Relazione Scientifica Dottorato
anno accademico 2004/05
Samuele Sangiorgio
Tutore: prof. Andrea Giuliani
University of Insubria
INFN
Como - Italy
Milano - Italy
Samuele Sangiorgio, Universita’ dell’Insubria, Como, Italy
Relazione Attivita’ di Ricerca Dottorato – aa 2004/05
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IL CONTESTO: CUORE e CUORICINO
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RIDUZIONE del FONDO con BOLOMETRI INNOVATIVI
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PERFEZIONAMENTO del SINGOLO MODULO per CUORE
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CRIOGENIA
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Il Doppio Decadimento Beta (DDB)
La natura del neutrino:
La massa del neutrino:
• Neutrino di Dirac:
caratterizzato dal numero leptonico L
• valore assoluto della massa ?
• gerarchia delle masse ?
• Neutrino di Majorana:
caratterizzato dall’elicità H
bb2n permesso dal
modello standard
» Doppio Decadimento Beta 0n
bb0n possibile solo
con n di Majorana
0n
1/ 2
T
1
~
G M
mee 
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0n
N
0n 2
mee
2
 i U ei mi
2
i 1
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La tecnica bolometrica
Richieste sperimentali:
 basso fondo e grandi masse
 elevata risoluzione energetica
La tecnica bolometrica:
termalizzazione
completa in
tempi trascurabili
termometro
bagno termico
temperature ~ mK
dielettrici e
diamagnetici
Principali vantaggi:
cristallo
assorbitore
conduttanza termica
- alta risoluzione energetica
- ampia discrezionalita’ nella
nella scelta dei materiali
energia
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I bolometri di Cuoricino
Cristallo Assorbitore
Sensore di temperatura
L’assorbitore è un cristallo 5x5x5
cm3 di TeO2 il quale contiene il
nucleo candidato 130Te
Il segnale termico è misurato tramite
un Termistore di Ge NTD
3 mm
5 cm
3 mm
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Cuoricino @ LNGS
Cuoricino ha una struttura
a torre e contiene:
44 cristalli TeO2
5x5x5 cm3
18 cristalli TeO2
3x3x6 cm3
L’esperimento Cuoricino è
operante presso i
Massa attiva (ultimo run):
~ 13 kg
Underground National
Laboratory - Gran Sasso
(L'Aquila)
130Te
~ 6 x 1025 nuclei
la montagna fornisce una
schermatura contro i raggi cosmici
pari a 3500 m.w.e.
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Le Prestazioni di Cuoricino
Spettro di calibrazione (232Th)
2615 keV
208Tl
Risoluzione
energetica
(media)
@ 2615 keV
cristalli
5x5x5 cm3
~ 7.8±2.4 keV
cristalli
3x3x6 cm3
~ 11.0±4.7 keV
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I Risultati di Cuoricino
Cuoricino sta acquisendo dati con successo da Aprile 2003 (MT = 5 kg y
130Te)
Fondo nella regione del bb (spettro anticoincidenza, solo cristalli 5x5x5 cm3)
0.18  0.01 c/keV/kg/y
Risultati totali per vita media e
massa di Majorana (90% c.l.):
218Tl
T1/20n (130Te) > 1.8 x 1024 y
mbb < 0.2 - 1.1 eV
60Co
Aggiornato 3 Aprile 2005
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Il Futuro (prossimo): CUORE
C.U.O.R.E.
