Otokar DragounÚstav jaderné fyziky AV ČR

Řež u Prahy

ÚČJF MFF UK, 9.1.2013

Současný stav a perspektivyneutrinového experimentu KATRIN

S podporou GAČR: P203/12/1896

Součást celosvětového interdisciplinárního úsilí částicových, jaderných a atomových fyziků

viz arXiv: 1212.5190v1 [nucl-ex] 20 Dec 2012Discovering the New Standard Model:

Fundamental Symmetries and Neutrinos

Osnova přednášky

• Počátky pátrání po hmotných neutrinech• Metody určení mν

• KATRIN: Výstavba experimentu Očekávané výsledky

• Perspektivy změření mν v příštím desetiletí

arXiv 2000-2012:

neutrino v názvu práce

≈ 650 /rok

Hypotetické neutrino

Wolfgang Pauli 1930:

mν ≈ O(me), mν< 0.01 mp = 10 MeV

Enrico Fermi Z. Physik 88(1934)161

ze srovnání svých teoretických spekter β s experimentem

mν << me , nejspíše mν=0

mν < 5 keV Cook et al. 1948• β-spektrum 35S (E0=167 keV) • magnetický spektrometr

Počátky pátrání po hmotných neutrinech ve spektrech β

Blíže viz Pokroky mat. fyz. astr. 52(2007)100-121

mν < 1 keV Hanna and Pontecorvo; Curran et al. 1949• β-spektrum plynného tritia (E0=18.6 keV)• proporcionální počítač

35S →35Cl + e- + νCe

Kurieho graf

Koncová částspektra

mν=0, 5, 10 keV

Za 64 let experimentátoři zlepšili horní hranici m2(νe) o 6 řádů Další zlepšení o 2 řády očekáváme od KATRIN

Dráha elektronu v magnetickém poli

β rozpad 6He → 6Li + e- + ν̃�eve Wilsonově mlžné komoře

• Energie rozpadu = 3,5 MeV

• Maximální energie odraženého jádra =1,4 keV

6Li+

Ze zákona zachování hybnosti: β rozpad 6He není dvoučásticový

• T1/2= 0.8 s

Csikai and Szalay, 1957

i

n

iU 1

,,e

222kiik mmm

082.09840.2 an

?sn

za předpokladu m1 < m2 < m3

m1 ≥ 0 m2 ≥ 0.009 eV m3 ≥ 0.05 eV

2519.020.0

221 1050.7 eVm

Neutrinové oscilace

2312.008.0

231 1032.2 eVm

na 90% CL

PDG 2012

sa nnn různí autoři:ns = 0, 1, 2, 3

23

1

2ieie mUm

Hmotnost neutrina z rozpadu β

Mainz 2005: m2(νe) = � 0.6 ±2.2stat ± 2.1syst eV2

Troick 2011: m2(νe) = � 0.67 ±1.89stat ± 2.53syst eV2

Průměrná hmotnost elektronového (anti)neutrina

Vážený průměr: m2(νe) = � 0.64 ±1.95 eV2

m(νe) ≤ 1.8 eV 90% CL za předp. m2(νe) ≥ 0

m(νe) ≤ 1.6 eV 90% CL

Přímá, modelově nezávislá metoda

Δm ik << ΔE instr

42222 cmcpEtot

Hmotnost neutrina z rozpadu 0νββ

ji

jej meUm j

23

1

Efektivní hmotnost

elektronového (anti)neutrina

Nepřímá metoda závislá na modelu jádra

• Klapdor, 76Ge (2006) mββ = (0.32 ± 0.03) eV údajně prokázal existenci 0νββ na úrovni 6σ

• KamLAND-Zen + EXO-200, 136Xe (2012): mββ < (0.12 B 0.25) eV

s neurčitostí M0ν

• GERDA již měří 76Ge : srovnání s Klapdorem bez M0ν

bez neurčitosti M0ν

220102/1 ,

mMZEGT tot

Experimentneznámé fáze !

z kosmologických pozorování

z doby letu ze supernovy

Další modelově závislé metody určení hmotnosti neutrina

• SN1987A ve Velkém Magellanově oblaku , tγ= 5·1012 s• podzemní detektory: během 13s asi 20 neutrin s energií 10-40 MeV

Dobu trvání emise neutrin známe jen podle modelu SNm(νe) < 5.7 eV

• Anizotropie kosmického mikrovlnného pozadí• Velkorozměrná struktura galaxií, atd.

