

AOUT 2001

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

Isotopes bb dans le détecteur NEMO-3 mesure bb2n 116Cd 405 g Qbb = 2805 keV 96Zr 9.4 g Qbb = 3350 keV 150Nd 37.0 g Qbb = 3367 keV 48Ca 7.0 g Qbb = 4272 keV 130Te 454 g Qbb = 2529 keV Mesure du bdf d’origine externe aux sources 100Mo 6.914 kg Qbb = 3034 keV 82Se 0.932 kg Qbb = 2995 keV natTe 491 g Cu 621 g recherche bb0n (Tous les isotopes enrichis produits en Russie)

Sélection d’événements bb dans NEMO-3 Energie depositee : E1+E2= 2088 keV Hypothese interne : (Dt)mes –(Dt)theo = 0.22 ns Vertex commun : (Dvertex) = 2.1 mm Emission du vertex (Dvertex)// = 5.7 mm Vue transverse Vue longitudinale Run : 2040 Evénement : 9732 Date: 2003-03-20 Criteres pour sélectionner les événements bb : 2 traces e- 2 PMs, chacun > 200 keV association trace-PM Vertex commun Hypothese interne (rejet des evts externes) Pas d’autre PM isole (rejet des g) Pas de trace retardee (rejet du 214Bi) Sélection d’événements bb dans NEMO-3 Evénement typique bb2n observé venant du 100Mo Run : 2040 Evenenement: 9732 Date: 20/03/2003 Feuille de 100Mo feuille de 100Mo Propagation longitudinale du plasma Geiger Distance de dérive Scintillateur + PM Trigger: 1 PM > 150 keV 3 coups Geiger (2 cellules voisines + 1) Taux de trigger = 7 Hz événements bb : 1 événement toute les 1.5 minutes

La performance attendue du détecteur a Performances du détecteur Temps de vol : Résolution en temps (canal bb)  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 bb de la peau (Dtmes – Dtcalc) hypo. externe (ns) (Dtmes – Dtcalc) hypo. interne (ns) Détecteur de traces: 99.5 % cellules Geiger ON Résolution sur le vertex : canaux 2 e- (482 and 976 keV) avec des sources 207Bi placées à 3 positions connues dans chaque secteur s (DVertex) = 0.6 cm s// (DVertex) = 1.3 cm (Z=0) séparation e+/e- avec un champ magnétique de 25 G ~ 3% de confusion à 1 MeV b- DVertex DVertex = distance entre les deux vertex Calorimètre: 97% des PMs+scintillateurs ON Résolution en énergie: runs de calibration (tous les ~ 40 jours) avec des sources 207Bi Mur ext. 5" PMs Mur int. 3" PMs FWHM (1 MeV) 14% 17% Suivi laser journalier pour controler la stabilité du gain de chaque PM gamma: efficacité ~ 50 % @ 500 keV, Ethr = 30 keV La performance attendue du détecteur a été atteinte 207Bi 2 e- de conversion 482 keV et 976 keV 482 keV 976 keV FWHM = 135 keV (13.8%)

Résultats préliminaires 100Mo 22 (Données 14 Fév. 2003 – 22 Mar. 2004) Spectre de la somme des énergies Distribution angulaire NEMO-3 145 245 événements 6914 g 241.5 jours S/B = 45.8 NEMO-3 145 245 événements 6914 g 241.5 jours S/B = 45.8 100Mo 100Mo Données Données Monte Carlo 22 Bruit de fond soustrait Monte Carlo 22 Bruit de fond soustrait E1 + E2 (keV) Cos() T1/2 = 7.72 ± 0.02 (stat) ± 0.54 (syst)  1018 y 4.57 kg.y

