6-2016 Conf slides with notes (final)

20
1 Possibili)es for terrestrial detec)on of kevmass ‘sterile’ neutrinos Peter F Smith (UCLA, RAL) Brief review of Direct detec)on of sterile ν dark maGer • Inverse beta decay • electron scaGering Detec)ng rare sterile ν events in beta decay • End point of Tri)um beta spectrum ν mass reconstruc)on in Kcapture events

Transcript of 6-2016 Conf slides with notes (final)

Page 1: 6-2016 Conf slides with notes (final)

1  

Possibili)es  for  terrestrial  detec)on  of    kev-­‐mass  ‘sterile’  neutrinos  

 Peter  F  Smith    (UCLA,  RAL)  

Brief  review  of      Direct  detec)on  of  sterile  ν  dark  maGer    

       •    Inverse  beta  decay          •    electron  scaGering    Detec)ng  rare  sterile  ν events  in  beta  decay    

       •  End  point  of  Tri)um  beta  spectrum          •  ν mass  reconstruc)on  in  K-­‐capture  events    

Page 2: 6-2016 Conf slides with notes (final)

       (3)    Possible  galac)c  3.5  X-­‐ray  signal  could  be  decaying  7  keV    νs  

2  

(1)    Exis)ng  neutrino  family  looks  incomplete  

(2)  Theore)cal  studies  for  >  20  years  show  keV-­‐mass  νs is  a  convincing  DM  candidate  

1994:      Dodelson  &Widrow,  propose  ~  30  –  300  eV  sterile  ν  as  dark  maGer    

1999  :    Shi  &  Fuller    propose    0.1  –  10  keV    sterile  ν  as  dark  maGer    

2000  –  2010:    >  40  papers  &  reviews  confirming  that  a  keV-­‐mass  sterile  ν matches  DM  requirements  

Galac)c  dark  maGer  may  be  keV-­‐mass  sterile  neutrinos  

                     text  book  list  of    weak  couplings  to  Z  boson  show  missing  RH  ν current  (and  LH  ν)    -­‐    

leptons    quarks  

100                  10  

             1  

     10-­‐12                10-­‐11              10-­‐10              10-­‐9              10-­‐8                10-­‐7        10-­‐6              

mνs  keV    

mixing  (sin2  2θ)      

Excluded  X-­‐ray  region  (100%  DM  =  sterile  ν)

sin2  2θ ~  10-­‐10      if  100%  DM                              ~  10  -­‐9        if    10%  DM  

2014    Boyarsky  et  al  ,      Bulbul  et  al  

Page 3: 6-2016 Conf slides with notes (final)

Direct  detec)on  of  dark  maGer  sterile  neutrinos  by  inverse  beta  decay  ?  

 

For  7  keV,    Li  &  Xing  PLB2011  find  10  events/year          for  10  kg          3H        (t1/2  =  12y)            or      1  ton  106Ru    (t1/2    =    1y  )  needs  replenishment  !            

Must  be  in  the  form  of  gas  or  surface  layers  to  detect  the  electrons.  Not  feasible  in  near  future.          Li  &  Xing:  “may  not  be  hopeless  in  the  long  run”  

Example:  normal  β  decay    3H    -­‐>  3He+    +  e-­‐  +  νimplies  inverse    νs + 3H  -­‐>    3He  +  e-­‐    

Would  give  events  beyond  the  β  decay  end  point  separated  by  an  energy  mνs

Proposed  30  years  ago  to  detect  relic  neutrino  background,  but  needed  large  tri)um  target    (now  aim  of  PTOLEMY)    Same  principle  would  detect  sterile  ν dark  maGer      

3  

Page 4: 6-2016 Conf slides with notes (final)

4  

Direct  detec)on  of  dark  maGer  sterile  neutrinos  by  electron  scaGering  ?  

