Università degli Studi di Milano – Bicocca
Corso di Dottorato di Ricerca in Fisica e Astronomia
XXIII Ciclo - A.A. 2008 - 2010
Development of cryogenic detectors
for rare event searches
L. Gironi
Advisor: Dott. O. Cremonesi
30 Gennaio 2012
Indice
I rivelatori per lo studio di eventi rari
• La tecnica bolometrica
• Il doppio decadimento beta senza emissione di neutrini (0νDBD)
• Risultati ottenuti (Cuoricino) e prospettive future (CUORE)
• I bolometri scintillanti
• Test effettuati
• Discriminazione in forma nella tecnica bolometrica
• Prospettive future nello studio del 0νDBD
• Le contaminazioni superficiali e i decadimenti α rari
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Rivelatori per lo studio di eventi rari
Eventi rari
Fisica fondamentale:
• Decadimento doppio beta senza
emissione di neutrini (0νDBD)
• Materia Oscura
• Stabilità dell’elettrone
•…
Sorgenti radioattive:
• Decadimenti alfa rari
• Decadimenti beta rari
• Contaminazioni superficiali molto basse
•…
Condizione fondamentale per lo studio degli eventi rari è un basso background.
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso
profondità ~ 3650 m.w.e.
Riduzione flusso raggi cosmici ~106
Ridotto flusso di neutroni
(ridotte quantità di Uranio e Torio nella roccia)
Elevato spazio sperimentale
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Rivelatori per lo studio di eventi rari
Il doppio decadimento beta senza emissioni di neutrini (0νDBD)

(
A
,Z
)

(
A
,Z

2
)

2
e
Neutrino:
- Particella di Majorana
- Particella massiva
Massa effettiva del
neutrino:

m


m
e
0

F

T
N 1
/2
FN= fattore di merito nucleare
(elemento di matrice nucleare + spazio fasi)
Sensibilità: vita media del processo corrispondente al massimo segnale che può essere rivelato.
N
Sln
2T
n
ε : efficienza di rivelazione
T : tempo vivo di misura [y]
N : numero di eventi attesi
n : Confidence Level (C.L.)
Per esperimenti che studiano il 0νDBD e con fondo non nullo:
x


M
N
A
N

N


A
n M
TB

x





N

T
A M
S

ln
2


A
B


Roma – 30 Gennaio 2012
n : fluttuazioni del background ad
un determinato C.L..
A : massa atomica
η : abbondanza isotopica
x : numero di atomi ββ per molecola
M : massa rivelatore [kg]
B : background [c/keV/kg/y]
Δ : risoluzione energetica [keV]
Luca Gironi
La tecnica bolometrica
Nella tecnica bolometrica:
• Eccellente risoluzione energetica (Δ ~5 keV a 2615 keV)
• Basso background (B ≤ 0.17 counts/keV/kg/y)
• Esperimenti con massa fino a M ~1 ton
• Esperimenti con T ~5 y e tempo vivo > 80%
• Ampia scelta di materiali differenti come assorbitore (η, x, A)
Elevata
Sensibilità
x





N

T
A M
S

ln
2


A
B


Il principio di funzionamento dei bolometri:
bagno termico
~10 mK
accoppiamento
termico
termometro
assorbitore
t
ΔEτ
ΔT(t)
 e
C
τ
C
G
C = capacità termica
G = conduttanza termica
Roma – 30 Gennaio 2012
Parametri di Forma del
segnale termico
Rise Time (t90%-t10%)
Decay Time (t30%-t90%)
….
Luca Gironi
Cuoricino
Cuoricino (2003 – 2008, 40,7 kg di TeO2): l’esperimento bolometrico che ha permesso di raggiungere
la migliore sensibilità nello studio del doppio decadimento beta senza emissioni di neutrini del 130Te.
44 cristalli ‘grandi’ 5x5x5 cm3
18 cristalli ‘piccoli’ 3x3x6 cm3
130Te
• Qββ = 2528 keV
• Elevata abbondanza isotopica
naturale (33.8 %)
•…
Roma – 30 Gennaio 2012
TeO2
• Elevata temperatura di Debye
• Buone proprietà meccaniche
• Ridotte contaminazioni radioattive
•…
Luca Gironi
Cuoricino, 0νDBD (130Te) & background
Statistica = 19.75 kg*y di 130Te
0

