Otokar Dragoun Ústav jaderné fyziky AV ČR Řež u Prahy ÚČJF MFF UK, Současný stav a perspektivy neutrinového experimentu KATRIN S podporou GAČR: P203/12/1896

Součást celosvětového interdisciplinárního úsilí částicových, jaderných a atomových fyziků viz arXiv: v1 [nucl-ex] 20 Dec 2012 Discovering the New Standard Model: Fundamental Symmetries and Neutrinos Osnova přednášky Počátky pátrání po hmotných neutrinech Metody určení m ν KATRIN: Výstavba experimentu Očekávané výsledky Perspektivy změření m ν v příštím desetiletí arXiv : neutrino v názvu práce ≈ 650 /rok

Hypotetické neutrino Wolfgang Pauli 1930: m ν ≈ O(m e ), m ν < 0.01 m p = 10 MeV Enrico Fermi Z. Physik 88(1934)161 ze srovnání svých teoretických spekter β s experimentem m ν << m e, nejspíše m ν =0

m ν < 5 keV Cook et al β-spektrum 35 S (E 0 =167 keV) magnetický spektrometr Počátky pátrání po hmotných neutrinech ve spektrech β Blíže viz Pokroky mat. fyz. astr. 52(2007) m ν < 1 keV Hanna and Pontecorvo; Curran et al β-spektrum plynného tritia (E 0 =18.6 keV) proporcionální počítač 35 S → 35 Cl + e - + ν̃ e Kurieho graf Koncová část spektra m ν =0, 5, 10 keV Za 64 let experimentátoři zlepšili horní hranici m 2 (ν e ) o 6 řádů Další zlepšení o 2 řády očekáváme od KATRIN

Dráha elektronu v magnetickém poli β rozpad 6 He → 6 Li + e - + ν̃ e ve Wilsonově mlžné komoře Energie rozpadu = 3,5 MeV Maximální energie odraženého jádra =1,4 keV 6 Li + Ze zákona zachování hybnosti: β rozpad 6 He není dvoučásticový T 1/2 = 0.8 s Csikai and Szalay, 1957

za předpokladu m 1 < m 2 < m 3 m 1 ≥ 0 m 2 ≥ eV m 3 ≥ 0.05 eV Neutrinové oscilace na 90% CL PDG 2012 různí autoři: n s = 0, 1, 2, 3

Hmotnost neutrina z rozpadu β Mainz 2005: m 2 (ν e ) = ̶ 0.6 ±2.2 stat ± 2.1 syst eV 2 Troick 2011: m 2 (ν e ) = ̶ 0.67 ±1.89 stat ± 2.53 syst eV 2 Průměrná hmotnost elektronového (anti)neutrina Vážený průměr: m 2 (ν e ) = ̶ 0.64 ±1.95 eV 2 m(ν e ) ≤ 1.8 eV 90% CL za předp. m 2 (ν e ) ≥ 0 m(ν e ) ≤ 1.6 eV 90% CL Přímá, modelově nezávislá metoda Δm ik << ΔE instr

Hmotnost neutrina z rozpadu 0νββ Efektivní hmotnost elektronového (anti)neutrina Nepřímá metoda závislá na modelu jádra Klapdor, 76 Ge (2006) m ββ = (0.32 ± 0.03) eV údajně prokázal existenci 0νββ na úrovni 6σ KamLAND-Zen + EXO-200, 136 Xe (2012): m ββ < (0.12 ̶ 0.25) eV s neurčitostí M 0ν GERDA již měří 76 Ge : srovnání s Klapdorem bez M 0ν bez neurčitosti M 0ν Experiment neznámé fáze !

z kosmologických pozorování z doby letu ze supernovy Další modelově závislé metody určení hmotnosti neutrin a SN1987A ve Velkém Magellanově oblaku, t γ = 5·10 12 s podzemní detektory: během 13s asi 20 neutrin s energií MeV Dobu trvání emise neutrin známe jen podle modelu SN m(ν e ) < 5.7 eV Anizotropie kosmického mikrovlnného pozadí Velkorozměrná struktura galaxií, atd. Σm(ν i ) < 0.5 eV Silně modelově závislé, Σm(ν i ) je jedním z mnoha fitovaných parametrů