νs"νs"

νs"νs"

e$"

e$""

e$"

e$""

Z"

N"

N"

W"

Atom"

Atom"

Sufficient  energy  transfer  to  produce  ioniza)on  

Rate  ~  1  event/year/kiloton  (inc  Z2  coherence)  

Ando  &  Kusenko  PRD  2010  

But  for  ms  ~  7  keV,    coupling  ~  10-­‐9  

 

1  km  

1  km  

1  km  Also  νs  decay  to  X-­‐ray  

In  an  enclosure  Rate  ~  1  event/year/km3  

Page 5: 6-2016 Conf slides with notes (final)

5  

Distor)on  of    beta  spectrum  by  sterile  neutrino  admixture  Basis  of  aGempts  over  30  years  to  measure  ν  mass*  by  its  effect  on  the  end  point  of  a  beta  spectrum.    

(*nowadays  νe  ≡  sum  over  three  mass  eigenstates)  

from    F  Bezrukov      Conf:  New  Instrumenta)on  for  Par)cle  Physics  (CERN  2008)      

Exis)ng  direct  limits  on  mass  and  coupling  (mainly  spectrum  kink  searches)    

Page 6: 6-2016 Conf slides with notes (final)

6  

KATRIN  high  resolu)on  spectrometer  70m  x  10m  Aims  to  measure  sub-­‐eV  ν  mass  from  end-­‐point  

KATRIN  also  analyzing  spectrum  for    admixture  of  sterile  ν  events.    

Susanne  Mertens  et  al    arXiv:1409.0920v2  (2014):    

(a)  3-­‐year  mixing  limit  10-­‐7-­‐10-­‐8  for  design  T  source.    

(b)  Future  limit  10-­‐9  (3y)  achievable  with  10x  source.    

(c)  Thus  10-­‐10  (3y)  achievable  with  100x  source.  

(a)  (b)  (c)  

Possible  future  limits  from  KATRIN  

Page 7: 6-2016 Conf slides with notes (final)

Reconstructed  mν2

keV2  0                                            50                                          100  

No  of  events  

keV  sterile  νs  seen  as  separated  popula)on  

High  precision  )me  of  flight  measurements  needed  to  achieve  6σ  separa)on  from  zero  mass  peak  

Detec)on  of  sterile  ν  in  beta  decay  by  total  energy-­‐momentum  reconstruc)on  

mν2  =  [Q  -­‐  Ee  -­‐  Eγ  -­‐  EN]2      -­‐      [  pγ  +  pe  +  pN  ]2  

electron  pe  

recoil  ion  pN  neutrino    

β-­‐decay  atom  in  trap  

trigger  gamma  pγ

Beta  decay  with    electron  emission  

Beta  decay  by    K-­‐capture  

recoil  ion  pN  neutrino    

K-­‐capture  atom  in  trap  

trigger  X-­‐ray  pγ low  energy  Augers  pea  

mν2  =  [Q  -­‐  Ea  -­‐  Eγ  -­‐  EN]2      -­‐      [  pγ  +  pea  +  pN  ]2  

Recent  studies  show  this    may  now  be  feasible  

Page 8: 6-2016 Conf slides with notes (final)

8  

Not  a  new  idea  -­‐  suggested  for  over  20  years.                          but  reaching  masses  <  100  keV  and  <  10-­‐4  mixing  is  very  difficult  (‘challenging’)  

Proposed  3H  decay  reconstrucKon    for  17  keV  neutrino  with  mixing  ~  10-­‐2    

1992  

Used  37Ar  K-­‐capture  reconstrucKon  to  set  limit  ~  10-­‐2    at  300-­‐600  keV      

1998  

Used  38mK  decay  reconstrucKon    to  set  limit  ~  10-­‐2    at  0.7-­‐3.5  MeV      

2003  

Discussion  of  3H  decay  reconstrucKon    for  keV  masses  &  mixing  <  10-­‐6  

2007  

                                                     

Page 9: 6-2016 Conf slides with notes (final)

9  

Used  extensively  for  20  years  for  3-­‐D  studies  of  atom-­‐atom  and  photon  atom  collisions  

