Masy neutrin – metody nieoscylacyjne

Wyznaczanie skali wartości mas z badań rozpadów beta: v  pojedynczych rozpadów beta: precyzyjne pomiary widma elektronów v  poszukiwanie bezneutrinowych podwójnych rozpadów beta Ich obserwacja świadczyłaby o tym, że:

- neutrina są cząstkami Majorany - całkowita liczba leptonowa nie jest zachowana, co z kolei wskazywałoby na źródło asymetrii materii i antymaterii

we Wszechświecie

2β0ν

1 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

Z oscylacji neutrin wyznaczamy jedynie różnice mas :

Δmij2 = mi

2 −mj2

Różne metody wyznaczania mas neutrin

Kosmologia (następny wykład) Oscylacje

Pojedyncze rozpady beta

Σ = m1 + m2 + m3 δmij2 = mi2 − mj2

2 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

2β0ν

mβ = Uei2 mi

2

i=1

3

∑ mββ = Uei2 ⋅mii=1

3

∑

Three roads to neutrino mass scale

3 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

Direct measurements of neutrino masses

νe : 3H → 3He+e- +νe me < 2.2eV

νµ : π+ → µ+ +νµ mµ

dNdE

= Cpe E +me( ) E0 − E( ) E0 − E( )2 −mβ2

experimental observable is mν2

Model independent neutrino mass from ß-decay kinematics

ß-source requirements :

-  high ß-decay rate (short t1/2)

-  low ß-endpoint energy E0 -  superallowed ß-transition -  few inelastic scatters of ß‘s

ß-detection requirements :

- high resolution (ΔE< few eV) - large solid angle - low background

E0 = 18.6 keV T1/2 = 12.3 y

3H → 3He+e- +νe

β-decay and neutrino mass

6

ΔΩ 2π

E – electron energy

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

Electrostatic filter with magnetic adiabatic collimation

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

6

7 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

System pomiarowy Katrin

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

8

Transport of KATRIN

Complicated transport of the spectrometer in Dec. 2006 9 Fizyka cząstek II,

D.Kiełczewska, wykład 11

Status of previous tritium measurements

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

10

Troitsk Mainz

windowless gaseous T2 source quench condensed solid T2 source

Mainz & Troitsk have reached their intrinsic limit of sensitivity

analysis 1994 to 1999, 2001 analysis 1998/99, 2001/02

KATRIN sensitivity

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

11

200 meV

D. Kiełczewska, wykład 5 12

Skrętność neutrin (m=0) s pHs p⋅=⋅

r rZgodnie z r-niem Diraca dla cząstek bezmasowych (albo ultrarelatywistycznych) 1H = ±

Działanie transformacji P, C i CP:

RνLν

RνLν

P

CPC

Z doświadczenia: obserwowano tylko lewoskrętne neutrina

i prawoskrętne antyneutrina

Neutrina Diraca lub Majorany (m>0)

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

13

Liczba leptonowa L

zachowana

Liczba leptonowa L

niezachowana. Każdy z 2 stanów ma domieszkę stanu o przeciwnej L

Double beta decays

14 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

Majorana neutrino helicity flip

Phenomenology of 0νββ and 2νββ

15

odd-odd

even-even

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

β−

β +

1T1/20ν = G0ν (Qββ

5 ,Z ) i M 0νGT 2 i

mββme

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

2

1T1/22ν = G2ν (Qββ

11 ,Z ) i M 2νGT 2

Phase space Nuclear matrix element (known with large uncertainties)

mββ- efektywna masa mierzona w rozpadach 0ν

16 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

Electron spectrum from double β decays

17 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

ββ history q  1935 - ββ(2ν) rate first calculated by Maria Goeppert-Mayer q  1937 - Majorana proposes his theory of two-component neutrino q  1987 – Direct laboratory evidence for 2νββ:

S. Elliot et al., Phys. Rev. Lett. 59, 2020, 1987 Direct evidence for two-neutrino double-beta decay in 82Se

q  Why it took so long? Background

t1/2(U, Th) ~ 1010 years

  while signal: t1/2(2νββ) ~ 1020 years

q  But next we want to look for a process with:

t1/2(0νββ) ~ 1025-27 years

18 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

�

ν ≡ ν

ββ history

q  2004 – controversial claim of observation of 0νββ:

19 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

Experiments with active targets

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

20

21 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

76Ge spectrum

76Ge spectrum with a possible 0νββ peak

22 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11 Clearly this needs to be verified...

