1

ППоиск безнейтринного двойного бета-распадаоиск безнейтринного двойного бета-распада 7676GeGe..Проект Проект GERDAGERDA..

Кирпичников И. В.Кирпичников И. В., ИТЭФ, ИТЭФ

Germany,Italy,Russia,Poland, Belgium, China, Switzerland

95 physicists,17 institutions

Russia: KI, ITEP, INR, JINR

2

ПРОЕКТ ПРОЕКТ GERDA GERDA

Целью проекта GERDA является создание установки нового поколения и поиск безнейтринного двойного бета-распада 76Ge.

2

Основная концепция экспериментаОсновная концепция эксперимента: :

сборка кристаллов из обогащённого до 8сборка кристаллов из обогащённого до 866 % % 7676GeGe помещается помещается в криостат с жидким аргоном. Минимум конструкционных в криостат с жидким аргоном. Минимум конструкционных материалов.материалов.

3

Достоинства Ge детекторов 

Источник (Ge-76) = = детектор (HP Ge)Возможность изготовлениядетекторов большой массы

Высокая эффективность регистрации (около 100%)независимо от массыдетектора

Очень чистый исходный материал

Низкий собственный фон

Рекордное разрешение (ΔЕ ~ 4 кэв) 

Максимальная чувствительность.Нет фона 2b2nu-распада

Высокое обогащение 7.7 % 86 %

Lim T1/2 ~ k·(M·ε·t / B·∆E)1/2

M – масса мишени, к – содержание активного изотопа (%%) , ε – эффективность детектора, В – уровень фона (соб.кэв кг год), ∆E – разрешение детектора, t – время измерений

4

Детекторы из обогащённого Ge

Detector Mass, g HV,V Status

Enriched

ANG 1 958 3500 Operatig in GERDA

ANG 2 2833 4000 Operating in GERDA

ANG 3 2391 3000 Operating in GERDA

ANG 4 2372 3000 Operating in GERDA

ANG 5 2746 1800 Operating in GERDA

RG 1 2110 4500 Operating in GERDA

RG 2 2166 4000 Operating in GERDA

RG 3 2087 3300 Operating in GERDA

total 17.663    

5

Коллаборации Гайдельберг-Москва во главе с Клапдором объявила в 2001 году о наблюдении 2b0nu-распада .

Ettore Fiorini, TAUP-2005, Ettore Fiorini, TAUP-2005, Zaragoza, September 12, 2005Zaragoza, September 12, 2005::

Claim: 4.2σ evidence for 0νββ Best fit: 1.19 x10**25 y PSA analysis (MPLA21,2006):

(2.23 + 0.44 – 0.31)x10**25 y (6σ)

6

GERDA: GERDA: Фазы экспериментаФазы эксперимента

ФАЗА I: 17.6 кг обогащенного Ge (86% Ge-76) 8 детекторов экспериментов H-M и IGEX3 года измерений, если фон ~ 10-2 cts/(keVkgyr) (проверка резудьтатов группы H-M) Начало – осень 2010, Gran Sasso T1/2 > 3 x 1025 yr <m> < 270 meV

ФАЗА II: около 40 кг обогащенного Ge (85% Ge-76) 8 детекторов экспериментов H-M и IGEX (17.9 кг) + (25-30) кг детекторов из обогащенного Ge типа BEGe.

Если фон = 10-3 cts/(keVkgyr) T1/2 > 1.5 1026 yr в течении 3 лет измерений

<m> < 110 meV

6

7

Схема установкиСхема установки

Размеры криостата:Ø4 м, h=6 м

Объём 70 куб.м.Криостат установленвнутри бака с водой.

Размеры бака:Ø10 м, h=~9 м

Объём 630 куб.м.

Установка размещенав LNGS,

1400 м под землёй(3800 мвэ)

7

8

9

10

Общий вид Общий вид GeGe-детектора и сборки -детектора и сборки детекторов в детекторов в IIйй ФАЗЕ эксперимента ФАЗЕ эксперимента GERDAGERDA..

