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Mar 22, 2023 385 likes •595 views

Inelas'c neutron sca.ering and background in double beta decay Steve Ellio. Neutron-Related Backgrounds The Majorana Demonstrator uses Ge, Cu and Pb

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SLIDE 1

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

Steve ¡Ellio. ¡

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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 ¡ 2 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡

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LANSCE/WNR ¡

In-­‑beam ¡neutron ¡flux ¡measurement ¡ made ¡with ¡238U/235U ¡fission ¡chamber ¡ Broad ¡spectrum ¡pulsed ¡neutron ¡ beam ¡at ¡LANL ¡ 800 ¡MeV ¡proton ¡LINAC: ¡ Neutrons ¡produced ¡via ¡spalla'on ¡

  • n ¡a ¡tungsten ¡target ¡

“micropulse” ¡

“macropulse” ¡

11/16/11 ¡ 3 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡

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GEANIE ¡

  • 20 ¡BGO ¡suppressed ¡HPGe ¡detectors ¡

13 ¡coaxial ¡(Eγ ¡< ¡4 ¡MeV) ¡ 2.2 ¡keV ¡at ¡Eγ=1332 ¡keV ¡ 15 ¡ns ¡FWHM ¡ 7 ¡planar ¡(Eγ ¡< ¡1 ¡MeV) ¡ 0.9 ¡keV ¡at ¡Eγ=122 ¡keV ¡ 10s ¡ns ¡FWHM ¡

(Germanium ¡Array ¡for ¡Neutron ¡Induced ¡Excita'ons) ¡

11/16/11 ¡ 4 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡

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Enriched ¡Ge ¡ac'va'on ¡

Enriched ¡Ge ¡sample ¡ac'vated ¡ at ¡GEANIE, ¡and ¡counted ¡on ¡ low-­‑background ¡Ge ¡detector ¡ at ¡WIPP. ¡

11/16/11 ¡ 5 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡

10 100 1000 Production rate [arbitrary units] Energy [MeV]

57Co 54Mn 68Ge 65Zn 60Co

105 106 107 108 109 1010 1011 100 101 102 103 104 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 Fluence [n cm-2 MeV-1] Flux [n cm-2 s-1 MeV-1] Energy [MeV] LANSCE Fluence Cosmic Ray Flux

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SLIDE 6

enrGe ¡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 ¡ 6 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡

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SLIDE 7

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 ¡ ¡ LANSCE ¡4FP60R ¡(GEANIE) ¡ TALYS ¡produc/on ¡cross ¡sec/on ¡

11/16/11 ¡ 7 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡

109 1010 1011 1012 101 102 103 10-1 100 101 102 Fluence [n/cm2/MeV] Cosmic Flux [n/cm2/day/MeV] Neutron Energy [MeV] LANSCE Fluence Cosmic

50 100 150 200 250 300 350 101 102 103 production cross section [mb] Neutron Energy

194Hg 202Pb

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SLIDE 8

Results ¡-­‑ ¡Preliminary ¡

Isotope ¡

  • Meas. ¡Rate ¡

TALYS ¡

194Au ¡(via ¡194Hg) ¡

7.1 ¡± ¡1.1 ¡atoms/kg-­‑d ¡ 16 ¡

202Tl ¡(via ¡201Pb) ¡

26 ¡± ¡6 ¡ 77 ¡

207Bi ¡

0.14 ¡± ¡0.03 ¡ N/A ¡

Au ¡and ¡Bi ¡both ¡have ¡ high ¡Q ¡values. ¡Could ¡be ¡ ββ ββ background ¡for ¡Ge. ¡ Surface ¡exposures ¡of ¡ less ¡than ¡35 ¡years ¡result ¡ in ¡negligible ¡

