The first neutrino mass measurement of HOLMES experiment

23 Jun 2025, 17:07
7m
Palazzo Grimaldi (Modica)

Palazzo Grimaldi

Modica

Corso Umberto I, 106, 97015 Modica RG
Poster & Mini-talk Mini-talk

Speaker

Dr Sara Gamba (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy)

Description

The determination of the absolute neutrino mass scale remains a fundamental open question in particle physics, with profound implications for both the Standard Model and cosmology. The only model-independent method for measuring the neutrino mass relies on the kinematic analysis of beta decay or electron capture (EC) decay, assuming only momentum and energy conservation. Embedding the radioactive source inside the detector ensures that all the energy is measured except the fraction carried away by the neutrino, minimizing the systematic uncertanties. Such calorimetric approach is chosen by the HOLMES experiment.

The HOLMES experiment focuses on the electron capture decay of $^{163}$Ho, which has a low Q-value (2.863 keV) and a relatively short half-life ($T_{1/2} \sim$ 4570 years), making it ideal for high-resolution calorimetric measurements. HOLMES uses an array of ion-implanted transition-edge sensor (TES) microcalorimeters, achieving an average energy resolution of 6 eV FWHM and a time resolution of 1.5 $\mu$s. These superconducting devices operate in the transition between resistive and superconducting states at temperatures around 100 mK. Each TES is coupled to an implanted gold absorber containing $^{163}$Ho. When an interaction occurs, the resulting temperature rise is proportional to the deposited energy. The experiment utilizes a microwave SQUID Multiplexing ($\mu$ MUX) readout system, allowing multiple detectors to be monitored with minimal cabling.

Over two months, we collected $7 \times 10^7$ decay events, setting a Bayesian upper bound on the effective electron neutrino mass of $m_{\beta} < 27$ eV/c$^2$ at 90\% CI. These results validate the feasibility of $^{163}$Ho calorimetry for next-generation neutrino mass experiments and demonstrate the potential of a scalable TES-based microcalorimetric technique to push the sensitivity of direct neutrino mass measurements beyond the current state of the art. The scalability of this approach paves the way for larger arrays with higher single pixel activities thus increasing the recorded statistics and ultimately enabling sub-eV sensitivity in future experiments.

Primary authors

Dr Sara Gamba (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Alessandro Cattaneo (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Felix Ahrens (Fondazione Bruno Kessler (FBK), Povo (TN), Italy; Trento Institute for Fundamental Physics and Applications (TIFPA), INFN, Trento, Italy) Dr Bradley Alpert (National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado, USA) Dr Marco Balata (Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), INFN, Assergi (AQ), Italy) Dr Daniel Becker (University of Colorado, Boulder, Colorado, USA) Dr Douglas Bennett (National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado, USA) Dr Adriano Bevilacqua (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Genova, Genova, Italy) Dr Enrico Bogoni (Fondazione Bruno Kessler (FBK), Povo (TN), Italy; Trento Institute for Fundamental Physics and Applications (TIFPA), INFN, Trento, Italy,) Dr Matteo Borghesi (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Pietro Campana (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Rodolfo Carobene (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Giancarlo Ceruti (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Alessandro Cian (Fondazione Bruno Kessler (FBK), Povo (TN), Italy; Trento Institute for Fundamental Physics and Applications (TIFPA), INFN, Trento, Italy) Dr Nicolò Crescini (Fondazione Bruno Kessler (FBK), Povo (TN), Italy; Trento Institute for Fundamental Physics and Applications (TIFPA), INFN, Trento, Italy) Dr Matteo De Gerone (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Genova, Genova, Italy) Dr Marco Faverzani (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Lorenzo Ferrari Barusso (Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Genova, Genova, Italy) Dr Elena Ferri (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Joseph Fowler (National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado, USA) Dr Giovanni Gallucci (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Genova, Genova, Italy) Dr John Gard (University of Colorado, Boulder, Colorado, USA) Dr Hobey Garrone (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM), Torino, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Torino, Torino, Italy) Dr Flavio Gatti (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Genova, Genova, Italy; Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova, Italy) Dr Andrea Giachero (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Marco Gobbo (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Gene Hilton (National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado, USA) Dr Alessandro Irace (Fondazione Bruno Kessler (FBK), Povo (TN), Italy; Trento Institute for Fundamental Physics and Applications (TIFPA), INFN, Trento, Italy) Dr Ulli Köster (Institut Laue-Langevin (ILL), Grenoble, France) Dr Danilo Labranca (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Maurizio Lusignoli (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Roma 1, Roma, Italy; Dipartimento di Fisica, Sapienza, Università di Roma, Roma, Italy) Dr Federico Malnati (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM), Torino, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Torino, Torino, Italy) Dr Pietro Manfrinetti (Dipartimento di Chimica, Università di Genova, Genova, Italy) Dr Federica Mantegazzini (Fondazione Bruno Kessler (FBK), Povo (TN), Italy; Trento Institute for Fundamental Physics and Applications (TIFPA), INFN, Trento, Italy) Dr Benno Margesin (Fondazione Bruno Kessler (FBK), Povo (TN), Italy; Trento Institute for Fundamental Physics and Applications (TIFPA), INFN, Trento, Italy) Dr John Mates (National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado, USA) Dr Emilio Maugeri (Paul Scherrer Institut (PSI), Villigen, Switzerland) Dr Eugenio Monticone (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM), Torino, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Torino, Torino, Italy) Dr Roberto Moretti (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Stefano Nisi (Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), INFN, Assergi (AQ), Italy) Dr Angelo Nucciotti (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Luca Origo (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Luigi Parodi (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Genova, Genova, Italy) Dr Gianluigi Pessina (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Stefano Ragazzi (Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Milano-Bicocca, Milano, Italy) Dr Mauro Rajteri (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM), Torino, Italy; Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Torino, Torino, Italy) Dr Carl Reintsema (National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado, USA) Dr Dan Schmidt (National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado, USA) Dr Fabio Siccardi (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Genova, Genova, Italy) Dr Daniel Swetz (National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado, USA) Dr Zeynep Talip (Paul Scherrer Institut (PSI), Villigen, Switzerland) Dr Joel Ullom (National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado, USA) Dr Leila Vale (National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado, USA)

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