Distribution de l’énergie individuelle pour 100Mo 22 HSD SSD HSD, niveaux plus hauts contribuent à la désintégration Energie individuelle différente entre SSD and HSD 1+ SSD, le niveau 1+ domine dans la désintégration (Abad et al., 1984, Ann. Fis. A 80, 9) Simkovic, J. Phys. G, 27, 2233, 2001 100Tc 0+ 100Mo Endividuelle(keV) NEMO-3 4.57 kg.y E1 + E2 > 2 MeV NEMO-3 4.57 kg.y E1 + E2 > 2 MeV Données Données Monte Carlo 22 SSD Monte Carlo 22 HSD HSD Niveaux plus élevés SSD Etat unique Bruit de fond soustrait Bruit de fond soustrait 2/ndf = 139. / 36 2/ndf = 40.7 / 36 Eindividuelle (keV) Eindividuelle (keV) HSD: T1/2 = 8.61 ± 0.02 (stat) ± 0.60 (syst)  1018 y SSD: T1/2 = 7.72 ± 0.02 (stat) ± 0.54 (syst)  1018 y La distribution de l’énergie individuelle de la 22 de 100Mo en faveur du modele Single State Dominant (SSD)

Résultats préliminaires pour la 22 d’autres noyaux NEMO-3 932 g 241.5 jours 2385 événements S/B = 3.3 Bruit de fond soustrait 82Se 82Se T1/2 = 10.3 ± 0.2 (stat) ± 1.0 (syst)  1019 y 116Cd if SSD T1/2 = 2.8 ± 0.1 (stat) ± 0.3 (syst)  1019 y if HSD T1/2 = 3.05 ± 0.1 (stat) ± 0.3 (syst)  1019 y 150Nd T1/2 = 9.7 ± 0.7 (stat) ± 1.0 (syst)  1018 y 96Zr T1/2 = 2.0 ± 0.3 (stat) ± 0.2 (syst)  1019 y Données simulation bb2n E1+E2 (keV) NEMO-3 405 g 168.4 jours 1371 événements S/B = 7.5 NEMO-3 37 g 168.4 jours 449 événements S/B = 2.8 NEMO-3 5.3 g 168.4 jours 72 événements S/B = 0.9 116Cd 150Nd 96Zr Données Données Données simulation bb2n simulation bb2n simulation bb2n E1+E2 (MeV) E1+E2 (MeV) E1+E2 (MeV)

Analyse de la bb0n : mesure du bruit de fond NEMO-3 peut mesurer tous les composants de son bruit de fond ! Bruit de fond externe 208Tl (PMs) Mesuré avec les événements (e-, g) externes ~ 10-3 événements an-1 kg -1 de type bb0n avec 2.8<E1+ E2<3.2 MeV Neutrons externes et gammas de haute energie Mesuré avec les événements (e-,e-)int avec E1+E2 > 4 MeV  0.02 événements an-1 kg -1 de type bb0n avec 2.8<E1+ E2<3.2 MeV ~ Seulement 2 événements (e-,e-)int avec E1+E2 > 4 MeV observés apres 260 jours de données (sans bore) 4253 keV (26 Mar. 2003) 6361 keV (8 Nov. 2003) En accord avec le bruit de fond attendu < 110 92  18 100Mo métal. 400  100 316  46 82Se < 100 115  13 100Mo comp. A (mBq/kg) mesur HPGe avec (e-, Ng) sources En accord avec avec les mesures HPGe impurités 208Tl dans les sources Mesuré avec les événements (e-,2g), (e-,3g) venant de la source ~ 0.1 événements an-1 kg - 1 de type bb0n avec 2.8<E1+ E2<3.2 MeV Désintégration bb2n 100Mo T1/2 = 7.7 1018 y (SSD) ~ 0.3 événements an-1 kg - 1 de type bb0n avec 2.8<E1+E2<3.2 MeV

Analyse bb0n : mesure du bruit de fond Radon dans le gaz de la chambre à fils de NEMO-3 Dû à une faible diffusion du radon du laboratoire dans le détecteur A(Radon) dans le labo ~15 Bq/m3 Deux mesures du radon dans le gaz de NEMO-3 Bon accord entre les deux mesures Détecteur de radon à l’entrée/sortie du gaz de NEMO-3 ~ 20 coups/jour pour 20 mBq/ m3 canal (1e- + 1 a) dans les données de NEMO-3: Traces retardées (<700 ms) pour sélectionner a retardé du 214Po 214Bi  214Po (164 ms)  210Pb ~ 200 coups/heure pour 20 mBq/m3 A(Radon) in NEMO-3  20-30 mBq/m3 Désintégration dans le gaz b- a retardé 222Rn (3.8 days) 218Po 214Pb 214Bi 214Po 210Pb b a 164 ms ~ 1 événements an-1 kg - 1 de type bb0n avec 2.8 < E1+E2 < 3.2 MeV Radon était le bruit de fond dominant pour la recherche de la bb0n avec NEMO-3 !!!