Cryogenic Underground
Observatory for Rare Event
Array di ~1000 bolometri
Massa: ~750 kg di TeO2
Esperimento di seconda
generazione in quanto a
sensibilità sulla massa
del neutrino
19 torri tipo
CUORICINO
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CUORE è stato
approvato e finanziato
CUORE dovrebbe iniziare
a prendere dati nel 2009
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CRIOGENIA
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Il problema della riduzione del fondo
Sensibilità:
F
0n
~
M T
b
M: massa attiva b: fondo
T: live time
: risoluz energ
Previsione (conservativa) per CUORE:
F 0n  2.110 26 y
mee  24  133 meV
T = 10 anni -  = 10 keV
b = 0.01 c/(keV∙kg∙y)
Le simulazioni MonteCarlo mostrano che la componente più pericolosa
del fondo è dovuta a alpha e beta degradate in energia emesse
dalle superfici affacciate al rivelatore >> riduzione di questo
fondo di un fattore 10-100
Possibili
soluzioni
» Migliorare la
qualità del
trattamento delle
superfici
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» Rivedere la struttura
del rivelatore
minimizzando le
superfici affacciate
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» Sviluppare
calorimetri
“intelligenti”
(risoluz spaziale)
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Bolometri Sensibili alla Superficie (BSS)
Idea innovativa: gli schermi sono
incollati direttamente sull’assorbitore
in modo da formare un singolo
bolometro composito
Schermatura attiva del bolometro
principale mediante un bolometro
ausiliario
Bolometro di Ge
Bolometro di TeO2
Bolometro composito
2cm
2cm
+
=
1.5 cm
In questo modo la usuale tecnica delle anticoincidenze non è particolarmente utile
in quanto un rilascio di energia in una parte di questo bolometro composito
comporta un rialzo di temperatura di tutte le sue componenti.
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BSS: Comportamento Atteso
La presenza degli
schermi modifica la
dinamica termica
del rivelatore dando
origine a impulsi
con forme e
ampiezze differenti
classic pulse
classic pulse
Punti di impatto
differenti
implicano impulsi
diversi sui due
termistori
Bolometro con cristallo
assorbitore di TeO2 e il
suo termistore
+
classic pulse
fast and high
pulse
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Bolometro con wafer di
Ge come assorbitore e il
suo termistore
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BSS: Discriminazione mediante scatter plot
Possibile discriminazione
mediante scatter plot
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Comportamento supportato
da simulazioni
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BSS: Setup Sperimentale
run1
run2
termistori NTD
schermi
attivi di Ge
assorbitore
principale TeO2
Le facce schermate sono state esposte a particelle . La sorgente e’ stata
ottenuta impiantando nuclidi 224Ra su dello scotch di rame affacciato al cristallo
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BSS: Run con Silicio (PL)
eventi di
superficie nello
schermo di Si
eventi misti che
rilasciano energia
sia nell’assorbitore
principale sia nello
schermo
eventi di bulk
nell’assorbitore
di TeO2
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BSS: la scelta del materiale
Germanio ultrapuro
PROs:
CONTRAs:
- ottimo livello di
purezza
- elevato costo
Silicio ultrapuro (PL – IRST)
PROs:
CONTRAs:
- costo contenuto
- minor purezza
TeO2
PROs:
CONTRAs:
- Materiale gia’ noto
- Fragilita’ (h=500 μm)
- Contrazioni differenziali
- Incollaggio NTD
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BSS: Discriminazione sulla forma dell’impulso
Distribuzione dei tempi di salita degli impulsi
acquisiti dal termistore sullo schermo di Ge
Due classi
di eventi:
“FAST”
surface
events
“SLOW”
bulk events
In principio è
possibile
identificare il
tipo di evento
utilizzando solo
il sensore sullo
schermo di Ge e
la PSA
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BSS: Discriminazione sui Decay Time
E’ possibile selezionare gli impulsi
anche osservando il DECAY TIME
degli impulsi sull’ASSORBITORE
PRINCIPALE
>> Evita la proliferazione dei
canali di lettura e semplifica il
montaggio
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BSS: Lettura in Parallelo degli Schermi
RUN 9 TBT – TeO2 main + 2xSLAB TeO2
Ogni riga
corrisponde ad
uno schermo
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BSS: comportamenti “bizzarri”
RUN 11 TBT – TeO2 main + 2xSLAB Si-IRST
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BSS: Test @ LNGS
SCOPO:
 bolometri in scala Cuoricino (5x5x5 cm3)
 misure non affette da pile-up
NB: Nessun trattamento specifico per la
pulizia superficiale
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BSS: Test @ LNGS
Ampiezza nelle slab [mV]
eventi superficiali sugli
schermi (letti in parallelo)
si identificano classi di
eventi attribuibili a
particelle 
eventi
nell’assorbitore
principale
Energia nel main (keV)
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BSS: Test @ LNGS
Ampiezza nelle slab [mV]
Selezione impulsi con il
DECAY TIME
sull’assorbitore
principale
Decay Time [ms]
Energia nel main (keV)
Energia nel main (keV)
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BSS: Test @ LNGS
MISURE DI FONDO
misura
2.7 – 3.2 MeV
[c/keV/kg/y]
3.2 – 3.4 MeV
[c/keV/kg/y]
0.14 ± 0.02
0.70 ± 0.07
0.14 ± 0.02
0.49 ± 0.06
0.18 ± 0.20
0.51 ± 0.16
CUORICINO
(anticoinc, cristalli btb)
RADIOATTIVITA’
(anticoinc, 6 cristalli)
LNGS BSS TEST
[2.9 – 3.2 MeV]
(2 cristalli, DT cuts)
BSS utili per la
comprensione
del fondo
fondo ancora
oggetto di
studio
RISULTATO ECCELLENTE !!