130
24
T
(
Te
)

2
.
8

10
years
(90%
C.L.)
1
/
2

m

300

710
meV
ν
0νDBD
208Tl
190Pt
‘regione α’
238U+232Th
Background di Cuoricino al 0νDBD
0.169±0.006 counts/keV/kg/y
Composizione del background nella regione di interesse (ROI – 2510-2550 keV):
Eventi multi-Compton della linea γ del 208Tl a 2615 keV + μ e particelle indotte da μ (n, γ)
neutroni
contaminazioni superficiali (α)
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Contaminazioni superficiali
Simulazione di contaminazioni superficiali in
210Po (Q=5.4 MeV)
Energia cristallo 2 [keV]
Coincidenze in Cuoricino
(contaminazioni superficiali dei cristalli)
Energia cristallo 1 [keV]
Numerosi metodi passivi utilizzati per eliminare le contaminazioni superficiali (pulizia delle superfici,
assemblaggio in ambiente controllato, polietilene, …). Tuttavia sussiste un contributo residuo.
Una possibile soluzione è l’utilizzo di un metodo attivo per identificare le particelle interagenti: i
bolometri scintillanti.
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events)
Array compatto di 988 cristalli di TeO2 (5x5x5 cm3 = 750 g)
- 19 torri
- 13 piani ciascuna
- 4 cristalli ciascuno
741 kg di TeO2
206 kg of 130Te
Top Frame
TeO2 Crystals
Middle Frame
Copper Columns
Teflon
Bottom Frame
CUORE è in costruzione presso la Sala A dei LNGS.
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
CUORE
Criostato
• No liquidi criogenici: maggiore tempo vivo.
• La sospensione del rivelatore è completamente
indipendente dalla struttura del refrigeratore:
minor rumore meccanico.
Detector
suspension
Pulse tube
• Accurato controllo della radioattività di tutti i
componenti del set-up: riduzione background.
Cristalli
4 K flange
• La produzione di 30 cristalli/mese è iniziata nel
2009 alla SICCAS in Cina.
• Certificazione di radio purezza basata sui
risultati ottenuti con misure ICP-MS sulle
materie prime e sui prodotti intermedi.
• Cristalli scelti casualmente da ogni batch
vengono misurati come bolometri nel criostato
installato in Sala C dei LNGS (misura delle
contaminazioni radioattive e delle performance
bolometriche)
Roma – 30 Gennaio 2012
TeO2 detectors
Luca Gironi
CUORE
Background
• Il background dovuto alle contaminazioni alfa superficiali dei cristalli sarà notevolmente
ridotto grazie alle anti coincidenze tra i rivelatori.
• L’intero array sarà circondato da 6 cm di piombo interno (a ~10 mK) e un’ulteriore
schermatura di 30 cm di Pb sarà utilizzata per schermare dalla radioattività ambientale e
dalle parti dello stesso criostato.
• All’esterno della schermatura di Pb saranno posizionati 18 cm di polietilene al fine di
termalizzare i neutroni ambientali che saranno poi assorbiti dai 2 cm di H3BO3.
Sensibilità
La sensibilità prevista per CUORE a 1σ con un tempo
vivo di 5 y a un background di B=0.01 c/keV/Kg/y
T0ν1/2 = 1.6 · 1026 y

m

4
1

95
meV
ν
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
I Bolometri Scintillanti
Doppia lettura: informazioni sulla natura della particella interagente.
β/γ
Luce
α+β
α
Calore
Il rivelatore di luce e il foglio riflettente
t
ΔE
ΔT(t)
 eτ
C
Calibrazione con sorgente di
55Fe
5,9 keV
Counts
• Rivelatori di piccole dimensioni (= piccola
capacità termica) per piccoli rilasci di
energia (luce di scintillazione)
Ge slab
(Ø~50 mm, h~0.5 mm)
6,5 keV
• Rivelatori ‘opachi’ per assorbire tutta la
luce di scintillazione
• Foglio riflettente attorno al cristallo
scintillante per raccogliere tutta la luce di
scintillazione
Roma – 30 Gennaio 2012
Energy [keV]
FWHM = 250 eV
Luca Gironi
Il Bolometro Scintillante ideale
Alcune caratteristiche da tenere in considerazione per la selezione dei bolometri scintillanti:
• Isotopo candidato al 0νDBD con elevato Q valore (basso background, spazio delle fasi favorevole, …)
• ‘Elevata’ abbondanza isotopica (o possibilità di arricchimento)
• Basse contaminazioni radioattive
• Cristalli di grandi dimensioni
• Bassa massa molecolare e elevata molteplicità stechiometrica
x





