Otokar Dragoun Ústav jaderné fyziky AV ČR Ř e ž u Prahy

1. Současný stav a perspektivy neutrinového experimentu KATRIN ÚČJF MFF UK, 9.1.2013 Otokar Dragoun Ústav jaderné fyziky AV ČR Řež u Prahy 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 Discoveringthe New Standard Model: FundamentalSymmetriesandNeutrinos arXiv 2000-2012: neutrino v názvu práce ≈ 650 /rok Osnova přednášky • Počátky pátrání po hmotných neutrinech • Metody určení mν • KATRIN: Výstavba experimentu • Očekávané výsledky • Perspektivy změření mν v příštím desetiletí

3. Hypotetickéneutrino Wolfgang Pauli1930: 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

4. Počátky pátrání po hmotných neutrinech ve spektrech β • mν< 5 keV Cooketal.1948 • β-spektrum35S (E0=167 keV) • magnetickýspektrometr Koncová část spektra 35S →35Cl + e- + ν̃e Kurieho graf mν=0, 5, 10 keV • mν< 1 keV HannaandPontecorvo; Curranetal.1949 • β-spektrumplynnéhotritia (E0=18.6 keV) • proporcionální počítač Blíže viz Pokroky mat. fyz. astr. 52(2007)100-121 Za 64 let experimentátoři zlepšili horní hranici m2(νe) o 6 řádů Další zlepšení o 2 řády očekáváme od KATRIN

5. β rozpad 6He → 6Li + e- + ν̃e ve Wilsonově mlžné komoře • Energie rozpadu = 3,5 MeV • Maximální energie • odraženého jádra =1,4 keV • T1/2= 0.8 s 6Li+ CsikaiandSzalay, 1957 Dráha elektronu v magnetickém poli Ze zákona zachování hybnosti: β rozpad 6He není dvoučásticový

6. Neutrinové oscilace různí autoři: ns = 0, 1, 2, 3 PDG 2012 za předpokladu m1< m2 < m3 m1 ≥ 0 m2 ≥ 0.009 eV m3 ≥ 0.05 eV na 90% CL

7. Hmotnost neutrina z rozpadu β Přímá, modelově nezávislá metoda Δmik<<ΔEinstr Průměrná hmotnost elektronového (anti)neutrina Mainz 2005: m2(νe) = ̶ 0.6 ±2.2stat ± 2.1syst eV2 Troick 2011: m2(νe) = ̶ 0.67 ±1.89stat ± 2.53syst eV2 Vážený průměr: m2(νe) = ̶ 0.64 ±1.95eV2 m(νe) ≤ 1.8 eV 90% CL za předp. m2(νe) ≥ 0 m(νe) ≤ 1.6 eV 90% CL

8. Hmotnost neutrina z rozpadu 0νββ Nepřímá metoda závislá na modelu jádra Experiment neznámé fáze ! Efektivní hmotnost elektronového (anti)neutrina bez neurčitosti M0ν • 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 ̶ 0.25)eV s neurčitostí M0ν • GERDA již měří 76Ge : srovnání s Klapdorem bez M0ν

9. Další modelově závislé metody určení hmotnosti neutrina z doby letu ze supernovy • 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 SN m(νe) < 5.7 eV z kosmologických pozorování • Anizotropie kosmického mikrovlnného pozadí • Velkorozměrná struktura galaxií, atd. Silně modelově závislé, Σm(νi ) je jedním z mnoha fitovaných parametrů Σm(νi ) < 0.5 eV

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

11. Spektroskopie elektronů z radioaktivního rozpadu v ÚJF Ece = Eγ–Ebin • 2 keV konverzní • elektrony z 99mTc • Γnat < 0.3 eV Elektrony bez energetických ztrát Elektrostatický elektronový spektrometr ESA12 vysoké rozlišení, nízká světelnost (ΔE)instr<1 eV

12. Dřívější příspěvky ÚJF k neutrinové fyzice Příměs δtěžkých neutrinv β rozpadu241Pu Kalibrace elektronového děla pro β spektroskopii tritia Společně s SÚJV v Dubně g(E) = R(E, E’) f(E’) dE’ Společně s ÚJV v Troicku 16 keV ν: δ<0.1 % doba měření : 6000 h Augerovy čáry KLL uhlíku a kyslíku FWHM = 0.5 eV 3. Falešná 0.3% příměs 17 keV neutrinavβ-spektru 35S Společně s Tech. Uni. v Mnichově Naše MC výpočty objasnily příčinu: e-rozptyl na clonách polovodičového spektrometru

13. Tvar spektra záření βtritia Enrico Fermi (1934): dN/dE = K × F(E,Z) × p × Etot × (E0-Ee) × [ (E0-Ee)2 – mν2 ]1/2 3H → 3He + e– +ν̃e E0 = 18.6 keV ~E0-3 T1/2= 12,3 r m(νe) = M(3H - 3He) – E0 - δ Spektrometr musí mít současně: vysoké rozlišení, velkou světelnost , nízké pozadí σ = 1.2 eV energetická kalibrace Fitované parametry: Iβ, Ipozadí , E0, m2(νe)