New experiment with Ge: GERDA To check the questionable result – new experiment with Ge is prepared GERDA (with contribution from Jagiellonian Uniw.), the background reduction will be better …

23 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

Experimental techniques

24

Background, isotope choice

Tracking and calorimeter Source ≠ detector

TPC (Xe)

Efficiency, Mass

Calorimeter Source=detector

Resolution, efficiency

0νββ

Main features: High energy resolution Modest background rejection

Main features: High background rejection Modest energy resolution

0νββ

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

25

construction started

data taking

3 m

4 m B (25 G)

20 sectors Source: 10 kg of ββ isotopic foils area = 20 m2, thickness ~ 60 mg/cm2

Tracking detector: drift wire chamber operating (9 layers) in Geiger mode (6180 cells) Gas: He + 4% ethyl alcohol + 1% Ar + 0.1% H2O Calorimeter: 1940 plastic scintillators coupled to low radioactivity PMTs

Magnetic field: 25 Gauss Gamma shield: pure iron (d = 18cm) Neutron shield: 30 cm water (ext. wall)

40 cm wood (top and bottom) (since March 2004: water + boron)

Fréjus Underground Laboratory : 4800 m.w.e. NEMO-3 detector

26 Particle ID: e-, e+, γ and α

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

Typical ββ2ν event observed from 100Mo

Top view

Side view

ββ events in NEMO-3 experiment

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

27

e-

e-

100Mo ββ2ν results (Data Feb. 2003 – Dec. 2004)

7.37 kg.y

Angular Distribution

219 000 events 6914 g

389 days S/B = 40

NEMO-3

100Mo

Sum Energy Spectrum

219 000 events 6914 g

389 days S/B = 40

NEMO-3

100Mo

Background subtracted

•  Data ββ2ν Monte Carlo

•  Data ββ2ν Monte Carlo Background subtracted

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

28

T1/2 = 7.11 ± 0.02 (stat) ± 0.54 (syst) x 1018 y

Natomiast w wyniku poszukiwania bezneutrinowych:

E1 + E2 (MeV)

133 events S/B 6.76

948 days 7g

48Ca

150Nd 925 days S/B 1.01 9.41g

932 g, 389 days

2750 events S/B = 4

82Se NEMO-3 454 g,

534 days 109 events

S/B = 0.25 130Te NEMO-3

96Zr

2.8 ± 0.1 (stat) ± 0.3 (sys) 1019 y

E1 + E2 (MeV)

7.6 ± 1.5 (stat) ± 0.8 (sys) 1020 y

2.3 ± 0.2 (stat) ± 0.3 (sys) 1019 y 9.11 +0.25-0.22(stat) ± 0.63 (sys) 1018 y 4.4 +0.5-0.4 (stat)± 0.4 (sys) 1019 y

9.6 ± 0.3 (stat) ± 1.0 (sys) 1019 y

Other results from NEMO-3: 2νββ

29

SuperNEMO

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

30

Ø  Construction started Ø  Data taking in 2014

mν < 0.2 − 0.4 eV

Neutrino mass and mass ordering

31

�

Δmsol2 ≈ 7.7 ×10−5eV 2�

Δmatm2 ≈ 2.4 ×10−5eV 2

�

}�

}

�

m12

�

m22

�

m32

�

0?

�

m12

�

m22

�

m32

?

Normal Inverted Degenerate

m(“νe”) < 2.2 eV Mainz-Troitsk 3H decay

m(“νµ”) < 190 keV m(“ντ”) < 18.2 MeV

Σmν < 0.14 - 1.3 eV Cosmological models

? >> Δmatm2

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

Efektywna mee na podstawie parametrów oscylacji

32

A.  Strumia and F. Vissani, ``Neutrino masses and mixings.’’ arXiv:hep-ph/0606054.

F. Feruglio, C. Hagedorn, Y. Lin and L. Merlo, ``Theory of the Neutrino Mass,’’ arXiv:0808.0812 [hep-ph].

mee may be very tiny in case of cancellations due to phases Fizyka cząstek II,

D.Kiełczewska, wykład 11

-  w funkcji najmniejszej masy -  dla hierarchii normalnej i

odwróconej

Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

33

HM Claim NEMO 3

CUORICINO, EXO-200

GERDA(PII) SuperNEMO

CUORE,EXO

>2020, 1t experiments ( ≥ 2)

>>2020, >10t experiment

34 Co

smol

ogic

ally

dis

favo

ured

reg

ion

(WM

AP)

Projections – ββ0ν

34 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11

Poszukiwanie rozpadów: - bardzo dużo eksperymentów różnymi technikami ze względu na wagę problemu: sprawdzenie czy liczba leptonowa zachowana i czy neutrina są cząstkami Majorany.

W obydwu wypadkach eksperymenty czułe na: stany masowe z dużym udziałem νe szanse pomiaru mas tylko w przypadku odwróconej

hierarchii mas lub w przypadku „kwazi-zdegenerowanym”, (gdy z jakiegoś powodu najmniejsza masa jest duża).

Przy normalnej hierarchii mas konieczne są bardzo trudno osiągalne czułości eksp.