LUCIFER Rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e - Lorenzo Pagnanini! 100 Congresso Società Italiana di Fisica !
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Rivelatori ad induttanza
cinetica per CUORE e
LUCIFER
Lorenzo Pagnanini!
Università “La Sapienza” di Roma & INFN Roma1
100° Congresso Società Italiana di Fisica !
Pisa, 26 settembre 2014
Doppio Decadimento Beta senza neutrini
Processo debole del secondo ordine, proibito nel modello standard poiché viola la
conservazione del numero leptonico, ΔL=2.
Può avvenire soltanto se neutrino ed antineutrino sono la stessa particella ed è tanto più
probabile quanto maggiore è la massa dei neutrini.
massa effettiva di Majorana
spazio delle fasi
vita media del elemento di matrice
doppio beta nucleare
✓ Il neutrino è una particella di Majorana?
✓ Il numero leptonico è conservato?
✓ Indicazioni sulla massa del neutrino
Sviluppo di rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER 26/09/14 2
CUORE
Criogenic Underground Observatory for Rare Events
RIVELATORE
✓ 988 cristalli di TeO2 @ 10mK
✓ M = 741 kg - 34% 130Te emettitore 0νββ
✓ dimensioni cristalli 5x5x5 cm3
✓ 19 torri - 52 cristalli/torre
✓ fondo dominante dovuto alle α INZIO PRESA DATI 2015
Situato presso i
Laboratori Nazionali
del Gran Sasso
CUORE collab., Searching for neutrinoless double-beta decay of 130Te with CUORE, arXiv:1402.6072, 2014
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CUORE
Criogenic Underground Observatory for Rare Events
Il dimostratore CUORE-0, attualmente in presa dati, ha ottimizzato la ricerca dei materiali radiopuri per la
costruzione del criostato e le tecniche di pulizia del rame per diminuire le contaminazioni α, portando tali
strategie al limite del loro potenziale.
Spettro di Cuoricino e CUORE-0
CUORE - 0 208Tl
190Pt
Picchi γ
0νββ
+
Rame
Fondo α piatto
RISULTATI ATTESI
✓ Risoluzione 5 keV FWHM Segnatura: picco nella distribuzione dell’energia
ricostruita in corrispondenza del Q-valore del
✓ Fondo 0.01 conteggi/keV/kg/anno decadimento (2527 keV per il 130Te).
✓ Sensibile ad una vita media di 1026 anni in 5 anni
CUORE collaboration, Searching for neutrinoless double-beta decay of 130Te with CUORE, arXiv:1402.6072, 2014
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Luce Cherenkov in CUORE
Il fondo α si può separare dal segnale misurando la luce
Cherenkov prodotta dagli e- e non dalle α.
Ee- > 54 keV ✔ 900 eV di Luce Cherenkov
Eα > 400 MeV ✘
DISCO DI GERMANIO
operante come bolometro Termistore
applicato al
CRISTALLO di CUORE 1) I fotoni che escono dal
cristallo di TeO2 vengono
assorbiti nel Germanio e
convertiti in fononi.
!
2) Aumento di temperatura ΔT.
!
3) La variazione in temperatura
viene convertita dal termistore
in segnale elettrico.
N. Casali , M. Vignati et al, “TeO2 bolometers with Cherenkov signal tagging”, arXiv:1403.5528, 2014
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Luce Cherenkov in CUORE
Il fondo α si può separare dal segnale misurando la luce
Cherenkov prodotta dagli e- e non dalle α.
Ee- > 54 keV ✔ 900 eV di Luce Cherenkov
Eα > 400 MeV ✘
Vengono rivelati soltanto
Luce Cherenkov [keV]
100 eV, dei 900 prodotti, la
restante parte viene
assorbita dal cristallo.
Non potendo aumentare il
segnale servono lettori a più
basso rumore.
Energia rilasciata nel TeO2
Progetto CALDER
N. Casali , M. Vignati et al, “TeO2 bolometers with Cherenkov signal tagging”, arXiv:1403.5528, 2014
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LUCIFER
Low-background Underground Criogenic Installation For Elusive Rate
✓Segnale bolometrico + luce scintillazione
✓36 cristalli di ZnSe/ZnMoO in 4 torri M=15Kg
✓dimensioni cristallo cilindro 5⦰ x 5 altezza
✓Lettori di luce NTD-Ge
✓ T sensitivity: 1026 y in 5y
Utilizzando in LUCIFER lettori di luce con
sensibilità < 20 eV si possono separare gli
eventi β/γ (100 eV di luce di scintillazione) dai
rinculi nucleari prodotti dalle interazioni di
materia oscura.