N

T
A M
S

ln
2


A
B


• Buona risposta termica (i.e. elevata risoluzione energetica)
• Elevata discriminazione delle particelle interagenti
Qββ
(keV)
Abbondanza
isotopica
76Ge
2039
7.6 %
130Te
2528
33.8%
116Cd
2809
7.5 %
82Se
2996
8.7 %
100Mo
3034
9.6 %
Isotopo
Roma – 30 Gennaio 2012
76Ge
130Te
116Cd
100Mo
82Se
Background γ
ambientale
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti
Utilizzo
CdWO4
0νDBD 116Cd
Aspetti ‘Tecnici’
Correlazione luce-calore
Feedback elettrotermico
Superfici ottiche
ZnSe
Quenching Factor ‘inverso’
0νDBD
82Se
Correlazione luce-calore ‘inversa’
Discriminazione in forma
…
CaMoO4
ZnMoO4
…
BGO
Roma – 30 Gennaio 2012
0νDBD 100Mo
Contaminazioni
superficiali
Discriminazione in forma
Decadimento α raro del 209Bi
Luca Gironi
Alcune definizioni
Light Yield (L.Y.) = energia rilasciata nel rivelatore di luce (light detector, LD) per un rilascio di energia di 1 MeV nel
cristallo scintillante
Quenching Factor (Q.F.) di scintillazione = rapporto tra la resa in luce delle particelle interagenti (α, neutroni, nuclei)
rispetto alla resa in luce per eventi β/γ alla medesima energia
L
.
Y
. L
.
Y
. E
/

Q
.
F
.
  
 
L
.
Y
.
.
Y
.

