Recherche de la désintégration Double Beta Journées de prospectives DSM/DAPNIA-IN2P3 Recherche de la désintégration Double Beta Processus double beta sans neutrino Eléments de matrice nucléaire et choix du noyau Les détecteurs calorimètriques Les détecteurs avec tracking Les TPC Conclusion F. Piquemal (CENBG) La colle sur Loup octobre 2004

n p e- e bb0n bb2n Processus Double Beta sans neutrino (bb0n) h (A,Z) (A,Z+1) (A,Z+2) DL=2 n=n  Neutrino de Majorana nL  nR neutrino massif Autres modes possibles: courant droit, Majoron, SUSY Espace de phase Eléments de matrice bb0n 5 T1/2= F(Qbb,Z) |M|2 <mn>2 -1 bb2n Masse effective: <mn>= m1|Ue1|2 + m2|Ue2|2.eia1 + m3|Ue3|2.eia2 |Uei|: matrice de mélange a1 et a2: phase de Majorana Qbb Ee1 +Ee2

Situation actuelle 5ans Oscillations mesurent Dm2, mais n’accèdent pas à la masse absolue, ni à l’échelle de masse (dégénérée, hiérarchie, hiérarchie inverse). bb(0n) permettrait de déterminer l'échelle de masse et la masse absolue Feruglio F. , Strumia A. , Vissani F. hep-ph/0201291 Klapdor point (0.39 eV) Situation actuelle 5ans 10 ans dégénérée Hiérarchie inverse Hiérarchie normale

Situation actuelle sur le calcul des éléments de matrice -1 T½ = F.|M|2x0.1 Qbb (MeV) Suhonen Neutrino 2004 Abondance isotopique Pas de critère théorique fort. Choix du noyau dépend: - Possibilité enrichissement - Technique expérimentale - Valeur de Qbb (espace de phase, bruit de fond)

bruit de fond (an-1. g-1. keV-1) Tracking et calorimétrie Techniques expérimentales > . . e A m . t NBDF . R N : nombre d’Avogadro kC.L. =1,6445 à 90% C.L. A : masse atomique t : temps de mesure (ans) ln2 . N kC.L. (ans) masse d’isotope bb (g) bruit de fond (an-1. g-1. keV-1) FWHM (keV) efficacité de détection Signal: quelques événements par an Bruits de fond: Radioactivité naturelle 214Bi et 208Tl (g 2.6 MeV) Radon, neutrons (n,g), muons, bb(2n) Bruit de fond, choix de l’isotope Tracking et calorimétrie Source ≠ détecteur Calorimètres Source=détecteur Résolution, efficacité TPC (Xe) Bruit de fond, Masse Expériences en cours ~10 kg sensibilité sur <mn> ~ 0.2-0.4 eV Futur proche, 100 kg est réaliste en fonction du temps nécessaire pour la production des isotopes et des développements à réaliser pour réduire le bruit de fond

Méthodes calorimètriques Ge (Heidelberg-Moscou,IGEX,Majorana,GERDA): 76Ge Bolomètres (Cuorecino-Cuore, EDELWEISS): 130Te, 76Ge Semi-conducteur ZnCdTe (COBRA): 130Te, 116Cd Scintillateurs (CAMEO, CANDLE): 116Cd, 48Ca Xe Liquid (EXO,XMASS) Avantages Résolution en énergie 4-8 keV (semi-conducteur et bolomètres) Compacité des détecteurs Efficacité ~80 % Inconvénients Pas d'identification directe des électrons Radiopureté des matériaux environnants (Qbb<2.6 keV) Difficultés de connaitre l’origine du fond (Ge) Cosmogénie dans les cristaux

Les détecteurs Germanium Meilleurs limites actuelles Heidelberg-Moscou (5 détecteurs, 10.9 kg de 76Ge) IGEX (3 détecteurs, 6.3 kg de 76Ge) M(kg.an) T1/2 (ans) bdf (keV-1.kg-1.an-1) <mn> (eV) HM 54.98 >1.9 1025 0.06 < 0.35-1.05 IGEX 8.87 >1.57 1025 0.09 < 0.33-1.31 Réanalyse des données de HM par Heidelberg en 2002-2004 R&D pour les Ge 0.06  0.001 cps.keV-1.kg-1.an-1 Segmentation des détecteurs pour rejeter fond Élimination matière Matériaux radiopures Améliorer analyse des impulsions (discrimination b-g) Contacts électriques ultra-pure Blindage actif Production des cristaux et du cuivre sous terre Laboratoire plus profond Klapdor et al. Phys. Lett. B 586(2004), 198-212 bb(0n) ?