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Cryogenic wide-Area Light Detector with Excellent Resolution
Rivelatore ad induttanza cinetica (KID)
a) Se un fotone colpisce la superficie di un superconduttore rompe
alcune coppie di Cooper (figura a), variando l’induttanza cinetica.
(Energia necessaria = frazione di meV).
!
b) Con un film sottile superconduttore si costruisce un circuito LC
(fig. b) ad alto fattore di merito (risonanza molto stretta), lungo cui
viene trasmessa una microonda fissata.
!
c) Sollecitato dalla radiazione incidente il circuito cambia la
Fotone risposta in frequenza (fig. c).
!
d) La fase e l’ampiezza dell’onda subiscono una variazione.
Superconduttore
Più risonatori a accoppiati alla stessa linea, letti dallo stesso canale.
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Cryogenic wide-Area Light Detector with Excellent Resolution
Rivelatore ad induttanza cinetica mediato da fononi
I KIDs funzionano alle microonde, per KIDs
cui le loro dimensioni non possono
Substrato Si
essere maggiori di qualche mm2.
!
Facce dei cristalli di CUORE = 25 cm2
!
Serve un mediatore per assorbire fotoni. fot
oni
fononi
!
Realizzati da
Si utilizza il silicio su cui i KID sono
depositato.
Rivelatore a 4 unità nel supporto in rame
Collegamento linea RF
Fotoni Rivelatore a 9 unità
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Cryogenic wide-Area Light Detector with Excellent Resolution
Specifiche richieste
CUORE + NTD-Ge LD
CUORE + nuovi LD
✔ Area attiva: 25 cm2 divisi in ~10 pixel
Risoluzione in energia < 20 eV RMS
CUORE
✔
✔ Risoluzione temporale : < 10 ms
✔ Temperatura di lavoro: 10 mK
✔ Basso contenuto radioattivo dei materiali utilizzati
Vantaggi:
✔ Tecnologia versatile
✔ Si adatta ad esperimenti già progettati e realizzati
✔ Lettura su un singolo canale di più rivelatori
✔ Elettronica fredda semplice (un singolo LNA per coassiale) Steps futuri
✔ Fabbricazione semplice !
! ✔ Film superconduttore in TiN (maggiore
A che punto siamo? induttanza cinetica e minor energia
! per rompere una coppia)
✔ Film superconduttore in Alluminio ✔ KID con area attiva maggiore
✔ caratterizzazione della risposta dei risonatori ad una ✔ minor numero di pixel per chip
sorgente di luce impulsata (LED) ed alla sorgente di raggi X
( 55Fe).
S. Di Domizio et al., Cryogenic Wide-Area Light Detectors for Neutrino and Dark Matter Searches, J. Low. Temp. Phys., 2013
Sviluppo di rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER 26/09/14 10Alcuni risultati dei test
Usando una fibra ottica si inviano al KID impulsi
LED; il singolo impulso ha energia di 0.7 keV,
aumentando il numero di impulsi inviati si varia
l’energia.
Tdecadimento_fast
Tdecadimento_slow Variazione di fase della microonda
indotta dall’interazione luce LED nel KID
✔ Tempo di salita di circa 5 μs!
✔ Tempo di discesa di 10 μs e 100 μs
Ampiezza (A.U.)
35 keV
21 keV
14 keV
10 keV
✔ L’ampiezza è data dalla differenza fra la linea di 8 keV
base ed il massimo dell’impulso della fase 7 keV
5.6 keV
4.2 keV
Sviluppo di rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER 26/09/14 11Conclusioni
KIDs
Si substrate
CUORE + NTD-Ge LD
ns
phono
CUORE + nuovi LD
ph
oto
ns
CUORE
2020 ? : CUORE + cristalli arricchiti di 130Te + CALDER !
sensibilità sulla massa effettiva di Majorana di circa 30 meV.
M.Vignati, Cryogenic Wide-Area Light Detectors for Neutrino and Dark Matter Searches, Yale University, 2014
Sviluppo di rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER 26/09/14 12FINE
GRAZIE PER L’ATTENZIONE !
13BACKUP SLIDE
14Primo prototipo - CALDER 1
l Ia
w λ (induttività)
s
Fattore di !
uniformità = Ib/Ia
Ib
Lo studio è realizzato con SONNET,
che simula la risposta e la distribuzione
di corrente dei risonatori disegnati.