The Karlsruhe tritium neutrino experiment KATRIN založili v červnu 2001 fyzikové z Německa, Ruska, USA a ČR. Nyní má 135 účastníků z 16ti pracovišť pěti zemí. Mezinárodní porada 50ti expertů na německém hradu Bad Liebenzel v lednu 2001: - potřebuje fyzika ještě citlivější tritiový experiment? - umožnil by to současný stav techniky? β spektroskopický experiment nové generace Metodický úkol: desetinásobně zvýšit citlivost určení m ν 2 eV → 0.2 eV

Elektrostatický elektronový spektrometr ESA12 vysoké rozlišení, nízká světelnost (Δ E) instr < 1 eV E ce = E γ –E bin 2 keV konverzní elektrony z 99m Tc Γ nat < 0.3 eV Spektroskopie elektronů z radioaktivního rozpadu v ÚJF Elektrony bez energetických ztrát

Dřívější příspěvky ÚJF k neutrinové fyzice 1.Kalibrace elektronového děla pro β spektroskopii tritia FWHM = 0.5 eV 2.Příměs δ těžkých neutrin v β rozpadu 241 Pu 16 keV ν: δ <0.1 % doba měření : 6000 h Augerovy čáry KLL uhlíku a kyslíku Naše MC výpočty objasnily příčinu: e - rozptyl na clonách polovodičového spektrometru 3. Falešná 0.3% příměs 17 keV neutrina v β-spektru 35 S Společně s SÚJV v Dubně Společně s Tech. Uni. v Mnichově Společně s ÚJV v Troicku g(E) =  R(E, E’) f(E’) dE’

Tvar spektra záření β tritia Enrico Fermi (1934): dN/dE = K × F(E,Z) × p × E tot × (E 0 -E e ) × [ (E 0 -E e ) 2 – m ν 2 ] 1/2 E 0 = 18.6 keV T 1/2 = 12,3 r ~E H → 3 He + e – + ν̃ e Spektrometr musí mít současně: vysoké rozlišení, velkou světelnost, nízké pozadí Fitované parametry: I β, I pozadí, E 0, m 2 (ν e ) m (ν e ) = M( 3 H - 3 He) – E 0 - δ σ = 1.2 eV energetická kalibrace

Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Vznikl v roce 2009 spojením Výzkumného centra Karlsruhe a Technické univerzity Karlsruhe 5500 VŠ učitelů a výzkumníků (z toho 700 hostů ze zahraničí) 21 tisíc studentů Rozpočet v r. 2010: 732 mil. € (18 miliard Kč) Energie, mikro+nano technologie, částicová fyzika a astrofyzika, klima a životní prostředí

Jediná evropská laboratoř schopná zabezpečit KATRIN potřebným množstvím chemicky i izotopově čistého tritia 99 % tritia bude cirkulovat ve vnitřní smyčce plynného zdroje Dva tritiové systémy: primární s UHV těsností sekundární - rukavicové skříně 1 % tritia bude čištěno chemicky (od 3 He, N 2, CO, H 2 O, CH 4,…) i izotopově (od H 2, DT, HT, HD,..) Tritiová laboratoř Karlsruhe

Tritiová laboratoř Karlsruhe Nové budovy experimentu KATRIN Hlavní spektrometr Předsazený spektrometr Detektor Plynný zdroj radioaktivního tritia Diferencilní čerpání a vymrazování tritia Hlavní části experimentu KATRIN Monitorovací spektrometr (stabilita VN)

mbar -18,4 kV ~70 m 3×10 -3 mbar  1 kV mbar -18,574 kV Intenzita částic β v různých částech zařízení KATRIN hlavní elektronový spektrometr přesná energetická analýza částic β < 1 e - /s e-e-e-e- detektor polohově citlivý detektor částic β zadní část parametryzdroje 10 3 e - /s e-e-e-e- předsazenýspektrometr zadržení nízkoenergetických částic β deferenciální čerpání tritia e - /s e-e-e-e- transport částic β a odčerpání tritia e-e-e-e- rozpad β stabilní sloupcová hustota tritia e - /s 3 He plynný zdroj tritiových molekul 3 He 3H3H3H3H 3H3H3H3H tritiová část uvnitř TLKčást bez tritia