Le futur pour les détecteurs Ge MAJORANA (USA,Russie) GERDA (Europe,Russie) Objectif: 500 kg de 76Ge 210 détecteurs enrichis segmentés Segmentation détecteurs Amélioration du PSD Sélection des matériaux Faisabilité détecteurs segmentés montrée En cours tests 16 détecteurs de Ge naturel + 2 enrichis ~10 ans pour avoir le détecteur complet 2015 ?: T1/2> 4. 1027 ans <mn> 0.02 –0.03 eV Objectif: 100 kg de 76Ge Suppression matière Ge plongés dans l’azote liquide ou l’argon liquide (scintillation pour rejeter le fond) Amélioration PSD Faisabilité N2 liquide montrée 2005: cristaux HM+IGEX pour test HM signal Si bdf=0.01 cps.kev-1.kg-1.an-1 HM rejeté à 99.6% en 1 an 2010: 100 kg (détecteurs segmentés) 2015: T1/2> 2.1026 ans <mn> 0.09 –0.29 eV A terme, les 2 projets pourraient fusionner

Bolomètres: CUORICINO Italie, Espagne, Pays-Bas, USA Bolomètres de TeO2 (Qbb= 2,528 MeV) Enrichissement naturel 130Te 30% Résolution (FWHM à 1 MeV) 5-7 keV CUORICINO: 1 tour de CUORE 42 modules de 5*5*5 cm3 18 modules de 2*3*6 cm3 10.4 kg de 130Te Efficacité: 86 % 214Bi (238U chain) 208Tl (232Th chain) 60Co pile up 5.3 kg.an 214Bi (238U chain) 208Tl (232Th chain) 60Co pile up 5.3 kg.an T1/2 > 1. 1024 ans (90%) <mn> <0.5 – 2.4 eV bb(0n) Energy (keV) T1/2 > 1. 1024 ans (90%) <mn> <0.5 – 2.4 eV Fonctionne depuis 2003 Bdf: 0.17 evt.keV-1.kg-1.an-1 208Tl dans matériaux, contaminations de surface et du cristal en émetteur a et b bb(0n) Energy (keV) Dans 3 ans: T1/2 > 4. 1024 ans <mn> <0.2 – 1.2 eV

19 tours x 13 modules x 4 détecteurs Bolomètres: CUORE 750 kg TeO2  203 kg 130Te 19 tours x 13 modules x 4 détecteurs R&D pour CUORE 0.17  0.01 cps.keV-1.kg-1.an-1 Nettoyage surface Coincidence avec semiconducteur Ge pour détection des a et b de surface Détection scintillation 48CaF2, 76Ge, 100MoPbO4, 116CdWO4, 150NdF3 TeO2 Ge-2 Ge-1 α Sensibilités pour 5 ans Nbdf=0.01 cps.keV-1.kg-1.an-1 Nbdf=0.001 cps.keV-1.kg-1.an-1 T½ > 2.1 1026 ans T½ > 6.6 1026 ans <mn> < 0.03 – 0.17 eV <mn> < 0.015 – 0.1 eV Expérience approuvée, démarrage 2009 ? Résultat 2015 ?

Bolomètres EDELWEISS Bolomètres de Ge pour détection matière noire Installés au LSM Détection de la chaleur et de l’ionisation Réjection des événements en surface Réjection mutiple Compton par analyse des impulsions Démonstration rejet du fond venant des alpha de surface 2004- 2006 collaboration avec Duban Baksan pour la production de cristaux enrichi en 73Ge et 76Ge 1ères livraisons octobre 2004 2004-2007: R&D sur localisation et électronique refroidie GaAs ultra bas bruit 2006-2007: Si estimations confirmées sur localisation et anticompton proposition d’expérience