/
 E
L

/

Light Discrimination confidence level (DLight) = differenza tra l’ampiezza media del segnale di luce prodotto da
particelle β/γ e quella degli eventi α pesata sulla larghezza delle due distribuzioni (σ β/γ e σα)
β-γ
Bi-Po
(α+β)
α
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - CdWO4
0νDBD 116Cd
Q(116Cd)=2809 keV
i.a. = 7.5 %
Evoluzione dei cristalli di CdWO4
3x3x2 cm3
140 g
Roma – 30 Gennaio 2012
Array di 4 cristalli
3x3x3 cm3
210 g
3x3x6 cm3
426 g
Ø = 4cm, h = 5cm
510 g
Superfici Ottiche
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - CdWO4
0νDBD 116Cd
Nel 2008 un array di 4 rivelatori è stato affacciato ad un solo rivelatore di luce.
Foglio riflettente
• Elevata resa in luce di tutti i cristalli testati
• Contaminazioni interne molto differenti a seconda
del produttore
1066 hours
CdWO4
(3x3x6 cm3)
228Th 224Ra
Light [a.u.]
Array 4 CdWO4
(3x3x3 cm3)
210Po
230Th
232Th
234U
212Bi
216Po
238U
212Bi- 212Po
180W
Ge
(Ø = 66 mm)
Ge
(Ø = 35 mm)
220Ra
Energy [keV]
Regione alfa ‘allargata’
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Scintillating Bolometers - CdWO4
0νDBD 116Cd
Nuovo Cristallo: 508 g (Ø=40mm, h=50mm) con superfici ottiche
L.Y.(β)=17 keV/MeV
Q.F. (180W) = 0.160 ± 0.003
Q.F. (238U) = 0.192 ± 0.006
Q.F. (234U) = 0.201 ± 0.006
Dipendenza del Q.F.
dall’energia della particella
α incidente
stopping power
dE/dx
Sorgente di particelle alfa degradate
(sorgente 238U coperta con ~ 6μm di Mylar)
Mylar (6 μm)
Sorgente alfa (238U)
Substrato
DLight a 2615 keV = 12 σ
Astroparticle Physics 34 (2010) 143–150 : CdWO4 scintillating bolometer for Double Beta Decay: Light and heat
anticorrelation, light yield and quenching factors.
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - CdWO4
Aspetti tecnici
Fluttuazioni nella partizione dell’energia tra il canale termico e
la scintillazione (peggioramento della risoluzione energetica nei
bolometri scintillanti)
Correlazione tra i due canali
Miglioramento della risoluzione
attraverso una rotazione
Calibrazione assoluta del calore e
Quenching Factor termico
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - CdWO4
In sintesi:
I cristalli di CdWO4 sono buoni candidati per lo studio
del 0νDBD
Vantaggi:
• Elevata resa in luce e Q.F. + superfici ottiche -> eccellente discrimination confidence level (12 σ)
• 116Cd buon candidato allo studio del 0νDBD
• Qββ = 2809 keV
• i.a. = 7.5 %
• Buona radiopurezza
• Ottima risoluzione energetica ottenibile grazie alla rotazione degli assi
Svantaggi:
• Elevata sezione d’urto per neutroni del
Soluzioni:
113Cd
• Decadimento beta del 113Cd (a.i.=12%, Q=306keV)
Roma – 30 Gennaio 2012
• arricchimento in 116Cd
• feedback elettrotermico
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - ZnSe
Q(82Se) = 2996 keV
i.a. = 8.7 %
Rapporto tra le masse
favorevole
0νDBD 82Se
“ZnSe Large”
Ø = 4.1cm, h = 1.7cm
120 g
“ZnSe Huge”
Ø = 4cm, h = 5cm
337 g
“ZnSe Small”
Ø = 2cm, h = 2.1cm
37.5 g
Cristalli di ZnSe testati (differente stechiometria)
cristalli ZnSe
termistori
heaters
fogli riflettenti
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - ZnSe
0νDBD 82Se
Quenching Factor ‘inverso’
Q.F. ‘inverso’
Particelle direttamente ionizzanti
sul rivelatore di luce
210Po
Ipotesi
Tests
Autoassorbimento della
luce dei β/γ (eventi di
bulk, α superficiali)
Sorgente alfa posizionata
sulla faccia opposta al
rivelatore di luce
sorgente α degradata
Problemi nella raccolta
della luce
β/γ
rivelatore di luce
‘trasparente’ alle
lunghezze d’onda della
luce di scintillazione dei
beta/gamma
Confronto con un
cristallo di CdWO4 (stesse
dimensioni, montaggio e
rivelatore di luce)
Utilizzato come
rivelatore di luce un
bolometro di zaffiro