Bezokénkový zdroj plynného tritia Kryostat délka 16 m hmotnost 25 tun 7 supravodivých magnetů 3.6 a 5.6 T 13 kryogenních okruhů s He, N 2, Ne, Ar; T 2, 83m Kr teploty 4.5 ̶ 550 K 500 senzorů Demonstrátor v TLK Chlazení neonem v kapalné a plynné fázi 4 hod. test: ( ± ) K max – min = K Původní požadavek byl ± K → menší σ syst při určování σ[m 2 (ν e )]

Porucha: poškozená dioda ochranného obvodu supravodivé cívky NOVÁ KONSTRUKCE! Zkoušky v KIT Diferenciální a kryogenní čerpání Snížit vstupní tlak T 2 o 14 řádů! 77 K 4.2 K

Retardační elektrostatický filtr s magnetickou adiabatickou kolimací Rozptylové magnetické pole dvojice supravodivých solenoidů vede částice β podél siločar ΔE/E = B min /B max ΔΩ/4π = (1-cosθ max )/2 θ max = arcsin(B s /B max ) 1/2 KATRIN: B min = 3·10 -4 T, B max =6 T ΔE= 0,93 eV, E=18,6 keV θ max = 51º, ΔΩ/4π = 0,19 Elektrický filtr: E e > e·U ret integrální spektrum

Předsazený elektrostatický spektrometr Délka 3.4 m průměr 1.7 m B max = 4.5 T B min = 15.6 mT ΔE 18.4 keV = 64 eV Zadrží částice β s E < 18.6 keV, které nenesou informaci o m(ν e ) Cenný prototyp hlavního spektrometru: vakuum mbar stabilizace VN příčiny pozadí: malé Penningovy pasti (100 cm 3 ) radon z neodpařitelných getrů

Posledních 7 km po souši do Výzkumného centra Karlsruhe 8800 km po řekách a mořích kolem Evropy Průměr 10 m délka 23 m hmotnost 200 t objem 1450 m 3 plocha 650 m 2

Drátové elektrody v hlavním spektrometru KATRIN 240 modulů, drátů bez průhybu po vypékání U 0 =-18.4kV U V d 1 =150mm Spectrometer wall e-e- r2r2 r1r1 d 2 =70mm U V s=25mm Redukce pozadí sekundárních elektronů ze stěny od kosmických μ Přesný tvar elektrod retardačního elektrostatického pole bez magnetických pastí Montáž drátových elektrod v čistém prostředí vakuové komory hlavního spektrometru

Lešení pro montáž drátových elektrod uvnitř čistého prostředí vakuové komory hlavního spektrometru KATRIN

Kompletní systém drátových elektrod hlavního spektrometru

Spektrometr se prodlouží o 10 cm UHV: p ≤ mbar Turbomolekulární vývěvy: l s -1 Neodpařovatelné getry: 5 ·10 5 l s - 1 pásky ze slitiny (Zr+V+Fe) Vypékání až na 350°C pro rychlost odplyňování  mbar l s -1 cm -2 tepelný příkon 360 kW (14 m 3 oleje) Čerpání a vypékání hlavního spektrometru Od první vypékání s drátovými elektrodami ΔT(elektrody – plášť) < 2°C gradient = (1.5 – 5)°C/hod odstranění vody při 200°C, aktivace getrů při 350°C měsíční procedura Změřený teplotní profil při vypékání bez elektrod stopy Rn!