Méthode avec tracking Tracko-calo (NEMO,MOON): 100Mo, 82Se TPC gazeuze (EXO, DCBA): 136Xe, 150Nd Avantages Identification des électrons Energie individuelle des électrons Corrélations angulaires Très bonne rejection du fond Multisource (tracko-calo) Inconvénients Résolution en energie (calorimètre + pertes d’énergie dans source) Efficacité Taille des détecteurs (sources très minces)

e- e- NEMO 3: Neutrino Ettore Majorana Observatory (France, Finlande, Japon, Maroc, République tchèque, R-U, Russie,Ukraine, USA.) Détecteur de traces (6180 cellules Geiger) t = 5 mm, z = 1 cm ( vertex ) Calorimètre (1940 scintillateurs plastiques – PM bas bruits) FWHM=14% (1 MeV) Blindages gamma, neutrons, B Matériaux de grandes radiopuretés Identification e-,e+,g,a Efficacité 20 % Installé au LSM, en fonctionnement depuis janvier 2003 Détecteur multi-source E1 BDF Sources épaisseurmg/cm2) 82Se (0,93 kg) e- Vertex  e- E1+E2= 2088 keV t= 0.22 ns (vertex) = 2.1 mm E2 Evénement bb

NEMO 3 100Mo Après 265 jours de données: 6914 g 265 days Data  Monte-Carlo Radon E1+E2 (MeV) arbitrary unit Après 265 jours de données: 100Mo: T1/2() > 3.5 1023 y m < 0.7 – 1.2 eV 82Se: T1/2() > 1.9 1023 y m < 1.3 – 3.6 eV Après suppression du fond radon: 208Tl, 214Bi, bb(2n) 100Mo: 0.001cps.keV-1.kg-1.an-1 82Se: 0.0003 cps.keV-1.kg-1.an-1 2008 6914 g of 100Mo T1/2() 4 .1024 y (90% C.L.) m < 0.2 – 0.35 eV 932 g of 82Se T1/2() 8 .1023 y (90% C.L.) m < 0.65 – 1.8 eV Fond dominant: radon 20 –30 mBq/m3 dans le détecteur (lié au radon du labo ~10 Bq/m3) Diminution d’un facteur 10 nécessaire Installation système anti-radon: (diminution facteur 75) Opérationnel en octobre 2004 Pas de contribution du fond externe

Programme de R&D sur 2 ans De NEMO 3 à Super NEMO Principal enseignement de NEMO 3: maitrise des fonds (radon mais pas de “surprise”) Juin 2004 expression d’intérêt pour une expérience tracko-calo Objectif: 30 meV et 0 bruit de fond pour avoir des “événements en or” 100 kg de source: La plupart des isotopes sont utilisables 82Se : T½ (bb2n) elévée, coût raisonnable, le rêve 150Nd Programme de R&D sur 2 ans Calorimètre 7 % avec scintillateur+PMT Collaboration France, Dubna, Kharkov et Photonis Etude calorimetre Si Source R&D purification 82Se 208Tl ~5mBq/kg et 214Bi 20 mBq/kg (facteur 10 / NEMO3) R&D production 82Se (ILIAS 2kg) source épaisseur 10-20 mm Tracking Diamètre des fils Taille des cellules Simulations Géométrie Blindages Discussion dans la collaboration pour 2007: 15 kg de 82Se dans NEMO 3 <mn> ~0.1 –0.2 eV 15 kg dans 1er module du détecteur à 100 kg 2010 démarrage et 2015 ~ 0.03 – 0.05 eV

TPC Xenon: EXO (USA,Suisse) TPC Xenon : possibilité grande masse T½ bb(2n) très grande Identifier l’ion Ba de 136Xe  136Ba++ +2e- par fluoresence laser 1ère phase: 200 kg de 136Xe Xe liquide, détection de la scintillation Démarrage 2006 Fond attendu 0.003 cps.keV-1.kg-1.an-1 T½ > 2.1026 ans <mn> < 0.39 – 1.2 eV Difficultés: neutralisation Ba++  Ba+ collection de l’ion Avec identification Ba et 1 tonne de 136Xe Fond attendu < 0.0005 cps.keV-1.kg-1.an-1 Résolution 2% (FWHM à 2.5 MeV) (ionisation+scintillation) Date ? T½ > 8. 1026 ans <mn> < 0.05-0.14 eV