  • background. ¡

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SLIDE 9

Detector ¡Ac'va'on ¡

Semi-­‑Coax ¡Detector ¡ BEGe ¡PPC ¡Detector ¡

Ice ¡House ¡beam ¡similar ¡to ¡cosmic ¡ray ¡

  • spectrum. ¡Produces ¡cosmogenic ¡isotopes ¡in ¡
  • detector. ¡Want ¡to ¡show ¡that ¡external ¡

calibra/ons ¡acurately ¡describe ¡internal ¡

  • decays. ¡

11/16/11 ¡ 9 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡

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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. ¡68Ge ¡is ¡cri/cal ¡background ¡in ¡Ge ¡experiments. ¡

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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. ¡

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Energy ¡dependent ¡spectra ¡

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Energy [keV] 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Counts

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

< 10 MeV

n

1 < E < 25 MeV

n

10 < E < 50 MeV

n

25 < E

Ar

39

Ar

40

Ar

39

Ar

40

[MeV]

n

E 5 10 15 20 25 30 35 Cross Section [barns]

  • 1

10 1

= 1461 keV

  • Ar, E

40

GEANIE Mathur and Morgan TALYS 1.2

[MeV]

n

E 10 20 30 40 50 Cross Section [barns]

  • 2

10

  • 1

10 1

= 1267 keV

  • Ar, E

39

GEANIE TALYS 1.2

(n,n’) ¡reac/ons ¡excite ¡a ¡large ¡number ¡of ¡ possible ¡states ¡in ¡a ¡variety ¡of ¡isotopes. ¡Hence ¡ the ¡background ¡almost ¡becomes ¡a ¡ con/nuum. ¡At ¡the ¡tonne ¡scale ¡with ¡ background ¡goals ¡of ¡0.1 ¡– ¡1 ¡count/ROI-­‑tonne-­‑ year, ¡these ¡become ¡a ¡major ¡concern. ¡

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(n,n’) ¡Program ¡

11/16/11 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡ 13 ¡

1 ¡ 2 ¡ 3 ¡ 4 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡ 20 ¡ 25 ¡

Neutron ¡Energy ¡(MeV) ¡ Excited ¡Nuclear ¡State ¡Energy ¡(MeV) ¡

Previous ¡ Available ¡Data ¡ ββ ββ ¡Cri/cal ¡ Region ¡

Our ¡Data ¡

  • 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 ¡

with ¡data, ¡and ¡uses ¡only ¡sta/s/cal ¡photon ¡emission; ¡not ¡ state ¡specific ¡decays. ¡

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Ar(n,n’γ) ¡in ¡Ge ¡ROI ¡

We ¡have ¡searched ¡for ¡such ¡ dangerous ¡lines ¡in ¡many ¡ββ

  • isotopes. ¡

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Pb(n,n’γ) ¡Measurements ¡

natPb(x,xnγ)206Pb ¡2041 ¡keV ¡ natPb(x,xnγ)207,208Pb ¡3062 ¡keV ¡ V.E. ¡Guiseppe ¡et ¡al. ¡(2009) ¡PRC ¡79, ¡054604 ¡ ¡ 11/16/11 ¡ 15 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡

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Pb(n,n’γ) ¡near ¡ROI ¡

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Cu(n,n’γ) ¡Measurements ¡

Comparison ¡of ¡par'al ¡γ-­‑ray ¡produc'on ¡ cross ¡sec'on ¡for ¡2081-­‑keV ¡state ¡in ¡63Cu ¡ with ¡the ¡ENDF/B-­‑VII ¡evalua'on ¡for ¡this ¡

  • state. ¡Based ¡on ¡this ¡measurement, ¡the ¡

ENDF/B-­‑VII ¡significantly ¡over ¡predicts ¡the ¡ peak ¡cross ¡sec'on. ¡Feeding ¡from ¡higher-­‑ lying ¡states ¡are ¡responsible ¡for ¡the ¡high ¡ energy ¡strength. ¡The ¡integrated ¡cross ¡ sec'on ¡is ¡67% ¡higher ¡than ¡the ¡ENDF/B-­‑VII ¡ evalua'on. ¡In ¡the ¡evalua'on ¡there ¡are ¡no ¡ higher ¡lying ¡states, ¡and ¡therefore ¡feeding ¡