10

11

2010-2011 гг. Тестовые измерения.Детекторы,

использованные при тестовых измерениях.

Test.doc Детекторы использовавшиеся при тестовых измерениях 

 

 детектор

полная масса,грамм

содерж.Ge-76,%%

рабочеенапряж.,

вольт

GTF45 2.312 7.9 3000

GTF32 2.321 7.9 3000

GTF112 2.957 7.9 3000

  7.590    

RG1 2.110 85 4500

ANG4 2.372 85 3000

RG2 2.166 85 4000

  6.648    

12

Начало измерений осень 2010: неожиданно большой фон Ar-42.

13

Тестовые экспозиции 2011 года

      position top Middle bottom

R12,gtf 30.68 d 13.02-16.03.11 Norm gtf45 gtf32 Gtf112

R14,enr 7.1 d 21.08-28.08.11 50 cm high Rg1 Ang4 Rg2

R15,enr 16.02 d 30.06-25.07.11 Norm Rg1 Ang4 Rg2

R16, enr 8.9 d 1.08-10.08 Norm Rg1 Ang4 Rg2

R16, gtf 8.9 d 1.08-10.08 70 cm high gtf32 gtf45 gtf112

R17 enr 6.0 d 11.08-17.08 Norm Rg1 Ang4 Rg2

R17 gtf 6.0 d 11.08-17.08 70 cm high gtf32 gtf45 gtf112

R18 enr 6.0 d 17.08-22.08.11 Norm Rg1 Ang4 Rg2

R18 gtf 6.0 d 17.08-22.08.11 Norm gtf32 gtf45 gtf112

R19, enr 2.8 d 25.08-28.08.11 80 cm high gtf32 gtf45 gtf112

R20, enr 6.7 d 31.08-6.09.11 120 cm high Rg1 Ang4 Rg2

R20, gtf 6.7 d 31.08-6.09.11 - 25 cm low gtf32 gtf45 gtf112

R21, enr 13.65 d 5.09-19.09.11 60 cm high Rg1 Ang4 Rg2

R21, gtf 13.65.d 5.09-19.09.11 - 25 cm low gtf32 gtf45 gtf112

R22,enr 15.73 d 19.09-16.10.11 - 25 cm low Rg1 Ang4 Rg2

R22,gtf 15.73 d 19.09-16.10.11 - 25 cm low gtf32 gtf45 gtf112

14

Установка мини-экрана (minishroud) : цилиндр из 50 мк медной фольги диаметром 115 мм и высотой 45 см. Экран заземлён. На внешней поверхности детекторов +(3-4) кв.

15

Эффект мини-экрана

16

Фон : 79 дней измерений с необогащёнными Ge-76.

Недостатки – продолжение достоинств. Предельно малый уровень фона означает предельно большое время измерений для точной его

оценки.

17

Первые измерения с детекторами из обогащённого германия.

Спектр в области 2b2nu-распада

18

Эффект мини-экрана в области ожидаемого 2b0nu-эффекта

(детекторы из природного Ge,79 дней измерений).

19

Измерения с обогащёнными детекторами.

<1950-2150 keV>BI=0.045 events/kev kg year

3 детектора (1 струна)36.9 дней

RUN 15-18, 36.9 d

00,20,40,60,8

11,2

19

51

20

01

20

51

21

01

energy, MeV

ev

en

ts / 2

ke

V

2037 keV

20

RUN 22, 15.3 d

00.5

11.5

22.5

16

01

17

01

18

01

19

01

20

01

21

01

22

01

23

01

24

01

25

01

26

01

27

01

28

01

29

01

energy,MeV

ev

en

ts / 2

ke

V

2037 k eV

Измерения с обогащёнными детекторами. Недостатки – продолжение достоинств. Предельно малый уровень фона означает предельно большое время измерений для точной его оценки.

1 событие в 200 кэв интервале (1950-2150).Формально <BI>=0.018 соб/кэв кг год

21

Монтаж полной сборкиИзмерения начаты 9 ноября 2011 г.