ricoperto con uno strato
di Pb
Astroparticle Physics 34 (2011) 344–353: Characterization of ZnSe scintillating bolometers for Double Beta Decay.
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - ZnSe
0νDBD 82Se
• Cristalli estremamente puliti (no contaminazioni interne, solo eventi α dovuti al 210Po)
• correlazione luce-calore ‘inversa’
• risposta termica ‘non-lineare’
• dipendenza del Q.F. dalla posizione della sorgente α
Canale termico
Linea
(keV)
FWHM
(keV)
FWHM Rot
(keV)
583
7.5 ± 0.5
5.4 ± 0.3
911
7.8 ± 0.6
5.9 ± 0.3
2615
28 ± 1
9.5 ± 0.4
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - ZnSe
0νDBD 82Se
• Cristalli estremamente puliti (no contaminazioni interne, solo eventi α dovuti al 210Po)
• correlazione luce-calore ‘inversa’
• risposta termica ‘non-lineare’
• dipendenza del Q.F. dalla posizione della sorgente α
Misura I
Sorgente alfa
degradata
Roma – 30 Gennaio 2012
Misura II
• Misura I
• Misura II
Sorgente alfa
degradata
Sorgente alfa di
224Ra impiantato
(monocromatica)
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - ZnSe
0νDBD 82Se
Pulse Shape Analysis
Differenti forme del segnale nel rivelatore di luce delle particelle α e β.
α
β/γ
β/γ
α
ZnSe
Huge
Particelle direttamente
ionizzanti sul rivelatore di luce
Particelle direttamente
ionizzanti sul rivelatore di luce
Discrimination
confidence level su
TVR della luce
= 15 σ
ZnSe
Large
Condizioni di misura ottimizzate:
Roma – 30 Gennaio 2012
• Bessel 120 Hz
• temperatura di lavoro leggermente maggiore
• 16384 punti, finestra acquisizione di 4 sec
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - ZnSe
0νDBD 82Se
In sintesi:
ZnSe è un buon candidato allo studio del 0νDBD; alcuni
aspetti devono ancora essere compresi completamente.
Vantaggi:
• 82Se ottimo candidato al 0νDBD
• Qββ = 2996 keV
• i.a. = 8.7 %
• Cristalli estremamente puliti (no contaminazioni interne, solo eventi α dovuti al 210Po)
• Eccellente discriminazione attraverso la Pulse Shape Analysis sul rivelatore di luce (15σ)
Svantaggi:
Soluzioni:
• Quenchin Factor ‘inverso’
• dipendenza del Q.F. dalla posizione della
sorgente α
• correlazione luce-calore ‘inversa’
• discriminazione attraverso
Pulse Shape Analysis
Roma – 30 Gennaio 2012
• rotazione degli assi
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - CaMoO4
0νDBD 100Mo
L’abbondanza isotopica naturale del 48Ca è troppo bassa per studiare il
0νDBD di questo isotopo ma troppo alta per avere un’elevata
sensibilità sul 0νDBD del 100Mo a causa del 2νDBD del 48Ca.
Cristalli impoveriti in 48Ca
Q(100Mo) = 3030 keV
i.a. = 9.6 %
Q(48Ca) = 4270 keV
i.a. = 0.187 %
0νββ 100Mo
2νββ 48Ca
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - CaMoO4
0νDBD 100Mo
Buon scintillatore e bolometro
β/γ
Bi-Po
(α+β)
Sorgente α degradata
Contaminazioni
interne α
+ sorgente α
FWHM (2615 keV) = 9 keV
Q.F. = 0.174
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - CaMoO4
0νDBD 100Mo
Per la prima volta sono state osservate differenze tra la forma del segnale termico prodotto da α e
β/γ nel cristallo scintillante.
Impulso medio γ (2615 keV)
Impulso medio α (2615 keV)
Differenza percentuale tra l’impulso
medio α e quello γ.
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - CaMoO4
0νDBD 100Mo
Discrimination confidence level su Rise Time = 6.5 σ
NIM A 617 (2010) 478-481 : Scintillating bolometers for Double Beta Decay search.
Astroparticle Physics 34 (2011) 797-804: A novel technique of particle identification with bolometric detectors.
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - ZnMoO4
0νDBD 100Mo
Discrimination confidence level su RDC = 5.4 σ
Journal of Instrumentation 5 (2010) P11007: Performance of ZnMoO4 crystal as cryogenic scintillating bolometer to
