Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус...

20
Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино Старостин А.С. ИТЕФ
  • date post

    18-Dec-2015
  • Category

    Documents

  • view

    266
  • download

    1

Transcript of Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус...

Page 1: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07

г., ИТЭФ

Статус экспериментальных работ по

измерению магнитного

момента нейтрино

Старостин А.С.

ИТЕФ

Page 2: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

Science motivation of the searching for μ minimally-extended Standard Model:

μ ~ 10–19 B (m / 1eV)

(B = eh /2me Bohr magneton) number of extensions beyond the MSM independently of

neutrino mass:

μ ~ 10–10 - 10–12 B

limits for the NMM from astrophysics (0.4 – 0.05) 10–10 B

(model dependent !!!)

it is necessary to make laboratory measurements sensitive

enough to reach ~ 10 –11 B region and test hypotheses beyond the MSM .

Page 3: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

Experimental measurements μ

The effects of the NMM can be searched for in the recoil electron spectrum from - e scattering.

For a non-zero NMM the differential over the kinetic energy T of the recoil electron cross section d/dT is given by

At small recoil energy in d/dT the weak part practically constant, while the EL one grows as 1/T towards low energies.

As a neutrino source in the experiments it’s used solar neutrino and reactor antineutrino. In future it’s planes to use artificial neutrino sources.

(d/dT)weak + (d/dT)EL

Page 4: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино
Page 5: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

Солнечные нейтрино

p + p d + e+ +e (E 0,420 MeV)

p + e- + p d +e (E =1,442 MeV)

3He +p 4He+ e+ +e(18,77 MeV)

7Be + e- 7Li +e (E =0,862 MeV)

8B 7Be* + e+ +e (E 14,6 MeV)

Ф ~ 6 1010 см -2с -1

Page 6: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

Limit for the NMM from solar data The spectrum distortion analysis of SK electron recoil spectrum can

allow to set limit of : [hep-ex/0402015]

3.6 10-10B at 90% CL – SK data alone

1.1 10-10B at 90% CL – SK + constrains from the other solar neutrino and KamLAND results (Δm2 = 6.6 10-5 eV2, tan2 θ = 0.48).

BOREXINO claim (2010)

3.0 10–11 B

Page 7: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

The average figures for LWR:

Fuel composition→ 235U , 239Pu , 238U , 241Pu

Average energy per fission Ef = 205.3 Mev.

Number of the fiss. / sec Nf = W/ Ef = 9.14×10 19 f/s n per fiss. = 7.2 → 6.0 ( fiss. fragments) + 1.2 ( 238U n,γ 239U → 239Np → 239Pu)

0 2 4 6 81E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

0 < E < 9 MeV

An

tin

eu

trin

o s

pe

ctr

um

, 1

/(M

eV

*fissio

n)

Energy, MeV

F = n W/E = 6.4 × 10 20 /3GWth/secAt R = 14 m f 3 × 10 13 /cm 2 sec

Reactor as a source of antineutrino

Page 8: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

MUNU experiment

France, Switzerland, Italy NPP (2800MWth) Bugey, France CF4 TPC total mass 11.4 kg Measurements e - scattering angle

with respect to R core direction MUNU data (66.6 d ON/16.7 d OFF)

[PLB 564, 2003; hep-ex/0502037] Limits depends on energy range

taken : T > 900 keV [PLB 564, 2003]

< 1.0 10 -10 B (90% CL) T > 700 keV [ hep-ex/0502037]

< 9.0 10 -11 B (90% CL)

Page 9: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

TEXONO experiment

Collaboration: Taiwan, China, Turkey

Kuo-Sheng PP in Taiwan. Reactor thermal power - 3 GW.

Distance from center of reactor core 28

-flux equal ~ 7×1012 / cm 2 / s

HPGe mass 1 kg enclosed by active NaI/CsI anti-Compton, further by passive shielding & cosmic veto

Page 10: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

TEXONO result TEXONO data (197/52 days ON/OFF - 2003) [PRL 90, 2003] (571/128 days ON/OFF - 2006) [hep-ex, 0605006]

BG level at 10-20 keV : ~ 1 day-1 keV-1kg-1 (cpd)

analysis threshold 12 keV

No excess of counts ON/OFF comparison

Limit:

< 7.4 10 -11 B (90% CL)

Page 11: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

Experiment GEMMA ((GGermanium ermanium EExperiment for measurement xperiment for measurement

of of MMagnetic agnetic MMoment of oment of AAntineutrino) ntineutrino)

ITEP – LNP JINR DubnaITEP – LNP JINR Dubna

[Phys. of At.Nucl.,70,№11(2007)1873]

Spectrometer includes a Spectrometer includes a HPGeHPGe detector of detector of 1.5 kg1.5 kg installed within installed within NaINaI active active shielding. shielding.