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. Tritiová laboratoř Karlsruhe Jediná evropská laboratoř schopná zabezpečit KATRIN potřebným množstvím chemicky i izotopově čistého tritia Dva tritiové systémy: primární s UHV těsností sekundární - rukavicové skříně 99 % tritia bude cirkulovat ve vnitřní smyčce plynného zdroje 1 % tritia bude čištěno chemicky (od 3He, N2, CO, H2O, CH4,…) i izotopově (od H2, DT, HT, HD,..)

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

17. Intenzita částic β v různých částech zařízení KATRIN stabilní sloupcová hustota tritia zadržení nízkoenergetických částic β transport částic β a odčerpání tritia přesná energetická analýza částic β polohově citlivý detektor částic β parametry zdroje zadní část plynný zdroj tritiových molekul hlavní elektronový spektrometr deferenciální čerpání tritia předsazený spektrometr detektor e- e- e- e- rozpad β <1 e- /s 1010 e- /s 103 e- /s 1010 e- /s 3He 3He 3He 3H 3H 3×10-3 mbar 1 kV 10-11 mbar -18,4 kV 10-11 mbar -18,574 kV ~70 m tritiová část uvnitř TLK část 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, N2, Ne, Ar; T2,83mKr • teploty 4.5 ̶ 550 K • 500 senzorů Chlazení neonem v kapalné a plynné fázi 4 hod. test: (30.243 ± 0.0014)K max – min = 0.003 K Demonstrátor v TLK Původní požadavek byl ± 0.030 K → menší σsyst při určování σ[m2(νe)]

19. Diferenciální a kryogenní čerpání 77 K 4.2 K Snížit vstupní tlak T2 o 14 řádů! Zkoušky v KIT Porucha: poškozená dioda ochranného obvodu supravodivé cívky NOVÁ KONSTRUKCE!

20. Retardační elektrostatický filtr s magnetickou adiabatickou kolimací Rozptylové magnetické pole dvojice supravodivých solenoidů vede 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 T ΔE= 0,93 eV , E=18,6 keV θmax= 51º , ΔΩ/4π=0,19 • Elektrický filtr: Ee> e·Uret • integrální spektrum

21. Předsazený elektrostatický spektrometr Zadrží částice β s E < 18.6 keV, které nenesou informaci o m(νe) Bmax= 4.5 T B min = 15.6 mT ΔE 18.4 keV= 64 eV Délka 3.4 m průměr 1.7 m • Cenný prototyp hlavního spektrometru: • vakuum 10-11mbar • stabilizace VN • příčiny pozadí: • malé Penningovy pasti (100 cm3) • 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 m3 plocha 650 m2

23. s=25mm r2 U0-200V d2=70mm r1 U0-100V e- d1=150mm U0=-18.4kV Spectrometer wall Drátové elektrody v hlavním spektrometru KATRIN 240 modulů, 23 000 drátů bez průhybu po vypékání Montáž drátových elektrod v čistém prostředí vakuové komory hlavního spektrometru • Redukce pozadí sekundárních • elektronů ze stěny od kosmických μ • Přesný tvar elektrod retardačního • elektrostatického pole • bez magnetických pastí

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

25. Kompletní systém drátových elektrod hlavního spektrometru

26. Čerpání a vypékání hlavního spektrometru UHV: p ≤ 10-11mbar Turbomolekulární 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 10-12mbar l s-1 cm-2 tepelný příkon 360 kW (14 m3 oleje) stopy Rn! Změřený teplotní profil při vypékání bez elektrod 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 Spektrometr se prodlouží o 10 cm

27. Vzduchové magnetické cívky kolem spektrometru Bmin/Bzemě = 6 • 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 Bmax/Bmin = 2·104 pro výpočet pole uvnitř

28. Polohově citlivý detektor částic βve 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 čištěnítritia • chemické i izotopové • Teplotní stabilita tritia ± 30 mK • v plynném zdroji při 27 K • fázovýpřechod mezi plyn. a kapal. neonem • Vakuum< 10-11 mbar v objemu 1450m3 • turbomolekulárnívývěvy a neodpařovatelné getry s vymrazováním (Rn!) • Pozadícelkové polohově citlivého detektoru elektronů < 0.01/s • tritium, kosmické záření, radioaktivní kontaminace materiálů • Stabilita napětí18.6 kV na úrovni ± 60 mV • neregistrovaný posuv o 50 mV⇒ 0.04 eV chyba ve fitovanémmν Ramanovalaserová spektroskopie

30. Dva způsoby kontroly stability energetické stupnice KATRIN Posuv monoenerg. čáry bude indikovat možnou změnu VN na hlavním sp. Metrologický dělič vysokého napětí 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