Vzduchové magnetické cívky kolem spektrometru kompenzace zemského magnet. pole 10 horizont. a 16 vertik. proudových smyček přesný tvar mag. pole uvnitř spektrometru celkovou intenzitu pole i gradienty 15 jednotlivě nastavitelných Helmholtzových cívek podrobná mapa magnet. pole na povrchu spektrometru pojízdné senzory na rámech cívek B min /B země = 6 B max /B min = 2·10 4 pro výpočet pole uvnitř

Polohově citlivý detektor částic β ve fokusační rovině hlavního spektrometru Křemíková PIN dioda průměr 90 mm vstupní okno 50 nm chlazený tekutým dusíkem rozlišení < 1 keV rozsah 5 ̶ 100 keV četnosti mHz ̶ kHz účinnost > 90 % 148 nezávislých částí - radiální a azimutální profil svazku - kompenzace nehomogenit polí pozadí < 1 mHz - stínění starým olovem - aktivní veto kosmických mionů - možnost post-akcelerace o 30 keV (pro diskriminaci měkkého X-záření)

Technické výzvy experimentu KATRIN Recirkulace a čištění tritia chemické i izotopové Teplotní stabilita tritia ± 30 mK v plynném zdroji při 27 K fázový přechod mezi plyn. a kapal. neonem Vakuum < mbar v objemu 1450 m 3 turbomolekulární vývěvy a neodpařovatelné getry s vymrazováním (Rn!) Pozadí celkové polohově citlivého detektoru elektronů < 0.01/s tritium, kosmické záření, radioaktivní kontaminace materiálů Stabilita napětí 18.6 kV na úrovni ± 60 mV neregistrovaný posuv o 50 mV ⇒ 0.04 eV chyba ve fitovaném m ν Ramanova laserová spektroskopie

Dva způsoby kontroly stability energetické stupnice KATRIN Metrologický dělič vysokého napětí Posuv monoenerg. čáry bude indikovat možnou změnu VN na hlavním sp. Náš hlavní úkol pro KATRIN: radioaktivní zdroje monoenergetických elektronů pro kalibraci a monitorování 83 Rb/ 83m Kr pro monitor. spektrometr: stabilita energie elektronů < 3 ppm/2 měsíce 83m Kr pro plynný tritiový zdroj KATRIN: 83 Rb pevně vázané v zeolitu, max. uvolnění 83m Kr

Monitorovací spektrometr pro kontrolu stability retardačního napětí 83 Rb(86d) → 83m Kr(1.8h) → 83 Kr konverzní elektrony E=17.8 keV Výpočet implantace 30 keV iontů 83 Rb do platiny plošná distribuce 83 Rb Stabilita energie: požadavek KATRIN ± 1.6 ppm/měsíc zdroj 83 Rb/ 83m Kr ± ppm/měsíc

Interpretace změřené části spektra β: koncové stavy iontu (T 3 He) + po rozpadu tritia dN/dE = K×F(E,Z)×p×E tot ×  P i (E 0 -V i -E e ) × [ (E 0 -V i -E e ) 2 – m 2 ] 1/2 (T 3 He) + a (H 3 He) + z plynnéhoT 2 a HT Teoretický výpočet (Saenz et al. 2000) Rotačně-vibrační excitace nad základním elektronickým stavem (do něj 57% rozpadů β) Elektronické vzbuzené stavy (žádné pod E excit = 20 eV) PiPi ViVi KATRIN bude měřit horní 30 eV část β spektra tritia

Přesný výpočet očekávaného tvaru spektra β tritia pro konkrétní experimentální uspořádání Kvalitní vstupní data a MC výpočty: PŘÍKLADY příměs izotopologů DT a HT v plynné zdroji T 2 zpětný odraz ( eV), spektrum koncových stavů Dopplerův jev: rychlost molekul T 2 při 30K je v prob = 288 ms -1, v β, max = 7.7·10 7 ms -1 + modifikace teplotního rozdělení rychlostí způsobená čerpáním + možný teplotní gradient podél plynného zdroje

synchrotronové záření ΔE synch až 130 meV rozptyl elektronů v plynném zdroji T 2 42 % bez interakce, = 20 meV min. E loss, inelast v T 2 zdroji je 13.6 eV detailní 3D údaje o elektr. a magnet. polích Kvalitní vstupní data a MC výpočty: DALŠÍ PŘÍKLADY

Očekávané výsledky experimentu KATRIN 1 ) Průměrná hmotnost elektronového neutrina m 2 (ν e ) = Σ |U ei | 2 · m 2 i Po 1000 dnech měření σ stat ≈ σ syst m(ν e ) = 0.35 eV prokáže na úrovni 5 σ m(ν e ) < 0.2 eV na 90 % CL Nezávisle na modelech Nezávisle na typu neutrina I tato citlivost je omezena statistikou: menší σ stat → užší interval β spektra → menší σ syst

