Sviluppo di rivelatori ad induttanza cinetica per CUORE e LUCIFER

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
doppio beta
elemento di matrice
nucleare
✓ Il neutrino è una particella di Majorana?
✓ Il numero leptonico è conservato?
✓ Indicazioni sulla massa del neutrino
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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
Rame
208Tl
190Pt
Picchi γ
0νββ
CUORE - 0
+
Fondo α piatto
RISULTATI ATTESI
✓
Risoluzione 5 keV FWHM
✓
Fondo 0.01 conteggi/keV/kg/anno
✓
Sensibile ad una vita media di 1026 anni in 5 anni
Segnatura: picco nella distribuzione dell’energia
ricostruita in corrispondenza del Q-valore del
decadimento (2527 keV per il 130Te).
CUORE collaboration, Searching for neutrinoless double-beta decay of
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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 ✔
Eα > 400 MeV ✘
900 eV di Luce Cherenkov
DISCO DI GERMANIO
operante come bolometro
applicato al
CRISTALLO di CUORE
Termistore
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 ✔
Eα > 400 MeV ✘
900 eV di Luce Cherenkov
Luce Cherenkov [keV]
Vengono rivelati soltanto
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
✓36
bolometrico + luce scintillazione
cristalli di ZnSe/ZnMoO in 4 torri M=15Kg
✓dimensioni
✓Lettori
✓
cristallo cilindro 5⦰ x 5 altezza
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
risposta in frequenza (fig. c).
Fotone
!
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
cui le loro dimensioni non possono
essere maggiori di qualche mm2.
!
Facce dei cristalli di CUORE = 25 cm2
!
Serve un mediatore per assorbire fotoni.
!
Si utilizza il silicio su cui i KID sono
depositato.
KIDs
Substrato Si
fot
fononi
oni
Realizzati da
Rivelatore a 4 unità nel supporto in rame
Collegamento linea RF
Fotoni
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Rivelatore a 9 unità
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✔
attiva: 25 cm2 divisi in ~10 pixel
Risoluzione in energia < 20 eV RMS
✔ Risoluzione
temporale : < 10 ms
✔ Temperatura
✔
CUORE
✔ Area
di lavoro: 10 mK
CUORE + nuovi LD
Specifiche richieste
CUORE + NTD-Ge LD
Cryogenic wide-Area Light Detector with Excellent Resolution
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)
✔ Fabbricazione semplice
✔
!
Steps futuri
!
✔
A che punto siamo?
!
✔
✔
Film superconduttore in Alluminio
caratterizzazione della risposta dei risonatori ad una
sorgente di luce impulsata (LED) ed alla sorgente di raggi X
( 55Fe).
✔
✔
Film superconduttore in TiN (maggiore
induttanza cinetica e minor energia
per rompere una coppia)
KID con area attiva maggiore
minor numero di pixel per chip
S. Di Domizio et al., Cryogenic Wide-Area Light Detectors for Neutrino and Dark Matter Searches, J. Low. Temp. Phys., 2013
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Alcuni 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
✔
Ampiezza (A.U.)
✔
Tempo di salita di circa 5 μs!
Tempo di discesa di 10 μs e 100 μs
35 keV
21 keV
14 keV
✔
L’ampiezza è data dalla differenza fra la linea di
base ed il massimo dell’impulso della fase
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10 keV
8 keV
7 keV
5.6 keV
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4.2 keV
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Conclusioni
KIDs
ns
oto
phono
CUORE
ns
CUORE + nuovi LD
ph
CUORE + NTD-Ge LD
Si substrate
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
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FINE
GRAZIE PER L’ATTENZIONE !
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BACKUP SLIDE
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Primo prototipo - CALDER 1
l
w
Ia
λ (induttività)
s
Fattore di
uniformità
Ib
!
= Ib/Ia
Lo studio è realizzato con SONNET,
che simula la risposta e la distribuzione
di corrente dei risonatori disegnati.
CARATTERISTICHE GEOMETRICHE
#meandri
14
w l
s
Area attiva
80μm 2 mm 20μm 2.4 mm
μm
μm
RISULTATI di SONNET
Freq. di
Risonanza
α
Fattore di
uniformità
2.34 GHz
6.2%
81%
Si vogliono ottenere sensori con area attiva maggiore ed il massimo α possibile.
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Uniformità 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
Densita' di corrente [Ampere/m]
2
χ / ndf
3800
0.2113 / 11
Prob
3600
3400
1
p0
2018 ± 124.6
p1
455.2 ± 29.08
p2
-30.29 ± 1.699
3200
3000
2800
2600
2400
Ib/Ia =25%
Ib/Ia =80%
2200
2000
0
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2
4
6
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10
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Indice di meandro
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Uniformità 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.
La corrente al bordo è addirittura
maggiore di quella al centro.
Valore ottimale 80%
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larghezza
fissa
larghezza
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
uniformità
55%
112%
Frequenza di
risonanza
1.81 GHz
1.86 GHz
α
6,3%
6,1%
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Uniformità della corrente
Poiché il risonatore non è più omogeneo, occorre verificare che la risposta sia uniforme.
11 21 31 41 51 61 71
12 22 32 42 52 62 72
Per verificarlo si localizza la rottura della
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
numero di quadrati) si comparano i risultati
ottenuti valutando il parametro:
cambia spostando
la metallizzaione
13 23 33 43 53 63 73
area metallizzata
Se la risposta è omogenea il parametro p resta costante.
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Uniformità della corrente
Poiché il risonatore non è più omogeneo, occorre verificare che la risposta sia uniforme.
Meandro
ID
f riso (GHz) width
(um)
Area
(um2)
Hz/um2
11
3,3883
60
21600
32,41
12
3,3884
60
21600
27,78
13
3,3885
60
21600
23,15
21
3,38815
70
29400
28,91
22
3,3881
70
29400
30,61
23
3,38805
70
29400
32,31
31
3,38785
75
33750
34,07
32
3,3879
75
33750
32,59
33
3,38795
75
33750
31,11
41
3,38775
80
38400
32,55
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
53
3,3876
85
43350
32,30
61
3,3874
90
48600
32,92
62
3,3874
90
48600
32,92
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
Per verificarlo si localizza la rottura della
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
numero di quadrati) si comparano i risultati
ottenuti valutando il parametro:
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cambia spostando
la metallizzaione
area metallizzata
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Prototipo CALDER2
Ia
Ib
CALDER 1
CALDER 2
Larghezza
80 μm
58-70 μm
Spaziatura
20 μm
5 μm
Area attvia
2.2 mm
3.8 mm
Fattore di
uniformità
85%
81%
Frequenza di
risonanza
2.34 Ghz
2.18 Ghz
α
6.2%
12.1%
Ottimo risultato dal punto di vista progettuale.
Sarà implementato nei prossimi test.
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