Inelas'c neutron sca.ering and background in double beta - PowerPoint PPT Presentation

Inelas'c ¡neutron ¡sca.ering ¡and ¡ background ¡in ¡double ¡beta ¡decay ¡ Steve ¡Ellio. ¡

Neutron-­‑Related ¡Backgrounds ¡ • The ¡Majorana ¡Demonstrator ¡ uses ¡Ge, ¡Cu ¡and ¡Pb ¡as ¡its ¡3 ¡ largest ¡material ¡components. ¡ GERDA ¡uses ¡lots ¡of ¡Ar ¡(also ¡ related ¡to ¡our ¡dark ¡ma.er ¡ program. ¡ • Need ¡to ¡measure: ¡ – A(n,X)A’ ¡cross ¡sec'ons ¡ – Detector ¡Ac'va'on ¡(MJD) ¡ – (n,n’ γ ) ¡cross ¡sec'ons ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 2 ¡

LANSCE/WNR ¡ Broad ¡spectrum ¡pulsed ¡neutron ¡ beam ¡at ¡LANL ¡ 800 ¡MeV ¡proton ¡LINAC: ¡ Neutrons ¡produced ¡via ¡spalla'on ¡ on ¡a ¡tungsten ¡target ¡ “micropulse” ¡ “ macropulse ” ¡ In-­‑beam ¡neutron ¡flux ¡measurement ¡ made ¡with ¡ 238 U/ 235 U ¡fission ¡chamber ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 3 ¡

GEANIE ¡ (Germanium ¡Array ¡for ¡Neutron ¡Induced ¡Excita'ons) ¡ • 20 ¡BGO ¡suppressed ¡HPGe ¡detectors ¡ 13 ¡coaxial ¡(E γ ¡ < ¡4 ¡MeV) ¡ 2.2 ¡keV ¡at ¡E γ =1332 ¡keV ¡ 15 ¡ns ¡FWHM ¡ 7 ¡planar ¡(E γ ¡ < ¡1 ¡MeV) ¡ 0.9 ¡keV ¡at ¡E γ =122 ¡keV ¡ 10s ¡ns ¡FWHM ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 4 ¡

Enriched ¡Ge ¡ac'va'on ¡ Enriched ¡Ge ¡sample ¡ac'vated ¡ at ¡GEANIE, ¡and ¡counted ¡on ¡ low-­‑background ¡Ge ¡detector ¡ at ¡WIPP. ¡ 10 11 LANSCE Fluence 57 Co Cosmic Ray Flux 10 -3 54 Mn 10 10 68 Ge Production rate [arbitrary units] Fluence [n cm -2 MeV -1 ] Flux [n cm -2 s -1 MeV -1 ] 65 Zn 10 -4 60 Co 10 9 10 -5 10 8 10 -6 10 7 10 -7 10 6 10 -8 10 5 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 100 1000 Energy [MeV] Energy [MeV] 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 5 ¡

