Otokar Dragoun Ústav jaderné fyziky AV ČR Řež u Prahy ÚČJF MFF UK, 9.1.2013 Současný stav a perspektivy neutrinového experimentu KATRIN S podporou GAČR:

Prezentace na téma: "Otokar Dragoun Ústav jaderné fyziky AV ČR Řež u Prahy ÚČJF MFF UK, 9.1.2013 Současný stav a perspektivy neutrinového experimentu KATRIN S podporou GAČR:"— Transkript prezentace:

1 Otokar Dragoun Ústav jaderné fyziky AV ČR Řež u Prahy ÚČJF MFF UK, 9.1.2013 Současný stav a perspektivy neutrinového experimentu KATRIN S podporou GAČR: P203/12/1896

2 Součást celosvětového interdisciplinárního úsilí částicových, jaderných a atomových fyziků viz arXiv: 1212.5190v1 [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 2000-2012: neutrino v názvu práce ≈ 650 /rok

3 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

4 m ν < 5 keV Cook et al. 1948 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)100-121 m ν < 1 keV Hanna and Pontecorvo; Curran et al. 1949 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

5 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

6 za předpokladu m 1 < m 2 < m 3 m 1 ≥ 0 m 2 ≥ 0.009 eV m 3 ≥ 0.05 eV Neutrinové oscilace na 90% CL PDG 2012 různí autoři: n s = 0, 1, 2, 3

7 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

8 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 !

9 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 10-40 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

10 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

11 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

12 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’

13 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 0 -3 3 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

14 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

15 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

16 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)

17 10 -11 mbar -18,4 kV ~70 m 3×10 -3 mbar  1 kV 10 -11 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 10 10 e - /s e-e-e-e- transport částic β a odčerpání tritia e-e-e-e- rozpad β stabilní sloupcová hustota tritia 10 10 e - /s 3 He plynný zdroj tritiových molekul 3 He 3H3H3H3H 3H3H3H3H tritiová část uvnitř TLKčást bez tritia

18 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: (30.243 ± 0.0014) K max – min = 0.003 K Původní požadavek byl ± 0.030 K → menší σ syst při určování σ[m 2 (ν e )]

19 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

20 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

21 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 10 -11 mbar stabilizace VN příčiny pozadí: malé Penningovy pasti (100 cm 3 ) radon z neodpařitelných getrů

22 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

23 Drátové elektrody v hlavním spektrometru KATRIN 240 modulů, 23 000 drátů bez průhybu po vypékání U 0 =-18.4kV U 0 -100V d 1 =150mm Spectrometer wall e-e- r2r2 r1r1 d 2 =70mm U 0 -200V 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

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

25 Kompletní systém drátových elektrod hlavního spektrometru

26 Spektrometr se prodlouží o 10 cm UHV: p ≤ 10 -11 mbar Turbomolekulární vývěvy: 10 000 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  10 -12 mbar l s -1 cm -2 tepelný příkon 360 kW (14 m 3 oleje) Čerpání a vypékání hlavního spektrometru Od 4.1.2013 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!

27 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

28 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)

29 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 < 10 -11 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

30 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

31 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 ± 10 -1 ppm/měsíc

32 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

33 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 (1.7-2.5 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

34 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

35 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

36 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

37 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

38 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

39 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 = 8·10 -45 cm 2 monoenergetické

40 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 10 -10 % 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)50 000 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

41 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)