COLTRIMS  –  COLd  Target  Recoil  Ion  Mass  Spectroscopy  

MOT    -­‐    Magneto-­‐Op)cal  Trap  

Developed  for  over  20  years  for    Cooling  and  suspension  of  neutral  atoms    

             No  of  trapped  atoms:      108-­‐  1012                      effec)ve  temperature:  10  -­‐  100  µK    

)me  of  flight  precision    200  ps  spa)al  precision  (MCP)    40  µm    

(supplied  by  Roentdek,  Germany)      

Page 10: 6-2016 Conf slides with notes (final)

Trapped  atoms            

Laser  beam  3  

MCP  array    for  recoil  ion   Auger  electrons    .  

<-­‐-­‐-­‐Recoil  ion  

Trigger    X  ray  

Posi)on  sensi)ve    X-­‐ray    &  Auger    detector  arrays  

Plane  of  laser  tbeams  1  and  2  

3m  

Am)-­‐Helmholz  coils  Anri-­‐Helmholz  coils  

mu  metal  magne)c  screen  

neutrino.  

BaF2  SiPM  

plas)c  grid  

phoswitch  +  mul)-­‐anode  SiPM  array  

grid  

Basic  geometry  for  3-­‐D  )me-­‐of  flight  measurements  

Page 11: 6-2016 Conf slides with notes (final)

11  

Some  backgrounds    

residual  gas  scaGers   Radioac)vity  &  untrapped  atoms  cosmic  ray  muons  

Reject  by  real  )me  tests  -­‐    most  self-­‐vetoing:          •    Signals  not  in  correct  )me  window          •    Signal  pulses  wrong  size  or  shape          •    X-­‐Ray  triggers  not  followed  by  Augers  in  200ns          •    Mass  reconstruc)on  mν

2=[Q-­‐  Ee-­‐  Eγ  -­‐EN]2  –  [pγ+pe+pN]2    nega)ve  or  wrong  magnitude    

               Backgrounds  found  tolerable  in  published  MOT  atomic  experiments      

                                                                                                                                                                                       

Page 12: 6-2016 Conf slides with notes (final)

12  

Requirements  to  reach  mass  and  coupling  levels  of  the  X-­‐ray  signal  ?  

•  need  >  6  sigma  separa)on  of        signal  from  zero  mass  peak    

•  kinema)c  simula)ons  show        possible  with  ±  0.2  ns  )ming      and  ±  0.1  degrees  X-­‐ray  direc)on  

100                    10                      1  

10-­‐12              10-­‐11              10-­‐10              10-­‐9                  10-­‐8                  10-­‐7          10-­‐6              

mνs  keV    

mixing  (sin2  2θ)      

Excluded  by  astronomical  X-­‐ray  observa)ons  (100%  DM  =  sterile  ν)

•  needs  1011  reconstructed  decays/y  for  5-­‐10  events/y    

•  analysis  of  3000  events/s    –    achieved  in  COLTRIMS  expts    

•  fast  decaying  isotope:  eg  Cs131  (t1/2=10  days)  good  for  MOT    

feasible  in  principle  

Page 13: 6-2016 Conf slides with notes (final)

13  

EsKmate  from  X-­‐ray  peak  

10-­‐12              10-­‐11              10-­‐10              10-­‐9                  10-­‐8                  10-­‐7          10-­‐6              

mνs  keV    

mixing  (sin2  2θ)      

Excluded  by  astronomical  X-­‐ray  observa)ons  (100%  DM  =  sterile  ν)

100                                                                10                      1  

mνs  keV    

mixing  (sin2  2θ)      

100                                                                10                      1  

Possible  coverage  of  Cs131  mass  reconstrucKon  search  

10-­‐12              10-­‐11              10-­‐10              10-­‐9                  10-­‐8                  10-­‐7          10-­‐6              

131Cs  K-­‐capture  has  Q  =  352  keV  -­‐  allows  sterile  mass  range  5  -­‐350  keV  

all  masses  searched        at  the  same  )me    –  several  peaks        could  be  seen)  