31. Monitorovací spektrometr pro kontrolu stability retardačního napětí 83Rb(86d) → 83mKr(1.8h) → 83Kr konverzní elektrony E=17.8 keV Výpočet implantace 30 keV iontů 83Rb do platiny • Stabilita energie: • požadavek KATRIN • ± 1.6 ppm/měsíc • zdroj 83Rb/83mKr • ± 10-1 ppm/měsíc plošná distribuce 83Rb

32. Interpretace změřené části spektra β: koncové stavy iontu (T3He)+porozpadu tritia dN/dE = K×F(E,Z)×p×Etot ×SPi(E0-Vi-Ee) × [ (E0-Vi-Ee)2 – mn2]1/2 Rotačně-vibrační excitace nad základním elektronickým stavem (do něj 57% rozpadů β) Elektronické vzbuzené stavy (žádné pod Eexcit= 20 eV) Pi Vi KATRIN bude měřit horní 30 eV část β spektra tritia (T3He)+a(H3He)+ z plynnéhoT2aHT Teoretický výpočet (Saenz et al. 2000)

33. Přesný výpočet očekávaného tvaru spektra β tritia pro konkrétní experimentální uspořádání • Kvalitní vstupní data a MC výpočty: PŘÍKLADY • příměs izotopologůDT 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 = 7.7·107ms-1 • + modifikace teplotního • rozdělení rychlostí • způsobená čerpáním • + možný teplotní gradient • podél plynného zdroje

34. Kvalitní vstupní data a MC výpočty: DALŠÍ PŘÍKLADY • synchrotronové záření • ΔEsynchaž 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

35. Očekávané výsledky experimentu KATRIN 1) Průměrná hmotnostelektronového neutrina • m2(νe) = Σ|Uei|2 · m2i Nezávisle na modelech Nezávisle na typu neutrina • Po 1000 dnech měření σstat ≈ σsyst • m(νe) = 0.35 eV prokáže na úrovni 5 σ • m(νe) < 0.2 eV na 90% CL I tato citlivost je omezena statistikou: menší σstat→ užší interval β spektra → menší σsyst

36. 2) Hierarchické nebo kvazi-degenerované uspořádání neutrinových hmotnostních stavů? Současné oscilační experimenty to nemohou rozhodnout! e.g. m1≈ 0.30 eV, m2≈ 0.31 eV, m3≈ 0.35 eV e.g. m1≈0, m2≈ 0.01 eV, m3≈ 0.05 eV • KATRIN: • prozkoumá celou kvazi-degenerovanou oblast • důležitou pro kosmologii • může detekovat degenerovaná neutrina • (jsou-li taková) Δm2sol hierarchická oblast je pod hranicí citlivosti Δm2atm

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

38. 4) Sterilní neutrina s hmotností jednotek eV Existenci naznačuje kosmologie a některé oscilační experimenty s neutriny z reaktorů a urychlovačů Kosmologická pozorování připouštějí např. Δm2s1 = 6.49 eV2 |Ue4|2 = 0.12 Δm2s2 = 0.89 eV2 |Ue5|2 = 0.11 Kurieho grafy tritiového spektra β s neutriny různých hmotností mν = 5 eV mν = 0 V β spektrech KATRIN by tato sterilní neutrina byla dobře separována od lehkých aktivních neutrin Směšování dvou neutrin m1 = 5 eV, m2 = 15 eV |Ue1|2 = |Ue2|2 = 0,5

39. 5) Lokální hustota reliktních neutrin Plynný tritiový zdroj KATRIN jako terčík pro reakci s reliktními neutriny νe + T→3He+ + e- 6 ·1019tritiovýchatomů o hmotnosti 0.3 mg monoenergetické Tν≈1.96 K, Eν ≈ 0.25 meV, ρ(νe)average = 56 cm-3 ,σ = 8·10-45 cm2 Citlivost KATRIN: ρ(νe)local/ρ(νe)average≥ 2·109 Nebude-li efekt pozorován, vyloučíme některé z hypotéz o lokálním gravitačním shlukování neutrin.

40. K(E) E (keV) m(νe)zβ-spektra 187Re měřeného kryogenními mikrokalorimetry 187Re → 187Os + e– + ν̃e E0 = 2.5 keV, T1/2 = 4.3 ·1010 r Rheniový krystal je současně zdrojem i tepelným detektorem všech β-částic 187Re Kurieho graf 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: mν< 15 eV při rozlišení 28 eV • Plán experimentu MARE: • 1300 detektorů s rozlišením 20 eV, citlivost na mν 2 eV • 50 000 detektorů s rozlišením 5 eV, citlivost na mν0.2 eV při expozici 5 let KATRIN a MARE si nekonkurují, ale doplňují se – mají zcela odlišené zdroje systematických chyb

41. 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)