HPGe + NaI are surrounded with multi-HPGe + NaI are surrounded with multi-layer passive shielding layer passive shielding electrolytic electrolytic coppercopper, borated , borated polyethylenepolyethylene and and leadlead..

Circuit noises were discriminated by means method of frequency analysis of signals.

Page 12: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

Reactor #2 of the

“Kalininskaya” Nuclear Power Plant

(400 km North from Moscow)

Technological roomjust under reactor

14.0 m14.0 m only!

Power: 3 GWON: 300300 days/yOFF: 6565 days/y

Total mass above(reactor, building, shielding, etc.):

~70 m~70 m of W.E.

Page 13: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

0 500 1000 1500 2000 2500

1E-3

1E-2

1E-1

1E+0

1E+1

1E+2

1E+3

1E+4

1E+5

1E+6

1E+7

1E+8

êýÂ

Ñ÷åò / êý / êã / ä åí ü

Cs-137 Co-60

K-40

Cs-134

Tl-208

U-238+

Áåç çàù è òû

Óñòàí î â ë åí àï àññè â í àÿ çàù è òà

Âêë þ ÷åí ààêòè â í àÿ çàù è òà

Th-232+

Page 14: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

EnergyADCAmp. Gedetector

ADC-1

ADC-2

E1

E2

1

2

High freq. noise: E1 > E2

Real signal: E1 = E2

Low freq. noise: E1 < E2

Page 15: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

E [keV]

3..4

2

5..8

9..16

17..32

33..64

65..128

1

129..256

257..512

513..1024

1025..2048

2049..

Color LOG-scale:

E (ADC-1)

E (ADC-2)

Page 16: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 êýÂ

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Pb-210

Ge-73 Pb-212Pb-214

Th-234

Xe-133

Ñ÷åò / 0.1 êý / êã / ä åí ü

Ge-68

ПослеФурье-фильтрации

4 6 8 10 12 14 16 18

1000

100

10

1

0.1

X[Ga] + 10.86% X[Zn]( Ge-68 )ðàñï àä

Page 17: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

The sensitivity of the current experiment

4

1

1

mt

BN

NN : number of signal events expected

BB : background level in the ROI

mm : target (=detector) mass

t t : measurement time

N ~~ ( ~ Power / r 2 ) ~~ log( Tmax / Tmin )

GEMMA I 2005 – 2008

~~ 2.7 ×1013 / cm2 / s

t ~ 3 years

B ~ 2.5 keV-1 kg-1 day-1

m ~ 1.5 kg T-th ~ 3.0 keV

4 10 -11 B

Page 18: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

Preliminary result for 2 years

(anti)neutrino magnetic moment:

µ ≤ 5.8∙10–11 µB (90% CL)

Available as (hep-ex/0705.4576, Yad. Phys.(2007) 70, p.1925)

Status : “on” 446.9 d / “off” 123.2 d – collected “on” 216 d / “off” 77.2 d - processed

Page 19: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

GEMMA II 2009 – 2011

Distance: 14m → 10m ~ 5.4×1013 / cm2 / s t ~ 3 years B ~ 0.2 keV -1 kg -1 day-1 m ~ 6.5 kg (two detectors) T-th ~1.2 keV

GEMMA III

expected sensitivity in future experiments

1 10 –11 B

Page 20: Сессия ЯФ ОФН РАН, 30.11.07 г., ИТЭФ Статус экспериментальных работ по измерению магнитного момента нейтрино

Summary

For last years general results were obtained in reactor experiments

Now best limit on NMM µ ≤ 5.8∙10–11 µB (90% CL)

The GEMMA II planes to reach sensitivity to 2011y.

µ ~ (1.0 ÷1.5) ∙10–11 µB