Σm(νi ) < 0.5 eV Silně modelově závislé, Σm(νi ) 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 generaceMetodický úkol:

desetinásobně zvýšit citlivost určení mν

2 eV → 0.2 eV

Elektrostatický elektronový spektrometr ESA12 vysoké rozlišení, nízká světelnost

(ΔE)instr< 1 eV

Ece = Eγ–Ebin2 keV konverzní elektrony z 99mTcΓnat < 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 241Pu

16 keV ν: δ <0.1 % doba měření : 6000 h

Augerovy čáry KLL uhlíkua kyslíku

Naše MC výpočty objasnily příčinu: e- rozptyl na clonách polovodičového spektrometru

3. Falešná 0.3% příměs 17 keV neutrina v β-spektru 35S

Společně

s SÚJV

v Dubně

Společně

s Tech. Uni.

v Mnichově

Společně s ÚJV

v Troickug(E) = R(E, E’) f(E’) dE’

Tvar spektra záření β tritia

Enrico Fermi (1934):

dN/dE = K × F(E,Z) × p × Etot × (E0-Ee) × [ (E0-Ee)2 – mν2 ]1/2

E0 = 18.6 keV

T1/2= 12,3 r ~E 0-3

3H → 3He + e– + ν̃� e

Spektrometr musí mít současně: vysoké rozlišení, velkou světelnost , nízké pozadí

Fitované parametry:

Iβ, Ipozadí , E0, m2(νe)

m (νe) = M(3H - 3He) – E0 - δ

σ = 1.2 eV energetickákalibrace

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 těsnostísekundární - rukavicové skříně

1 % tritia bude čištěno chemicky (od 3He, N2, CO, H2O, CH4,…) i izotopově (od H2, DT, HT, HD,..)

Tritiová laboratoř Karlsruhe

Tritiová laboratořKarlsruhe

Nové budovyexperimentu KATRIN

Hlavní spektrometr

Předsazenýspektrometr

DetektorPlynný zdrojradioaktivního tritia

Diferencilní čerpánía vymrazování tritia

Hlavní části experimentu KATRIN

Monitorovacíspektrometr(stabilita VN)

10-11 mbar-18,4 kV

~70 m

3×10-3 mbar1 kV

10-11 mbar-18,574 kV

Intenzita částic β v různých částech zařízení KATRIN

hlavní elektronovýspektrometr

přesná energetickáanalýza částic β

< 1 e- /s

e-

detektor

polohově citlivý detektor částic β

zadní část

parametry zdroje

103 e- /s

e-

předsazenýspektrometr

zadržení nízkoenergetickýchčástic β

deferenciálníčerpání tritia

1010 e- /s

e-

transport částic βa odčerpání tritia

e-rozpad β

e

stabilní sloupcováhustota tritia

1010 e- /s

3He

plynný zdroj tritiových molekul

3He 3He

3H3H

tritiová část uvnitř TLK část 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, N2, Ne, Ar; T2,83mKr• teploty 4.5 d 550 K• 500 senzorů

Demonstrátor v TLKChlazení 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 σsyst při určování σ[m2(νe)]

Porucha: poškozená dioda

ochranného obvodu

supravodivé cívky

NOVÁ KONSTRUKCE!

Zkoušky v KIT

Diferenciální a kryogenní čerpání

Snížit vstupní tlak T2

o 14 řádů!