search for double beta decay of molybdenum.
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - Pulse Shape Analysis
Pulse Shape Analysis
NO RIVELATORE DI
LUCE
NO FOGLIO
RIFLETTENTE
• Installazione più semplice
• Minor numero di canali di acquisizione
• riduzione dei costi e del lavoro.
• riduzione del link termico tra la temperatura ambiente e la temperatura di lavoro di pochi mK.
• Rimozione del rivelatore di luce
• significativa riduzione dei costi (rivelatori di luce, termistori, elettronica).
• il notevole lavoro di R&D che deve ancora essere fatto al fine di ottimizzare i rivelatori di luce non
sarà più necessario.
• Rimozione del foglio riflettente
• considerevole semplificazione della struttura
• possibilità di utilizzare le anti-coincidenze tra i cristalli per ridurre ulteriormente il background α
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - Pulse Shape Analysis
Fononi e Fotoni
Assunzione: la produzione di tutti i fononi che partecipano alla formazione del segnale termico non può essere
considerata istantanea neanche in rivelatori lenti come i bolometri.
Evoluzione temporale della formazione del segnale termico in bolometri scintillanti:
Interazione particella nel cristallo scintillante
(1-ω)
Canale termico
La produzione di fononi, la loro
propagazione e raccolta è molto
veloce (<10-6 s) e può essere
considerata istantanea nei
bolometri.
(ω)
Scintillazione
Fononi ‘prompt’
Stati a vita ‘lunga’
τCaMoO4 (a 4K) = 3,8•10-4 s
Luce di scintillazione
(~50% energia canale scintillazione in molibdati)
Fononi ritardati
Il segnale bolometrico nel cristallo scintillante è dato dalla somma di tutti i
fononi emessi (sia nel canale termico che in quello di scintillazione) e prodotti per
autoassorbimento.
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - Pulse Shape Analysis
Fononi e Fotoni
La percentuale che fluisce nel canale di scintillazione dipende dal tipo di particella interagente: le
particelle con elevata densità di ionizzazione (α) occupano tutti i livelli di scintillazione fino alla
saturazione.
La percentuale che fluisce nel canale termico a seguito dell’interazione di una particella α è
maggiore rispetto ai β/γ.
ωα < ωβ/γ
Differenti L.Y. per α e β/γ
Differenti forme nel segnale termico.
Il numero di fononi ‘ritardati’ è infatti proporzionale a ω.
Per poter applicare questo modello al segnale bolometrico è necessario ancora del lavoro
(convoluzione della produzione di fononi con la risposta del bolometro (link al bagno termico),
andamento esponenziale della resistenza, filtro Bessel, …).
Verifiche del modello grazie alle differenti informazioni a disposizione (2 impulsi nel cristallo
scitillante + 2 impulsi nel rivelatore di luce).
Journal of Low Temp. Phys (DOI 10.1007/s10909-012-0478-x): Pulse Shape Analysis with scintillating bolometers.
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti & Background
Nei bolometri scintillanti, grazie alla discriminazione sul L.Y. o sulla forma del segnale, le contaminazioni
alfa superficiali possono essere eliminate completamente (99.9%=3.3 σ).
Cristallo
Tecnica
Discriminazione
Rivelatore di
luce
Discrimination
Confidence
Level
CdWO4
Light Yield
Si
12 σ
ZnSe
PSA (TVR Light)
Si
15 σ
CaMoO4
PSA (Rise Time)
No
6.5 σ
ZnMoO4
PSA (Ratio Decay Const)
No
5.4 σ
Rese trascurabili le contaminazioni superficiali
Studio dei contributi precedentemente
trascurabili
• 2νDBD
• Contaminazioni interne (decadimento beta del 208Tl e 210Tl )
• Contaminazioni del criostato (214Bi, 2615+583 keV)
• Background ambientale (μ, n)
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti & Background
Fondo dovuto a 2νDBD
Contaminazioni criostato (gamma)
208Tl