22

Первые результаты с полной сборкой (12 дней)Измерения начаты 9 ноября 2011 г.

total counts between 1939 and 2139 keV

Detector 0: 1 Detector 1: 0 Detector 2: 0 Detector 3: 0 Detector 4: 0 Detector 5: 1 Detector 6: 0 Detector 7: 0 Detector 8: 0 Detector 9: 1 Detector 10: 0

BI ---> 0.012 ev / keV*kg*y

BI ---> 0.018 ev / keV*kg*y

Mass of enriched Ge detectors: 17.671 kgMass of natural Ge detectors: 7.59 kg

23

Одновременно с работами с детекторами основной установки GERDA проводились исследования возможности подавления фона путём регистрации сцинтилляций в жидком аргоне на установке LArGe-test facility. Получены впечатляющие результаты.

24

Подавление Комптона от пика 2.615 Мэв превышает 5000. Рассматривается возможность применении метода в 1-ой фазе эксперимента.

25

Подготовка 2-ой фазы эксперимента.

1. Закуплены 37 кг обогащённого германия 2. Идёт процесс выращивания кристаллов.3. Все детекторы будут изготовлены к концу 2012 года ( типа BEGe)

26

1. Монтаж установки GERDA завершён летом 2010 года.2. С осени 2010 года на установке ведутся тестовые измерения. Все узлы установки работают стабильно.3. Неожиданно высокий фон Ar-42 (К-42) удалось значительно снизить. В области 2b2nu-эффекта фон Ar-42 (К-42) составляет около 8% от измеренного спектра. Вклад других источников фона мал.4. Фон в области 2b0nu-эффекта измерянный при помощи детекторов из природного германия составляет 0.074 соб/кэв кг год. Оценка этого фона для детекторов из обогащённого германия показала что его величина существенно ниже ( 0.01-0.02 соб/кэв кг год ). 5. 1 ноября начаты измерения в полной геометрии (8 детекторов из обогащённого германия).6. Ведётся подготовка 2-ой фазы: а) закуплены и прошли дополнительную очистку 37 кг обогащённого германия б) начато выращивание кристаллов Ge-76 в) все новые детекторы будут изготовлены до конца 2012 года (типа BEGe)7. Проверена система оптического подавления фона

итоги

27

28

Gerda-EXO

Ge. M=17.6 ε=100 % B=0.04 ∆E=5 keVLim T1/2 = k·(M·ε·t / B·∆E)1/2= k· (17.6·1·t / 0.04·5) ½ = 8.4· k·t

 Xe. M=63 ε= 0.65 B=0.004 ∆E=200 keVLim T1/2 = k·(M·ε·t / B·∆E)1/2= k· (63·0.65·t / 0.004·300) ½ = 4.8 · k·t

29

Matrix elements

30

2b0nu-распад?

31

Klapdor data

 

Klapdor data

02468

1012141618

2001

2006

2011

2016

2021

2026

2031

2036

2041

2046

2051

2056

2061

energy, keV

even

ts \

keV

FULL

SSE

sse ss

Klapdor data

02468

1012141618

2001

2006

2011

2016

2021

2026

2031

2036

2041

2046

2051

2056

2061

energy , keV

even

ts /

keV

FULL

SSE

low cut

32

Lim T1/2 = k·(M·ε·t / B·∆E)1/2

M – масса мишени, к – содержание активного изотопа, ε – эффективность детектора, В – уровень фона (соб /кэв кг год), ∆E – разрешение детектора, t – время измерений

Почему германий ?

33

34

ПРОЕКТ ПРОЕКТ GERDA GERDA

Целью проекта GERDA является создание установки нового поколения и поиск безнейтринного двойного бета-распада 76Ge. Обнаружение и исследование безнейтринного двойного бета распада (20-распад) представляет физикам уникальную возможность выхода за рамки Стандартной Модели Электрослабого Взаимодействия. Существование процесса означает нарушение лептонного числа, наличие у нейтрино массы и его майорановскую природу. Обнаружение осцилляций нейтрино показало, что нейтрино является массивной частицей. Однако вопрос о природе нейтрино, абсолютной шкале и иерархии масс остаётся открытым. 34