77 K 4.2 K

Retardační elektrostatický filtrs magnetickou adiabatickou kolimací

Rozptylové magnetické poledvojice supravodivých solenoidůvede částice β podél siločar

ΔE/E = Bmin/Bmax

ΔΩ/4π = (1-cosθmax)/2

θmax= arcsin(Bs/Bmax)1/2

KATRIN:Bmin= 3·10-4 T , Bmax=6 TΔE= 0,93 eV , E=18,6 keVθmax= 51º , ΔΩ/4π = 0,19

Elektrický filtr: Ee> e·Uret

• integrální spektrum

Předsazený elektrostatický spektrometr

Délka 3.4 mprůměr 1.7 m

Bmax = 4.5 TB min = 15.6 mTΔE 18.4 keV= 64 eV

Zadrží částice β s E < 18.6 keV, které nenesou informaci o m(νe)

Cenný prototyp hlavního spektrometru:• vakuum 10-11mbar• stabilizace VN• příčiny pozadí: malé Penningovy pasti (100 cm3) radon z neodpařitelných getrů

Posledních 7 km po souši do Výzkumného centraKarlsruhe

8800 km po řekácha mořích kolem Evropy

Průměr 10 m délka 23 mhmotnost 200 t

objem 1450 m3

plocha 650 m2

Drátové elektrody v hlavním spektrometru KATRIN

240 modulů, 23 000 drátůbez průhybu po vypékání

U0=-18.4kV

U0-100Vd1=150mm

Spectrometer wall

e-

r2

r1d2=70mm

U0-200V

s=25mm

• Redukce pozadí sekundárních elektronů ze stěny od kosmických μ

• Přesný tvar elektrod retardačního elektrostatického pole bez magnetických pastí

Montáž drátových elektrodv čistém prostředí vakuovékomory 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 ≤ 10-11 mbarTurbomolekulární vývěvy: 10 000 l s-1

Neodpařovatelné getry: 5 ·105 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 m3 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 profilpři 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

Bmin /B země = 6

Bmax/Bmin = 2·104

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 d 100 keV• četnosti mHz d 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 < 10-11 mbar v objemu 1450 m3

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 mν

Ramanova laserová spektroskopie

Dva způsoby kontroly stability energetické stupnice KATRIN

Metrologický děličvysokého napětí

Posuv monoenerg. čárybude indikovat možnouzměnu VN na hlavním sp.

Náš hlavní úkol pro KATRIN:radioaktivní zdroje monoenergetických elektronů pro kalibraci a monitorování

• 83Rb/83mKr pro monitor. spektrometr: stabilita energie elektronů < 3 ppm/2 měsíce• 83mKr pro plynný tritiový zdroj KATRIN: 83Rb pevně vázané v zeolitu , max. uvolnění 83mKr

Monitorovací spektrometr pro kontrolu stability retardačního napětí

83Rb(86d) → 83mKr(1.8h) → 83Kr konverzní elektrony E=17.8 keV

Výpočet implantace30 keV iontů 83Rb do platiny

plošná distribuce 83Rb

Stabilita energie:

• požadavek KATRIN ± 1.6 ppm/měsíc

• zdroj 83Rb/83mKr ± 10-1 ppm/měsíc

Interpretace změřené části spektra β:koncové stavy iontu (T 3He)+ po rozpadu tritia

dN/dE = K×F(E,Z)×p×Etot ×S Pi(E0-Vi-Ee) × [ (E0-Vi-Ee)2 – mn2 ]1/2

(T 3He)+ a (H 3He)+ z plynnéhoT2 a HTTeoretický výpočet(Saenz et al. 2000)

Rotačně-vibrační excitace nadzákladním elektronickým stavem (do něj 57% rozpadů β)

Elektronické vzbuzené stavy (žádné pod Eexcit= 20 eV)

Pi

Vi

KATRIN bude měřit horní30 eV část β spektra tritia

Přesný výpočet očekávaného tvaru spektra β tritiapro konkrétní experimentální uspořádání

Kvalitní vstupní data a MC výpočty: PŘÍKLADY • příměs izotopologů DT a HT v plynné zdroji T2 zpětný odraz (1.7-2.5 eV) , spektrum koncových stavů

• Dopplerův jev: rychlost molekul T2 při 30K je vprob = 288 ms-1 , vβ, max = 7.7·107 ms-1 + modifikace teplotního rozdělení rychlostí způsobená čerpáním

