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Dafinei_Otranto2012_Lesson-2
Ioan DafineiINFN Sezione di Roma, ITALY
OTRANTO21-27 Settembre 2012
XXIV SEMINARIO NAZIONALEDi FISICA NUCLEARE E
SUBNUCLEARE
Double beta decay study at LNGS(the experiments CUORE and CUORE-0)
I. DafineiUniversità "La Sapienza" di Roma and Sezione INFN - Roma
made in the frame of LUCIFER experimentFP7/2007-2013ERC grant agreement n. 247115.
Lucifer
XXIV SEMINARIO NAZIONALE di FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEAREOTRANTO, Serra degli Alimini, 21-27 Settembre 2012 Argomento: Studio del decadimento doppio beta ai LNGSLezione 2: Esperimento CUORE
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XXIV SEMINARIO NAZIONALEDi FISICA NUCLEARE E
SUBNUCLEARE
Outline
• double beta decay study at LNGS• cryogenic bolometers; insights• CUORE and CUORE-0 experiments
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SUBNUCLEARE
LNGS in a glancepast experiments
neutrino physics
0νDBDDBD
0νDBD(claimed
evidence!)
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XXIV SEMINARIO NAZIONALEDi FISICA NUCLEARE E
SUBNUCLEARE
LNGS in a glancecurrent experiments:
neutrino physics
0νDBDDBD
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SUBNUCLEARE
LNGS in a glancecurrent experiments:
GERDA – 76GeArray of enriched Ge diodes operated in liquid argonFirst phase: 18 Kg; second phase: 40 Kg - LNGSProved energy resolution: 0.2 % FWHMCUORE – 130TeArray of low temperature natural TeO2 calorimeters operated at 10 mKFirst step: 200 Kg (2014) – LNGS – it can take advantage from Cuoricino experienceProved energy resolution: 0.2 % FWHM
LUCIFER – 82Se – 116Cd – 100Mo Array of scintillating bolometers operated at 10 mK (ZnSe or ZnMoO4 or CdWO4 )First step: ~ 10 Kg (2014) – LNGS – essentially R&D project to fully test the principleProved energy resolution: 0.3 – 0.7 % FWHM
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SUBNUCLEARE
(more about) LNGSmerits
LNGS (underground facility)•position: latitude 42°27'N, longitude 13°34'E•average depth: 3800 m of water equivalent (m.w.e.)•minimum depth: 3000 m.w.e.•altitude: 963 m above sea level•intensity of charged cosmic rays reduced 106 times with respect to the flux at the surface (~1muon·m-2·h-l; energy threshold 2 TeV).•reduced neutrons flux due to spontaneous fission in the rocks
~3×10-6cm-2s-1 (thermal neutrons)<0.3×10-6cm-2s-1 (fast neutrons)(three orders of magnitude less than at the surface)
•background due to gamma rays similar or higher than in a surface laboratory due to the radioactivity of the rocks and concrete which cover the halls (problem easily solved by proper shielding)
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SUBNUCLEARE
(more about) LNGSmerits
C. Arpesella, Appl. Radiat. Isot. 47, 9/10 (1996), 991
background gamma spectra measured with Ge detector with proper shielding
Milano
LNGStypical HPGe spectrum in
hall C
radionuclides:• of natural radioactive series (226Ra, 214Bi, 214Pb 238Ac, 224Ra, 208Tl, 212Pb and the Actinium series)• long-lived natural (40K, 87Rb, 115In, 133La, 142Ce, etc.)• of cosmogenic origin (3H, 7Be, 14C, 22Na, 26Al, 60Co)• of artificial origin (long-lived fission products like 95Nb, 95Zr, l44Ce, l06Ru, 134Cs, 125Sb, 137Cs, etc.)