enr Ge ¡Results ¡(atoms/kg-­‑d) ¡ (Phys ¡Rev ¡C ¡ 82 ¡054610 ¡(2010) ¡ [14] ¡H. ¡S. ¡Miley, ¡F. ¡Avignone, ¡R. ¡Brodzinski, ¡W. ¡Hensley, ¡and ¡J. ¡Reeves, ¡Nucl. ¡Phys. ¡B ¡(Proc. ¡Suppl.) ¡28A, ¡212 ¡(1992). ¡ [15] ¡F. ¡T. ¡III. ¡Avignone ¡et ¡al., ¡Nucl. ¡Phys. ¡B ¡(Proc. ¡Suppl) ¡28A, ¡280 ¡(1992). ¡ [22] ¡A. ¡Balysh ¡ et ¡al., ¡in ¡Proceedings ¡of ¡the ¡XXVIIth ¡Rencontre ¡de ¡Moriond ¡Progress ¡in ¡Atomic ¡Physics ¡Neutrinos ¡and ¡Gravita?on ¡ (Edi'ons ¡Fron'eres, ¡Singapore, ¡1992), ¡p. ¡177. ¡ [20] ¡I. ¡Barabanov, ¡et ¡al., ¡Nucl. ¡Instrum. ¡Meth.B ¡251, ¡115120 ¡(2006). ¡ [16] ¡S. ¡Cebrian ¡et ¡al., ¡Journal ¡of ¡Physics: ¡Conference ¡Series ¡39, ¡344346 ¡(2006), ¡TAUP ¡2005: ¡Proc. ¡Ninth ¡Int. ¡Conf. ¡on ¡Topics ¡in ¡ Astropar'cle ¡and ¡Underground ¡Physics. ¡ [23] ¡J. ¡Back ¡and ¡Y. ¡Ramachers, ¡Nucl. ¡Instrum. ¡Meth. ¡A ¡586, ¡286 ¡(2008). ¡ [21] ¡D.-­‑M. ¡Mei, ¡Z.-­‑B. ¡Yin, ¡and ¡S. ¡R. ¡Ellio., ¡Astropart. ¡Phys. ¡31, ¡417420 ¡(2009), ¡arXiv:0903.2273 ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 6 ¡

Pb ¡Ac'va'on ¡ Pb ¡ac/va/on ¡(presence ¡of ¡long-­‑lived ¡nuclides) ¡previously ¡unknown ¡ Pb ¡irradiated ¡at ¡4FP60R ¡(GEANIE) ¡in ¡2003 ¡and ¡2006 ¡ Counted ¡on ¡low ¡background ¡detector ¡at ¡WIPP ¡ Neutron ¡energy ¡spectrum ¡at ¡ ¡ TALYS ¡produc/on ¡cross ¡sec/on ¡ LANSCE ¡4FP60R ¡(GEANIE) ¡ 350 194 Hg 202 Pb 10 2 10 12 300 LANSCE Fluence production cross section [mb] Cosmic Cosmic Flux [n/cm 2 /day/MeV] 250 Fluence [n/cm 2 /MeV] 10 11 10 1 200 150 10 10 10 0 100 10 9 50 10 -1 0 10 1 10 2 10 3 10 1 10 2 10 3 Neutron Energy [MeV] Neutron Energy 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 7 ¡

Results ¡-­‑ ¡Preliminary ¡ Isotope ¡ Meas. ¡Rate ¡ TALYS ¡ 194 Au ¡(via ¡ 194 Hg) ¡ 7.1 ¡± ¡1.1 ¡atoms/kg-­‑d ¡ 16 ¡ 202 Tl ¡(via ¡ 201 Pb) ¡ 26 ¡± ¡6 ¡ 77 ¡ 207 Bi ¡ 0.14 ¡± ¡0.03 ¡ N/A ¡ Au ¡and ¡Bi ¡both ¡have ¡ high ¡Q ¡values. ¡Could ¡be ¡ ββ background ¡for ¡Ge. ¡ ββ Surface ¡exposures ¡of ¡ less ¡than ¡35 ¡years ¡result ¡ in ¡negligible ¡ background. ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 8 ¡

Detector ¡Ac'va'on ¡ Ice ¡House ¡beam ¡similar ¡to ¡cosmic ¡ray ¡ spectrum. ¡Produces ¡cosmogenic ¡isotopes ¡in ¡ detector. ¡Want ¡to ¡show ¡that ¡external ¡ calibra/ons ¡acurately ¡describe ¡internal ¡ decays. ¡ BEGe ¡PPC ¡Detector ¡ Semi-­‑Coax ¡Detector ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 9 ¡

Single ¡Site ¡Events ¡ Iden/fied ¡a ¡nearly ¡pure ¡sample ¡of ¡SSE, ¡ β + ¡events ¡in ¡detector ¡ triple-­‑coincidence ¡data ¡(tagging ¡511-­‑keV ¡annihila/on ¡gammas ¡ externally. ¡ 68 Ge ¡is ¡cri/cal ¡background ¡in ¡Ge ¡experiments. ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 10 ¡