+ možný teplotní gradient podél plynného zdroje

• synchrotronové záření ΔEsynch až 130 meV

• rozptyl elektronů v plynném zdroji T2

42 % bez interakce, <Eloss, elast> = 20 meV min. Eloss, inelast v T2 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 neutrinam2(νe) = Σ |Uei|2 · m2

i

Po 1000 dnech měření σstat ≈ σsyst

• m(νe) = 0.35 eV prokáže na úrovni 5 σ• m(νe) < 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. m1≈0, m2≈ 0.01 eV, m3≈ 0.05 eV

e.g. m1≈ 0.30 eV, m2≈ 0.31 eV, m3≈ 0.35 eV

KATRIN: • prozkoumá celou kvazi-degenerovanou oblast důležitou pro kosmologii• může detekovat degenerovaná neutrina (jsou-li taková)

Δm2sol

Δm2atm

Současné oscilační

experimenty

to nemohou rozhodnout!

hierarchická oblast

je pod hranicí citlivosti

3) Příspěvek reliktních neutrin ke skryté hmotě ve vesmíru

0.1 % < Ων < 13%

Z oscilačních experimentů Z tritiových β spekter

KATRIN • bude citlivá na Ων = 1%• hodnotu Ων určí nebo výrazně omezí

Ωi (%) Skrytá energie 73 Skrytá hmota 23 Intergalaktický plyn 3.6 Hvězdy atd. 0.4

Kurieho grafy tritiového spektra βs neutriny různých hmotností

mν = 5 eV

mν = 0

Směšování dvou neutrinm1 = 5 eV, m2 = 15 eV|Ue1|2 = |Ue2|2 = 0,5

4) Sterilní neutrina s hmotností jednotek eV Existenci naznačuje kosmologie a některé oscilační experimenty s neutriny z reaktorů a urychlovačů

Kosmologická pozorovánípřipouštějí např.Δm2

s1 = 6.49 eV2

|Ue4|2 = 0.12

Δm2s2 = 0.89 eV2

|Ue5|2 = 0.11

V β spektrech KATRIN by tato sterilní neutrina byladobře separována od lehkých aktivních neutrin

5) Lokální hustota reliktních neutrin

Plynný tritiový zdroj KATRIN jako terčík pro reakci s reliktními neutrinyνe + T→3He+ + e-

Citlivost KATRIN: ρ(νe)local /ρ(νe)average ≥ 2·109

Nebude-li efekt pozorován, vyloučíme některé z hypotéz o lokálním gravitačním shlukování neutrin.

6 ·1019 tritiových atomů o hmotnosti 0.3 mg

Tν≈1.96 K, Eν ≈ 0.25 meV, ρ(νe)average = 56 cm-3 , σ = 8·10-45 cm2

monoenergetické

K(E

)

E (keV)

m(νe) z β-spektra 187Re měřeného kryogenními mikrokalorimetry

187Re → 187Os + e– + ν̃� e E0 = 2.5 keV, T1/2 = 4.3 ·1010 r

Kurieho grafRheniový krystal je současně zdrojem i tepelným detektorem všech β-částic 187Re

Výhoda: krystal pohltí všechnu uvolněnou energii s výjimkou energie neutrinaNevýhoda: musí se měřit celé spektrum β, na poslední eV připadá jen 10-10 %

Současná hranice: mν < 15 eV při rozlišení 28 eVPlán experimentu MARE: 1) 1300 detektorů s rozlišením 20 eV, citlivost na mν 2 eV 2) 50 000 detektorů s rozlišením 5 eV, citlivost na mν 0.2 eV při expozici 5 let

KATRIN a MARE si nekonkurují, ale doplňují se – mají zcela odlišené zdroje systematických chyb

Perspektivy změření mν v příštím desetiletí

Je-li skutečná hmotnost neutrin několik desetin eV, bude změřena

Je-li mnohem menší, budou určeny asi tyto horní meze:

• mβ ≤ 200 meV z modelově nezávislých analýz spekter β• mββ ≤ 30 meV z modelově závislých analýz spekter 0νββ• Σmi ≤ 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)