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SUBNUCLEARE(more about) cryogenic bolometers
energy resolution
: 100 eV 30 eV 3 eV < 0.01 eVscintillator gas detector solid state detectors LTD
energy thresholdmuch lower than in conventional devices
sensitivity to non-ionizing events
large choice for energy absorber materials
possible discrimination of interacting particle
advantages
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SUBNUCLEARE(more about) cryogenic bolometers
FWHM= 7.8 keV
largest (2.1kg)
bolometer ever
operated
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CUORE
19 towers containing 134=52 detectors each
988 TeO2 crystals (5x5x5 cm3)total detector mass: 741 kg
total 130Te mass: 206 kg (natural abundance)
CUORE in a glance
FWHM resolution~ 5 keV @0νDBD (2528 keV)
all the particle energy is converted into phonons,
producing a crystal temperature
variation of ~0.1 mK/MeV
crystal heating changes the thermistor resistance of
~3MΩ/MeVdetermining a voltage variation
of
~0.3 mV/MeV
2.528MeV
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SUBNUCLEARECUORE
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pulse tube
remote motor
CUORE CUORE detectordetector
pulse tube head
detector suspension support
dilution unit
lateral Pb shield
top Pb shield
how?•dilution refrigerator (Leiden
Cryogenics)•detector suspensions independent
•minimum lead thickness ~ 36 cm•strict radiopurity controls
•materials•assembly
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CUORE
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CUORE Hut
Cuoricino Hut
where?
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CUOREthe hut, now
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CUORECUORE-0
•52 CUORE crystals mounted in CUORE-style frames as a single tower (39 kg TeO2)•assembled from detector components manufactured, cleaned and stored following the same protocols defined for CUORE•to be operated in the Cuoricino cryostat•expected to surpass Cuoricino performance
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CUORECUORE-0
Cartesian Cartesian robot for robot for
glue dosingglue dosing
Cartesian Cartesian robot for robot for
glue dosingglue dosing
Anthropomorphous Anthropomorphous robot for sensors robot for sensors
and crystals and crystals handlinghandling
Anthropomorphous Anthropomorphous robot for sensors robot for sensors
and crystals and crystals handlinghandling
sensor-to-crystal connections
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CUORECUORE-0
sensor-to-crystal connections
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CUORECUORE-0
precise and uniform precise and uniform gluinggluing
precise and uniform precise and uniform gluinggluing
sensor-to-crystal connections
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CUORECUORE-0
CUORE Tower Assembling Line(CTAL)
single assembly station (4 interchangeable glove boxes)
•mechanics•wiring/shielding•bonding•storagezero contact system(controlled nitrogen atmosphere)
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Universal Working
Plane
Clean Room Floor
Tower Garage
Tower can be conveniently lifted up and
down
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CUORECUORE-0
CUORE Tower Assembling Line(CTAL)
single assembly station (4 interchangeable glove boxes)
•mechanics•wiring/shielding•bonding•storagezero contact system(controlled nitrogen atmosphere)
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MechBoxMechBoxMechBoxMechBox
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CUORECUORE-0
CUORE Tower Assembling Line(CTAL)
single assembly station (4 interchangeable glove boxes)
•mechanics•wiring/shielding•bonding•storagezero contact system(controlled nitrogen atmosphere)
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CablingBoxCablingBoxCablingBoxCablingBox
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CUORECUORE-0
CUORE Tower Assembling Line(CTAL)
single assembly station (4 interchangeable glove boxes)
•mechanics•wiring/shielding•bonding•storagezero contact system(controlled nitrogen atmosphere)
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BondingBoxBondingBoxBondingBoxBondingBox
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SUBNUCLEARE
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CUORECUORE-0
CUORE Tower Assembling Line(CTAL)
single assembly station (4 interchangeable glove boxes)
•mechanics•wiring/shielding•bonding•storagezero contact system(controlled nitrogen atmosphere)
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StorageBoxStorageBoxStorageBoxStorageBox
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SUBNUCLEARE
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CUORECUORE-0
assembling
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SUBNUCLEARECUORECUORE-0 wiring
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SUBNUCLEARECUORECUORE-0 wiring
2551/52 NTD successfully bonded51/52 NTD successfully bonded51/52 NTD successfully bonded51/52 NTD successfully bonded
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SUBNUCLEARECUORECUORE-0 shielding
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SUBNUCLEARECUORECUORE-0 shielding
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acknowledgements
this work was made in the frame of LUCIFER experiment funded by the
European Research Council under the European Unions Seventh Framework
Programme
FP7/2007-2013 / ERCgrant agreement n. 247115.