5
T2
S m
/2 Q
 e 10

6
B 7T
E
1
/2 
214Bi
T0ν valutato per <mν>=50 meV, T2ν misurato (Barabash).
- Somma 583 keV + 2615 keV
- Gamma con E>2615keV (B.R. totale= 0.15 % catena 238U)
Simulazione: criostato Cuoricino, cristallo ZnSe.
10 keV
40 keV
100 keV
130Te
9,1 · 106
2,2 · 103
9,1
116Cd
7,1 · 105
1,7 · 102
0,7
82Se
2,0 · 106
4,9 · 102
2,0
OVC
(1,40±0,31) · 10-6
100Mo
2,8 · 105
6,8 · 101
0,3
OVC_NoPb
(4,76±0,56) · 10-5
PbRomano
(6,32±0,12) · 10-4
Frame
(6,81±0,05) · 10-5
Risoluzione @ 2615 keV
TeO2 =
CdWO4 =
CdWO4 Rot =
ZnSe =
ZnSe Rot =
c/keV/Kg/y (2976-3016 keV)
208Tl
214Bi
(3,65±0,03) · 10-6
(4,12±0,03) · 10-6
5 keV
16,5 keV
6,25 keV
28 keV
9,5 keV
Pile-up 2νDBD
Per cristalli con massa ~500g, arricchimento al 90%,
risoluzione temporale 5ms.
Per isotopi con Q > Q(82Se) questo contributo
risulta essere ulteriormente abbattuto.
B<10-3 c/keV/kg/y
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti & Background
Contaminazioni interne (beta 208Tl e 210Tl in ZnMoO4)
Gli unici contributi dovuti alle catene radioattive naturali sono
il beta del 208Tl e quello del 210Tl. Questi contributi sono tuttavia
eliminabili grazie alle coincidenze ritardate (necessario il
contenimento totale dell'alfa).
208Tl
e 210Tl in ZnMoO4 (cristalli da ~750g)
Coincidenza ritardata
214Bi-210Tl
(catena 238U):
Coincidenza ritardata
212Bi-208Tl
(catena 232Th):
Eff. tagging alfa (5617 keV) = 99,96%
B.R. 210Tl (5489keV) = 0.02 %
Contaminazione interna in 238U < 3,2 · 10-5 Bq/kg
Background = 1,62 · 10-3 c/keV/kg/y
Eff. tagging alfa (6207 keV) = 99,94 %
B.R. 208Tl (5001 keV) = 36 %
Contaminazione interna in 232Th < 3,2 · 10-5 Bq/kg
Background = 2,97 · 10-2 c/keV/kg/y
Background coinc. rit. = 1,16 · 10-5 c/keV/kg/y
5 τ (tempo morto 0,01 %)
Background coinc. rit. = 2,18 · 10-4 c/keV/kg/y
5 τ (tempo morto 2,0 %)
Contaminazioni ZnSe
238U
232Th
< 4 · 10-7 Bq/kg
< 4 · 10-7 Bq/kg
Esperimento di ~1 ton di bolometri scintillanti
Roma – 30 Gennaio 2012
Contaminazioni CdWO4
238U
232Th
= 1,2 · 10-5 g/g
< 3,5 · 10-6 g/g
10-3-10-4 counts/keV/kg/y
Luca Gironi
Sensibilità – Background vs Risoluzione energetica
Sensibilità di un esperimento CUORE-like con ZnSe per
5 anni di tempo vivo.
x





N

T
A M
S

ln
2


A
B


Ris. Energetica [keV] a 2615 keV (208Tl)
Roma – 30 Gennaio 2012
TeO2
7±1
CdWO4
16.5±0.5
CdWO4 (Ruotato)
6.3±0.2
ZnSe
28±1
ZnSe (Ruotato)
9.5±0.4
ZnMoO4
5.6±2
Luca Gironi
Sensibilità – Background vs Risoluzione energetica + ‘mass cut-off’
x





NM

T
Esperimenti a background ≠ da zero ( M
TB

0)
S

ln
2


A
A
B




x
 
N

T
AM
Esperimenti a background zero ( M
)

T

B



0

n

2.4
(90%)
S
ln
2


0
B
A
2
.
4
regione proibita
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Sensibilità – Background vs Risoluzione energetica + ‘mass cut-off’
x





NM

T
Esperimenti a background ≠ da zero ( M
TB

0)
S

ln
2


A
A
B




x
 
N

T
AM
Esperimenti a background zero ( M
)

