СОВРЕМЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДВОЙНОМУ БЕТА-РАСПАДУ

1. СОВРЕМЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ДВОЙНОМУ БЕТА-РАСПАДУ А.С. Барабаш Институт теоретической и экспериментальной физики

2. План доклада • Введение • Лучшие сегодняшние эксперименты (NEMO-3, CUORICINO) • Эксперименты следующего поколения • Заключение

3. I. Введение 0+ _______ ////// 100Tc 0+_______ /////// 100Mo 0+ ______ 2+ ______ 0+ _____ ////// 100Ru 100Mo 100Ru + 2e- 100Mo 100Ru + 2e- + χ0 100Mo 100Ru + 2e- + 2ν Qββ= 3.033 MeV

4. NEUTRINOLESS DOUBLE BETA DECAY Experimental signature: 2 electrons E1+ E2 =Q

5. Безнейтринный двойной бета-распад тесно связан со следующими фундаментальными аспектами физики элементарных частиц: • - несохранение лептонного числа; • - ненулевая масса нейтрино и ее природа (Dirac or Majorana?); • - существование правых токов в электрослабом • взаимодействии; • - существование майорона; • - структура хиггсовского сектора; • - суперсимметрия; • - тяжелое стерильное нейтрино; • - существование лептокварков.

6. Осцилляционные экспериментыНейтрино имеет массу!!! • Однако, осцилляционные эксперименты не могут решить вопрос о природе массы (Dirac or Majorana? ) и не дают информацию об абсолютной шкале масс (так как измеряетсяm2). • Эта информация может быть получена в экспериментах по изучению2-распада <m> = Uej2 eijmj Двойной бета-распад чувствителен не только к массе нейтрино, но и значениям элементов матрицы смешивания и к значениям СР фазj.

7. Чем интересны эксперименты по 2β-распаду?  • Несохранение лептонного числа (L=2) • Природа массы нейтрино (Dirac or Majorana?). • Абсолютная шкала масс (величина или предел наm1). • Тип иерархии (нормальная, обратная, квази-вырожденная). • CPнарушение в лептонном секторе.

8. Лучшие современные результаты по поиску безнейтринного двойного бета-распада

9. DBD and neutrino mass hierarchy 2(0) decay Degenerate: can be tested Inverted: can be tested by next generation of 2 experiments. Normal: inaccessible (new approach is needed)

10. Двухнейтринный двойной бета-распад • Второй порядок по слабому взаимодействию • Прямое измерение ЯМЭ!  -Единственная возможность проверки качества расчетов ЯМЭ !!!; - gpp (параметр QRPA модели  ЯМЭ(0)!)  • Очень важно измерить этот тип распада для многих ядер и различных процессов (2-, 2+, K+, 2K, возбужденные состояния) с хорошей точностью.

11. Двухнейтринный двойной бета-распад • В настоящее время2(2)зарегистрированв 11ядрах: 48Ca, 76Ge, 82Se, 96Zr, 100Mo, 116Cd, 128Te, 130Te, 150Nd, 238U; [130Ва – 2К(2)] Для100Mo and 150Nd2(2)переходна0+возбужденное состояниетоже зарегистрирован Главная цель:прецизионное изучение этого распада

12. II. Современные эксперименты • NEMO-3иCUORICINO • Другие эксперименты (TGV, Баксан, DAMA, COBRA, ИТЭФ-TPC, возбужденные состояния,…)

13. Cuoricino 11modules 4 detectors each Dimension:5x5x5 cm3 Mass:790 g Total mass 40.7 kg 2 modules 9 detectorseach, Dimension:3x3x6 cm3 Mass:330 g

14. 0n-DBD peak @2530.3 keV 60Co sum peak Counts Energy [keV] Cuoricino result on 130Te bb-0n decay Total statistic11.8 kg (130Te) × y b = 0.18 ± 0.01c/keV/kg/y Maximum Likelihood flat background + fit of 2505 peak Anticoincidence background spectrum the bb-0nregion (NME: MEDEX07 + SM07)