  • f ¡this ¡level ¡will ¡only ¡be ¡taken ¡into ¡account ¡

by ¡states ¡considered ¡in ¡the ¡sta's'cal ¡

  • model. ¡This ¡state ¡lies ¡in ¡the ¡vicinity ¡of ¡the ¡

76Ge ¡endpoint. ¡ 11/16/11 ¡ 17 ¡ S.R. ¡Ellio., ¡DBD ¡workshop ¡

10 20 30 40 50 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Neutron Energy [MeV] Cross Section [b]

Geanie Data Zhou et. al Xiamin et al Joensson et al ENDF/B-VII

65Cu(n, n !) Ex < 3360 keV
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Summary ¡of ¡Measurements ¡

  • Pb(n,n’γ) ¡-­‑ ¡published ¡
  • Cu(n,n’γ) ¡– ¡Paper ¡just ¡about ¡ready ¡
  • CZT(n,n’γ) ¡– ¡s'll ¡in ¡analysis ¡
  • enrGe(n,n’γ) ¡– ¡s'll ¡in ¡analysis ¡
  • Ar(n,n’γ) ¡– ¡Paper ¡just ¡about ¡ready ¡
  • Ne(n,n’γ) ¡-­‑ ¡proposed ¡for ¡this ¡year ¡
  • enrGe(n,X)68Ge, ¡Cosmogenic ¡ac'va'on ¡-­‑ ¡published ¡
  • Pb(n,X)A, ¡Cosmogenic ¡ac'va'on ¡– ¡Paper ¡just ¡about ¡ready ¡
  • Zn,Nb,Zr,Cd(n,X)A, ¡Cosmogenic ¡ac'va'on ¡– ¡measurements ¡in ¡

progress ¡

  • natGe[HPGe](n,X)68Ge, ¡Cosmogenic ¡ac'va'on ¡

– Semi ¡coax ¡– ¡Paper ¡just ¡about ¡ready ¡ – BEGe ¡-­‑ ¡ ¡measurements ¡in ¡progress ¡

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Collaborators ¡

  • enrGe(n,X): ¡S.R. ¡Ellio., ¡V.E. ¡Guiseppe, ¡B. ¡LaRoque, ¡R. ¡Johnson, ¡
  • S. ¡Mashnik ¡
  • Pb(n,X): ¡V.E. ¡Guiseppe, ¡ ¡S.R. ¡Ellio., ¡N. ¡Fields, ¡D. ¡Hixon ¡
  • Ac'vated ¡Detectors: ¡D. ¡Steele, ¡S.R. ¡Ellio., ¡V.M. ¡Gehman, ¡V.E. ¡

Guiseppe ¡

  • Ar(n,n’γ): ¡S. ¡MacMullin, ¡M. ¡Boswell, ¡S. ¡Ellio., ¡V. ¡Guiseppe, ¡R. ¡

Henning, ¡B. ¡LaRoque, ¡M. ¡Devlin, ¡N. ¡Fo'ades, ¡R. ¡Nelson, ¡J ¡ O’Donnell ¡

  • Pb(n,n’γ): ¡V. ¡E. ¡Guiseppe, ¡M. ¡Devlin, ¡S. ¡R. ¡Ellio., ¡N. ¡Fo'ades, ¡A. ¡

Hime, ¡D.-­‑M. ¡Mei, ¡R. ¡O. ¡Nelson, ¡D. ¡V. ¡Perepelitsa ¡

  • Cu(n,n’γ): ¡M.S. ¡Boswell, ¡S.R. ¡Ellio., ¡D.V. ¡Perepelitsa, ¡M. ¡Devlin, ¡
  • N. ¡Fo'ades, ¡R.O. ¡Nelson, ¡V.E. ¡Guiseppe ¡

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