ottimi risultati nella discriminazione del segnale mediante scatter plot
importante possiblita’ di discriminare efficacemente mediante DT sul main
eccellente riduzione del fondo senza alcun accorgimento di pulizia
conoscenza dettagliata ancora da approfondire » RUN@LNGS in preparazione
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CRIOGENIA
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NTD per CUORE: il parametro T0
Sensore di temperatura
Il segnale termico è misurato con
un termistore di Ge NTD
R [W]
in regime di VRH:
3 mm
106
104
Cuoricino usa NTD #31
ma non e’ mai stata fatta
alcuna ottimizzazione su
valore di T0
102
20
120
200
T [mK]
E’ la temperatura
degli elettroni in
heat
quanto vale
Domande
: il
sink
electrons
modello Hot
- Electron:
Esiste un valore ottimo per T0?
e-ph
wires
- sperimentalmente
Che correlazione esiste tra TAu
e
G
?
Quanto
incide questa
0
e-ph
si osserva una
lattice
correlazione
sulle prestazioni del bolometro?
conduttanza
- termica
Il T0 e’ legato
altri parametri del rivelatore?
finitaad
tra
glue
elettroni
- gli
Criticità
di T0 e
sulle prestazioni del bolometro?
absorber
teflon
fononi (reticolo)
energy
Ledel
risposte
incidono su:
termistore
» prestazioni complessive del bolometro
Rete
termica »» di produzione dei termistori
» tempi
e modalita’
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RUN T0: possibili scenari
Rispetto al T0 dei termistori NTD#31 si puo’ pensare di usare
T0 inferiore:
valore di resistenza più basso alla stessa temperatura (quindi un
minore rumore spurio)
disaccoppiamento elettrone-fonone meno marcato
Type
Geometry
R0
T0
NTD 37
3 x 3x1.5 mm3
1.20
4.32
NTD 31
3 x 3x1 mm3
1.17
3.2
NTD 35B
3 x 3x1 mm3
2.06
2.6
R [Ω]
T0 superiore: possibilità di lavorare a temperature più elevate (segnali più
veloci, stabilizzazione più facile, performance del criostato meno
critiche – ma anche maggiore capacità termica del cristallo)
high T0
NTD 31
low T0
T [K]
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RUN T0: setup sperimentale
Run T0
Montaggio tipo Cuoricino con cristalli 5x5x5 cm3
Run info
 Assemblaggio a
Como
 Misura effettuata
nel criostato di
SalaC LNGS
 Problema con la
temperatura di
base »
conduttanza tra
holder e MC non
ottimale » T~15
mK
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RUN T0: misure statiche
low T0
high T0
NTD 31
I chip con alto T0
non sopportano
un bias elevato
(NB: amp ~ Vbol)
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RUN T0: misure statiche
NTD 31
high T0
low T0
Si nota l’effetto del
maggior
disaccoppiamento
elettrone-fonone
all’aumentare del T0
high T0
low T0
NTD 31
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RUN T0: misure dinamiche
L’ampiezza degli
impulsi degli NTD31 è
sempre maggiore
NTD 31
high T0
low T0
NTD 31
low T0
high T0
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R&D Accoppiamenti Termici
Accoppiamento termistore - assorbitore
In CUORICINO
Incollaggio mediante
gocce di colla epossidica
a due componenti
(Araldite)
spessore gocce ~ 50 μm
Table-legs NTDs
Utilizzare termistori NTD dotati di 4 piccoli
piedistalli su cui applicare leggero strato di colla
Verifica proprietà termomeccaniche di questo
accoppiamento, in particolare mantenere la
stessa conduttanza termica delle gocce di colla
Verifica delle prestazioni bolometriche (forma
degli impulsi, risoluzione,…)
3mm
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TeO2
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R&D Accoppiamenti Termici
Accoppiamento termistore - assorbitore
Semplicità di
incollaggio e buona
riproducibilità statica
Risultati dinamici
paragonabili a quelli
con l’incollaggio
standard
Ma: rottura del
cristallo in
corrispondenza dei
piedistalli
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R&D Accoppiamenti Termici
Accoppiamento termistore - assorbitore
Grasso da vuoto
Scarsa tenuta meccanica
Ampiezza e parametri di forma
(DT, RT) molto simili
Conduttanza termica non ben definita
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R&D Accoppiamenti Termici
Accoppiamento assorbitore – bagno termico
Attualmente
Utilizzo di martelletti di
Teflon
Rottura del
cristallo!