Page 14: 6-2016 Conf slides with notes (final)

14  

Event  )melines  –  no  overlapping  

X-­‐ray  trigger  

Auger  electrons  

Recoil  ion  

0.2µs  

200µs  

15µs  average  trigger  interval  

•  find  trigger  with  matching  Auger  and  ion  signals    •  wait  for  comple)on  of  event  before  searching  for  next  matching  set  

(shown  )mescales  not  linear)  

Decays   1.5µs  average  decay  interval   )me  

)me  

)me  

)me    average  300µs  

Page 15: 6-2016 Conf slides with notes (final)

15  

Faster  processing  with  overlapping  events  

.•  search  for  overlapping  events  by  matching  corresponding  Auger  and  ion  signals  •  BUT  majority  of  events  are  incomplete  (Auger  and/or  ion  signals  missing)    •  thus  overlap  allows  more  analyzed  events/year,  but  so�ware  analysis  complex    

X-­‐ray  trigger  

Auger  electrons  

Recoil  ion  

0.2µs  

200µs  

Decays  

(shown  )mescales  not  linear)  

Page 16: 6-2016 Conf slides with notes (final)

16  

CACHE    (Cesium  Atomic-­‐electron  Capture  with  Heavy  neutrino  Emission)    

   C  J  Martoff,    J  Napolitano  (Temple)    E  R  Hudson,  H  Wang,  P  F  Smith  (UCLA)        A  Renshaw  (Houston),  G  M  Fuller  (UCSD,  theory),  E  Grohs  (Michigan,  theory)    

Proposal  submiGed  based  on  Cs131:  

         Smaller-­‐scale  phase  1  experiment            confirming  mass  reconstruc)on  &  background  rejec)on    

             Ini)al  objec)ves                                  •  100  processed  events/h                •    coupling  sensi)vity    ~  10-­‐6  in  400d  running                •    mass  sensi)vity    ~  30-­‐300  keV                Could  be  upgraded    to  a  fully  instrumented  phase  2                reaching  sensi)vity  <  10-­‐10  and  7  keV  mass  

Page 17: 6-2016 Conf slides with notes (final)

recoil  ion     electron  neutrino    

νe = c11ν1  +  c12ν2    +  c13ν3    +  c14νs    +    ?  

recoil  ion  wave  components     neutrino  wave  packet  components    

Detec)on  of  recoil  collapses  combined  wave  func)on  

100cm,  1  ms    

Wave  func)on  collapse  to  sterile  ν  

300  km  

K-­‐capture  provides  example  of  wave  packet  collapse  and  ‘EPR  paradox’  

different  masses  -­‐>  different  momenta  and  speed  

mass  eigenstates  

Page 18: 6-2016 Conf slides with notes (final)

18  

Summary    

         •  keV  mass  sterile  neutrinos  are  a  strong  dark  maGer  candidate      

               •  Detec)ng  keV  sterile  neutrinos  in  the  laboratory  will  be  feasible    

Page 19: 6-2016 Conf slides with notes (final)

19  

Page 20: 6-2016 Conf slides with notes (final)

20  

•  X-­‐ray  leaves  another  vacancy,  producing  a        cascade  of  electron  transi)ons,  including            Auger  electron  emission    •  Choice  of  N-­‐shell  X-­‐ray  as  trigger  gives  only            1  or  2  Augers  of  60-­‐120  eV,  whose  momentum          and  direc)on  must  be  measured.  

pν  

recoil  ion  131Xe    

neutrino    

Trigger  X-­‐ray  30  keV    Auger  electrons  ~  60-­‐120  eV  

 pe  

pΝ3  

pΝ2   pΝ1

 

θα131Cs  

Auger  electrons  

O      N      M      L      K  

nucleus  

K-­‐capture  

X-­‐ray  

Internal  electron  transi)ons  with  Auger  electron  emission  

Auger  electrons  

Typical  atomic  level  diagram  

(vacancy)