Results ¡ • The ¡Semi-­‑coax ¡PSA ¡work ¡has ¡come ¡to ¡a ¡ conclusion! ¡ • ¡A ¡systema'c ¡error ¡of ¡~-­‑15% ¡observed ¡in ¡SSE ¡ survival ¡probability ¡compared ¡to ¡expecta'on ¡ (moment-­‑based ¡PSA). ¡ • ¡A.ributable ¡to ¡bias ¡in ¡DEP ¡event ¡loca'on. ¡ • ¡PPC ¡PSA ¡methods ¡should ¡not ¡be ¡suscep'ble ¡to ¡ this ¡bias ¡ • About ¡100 ¡days ¡of ¡BEGe ¡7-­‑detector ¡array ¡data ¡ collected, ¡more ¡on ¡the ¡way. ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 11 ¡

Energy ¡dependent ¡spectra ¡ 39 Ar, E = 1267 keV � (n,n’) ¡reac/ons ¡excite ¡a ¡large ¡number ¡of ¡ GEANIE TALYS 1.2 possible ¡states ¡in ¡a ¡variety ¡of ¡isotopes. ¡Hence ¡ 1 Cross Section [barns] the ¡background ¡almost ¡becomes ¡a ¡ con/nuum. ¡At ¡the ¡tonne ¡scale ¡with ¡ -1 10 background ¡goals ¡of ¡0.1 ¡– ¡1 ¡count/ROI-­‑tonne-­‑ year, ¡these ¡become ¡a ¡major ¡concern. ¡ -2 10 0 10 20 30 40 50 E [MeV] n 6 40 10 Ar, E = 1461 keV 1 < E < 10 MeV 40 � Ar n GEANIE 40 10 < E < 25 MeV Ar 39 Ar n Mathur and Morgan 5 25 < E < 50 MeV 10 n TALYS 1.2 39 Cross Section [barns] Ar 1 4 10 Counts 3 10 2 10 -1 10 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 5 10 15 20 25 30 35 Energy [keV] E [MeV] n 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 12 ¡

(n,n’) ¡Program ¡ • Few ¡measurements ¡in ¡ ββ ββ cri/cal ¡region. ¡ • Cross ¡sec/ons ¡set ¡to ¡zero ¡when ¡no ¡measurements ¡available. ¡ • Forces ¡reliance ¡on ¡models ¡– ¡great ¡variance ¡in ¡agreement ¡ Excited ¡Nuclear ¡State ¡Energy ¡(MeV) ¡ with ¡data, ¡and ¡uses ¡only ¡sta/s/cal ¡photon ¡emission; ¡not ¡ state ¡specific ¡decays. ¡ 4 ¡ ββ ¡Cri/cal ¡ ββ 3 ¡ Region ¡ Our ¡Data ¡ 2 ¡ 1 ¡ Previous ¡ Available ¡Data ¡ 20 ¡ 25 ¡ 10 ¡ 15 ¡ 5 ¡ Neutron ¡Energy ¡(MeV) ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 13 ¡

Ar(n,n’ γ ) ¡in ¡Ge ¡ROI ¡ We ¡have ¡searched ¡for ¡such ¡ dangerous ¡lines ¡in ¡many ¡ ββ isotopes. ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 14 ¡

Pb(n,n’ γ ) ¡Measurements ¡ V.E. ¡Guiseppe ¡et ¡al. ¡(2009) ¡PRC ¡ 79, ¡054604 ¡ ¡ nat Pb(x,xn γ ) 206 Pb ¡2041 ¡keV ¡ nat Pb(x,xn γ ) 207,208 Pb ¡3062 ¡keV ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 15 ¡

Pb(n,n’ γ ) ¡near ¡ROI ¡ 11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 16 ¡