15. Чувствительность эксперимента CUORICINOза 3 года измерений T1/2 ~ 5·1024лет  <mν> ~ 0.26-0.58эВ Что еще?  1) 2 распад 130Те; 2) 2 распад на 0+ возбужденное состояние

16. 20 sectors B(25 G) 3 m Magnetic field: 25 Gauss Gamma shield: Pure Iron (18 cm) Neutron shield: borated water (~30 cm) + Wood (Top/Bottom/Gapes between water tanks) 4 m Able to identify e-, e+, g and a The NEMO3 detector Fréjus Underground Laboratory : 4800 m.w.e. Source: 10 kg of  isotopes cylindrical, S = 20 m2, 60 mg/cm2 Tracking detector: drift wire chamber operating in Geiger mode (6180 cells) Gas: He + 4% ethyl alcohol + 1% Ar + 0.1% H2O Calorimeter: 1940 plastic scintillators coupled to low radioactivity PMTs

17. Sector interior view cathode rings wire chamber PMT calibration tube scintillators Calibration source 207Bi 2e– (IC) lines ~0.5 ,~1 MeV 90Sr 60Co bb isotope foils

18. bb2n measurement bb0n search bb decay isotopes in NEMO-3 detector 116Cd405 g Qbb = 2805 keV 96Zr 9.4 g Qbb = 3350 keV 150Nd 37.0 g Qbb = 3367 keV 48Ca 7.0 g Qbb = 4272 keV 130Te454 g Qbb = 2529 keV External bkg measurement natTe491 g 100Mo6.914 kg Qbb = 3034 keV 82Se0.932 kg Qbb = 2995 keV Cu621 g (All enriched isotopes produced in Russia)

19. Transverse view Run Number: 2040 Event Number: 9732 Date: 2003-03-20 Transverse view Run Number: 2040 Event Number: 9732 Date: 2003-03-20 Longitudinal view Longitudinal view 100Mo foil Vertex emission Geiger plasma longitudinal propagation 100Mo foil Vertex emission Deposited energy: E1+E2= 2088 keV Internal hypothesis: (Dt)mes –(Dt)theo = 0.22 ns Common vertex: (Dvertex) = 2.1 mm Scintillator + PMT (Dvertex)// = 5.7 mm • Trigger: at least 1 PMT > 150 keV •  3 Geiger hits (2 neighbour layers + 1) • Trigger rate = 7 Hz • bb events: 1 event every 2.5 minutes Criteria to select bb events: • 2 tracks with charge < 0 • 2 PMT, each > 200 keV • PMT-Track association • Common vertex • Internal hypothesis (external event rejection) • No other isolated PMT (g rejection) • No delayed track (214Bi rejection) bb events selection in NEMO-3 Typical bb2n event observed from 100Mo

20. Data • Data 22 Monte Carlo 22 Monte Carlo Background subtracted Background subtracted 100Mo 22 result (Phase I: Feb. 2003 – Dec. 2004) Angular Distribution Sum Energy Spectrum 219 000 events 6914 g 389 days S/B = 40 219 000 events 6914 g 389 days S/B = 40 NEMO-3 NEMO-3 100Mo 100Mo E1 + E2 (keV) Cos() T1/2 = 7.11± 0.02 (stat) ± 0.54 (syst)  1018 y 7.37 kg.y Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 182302

21. 2 results with other nuclei 48Ca Background subtracted 82Se T1/2 = 9.6 ± 0.3 (stat) ± 1.0 (syst)  1019 y 116Cd T1/2 = 2.8 ± 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 48Ca T1/2 = 3.9 ± 0.7 (stat) ± 0.6 (syst)  1019 y 130Te T1/2 = 7.6 ± 1.5 (stat) ± 0.8 (syst)  1020 y (new!) 100Mo- 100Ru(0+1) T1/2 = 5.7+1.3-0.9 (stat) ± 0.8 (syst)  1020 y 932 g 389 days 2750 events S/B = 4 82Se NEMO-3 is 2(2)-decay factory!!!