Test 1
Utilizzo di stand-off di
Germanio
Probabile causa: contrazioni differenziali Ge e
TeO2 durante il raffreddamento » » test in LN2
Test 2
Incollaggio diretto al
supporto di rame
Test 3
Compensazione delle
contrazioni
100 mm
1 mm
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CRIOGENIA
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Problematiche criogeniche in CUORE
OBIETTIVI:
 Massa totale da raffreddare ~ 4ton
 Temperatura di base ~ 10 mK
 Materiali radiopuri
 Elevata affidabilità del sistema
criogenico per lungo tempo
 Livelli di vibrazioni contenuti
 Massimizzare il tempo vivo di misura
 Elevato potere refrigerante
Attualmente [Cuoricino]
Criostato a diluizione 3He-4He con bagno
di 4He a 4K » refill periodici, rumore
1KPOT, costi elevati, sicurezza
Futuro [CUORE]
Precooling a 4K mediante Pulse Tube »
LHe free MA vibrazioni e tempi
raffreddamento da valutare
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Un criostato LHe-free a Como
Criostato AL
 Refrigeratore a diluizione con
Pulse Tube precooling » no
liquidi criogenici (LHe)
 Tbase = ~ 10 mK
 Ampio spazio sperimentale
 Risolti problemi con superfuga
 Blocco impedenza risolto con
trappola LHe (test) e poi Gas
Purifier
PT
CRIOSTATO di
PROSSIMA
GENERAZIONE
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Compressore
PT
Gas
Handling
System
Criostato
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Test criogenici del Criostato AL
Termometro
RuO2
Run timing
Termometro
NTD#31
 PT cooling (300to4K): ~ 24-30 ore
 Rate e tempo di condensazione
miscela: ~ 32h @ ~ 20 mbar/h
 Temperature di base sulla MC poche
ore dopo la fine della condensazione
Misure di potere refrigerante
PMC
[μW]
TMC
[mK]
PMC
[μW]
TMC
[mK]
20
23.5
200
86.8
50
40.3
400
127
100
59.1
400*
115.5
Punti Fissi
[1.2K – 15mK]
CMN
bolometro
TeO2
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Pstill = 3 mW – *: Pstill = 5 mW
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Misure di rumore preliminari
Vrms/√Hz
rumore indotto
dal PT
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Misure di rumore preliminari
Vrms/√Hz
RUMORE MEDIO INTEGRATO:
~ 0.5 μVrms [1 – 40 Hz]
~ 0.3 μVrms [1 – 12 Hz]
LNGS: ~ 0.1-0.2 μVrms [1 – 12 Hz]
Ampi margini di miglioramento del
setup sperimentale riducendo il
rumore sia meccanico sia elettrico
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Conclusioni
Lavoro svolto:
 Partecipazione alle fasi di presa dati per l’esperimento Cuoricino ai
LNGS in qualita’ di turnista esperto
 Partecipazione alle fasi di programmazione, montaggio, avviamento,
presa dati e analisi del RUN T0 in qualita’ di responsabile run
 Partecipazione attiva alle serie di misure effettuate a Como riguardo nei
progetti di R&D per CUORE (accoppiamenti termici, test BSS)
 Partecipazione a tutte le fasi della misura di BSS ai LNGS
 Realizzazione della campagna di test sul criostato AL a Como
 Inserimento con successo all’interno del Working Group ANALISI
DATI di Cuore » realizzazione del database delle misure per Cuoricino
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