L'argomento di questo lavoro di tesi è la ricerca di vari processi rari con l'apparato a Xenon liquido dell'esperimento DAMA nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN. Tale apparato è uno scintillatore puro, ha ~2 l di volume sensibile (~6.5 kg di liquido) e può utilizzare alternativamente due gas di Xenon: uno arricchito in 129Xe al 99.5%, l'altro in 136Xe al 68.8% e in 134Xe al 17.1% (questo ha permesso anche di effettuare in questa tesi uno studio preliminare del VPIE [vapour pressure isotope effects] in Xenon). In particolare, le ricerche oggetto di questo lavoro sono state realizzate utilizzando i dati raccolti dall’apparato in 8823.54 ore di misura utilizzando il gas arricchito in 136Xe. L’apparato e le sue caratteristiche sono descritti in dettaglio in questa tesi. Le analisi dati hanno riguardato i seguenti processi rari: (i) processi di decadimento 2b- dello 134Xe e dello 136Xe; (ii) possibili decadimenti del nucleone, di-nucleone e tri-nucleone in canali invisibili nello 136Xe; (iii) possibile decadimento 136Xe®136Cs con violazione della conservazione della carica elettrica. Per ognuno degli argomenti trattati, oltre alla descrizione delle procedure di analisi utilizzate e ai risultati ottenuti, vengono fornite anche una introduzione teorica e una descrizione dello stato attuale della ricerca; è, inoltre, sottolineata la competitività dei risultati ottenuti. Le caratteristiche dell'apparato hanno permesso di raggiungere, nelle varie ricerche effettuate, risultati o unici o molto competitivi. In particolare, per quanto riguarda i decadimenti 2b- dello 134Xe e dello 136Xe, tutti i limiti (90%C.L.) posti sui tempi di dimezzamento dei canali studiati migliorano di fattori tra 3 e 700 i risultati precedenti oppure sono stati ottenuti per la prima volta: 134Xe 2b- 0n(0+ ® 0+) T1/2 >5.8·1022 anni 136Xe 2b- 0n(0+ ® 0+) T1/2 >1.2·1024 anni 2b- 0n(0+ ® 2+) T1/2 >2.6·1022 anni 2b- 0n(0+ ® 2+) T1/2 >4.2·1023 anni 2b- 0nM(0+ ® 0+) T1/2 >5.0·1023 anni 2b- 2n(0+ ® 0+) T1/2 >1.0·1022 anni 2b- 2n(0+ ® 2+) T1/2 >9.4·1021 anni Inoltre il limite posto sul modo di decadimento 2b- 0n(0+ ® 0+) dello 136Xe è attualmente il secondo miglior limite sperimentale ottenuto con esperimenti di rivelazione diretta, se si considerano tutti gli isotopi candidati al decadimento 2b- e tutti i modi di decadimento (piu’ stringente di questo è solo il limite sul 2b- 0n(0+ ® 0+) del 76Ge). Tali risultati hanno permesso anche di porre limiti superiori sulla massa efficace del neutrino di Majorana, ámnñ, e sulla costante di accoppiamento efficace Majorone-neutrino, ágMñ. Per quanto riguarda lo studio di possibili decadimenti del nucleone, di-nucleone e tri-nucleone in canali invisibili nello 136Xe, il nuovo approccio utilizzato (già introdotto per la prima volta dal gruppo DAMA in collaborazione con il gruppo dell’INR di Kiev e che consente di avere un branching ratio e un'efficienza di rivelazione ~1) ha permesso di ottenere limiti competitivi, pur disponendo di un rivelatore di massa modesta rispetto ad altri apparati di grande massa che hanno studiato processi analoghi con altri approcci: tn > 3.3·1023 anni tnn - tnnn - tp > 4.5·1023 anni tnp > 3.2·1023 anni tnnp > 1.4·1022 anni tpp > 1.9·1024 anni tnpp > 2.7·1022 anni tppp > 3.6·1022 anni I limiti posti (90% C.L.) sono validi per tutti i canali di decadimento invisibili e, in particolare, per il decadimento in particelle che interagiscono debolmente con la materia e per la possibile “scomparsa” nelle extra-dimensioni. Inoltre, i limiti sui decadimenti del tri-nucleone sono stati ottenuti sperimentalmente per la prima volta. Infine, per quello che riguarda la ricerca del possibile decadimento che viola la conservazione della carica elettrica: 136Xe ® 136Cs, il limite ottenuto sulla vita media: t >1.3·1023 anni (90% C.L.) è ben competitivo e rappresenta la prima misura sperimentale per tale possibile canale di decadimento.

Cappella, F. (2006). Ricerca di processi rari con rivelatore a Xenon liquido.