Analyse bb0n pour le 100Mo 100Mo Cu + natTe + 130Te 100Mo PRELIMINAIRE Cu + natTe + 130Te 265 jours Monte-Carlo Radon Données E1+E2 (MeV) 6914 g 265 days 100Mo Data bb2n Monte-Carlo Radon bb0n unité arbitraire E1+E2 (MeV) 100Mo Cu + natTe + 130Te 8 11.4  3.4 ____ 2.6  0.7 2 2.6<E1+E2<3.2 2.8<E1+E2<3.2 2.6<E1+E2<3.2 2.8<E1+E2<3.2 100Mo 2b2n M-C 32.3  1.9 1.4  0.2 Radon M-C 23.5  6.7 5.6  1.7 TOTAL Monte-Carlo 55.8  7.0 7.0  1.7 DATA 50 8 V-A: T1/2(bb0n) > 3 1023 années V+A: T1/2 > 1.8 1023 années avec E1- E2> 800 keV Majoron: T1/2 > 1.4 1022 années avec Eindividuelle > 700 keV

Analyse likelihood pour le 100Mo 3 variables utilisées pour le likelihood Ec1+ Ec2 somme des énergies cinétiques des 2 e- Ecmin énergie de l’e- de plus petite énergie Cos angle entre les deux traces Ec = Energie à la sortie de la feuille de 100Mo = Energie déposée dans le scintillateur (E) + correction des pertes dans le détecteur de traces ! b- Cos Ec1 Ec2 E1 E2 Nbb0n xbb0n = est le parametre libre Ntot L calculé avec des événements bb Ec1+Ec2>2 MeV

Analyse likelihood de la bb0n du 100Mo PRELIMINAIRE Analyse likelihood de la bb0n du 100Mo Données Monte-Carlo bb2n Radon bb0n T1/2 = 3.5 1023 100Mo 6914 g 216.4 jours 4.10 kg.ans Ec1+Ec2 (keV) 100Mo 6914 g 216.4 days 4.10 kg.y -Log(Likelihood) xbb0n = Nbb0n Ntot Data bb2n Monte-Carlo Radon Ec1+Ec2 (keV) V-A: T1/2(bb0n) > 3.5 1023 années (90% C.L.) V+A: T1/2 > 2.0 1023 années (90% C.L.) Limite précedente V-A: T1/2(bb0n) > 5.5 1022 années (Elegant V, Ejiri et al., 2001)

Analyse likelihood de la bb0n du 82Se PRELIMINAIRE 82Se 932 g 216.4 jours 0.55 kg.ans 82Se 932 g 216.4 jours 0.55 kg.ans Données Monte-Carlo bb2n Radon Données Monte-Carlo bb2n Radon Ec1+Ec2 (keV) Ec1+Ec2 (keV) V-A: T1/2(bb0n) > 1.9 1023 ans (90% C.L.) V+A: T1/2 > 1.0 1023 ans (90% C.L.) Majoron: T1/2 > 1.2 1022 ans (90% C.L.) Limite avant V-A: T1/2(bb0n) > 9.5 1021 ans (NEMO-2) Arnold et al. Nucl. Phys. A636 (1998)

Limite sur la masse effective du neutrino de Majorana, sur le Majoron et sur V+A Limites sur T1/2 sont @ 90% C.L. Simkovic et al., Phys. Rev. C60 (1999) Stoica, Klapdor, Nucl. Phys. A694 (2001) Caurier et al., Phys. Rev. Lett. 77 1954 (1996) Limite sur la masse effective du neutrino de Majorana 100Mo: T1/2(bb0n) > 3.5 1023 y mn < 0.7 – 1.2 eV 82Se: T1/2(bb0n) > 1.9 1023 y mn < 1.3 – 3.6 eV Limite sur le Majoron 100Mo: T1/2 > 1.4 1022 années  < (5.3 – 8.5) 10-5 Simkovic (1999), Stoica (1999) 82Se: T1/2 > 1.2 1022 années  < (0.7 – 1.6) 10-4 Simkovic (1999), Stoica (2001) Limite sur V+A 100Mo: T1/2 > 2.0 1023 y l < (1.5 – 2.0) 10-6 Tomoda (1991), Suhonen (1994) 82Se: T1/2 > 1.0 1023 y l < 3.2 10-6 Tomoda (1991)