CARATTERISTICHE GEOMETRICHE RISULTATI di SONNET
#meandri w l s Area attiva
Freq. di
Risonanza α
Fattore di
uniformità
14 80μm 2 mm 20μm 2.4 mm 2.34 GHz 6.2% 81%
μm μm
Si vogliono ottenere sensori con area attiva maggiore ed il massimo α possibile.
Sviluppo di rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER 26/09/14 15Uniformità della corrente
Nei prototipi fin ora testati la corrente è stata uniformata aggiungendo dita
capacitive, ma si può ottenere lo stesso risultato variando la larghezza dei meandri
con la stessa funzione con cui varia la densità ci corrente.
Densità di corrente
costante
=
Risposta uniforme
Variazione della densita' di corrente lungo il risonatore
2
χ / ndf 0.2113 / 11
Densita' di corrente [Ampere/m]
3800
Prob 1
3600 p0 2018 ± 124.6
p1 455.2 ± 29.08
3400 p2 -30.29 ± 1.699
3200
3000
2800
2600
2400
2200
Ib/Ia =25% Ib/Ia =80% 2000
0 2 4 6 8 10 12 14
Indice di meandro
Sviluppo di rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER 26/09/14 16Uniformità della corrente
Nei prototipi fin ora testati la corrente è stata uniformata aggiungendo dita
capacitive, ma si può ottenere lo stesso risultato variando la larghezza dei meandri
con la stessa funzione con cui varia la densità ci corrente.
larghezza larghezza
fissa variabile
# meandri 28 28
Larghezza 80 μm 60-105 μm
Spaziatura 20 μm 20 μm
Area attiva 4.48 mm 4.94 mm
Fattore di
55% 112%
uniformità
Frequenza di
La corrente al bordo è addirittura risonanza
1.81 GHz 1.86 GHz
maggiore di quella al centro. 6,3% 6,1%
α
Valore ottimale 80%
Sviluppo di rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER 26/09/14 17Uniformità della corrente
Poiché il risonatore non è più omogeneo, occorre verificare che la risposta sia uniforme.
Per verificarlo si localizza la rottura della
11 21 31 41 51 61 71 coppie di Cooper in una piccola area.
Spostando tale area nelle posizioni indicate dagli
indici (variando l’area quando ci si sposta su un
meandro differente per metallizzare lo stesso
12 22 32 42 52 62 72
numero di quadrati) si comparano i risultati
ottenuti valutando il parametro:
13 23 33 43 53 63 73
cambia spostando
la metallizzaione
area metallizzata
Se la risposta è omogenea il parametro p resta costante.
Sviluppo di rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER 26/09/14 18Uniformità della corrente
Poiché il risonatore non è più omogeneo, occorre verificare che la risposta sia uniforme.
Meandro f riso (GHz) width Area Hz/um2
ID (um) (um2)
11 3,3883 60 21600 32,41
12 3,3884 60 21600 27,78 Per verificarlo si localizza la rottura della
13 3,3885 60 21600 23,15 coppie di Cooper in una piccola area.
21 3,38815 70 29400 28,91
22 3,3881 70 29400 30,61
Spostando tale area nelle posizioni indicate dagli
23 3,38805 70 29400 32,31 indici (variando l’area quando ci si sposta su un
31 3,38785 75 33750 34,07 meandro differente per metallizzare lo stesso
32 3,3879 75 33750 32,59
numero di quadrati) si comparano i risultati
33 3,38795 75 33750 31,11
41 3,38775 80 38400 32,55
ottenuti valutando il parametro:
42 3,3877 80 38400 33,85
43 3,38765 80 38400 35,16
51 3,3875 85 43350 34,60
52 3,38755 85 43350 33,45 cambia spostando
53 3,3876 85 43350 32,30 la metallizzaione
61 3,3874 90 48600 32,92
62 3,3874 90 48600 32,92
area metallizzata
63 3,3874 90 48600 32,92
71 3,38735 90 48600 33,95
72 3,38735 90 48600 33,95
73 3,38735 90 48600 33,95
Sviluppo di rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER 26/09/14 19Prototipo CALDER2
CALDER 1 CALDER 2
Larghezza 80 μm 58-70 μm
Ia Ib Spaziatura 20 μm 5 μm
Area attvia 2.2 mm 3.8 mm
Fattore di
85% 81%
uniformità
Frequenza di
2.34 Ghz 2.18 Ghz
risonanza
α 6.2% 12.1%
Ottimo risultato dal punto di vista progettuale.
Sarà implementato nei prossimi test.
Sviluppo di rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER 26/09/14 20Puoi anche leggere