22. 130Te (preliminary) 109 events 607 events background subtracted 534 days, 454 g of 130Te

23. Other interesting results using information obtained with 2-decay of100Mo • SSD mechanism is confirmed for 2 decay of 100Mo [Phys.At.Nucl. 69(2006) 2090] • “Bosonic” properties of neutrino1) is checked: - pure “bosonic” neutrinos are excluded; - conservative upper limit sin2 <0.6 is obtained [A.S. Barabash, A.D. Dolgov, R. Dvornicky, F. Simkovic and A.Yu. Smirnov, Nucl.Phys. B 782 (2007) 90. ] 1) A. Dolgov and A. Smirnov, PL B621 (2005) 1

24. Single electron spectrum 2nbb (100Mo) HSD, higher levels contribute to the decay SSD simulation 1+ SSD, 1+ level dominates in the decay (Abad et al., 1984, Ann. Fis. A 80, 9) 100Tc 0+ 100Mo Single electron spectrum different between SSD and HSD Simkovic, J. Phys. G, 27,2233, 2001 Esingle (keV) T1/2 = 7.11 ± 0.02 (stat) ± 0.54 (syst)  1018 y Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 182302 SSD model confirmed 5,01кg.y E1 + E2 > 2 МeV 5,01кg.y E1 + E2 > 2 МeV HSD SSD 2/ndf = 254 / 42 2/ndf = 42,3 / 42

25. The normalized distribution of the total energy of two electrons100Mo(0+g.s. )  100Ru(0+g.s.) [A.S. Barabash, A.D. Dolgov, R. Dvornicky, F. Simkovic and A.Yu. Smirnov, Nucl.Phys. B 782 (2007) 90. ] Large admixture of bosonic is excluded: sin2 < 0.6

26. 0 search (L = 2) 100Mo, Phase I + II, 693 days 82Se ,Phase I + II, 693 days T1/2 > 5.8 x 1023 (90 % CL) <mn> < 0.8 – 1.3 eV T1/2 > 2.1 x 1023 (90 % CL) <mn> < 1.4-2.2 eV expected in 2009: T1/2 > 2 x 1024 (90 % CL) <mn> < 0.4 – 0.7 eV T1/2 > 8 x 1023 (90 % CL) <mn> < 0.7-1.1 eV • Collaboration decided to perform blind analysis with mock data • Plan to open the box and update the results ~ summer 2008 • and once again at the end of the experiment ~ early 2010.

27. Majorons and V+A currents best limits n: spectral index, limits on half-life in years *PI+PII data ** PI data, R.Arnold et al. Nucl. Phys. A765 (2006) 483

28. III. Эксперименты следующего поколения • Основная цель: достижение чувствительности ~ 0.01-0.1 эВ • Стратегия: - исследование нескольких изотопов(>2-3); - использование разных методик

29. Эксперименты, которые будут реализованы в ближайшие ~5-10 лет • CUORE (130Te, низкотемпературныйдетектор) • GERDA (76Ge, HPGe детектор) • MAJORANA (76Ge, HPGe детектор) • EXO (136Xe, TPC + Ba+) • SuperNEMO (82Se, 150Nd, трековый детектор)

30. SUMMARY TABLE (NME from MEDEX’07 and SM’07) Experimentnucleusmass (kg) status startT1/2(y)<mn> eVLocationExpected bkg (cts/keV/y/kg) CUORE 130Te200 accepted + R&D ~2011 2.1· 10260.04-0.09Gran Sasso0.01 ~2011 6.5· 10260.02-0.05Gran Sasso 0.001 GERDA76Ge40accepted + R&D ~20092 10260.07-0.21Gran Sasso0.001 1000 ~20116·10270.01-0.040.00025 · MAJORANA76Ge 60R&D ~20091.6·10260.08-0.24 SNO0.00025 1000 R&D ~2011 6·10270.01-0.04 EXO 136Xe 200accepted + R&D ~2008 6.4·10250.12-0.18WIPP 0.0006 1000 ~20112·10270.02-0.03310-6 SuperNEMO 82Se ~ 100-200R&D ~2011 2 10260.04 –0.11LSM, Can Franc10-5 150Nd

