Status de l’expérience NEMO3

Présentation au sujet: "Status de l’expérience NEMO3"— Transcription de la présentation:

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

2 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

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

4 AOUT 2001

5 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

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

7 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: 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: PM > 150 keV 3 coups Geiger (2 cellules voisines + 1) Taux de trigger = 7 Hz événements bb : 1 événement toute les 1.5 minutes

8 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 ~ 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%)

9 Résultats préliminaires 100Mo 22
(Données 14 Fév – 22 Mar. 2004) Spectre de la somme des énergies Distribution angulaire NEMO-3 événements 6914 g 241.5 jours S/B = 45.8 NEMO-3 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

10 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)

11 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)

12 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 = y (SSD) ~ 0.3 événements an-1 kg - 1 de type bb0n avec 2.8<E1+E2<3.2 MeV

13 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  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 !!!

14 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) > années V+A: T1/2 > années avec E1- E2> 800 keV Majoron: T1/2 > années avec Eindividuelle > 700 keV

15 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

16 Analyse likelihood de la bb0n du 100Mo
PRELIMINAIRE Analyse likelihood de la bb0n du 100Mo Données Monte-Carlo bb2n Radon bb0n T1/2 = 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) > années (90% C.L.) V+A: T1/2 > années (90% C.L.) Limite précedente V-A: T1/2(bb0n) > années (Elegant V, Ejiri et al., 2001)

17 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) > ans (90% C.L.) V+A: T1/2 > ans (90% C.L.) Majoron: T1/2 > ans (90% C.L.) Limite avant V-A: T1/2(bb0n) > ans (NEMO-2) Arnold et al. Nucl. Phys. A636 (1998)

18 Limite sur la masse effective du neutrino de Majorana,
sur le Majoron et sur V+A Limites sur T1/2 90% C.L. 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 100Mo: T1/2(bb0n) > y mn < 0.7 – 1.2 eV 82Se: T1/2(bb0n) > y mn < 1.3 – 3.6 eV Limite sur le Majoron 100Mo: T1/2 > années  < (5.3 – 8.5) Simkovic (1999), Stoica (1999) 82Se: T1/2 > années  < (0.7 – 1.6) Simkovic (1999), Stoica (2001) Limite sur V+A 100Mo: T1/2 > y l < (1.5 – 2.0) Tomoda (1991), Suhonen (1994) 82Se: T1/2 > y l < Tomoda (1991)

19 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 -40oC Facteur de purification obtenu dans la tente~50

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

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22 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

23 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 = 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) > années (90% C.L.) <mn> < 0.2 – 0.35 eV 932 g de 82Se T1/2(bb0n) > années (90% C.L.) <mn> < – 1.8 eV

24 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 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) > années  mn < 0.7 – 1.2 eV 82Se (0.55 kg.ans) T1/2(bb0n) > 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) > années <mn> < 0.2 – 0.35 eV 82Se: T1/2(bb0n) > années <mn> < – 1.8 eV

25 Un document a été écrit :
présentation au conseil scientifique de l’IN2P3 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(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

28 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