Système de purification anti-Radon installé Radon était le bruit de fond dominant pour NEMO-3 A(222Rn) au LSM ~ 15 Bq/m3 Facteur ~ 10 trop élevé Mai 2004 : Tente entoure le détecteur Mai 2004 Septembre 2004 : Usine à purifier l’air du radon (comme dans SuperKamiokande) Activité dans la tente : A(222Rn) ~ 0.3 Bq/m3 125 m3/h 500 kg charbon @ -40oC Facteur de purification obtenu dans la tente~50

Usine de purification de l’air en radon Début du fonctionnement le 4 Octobre 2004 Au Laboratoire Souterrain de Modane 1 tonne charbon @ -50oC, 7 bars Activité: A(222Rn) < 1 mBq/m3 !!! Flux: 125 m3/h

Après installation de la tente et de l’usine anti-radon (charbon actif) 5.8 11.6 17.4 23.1 Temps (jours) Activité en 222Rn entre février 2003 et septembre 2004 ~ 0.95 Bq actuellement ~ 0.14 Bq (réduction d’un facteur ~ 7) Plus que 1 evt/an de fond pour la bb0n du 100Mo < Nbdf dû à bb2n

Sensibilité attendue dans NEMO-3 (apres purification en radon) Bruit de fond : Bruit de fond externe est négligeable Bruit de fond interne : 208Tl : 100 mBq/kg pour 100Mo 300 mBq/kg pour 82Se 214Bi : < 300 mBq/kg ~ 0.1 evt kg-1 y -1 avec 2.8<E1+E2<3.2 MeV bb2n: T1/2 = 7.7 1018 années (SSD) ~ 0.3 evt kg-1 y -1 avec 2.8<E1+E2<3.2 MeV 5 ans de prise de données 6914 g de 100Mo T1/2(bb0n) > 4 .1024 années (90% C.L.) <mn> < 0.2 – 0.35 eV 932 g de 82Se T1/2(bb0n) > 8 .1023 années (90% C.L.) <mn> < 0.65 – 1.8 eV

CONCLUSIONS SUR NEMO3 Le détecteur NEMO-3 prend des données depuis le 14 Fév. 2003 La performance attendue du détecteur a ete atteinte ! Résultats préliminaires 2b2n pour 100Mo, 82Se, 96Zr, 116Cd and 150Nd déjà plus de 140 000 événements 2b2n collectés 100Mo: le modele Single State Dominance (SSD) est favorisé la désintégration bb2n 100Mo vers l’état excité a été mesurée avec ~ 4 s Limite Préliminaire T1/2(bb0n) (216.4 jours de données): 100Mo (4.10 kg.ans) T1/2(bb0n) > 3.5 1023 années  mn < 0.7 – 1.2 eV 82Se (0.55 kg.ans) T1/2(bb0n) > 1.9 1023 années  mn < 1.3 – 3.6 eV Niveaux de bruits de fond observés=attendus sauf Radon ~ 10 fois trop élevé Système de purification de l’air en radon depuis Septembre 2004 Déjà réduction d’un facteur ~7 Sensibilité attendue apres 5 ans apres la purification en radon 100Mo: T1/2(bb0n) > 4 .1024 années <mn> < 0.2 – 0.35 eV 82Se: T1/2(bb0n) > 8 1023 années <mn> < 0.65 – 1.8 eV

Un document a été écrit : présentation au conseil scientifique de l’IN2P3 le 21 mars

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

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

R&D calorimétrie But : atteindre un FWHM inférieur à 4% à 3 MeV (rappel : pour NEMO-3 9%) 7% (source) (+) 4 % (calo) ~ 8 % (global) 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 g de la mesure de l’énergie 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