PROJETS à 10 ans Expérience isotope Masse kg Type de détecteur Lab. Bdf (cps FWHM Kg.y) Sensibilité T1/2(y) Limite <mn> eV Commen-taire NEMO3 phase2 82Se 10 Tracko-Calo Modane 0.02 1 x 1025 0.2-0.5 2008 ? 150Nd ? 0.2 6 x 1024 0.07-0.35 MPI phase I 76Ge 15 Ge Detector Gran Sasso 0.01 3 x 1025 0.3-0.9 2006 MOON 100Mo Tracko-calo 0.2-0.3 0.03 R&D in progress CANDLES 48Ca 0.180 CaF2 (200kg) Otho (Japon) 0.3 0.5 En cours COBRA 130Te 116Cd CdZnTe Boulby U.K 0.2, 0.03 1 x 1024 0.7 DCBA 150ND 20 TPC 0.05 CUORE 200 Bolometer 0.005 3 x 1026 0.015-0.090 Start 2009 ? Super NEMO 82Se ou 100 2010 ? MPI phase II 0.001 2 x 1026 0.09- 0.29 Majorana 500 4 1027 0.034- 0.039 2014 ? EXO 136Xe 1000 WIPP (US) 0.015 0-0.0018 21026 8.3 x 1026 0.39-1.2 0.05-0.14 Start 2005

Sensibilité <mn> Projets à long terme Expérience isotope Masse kg Type de détecteur Lab. Background (counts FWHM Kg.an) Sensibi-lité T1/2(y) Sensibilité <mn> EXO 136Xe 10000 TPC WIPP (US) 0-0.00055 1.3 x 1028 0.013-0.037 XMASS Kamioka (Japan) 3 x 1026 0.08 MOON 100Mo 1000 Tracko-calo ? 1 x 1027 0.03 MPI 76Ge Ge 0.0001 1028 0.010 GENIUS CANDLES 48Ca 2.9 CaF2 (3200 kg) Otho (Japon) 0.3 0.15

(Integrated Large Infrastructure for Astroparticle Science) ILIAS (Integrated Large Infrastructure for Astroparticle Science) Fort soutien de l’Europe pour la R&D Double Beta avec le programme IDEA (Integrated Double b Decay) avec JRA2 (Joint Research Activity) et N4 (Network) sur 5 ans JRA2 (R&D technique) Groupes de travail: - Isotope Enrichment 82Se Project 150Nd Project - Study on Cosmogenic Induced Activity Underground Crystal Growth Rejection of Surface Radioactivity Operation of Ge-diodes in Liquid N2 N4 (coordination communauté bb) Groupes de travail: - Coordination of DBD searches - Bank of pure isotopes Collection and investigation of experimental inputs, needed for the calculation of nuclear matrix elements Forte implication de la communauté bb française dans les groupes de travail Objectif: donner recommendations pour les expériences bb à soutenir dans 5 ans

Conclusion (1) La double bêta est un test de la physique au-delà du Modèle Standard. Elle permet d’accéder à la nature du neutrino (Majorana ou Dirac), à la masse absolue et à l’échelle de masse. Expériences actuelles <mn>~ 0.2-0.4 eV Dans les 10 ans, expériences à 100 kg hypothèse réaliste et étape nécessaire (temps de production, amélioration des fonds). Sensibilité <mn>~ 0.03-0.07 eV exclusion de l’échelle de masse dégénérée et début du test de la hiérarchie inverse

Conclusion (2) Nombreux projets en Europe,au Japon et aux USA (DOE: Double beta classée en priorité 2-3) Plusieurs expériences nécessaires à cause des éléments de matrice Nécessité d’une percée théorique En France: une expérience en cours NEMO 3 (2007) projet EDELWEISS (bolomètre) NEMO3 phase 2 (2007) ? Super-NEMO (tracko-calo) 2010 Super-NEMO 2 ans de R&D pour montrer la faisabilité pour 100 kg pour 2010. Tracko-calo indispensable pour confirmer un éventuel signal Dans les 10 ans, 4 expériences à 100 kg: une Ge, une bolomètre, une tracko-calo, une TPC Xe En France, signal pour la bb pour NEMO Age des physiciens (ans) 1 2 3 Rayé des cadres 30 50 Renforts nécessaires pour running et analyse de NEMO3 et pour la R&D tracko-calo