31. Резонансный ЕСЕС(0) захват • R. Winter, Phys. Rev. 100 (1955) 142 на возбужденное состояние • М. Волошин, Г. Мицельмахер, Р. Эрамжян, Письма в ЖЭТФ, 32 (1982) 530  на основное состояние • J. Bernabeu, A. De Rujula, C. Jarlskog, Nucl. Phys. B 223 (1983) 15)  теоретически исследован 112Sn (предсказан фактор усиления ~ 106! ) • Z. Sujkowski and S. Wycech, Phys. Rev. C 70 (2004) 052501  реанимировали идею

32. Изотопы-кандидаты

33. Первые эксперименты • 74Se T1/2(0;L1L2) > 5.5·1018 y (A.S.B. et al., Nucl. Phys. A (2007) 371) • 112Sn  T1/2(0;KK) > 1.6·1018 y (COBRA Collaboration, nucl-ex/0709.4342)  Показана возможность увеличения чувствительностидо ~ 1026лет (<m> < 0.1 эВ)

34. IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Серьезные успехи достигнуты в изучении 2-распада (NEMO-3). 2. Современный консервативный экспериментальный предел на<mν>из экспериментов по поиску2β-распада составляет ~ 0.75 эВ. 3. NEMO-3иCUORICINOбудут продолжать набор данных до ~ 2010 года и достигнут чувствительности~ (0.3-0.6) эВ. 4. GERDA-I, MAJORANA-I, CUORE-0, SuperNEMO-Iи EXO-200 – первые результатыпоявятся в 2009-2010 г. (<mν>~ 0.1-0.2 eVв ~ 2012 г.) 5. Новое поколение экспериментов позволит достичь чувствительности к<mν>на уровне~ (0.01-0.1) эВв ~ 2012-2015 г.

35. Дополнительные слайды

37. A Recent Claim Klapdor-Kleingrothaus H V, Krivosheina I V, Dietz A and Chkvorets O, Phys. Lett. B 586 198 (2004). Used five 76Ge crystals, with a total of 10.96 kg of mass, and 71 kg-years of data. 1/2 = 1.2 x 1025 y (4.2 σ) 0.24 < m < 0.58 eV (± 3 sigma) (NME from Eur. Lett. 13(1990)31) There are some problems with this result: • Only one measurement. • Only ~4σ level (independent analysis gives • even ~ 2.7σ). • 3) In contradiction with HM’01 and IGEX. • 4) Moscow part of Collaboration: NO EVIDENCE. • 5) 214Bi peaks are overestimated. • 6) “Total” and “analyzed” spectra are not the same. • “2β community”: very conservative reaction • In any case new experiments are needed, which will confirm (or reject) this result Mod.Phys.Lett. A21(2006)1547 Old data, new pulse shape anal. 1/2 = 2.23+0.44-0.31 x 1025 y (6 σ) m = 0.32 ± 0.03 eV n = 11±1.8 events  where is a statistical error?! non-correct peak position?!