Ricerca di processi rari con rivelatore a Xenon liquido

2006-03-10

Abstract

L'argomento di questo lavoro di tesi è la ricerca di vari processi rari con l'apparato a Xenon liquido dell'esperimento DAMA nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN. Tale apparato è uno scintillatore puro, ha ~2 l di volume sensibile (~6.5 kg di liquido) e può utilizzare alternativamente due gas di Xenon: uno arricchito in 129Xe al 99.5%, l'altro in 136Xe al 68.8% e in 134Xe al 17.1% (questo ha permesso anche di effettuare in questa tesi uno studio preliminare del VPIE [vapour pressure isotope effects] in Xenon). In particolare, le ricerche oggetto di questo lavoro sono state realizzate utilizzando i dati raccolti dall’apparato in 8823.54 ore di misura utilizzando il gas arricchito in 136Xe. L’apparato e le sue caratteristiche sono descritti in dettaglio in questa tesi. Le analisi dati hanno riguardato i seguenti processi rari: (i) processi di decadimento 2b- dello 134Xe e dello 136Xe; (ii) possibili decadimenti del nucleone, di-nucleone e tri-nucleone in canali invisibili nello 136Xe; (iii) possibile decadimento 136Xe®136Cs con violazione della conservazione della carica elettrica. Per ognuno degli argomenti trattati, oltre alla descrizione delle procedure di analisi utilizzate e ai risultati ottenuti, vengono fornite anche una introduzione teorica e una descrizione dello stato attuale della ricerca; è, inoltre, sottolineata la competitività dei risultati ottenuti. Le caratteristiche dell'apparato hanno permesso di raggiungere, nelle varie ricerche effettuate, risultati o unici o molto competitivi. In particolare, per quanto riguarda i decadimenti 2b- dello 134Xe e dello 136Xe, tutti i limiti (90%C.L.) posti sui tempi di dimezzamento dei canali studiati migliorano di fattori tra 3 e 700 i risultati precedenti oppure sono stati ottenuti per la prima volta: 134Xe 2b- 0n(0+ ® 0+) T1/2 >5.8·1022 anni 136Xe 2b- 0n(0+ ® 0+) T1/2 >1.2·1024 anni 2b- 0n(0+ ® 2+) T1/2 >2.6·1022 anni 2b- 0n(0+ ® 2+) T1/2 >4.2·1023 anni 2b- 0nM(0+ ® 0+) T1/2 >5.0·1023 anni 2b- 2n(0+ ® 0+) T1/2 >1.0·1022 anni 2b- 2n(0+ ® 2+) T1/2 >9.4·1021 anni Inoltre il limite posto sul modo di decadimento 2b- 0n(0+ ® 0+) dello 136Xe è attualmente il secondo miglior limite sperimentale ottenuto con esperimenti di rivelazione diretta, se si considerano tutti gli isotopi candidati al decadimento 2b- e tutti i modi di decadimento (piu’ stringente di questo è solo il limite sul 2b- 0n(0+ ® 0+) del 76Ge). Tali risultati hanno permesso anche di porre limiti superiori sulla massa efficace del neutrino di Majorana, ámnñ, e sulla costante di accoppiamento efficace Majorone-neutrino, ágMñ. Per quanto riguarda lo studio di possibili decadimenti del nucleone, di-nucleone e tri-nucleone in canali invisibili nello 136Xe, il nuovo approccio utilizzato (già introdotto per la prima volta dal gruppo DAMA in collaborazione con il gruppo dell’INR di Kiev e che consente di avere un branching ratio e un'efficienza di rivelazione ~1) ha permesso di ottenere limiti competitivi, pur disponendo di un rivelatore di massa modesta rispetto ad altri apparati di grande massa che hanno studiato processi analoghi con altri approcci: tn > 3.3·1023 anni tnn - tnnn - tp > 4.5·1023 anni tnp > 3.2·1023 anni tnnp > 1.4·1022 anni tpp > 1.9·1024 anni tnpp > 2.7·1022 anni tppp > 3.6·1022 anni I limiti posti (90% C.L.) sono validi per tutti i canali di decadimento invisibili e, in particolare, per il decadimento in particelle che interagiscono debolmente con la materia e per la possibile “scomparsa” nelle extra-dimensioni. Inoltre, i limiti sui decadimenti del tri-nucleone sono stati ottenuti sperimentalmente per la prima volta. Infine, per quello che riguarda la ricerca del possibile decadimento che viola la conservazione della carica elettrica: 136Xe ® 136Cs, il limite ottenuto sulla vita media: t >1.3·1023 anni (90% C.L.) è ben competitivo e rappresenta la prima misura sperimentale per tale possibile canale di decadimento.
10-mar-2006
2004/2005
processi rari
rivelatore a Xenon liquido
it
Tesi di dottorato
Cappella, F. (2006). Ricerca di processi rari con rivelatore a Xenon liquido.
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