2) Hierarchické nebo kvazi-degenerované uspořádání neutrinových hmotnostních stavů? e.g. m 1 ≈0, m 2 ≈ 0.01 eV, m 3 ≈ 0.05 eV e.g. m 1 ≈ 0.30 eV, m 2 ≈ 0.31 eV, m 3 ≈ 0.35 eV KATRIN: prozkoumá celou kvazi-degenerovanou oblast důležitou pro kosmologii může detekovat degenerovaná neutrina (jsou-li taková) Δm 2 sol Δm 2 atm Současné oscilační experimenty to nemohou rozhodnout! hierarchická oblast je pod hranicí citlivosti

3)Příspěvek reliktních neutrin ke skryté hmotě ve vesmíru 0.1 % < Ω ν < 13 % Z oscilačních experimentů Z tritiových β spekter KATRIN bude citlivá na Ω ν = 1 % hodnotu Ω ν určí nebo výrazně omezí Ω i (%) Skrytá energie 73 Skrytá hmota 23 Intergalaktický plyn 3.6 Hvězdy atd. 0.4

Kurieho grafy tritiového spektra β s neutriny různých hmotností m ν = 5 eV m ν = 0 Směšování dvou neutrin m 1 = 5 eV, m 2 = 15 eV |U e1 | 2 = |U e2 | 2 = 0,5 4) Sterilní neutrina s hmotností jednotek eV Existenci naznačuje kosmologie a některé oscilační experimenty s neutriny z reaktorů a urychlovačů Kosmologická pozorování připouštějí např. Δm 2 s1 = 6.49 eV 2 |U e4 | 2 = 0.12 Δm 2 s2 = 0.89 eV 2 |U e5 | 2 = 0.11 V β spektrech KATRIN by tato sterilní neutrina byla dobře separována od lehkých aktivních neutrin

5) Lokální hustota reliktních neutrin Plynný tritiový zdroj KATRIN jako terčík pro reakci s reliktními neutriny ν e + T→ 3 He + + e - Citlivost KATRIN: ρ(ν e ) local /ρ(ν e ) average ≥ 2·10 9 Nebude-li efekt pozorován, vyloučíme některé z hypotéz o lokálním gravitačním shlukování neutrin. 6 ·10 19 tritiových atomů o hmotnosti 0.3 mg T ν ≈1.96 K, E ν ≈ 0.25 meV, ρ(ν e ) average = 56 cm -3, σ = 8· cm 2 monoenergetické

K(E) E (keV) m(ν e ) z β-spektra 187 Re měřeného kryogenními mikrokalorimetry 187 Re → 187 Os + e – + ν̃ e E 0 = 2.5 keV, T 1/2 = 4.3 ·10 10 r Kurieho graf Rheniový krystal je současně zdrojem i tepelným detektorem všech β-částic 187 Re Výhoda: krystal pohltí všechnu uvolněnou energii s výjimkou energie neutrina Nevýhoda: musí se měřit celé spektrum β, na poslední eV připadá jen % Současná hranice: m ν < 15 eV při rozlišení 28 eV Plán experimentu MARE: 1)1300 detektorů s rozlišením 20 eV, citlivost na m ν 2 eV 2) detektorů s rozlišením 5 eV, citlivost na m ν 0.2 eV při expozici 5 let KATRIN a MARE si nekonkurují, ale doplňují se – mají zcela odlišené zdroje systematických chyb

Perspektivy změření m ν v příštím desetiletí Je-li skutečná hmotnost neutrin několik desetin eV, bude změřena Je-li mnohem menší, budou určeny asi tyto horní meze: m β ≤ 200 meV z modelově nezávislých analýz spekter β m ββ ≤ 30 meV z modelově závislých analýz spekter 0νββ Σm i ≤ 70 meV z modelově závislých analýz kosmologických pozorování Čeští fyzikové se podílejí na neutrinových experimentech tří typů: měření neutrinových oscilací (ÚČJF, FÚ ) hledání procesu 0νββ (ÚTEF, ÚČJF) měření tvaru spektra β (ÚJF)