38. Recommended values for half-lives: • 128Te(geo) – (2.5  0.3)1024 y 130Te(geo) – (0.9  0.1)1021 y • 150Nd - (7.8 0.7)1018 y • 150Nd – 150Sm (0+1) – (1.4+0.5-0.4)·1020 y • 238U(rad) - (2.0  0.6)1021 y ECEC(2): • 130Ba(geo) - (2.2  0.5)1021 y • 48Ca - (4.2 +2.1-1.0)1019 y • 76Ge – (1.5  0.1)1021 y • 82Se – (0.920.07)1020 y • 96Zr – (2.0  0.3)1019 y • 100Mo – (7.1  0.4)1018 y • 100Mo – 100Ru (0+1) – (6.2+0.9-0.7)1020 y • 116Cd – (3.0 0.2)1019 y

39. The  half-life of 130Te has been a long-standing mystery: • Geochemical experiments: (26 ± 2.8) x 1020 years (Kirsten 83) (27 ± 1) x 1020 years (Bernatowicz 93) (7.9 ± 1) x 1020 years (Takaoka 96) ~8 x 1020 years (Manuel 91) • Difference between ‘old’ and ‘young’ ores due to time dependence of constants..? [A.S.B. JETP Lett. 68 (1998) 1] • Using geochemical ratio of 82Se/130Te and present half-life value for 82Se from direct experiments: (9 ± 1) x 1020 years (recommended value, A.S.B. 2001) • Direct measurement: [6.1 ± 1.4 (stat)+2.9-3.4 (syst)] x 1020 years (Arnaboldi 2003)

40. Array of988crystals: 19 towers of 52 crystals/tower. M=0.78 tonof TeO2 CUORE 70 cm Search for 0n DBD of 130Te Qbb = 2529 keV Natural isotopic abundance [130Te] = 34.08% Therefore, isotopic enrichment is unnecessay

42. Phases of GERDA • Phase I: • Use of existing 76Ge-diodes from Heidelberg-Moscow and IGEX-experiments • 17.9 kg enriched diodes  ~15 kg 76Ge • Background-free probe of KKDC claim • Phase II: • Adding new segmented diodes (total: ~40 kg 76Ge) • Demonstration of bkg-level <10-3 counts/(kg·keV·y) • If KKDC claim not confirmed: • Goal: O(1 ton) experiment in worldwide collaboration (cooperation with Majorana)

43. GERDA design Cleanroom Lock Water tank (650 m3 H2O) Cryostat (70 m3 LAr)

44. GERDA design Additional inner copper shield Germanium-detector array Liquid argon Vacuum-insulated double wall stainless steel cryostat

45. phase II phase I GERDA sensitivity assumed energy resolution: DE = 4 keV Background reduction!!! KKDC claim

46. Phases and Physics reach of GERDA world-wide collaboration for Phase-III; coop. with MAJORANA started 6·1027 10-3/(keV·kg·y) Phase-III 10-2/(keV·kg·y) 10-1/(keV·kg·y) Phase-II Phase-I

47. EXO (Enriched Xenon Observatory)USA-RUSSIA-CANADA • 136Xe → 136Ba++ + 2e- (E2β = 2.47 MeV) • Main idea is: to detect all products of the reaction with good enough energy and space resolution (M.Moe PRC 44(1991)931)

48. 1 ton EXO - Liquid (gas) Xe TPC + Ba+ tagging - 1 ton of 136Xe (80% enrichment) - ΔE/E(FWHM) = 3.8% at 2.5 MeV (ionization and scintillation readout) - Background (5 y) = 1 event - Sensitivity (5 y): 2·1027 y ( <mν>~ 0.05-0.08 eV)

49. EXO-200 (without Ba+ tagging) • 200 kg of 136Xe (80% enrichment) – exist! • Possible location: WIPP (USA) • ΔE/E(FWHM) = 3.8% at 2.5 MeV (ionization and scintillation readout) • Background (5 y) = 40 events • Sensitivity (5 y): 6.4·1025 y ( <mν>~ 0.25-0.47 eV) • Is under construction now (at Stanford) • Start of measurements: in ~ 2008

50. SuperNEMO preliminary design Plane geometry Source (40 mg/cm2) 12m2 , tracking volume (~3000 channels) and calorimeter (~1000 PMT) Modular (~5 kg of enriched isotope/module) 100 kg: 20 modules ~ 60 000 channels for drift chamber ~ 20 000 PMT 4 m 1 m 5 m Top view Side view