T

B



0

n

2.4
(90%)
S
ln
2


0
B
A
2
.
4
988 cristalli (5x5x5 cm3), 5 y
Cristallo
S0B
Massa Neutrino
B*Δ
B (for Δ=5 keV)
[yr]
[meV]
[counts/kg/yr]
[counts/keV/kg/yr]
TeO2 (33.4%)
1.2 x 1027
14-34
1.4 x 10-3
2.8 x 10-4
CdWO4 (90%)
1.9 x 1027
11-26
1.1 x 10-3
2.1 x 10-4
ZnSe (90%)
2.8 x 1027
10-27
1.6 x 10-3
3.2 x 10-4
ZnMoO4 (90%)
1.4 x 1027
12-28
2.0 x 10-3
4.0 x 10-4
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti
Crystal use
CdWO4
0νDBD 116Cd
Aspetti ‘Tecnici’
Correlazione luce-calore
Feedback elettrotermico
Superfici Ottiche
ZnSe
Quenching Factor ‘inverso’
0νDBD
82Se
Correlazione luce-calore ‘inversa’
Discriminazione in forma
…
CaMoO4
ZnMoO4
…
BGO
Roma – 30 Gennaio 2012
0νDBD 100Mo
Contaminazioni
superficiali
Discriminazione in forma
Decadimento α raro del 209Bi
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - BGO
Studio delle contaminazioni superficiali
Principale fonte di background in esperimenti
bolometrici per lo studio del 0νDBD.
Rivelatori a barriera
superficiale (Si)
Bolometri
10 cm2
100 cm2
Risoluzione energetica
25-30 keV
5-10 keV
Background (3-8 MeV)
0.05 c/h/cm2
0.001 c/h/cm2
Superficie attiva rivelatore
Per studiare le contaminazioni
superficiali il bolometro deve
essere affacciato al rame
Roma – 30 Gennaio 2012
No foglio riflettente
BGO – Elevata resa in luce
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - BGO
Misura preliminare (array di 4 cristalli 2x2x2 cm3)
β/γ
L.Y. (β/γ)
18,8 keV/MeV
α region
Light
L.Y. (α)
2,4 keV/MeV
Alpha 209Bi
(Q= 3137 keV)
209Bi
147Sm
source
(2233 keV)
T1/2 (209Bi) = (1,99+/-0,03)*1019 y
Nature 442 (2003) 876
T1/2 (209Bi) = (1,9+/-0,2)*1019 y
Heat
Questa misura preliminare ha mostrato un raffreddamento dei cristalli insolito (molto lungo) e la
presenza di numerosi eventi gamma dovuti a 207Bi (attivazione cosmogenica).
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - BGO
Test di un cristallo di grandi dimensioni (5x5x5 cm3):
• prova di raffreddamento
• radioattività 207Bi
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - BGO (decadimento α del 209Bi su stato eccitato)
Decadimenti α sullo stato fondamentale
Bi

Tl
(Q

3137
keV)
209205
Pb

Pb
(Q

5407
keV)
210206
Decadimenti α sullo stato eccitato
Bi

Tl
(Q

5
036
keV)

280
keV(94.5
,
640
keV(5
210m
206

Bi

Tl
(Q

2933
keV

204
keV
(1.2%
209205

21
1II

1
,
7

10
y
/2
Physical Review Letters (accepted): First measurement of the partial widths of 209Bi decay to the ground and to the
first excited states.
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi
Bolometri Scintillanti - BGO
Nuova misura con un array di 4 cristalli per lo studio delle contaminazioni superficiali.
Attualmente in presa dati presso la Sala C dei LNGS.
Array di 4 cristalli 5x5x5 cm3
Luce
• 300 cm2 affacciati a polietilene
• 200 cm2 in coincidenza
Roma – 30 Gennaio 2012
Calore
Luca Gironi
Conclusioni
• La tecnica bolometrica permette di raggiungere elevate sensibilità nello studio degli eventi rari (elevata
risoluzione energetica e basso fondo).
• L’utilizzo di metodi attivi (bolometri scintillanti) permette di ridurre ulteriormente il background e
quindi migliorare la sensibilità dei bolometri.
• Alcuni dei cristalli testati hanno mostrato un eccellente potere di discriminazione.
• Scoperta molto promettente: la Pulse Shape Analysis
• Sensibilità raggiungibile per 0νDBD per un esperimento ~ 1 ton (CUORE-like) con bolometri scintillanti
Cristallo
Riv. Luce
Discrimination C.L.
Δ
B*Δ
Massa neutrino
[keV]
[counts/kg/yr]
[meV]
CdWO4 (90%)
Si
12 σ
6.3±0.2 (rot)
1.1 x 10-3
11-26
ZnSe (90%)
Si
15 σ
9.5±0.4 (rot)
1.6 x 10-3
10-27
ZnMoO4 (90%)
No
5.4 σ
5.6±2
2.0 x 10-3
12-28
• Studio di eventi rari con i bolometri scintillanti:
• Contaminazioni superficiali
• Decadimento alfa raro del 209Bi
Roma – 30 Gennaio 2012
Luca Gironi