NEUCAL: un rivelatore di neutroni per la separazione di particelle adroniche ed elettromagnetiche...

NEUCAL:NEUCAL:un rivelatore di neutroni per la separazione un rivelatore di neutroni per la separazione di particelle adroniche ed elettromagnetichedi particelle adroniche ed elettromagnetiche

nei raggi cosmicinei raggi cosmici

Candidato: Giovanni Sorichetti

Relatore: Prof. Oscar Adriani

Università degli Studi di Firenze

15/12/2009 Sesto Fiorentino (FI)

Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Tesi Laurea Specialistica in Scienze Fisiche e Astrofisiche

REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL

INTRODUZIONE

RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL

RIVELATORI DI NEUTRONI

PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL

Sommario

REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL

INTRODUZIONE

RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL

RIVELATORI DI NEUTRONI

PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL

Sommario

La misura precisa e con alta statistica dello spettro d’energia di elettroni e positroni potrebbe evidenziare la presenza di materia oscura (deviazione da legge di potenza)

Importanza della separazione e/h nei raggi cosmici

Il flusso di protoni e quello di elettroni di alta energianei raggi cosmici differiscono di 3-4 ordini di grandezza 1 TeV

Tecniche calorimetriche ‘tradizionali’ Lo sviluppo in un calorimetro è DIVERSO

per sciami adronici VS. elettromagnetici:

• profilo longitudinale e profilo trasversale;

• punto iniziale dello sciame.

Esperimenti recenti che utilizzano questa tecnica per la separazione e/h:

Potere di reiezione: dati un certo numero di eventi di segnale e di fondo (NTOT

segnale << NTOTfondo) e certi tagli di

selezione per eliminare il fondo nella misura del segnale:

1 / P.R. = Npassfondo / NTOT

fondo

PAMELA (Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics)AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter)

Gli sciami adronici hanno uno sviluppo

più ampio (dimensoni vanno ~ VS. ~ X0 , RM)

La prima interazione di un adrone avviene a profondità maggiore

Con la tecnica di discriminazione calorimetrica si raggiungono P.R. dell’ordine di 104-105

L’esperimento CALET (CALorimetric Electron Telescope)

SIA (SIlicon Array) rivelatore a pixel al silicio

IMC (IMaging Calorimeter) fibre scintillanti + tungsteno

TASC (Total AbSorption Calorimeter) BGO

Per la separazione e/h CALET utilizza la tecnica di discriminazione calorimetrica: dalle simulazioni della collaborazione P.R. ~ 105

Peso dello strumento

~ 1500 kg

Rivelatore di neutroni al di sotto dei calorimetri; dimensioni laterali compatibili con CALET: 68 x 68 cm2

La nostra proposta

Fattore circa 35

Da simulazioni effettuate dalla collaborazione CALET:

• stessa energia rilasciata in TASC per p da 1 TeV e per e da 400 GeV;

• numero medio di n prodotti negli sciami diverso per p e per e;

• spettro d’energia dei n uscenti da TASC simile per sciami da p e da e.

n da diseccitazione dei nuclei

n da emissione diretta

REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL

RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL

RIVELATORI DI NEUTRONI

PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL

INTRODUZIONE

Sommario

Classificazione dei neutroni

I neutroni sono classificati a seconda

della loro energia cinetica:

ultrafreddi ~ 1 eV freddi ~ 1 meV termici (o lenti) ~ 25 meV epitermici ~ 0.1 eV ~ 100 keV veloci > 100 keV > 10 MeV di alta energia > 100 MeV

Il tipo di processo nucleare coinvolto nelle interazioni dei neutroni con la materia dipende fortemente dalla loro energia cinetica:

fissione regione termica cattura radiativa bassa energia (~ 1/v)+ risonanze scattering elastico da nuclei regione ~ MeV scattering anelastico ~ 1 MeV (processo a soglia) reazioni nucleari (n, p) (n, )... ~ eV ~ keV produzione di uno sciame adronico d’alta energia > 100 MeV

Reazioni di conversionePer poter essere rivelati, i neutroni devono trasferire almeno una parte della loro energia cinetica a particelle cariche (reazioni di conversione) o a fotoni

In commercio esistono vari rivelatori di neutroni termici basati su alcune reazioni nucleari che li convertono in particelle cariche direttamente rivelabili

term ~ 5000 barn

term

573 keV 191 keV

Moderazione di neutroni

Sezione d’urto per scattering elastico

1H

C

27Al

L’energia del neutrone dopo uno scattering con un nucleo di massa A è compresa nell’intervallo:

L’energia MASSIMA di rinculo del nucleo dopo uno scattering è invece (la minima è ZERO):

In entrambi i casi la distribuzione d’energia è uniforme nei rispettivi intervalli

In PAMELA si utilizzano due blocchi di polietilene (ricco di idrogeno)

Rivelatore attivo Proponiamo di utilizzare un materiale capace di rallentare i neutroni e di produrre un segnale misurabile in corrispondenza del loro rallentamento (moderatore attivo)

Possiamo utilizzare uno scintillatore plastico veloce letto da un fotomoltiplicatore:

• segnali dalla moderazione di neutroni veloci

• segnali dalle interazioni del fotone emesso per cattura radiativa di neutroni termalizzati

term

2.2 MeV

term ~ 0.5 barn

1H

C

208Pb

206Pb

207Pb

REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL

RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL

RIVELATORI DI NEUTRONI

PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL

INTRODUZIONE

Sommario

Struttura del rivelatore di neutroni NEUCALRivelatore di neutroni multistrato:

- 11 piani attivi di scintillatore plastico (68 x 68 x 1 cm3) - 2 piani di contatori proporzionali a 3He - 10 strati passivi di Pb (68 x 68 cm2) [vedi prototipo del calorimetro KLOE]

Run di simulazione (1000 eventi di n singolo): - 4 energie cinetiche iniziali (100 keV, 1 MeV, 10 MeV, 100 MeV) - 3 disposizioni dei due piani di contatori proporzionali - 3 spessori di strati passivi di Pb (Senza Pb, 0.5 mm, 5 mm)

Simulazione Monte Carlo con FLUKA

Ottimizzazione della risposta di NEUCAL a un n singolo

Simulazione Monte Carlo: - genera una particella iniziale e ne segue in dettaglio il trasporto nel rivelatore; - in caso di interazione può produrre esplicitamente uno o più secondari (trasportati a loro volta); - accesso alle informazioni di ciascuna particella trasportata (rilasci d’energia, tempo e posizione di questi...) ad ogni passo

Abbiamo scelto il software FLUKA (adatto e largamente utilizzato per la simulazione di neutroni)

REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL

RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL

RIVELATORI DI NEUTRONI

INTRODUZIONE

PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL

Sommario

Moderazione di n a seconda dell’energia cinetica iniziale

Picco n non interagenti

Picco n termalizzati

Termalizzazione n + da cattura radiativa (1H)

Picco KERMA (12C)

Termalizzazione n + da cattura radiativa (58Ni, 63Cu)

Energia rilasciata complessivamente negli 11 piani di scintillatore di NEUCAL da ciascun n singolo

100 keV

100 MeV

1 MeV

10 MeV

Analisi della risposta del rivelatore

Passaggio dalla struttura a STEP a quella a HIT: - diverso comportamento delle particelle tracciate esplicitamente da FLUKA e dei rilasci puntiformi d’energia

- soglia energetica e temporale per i rilasci significativi e risolvibili dal sistema scintillatore-fotomoltiplicatore (10 keV)

Per ogni piano di scintillatore 200 bin temporali (50 da 10 ns + 150 da 10 s):

se il rilascio d’energia in un certo bin temporale di un certo scintillatore è di almeno 10 keV abbiamo un HIT

Efficienza del sistema di scintillatori di NEUCAL (11 piani spessi 1 cm)

Condizione di neutrone ‘visto’: almeno due HIT nell’ evento

Condizione di neutrone ‘visto’: almeno un HIT nell’ evento

Contributo energetico dei singoli piani di scintillatore

Alle energie più alte tutti i piani di scintillatore sono importanti dal punto di vista dell’energia rilasciata

100 keV

1 MeV

10 MeV

EM

ED

IA [M

eV]

EM

ED

IA [M

eV]

EM

ED

IA [M

eV]

Simulazioni con strati di piombo

• L’efficienza (in NEUCAL) migliora solo per i n da 10 MeV e 100 MeV inserendo 10 strati passivi da 5 mm ognuno;

• la presenza di Pb (X0 = 0.56 cm) priva gli scintillatori di gran parte dei segnali dovuti ai fotoni emessi per cattura radiativa;

• il Pb rende lo strumento meno compatto e lo appesantisce notevolmente

Rinunciamo ad utilizzare il piombo

Distribuzione spaziale degli HIT

100 keV: x,y in (-5, 5) cm 1 MeV: x,y in (-10, 10) cm 10 MeV: x,y in (-10, 10) cm

Distribuzione temporale dell’energia degli HIT

interazioni dei fotoni

Due diverse scale di tempo: (da tenere presenti nello scegliere l’elettronica di acquisizione dei segnali)

• moderazione attiva (visibile fino a ~ 100 ns)

• cattura radiativa di n termalizzati (da ~ 10 s fino a ~ 300 s) log (t [ns])

log (t [ns])

log

(E [

keV

])

log

(E [

keV

])

moderazione attiva

Middle Down Top Middle Top Down

Efficienza dei contatori proporzionali a 3He

Efficienza

Distribuzione temporale delle ‘catture’ di n in 3He

~ 300 s~ 10 s

La scala di tempo associata alle catture nei tubi a gas è la stessa trovata per i segnali dai fotoni emessi nelle reazioni di cattura radiativa dei neutroni (prima devono essere termalizzati)

log (t [ns])

log (t [ns])

log (t [ns])

REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL

RIVELATORI DI NEUTRONI

INTRODUZIONE

PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL

RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL

Sommario

Struttura a nove moduli

Tripletta di scintillatori plastici letti dallo stesso fotomoltiplicatore (accoppiamento attraverso una guida di luce in Plexiglas) 25 cm

8.5 cm

Caratteristiche tecniche dei componenti utilizzatiNella costruzione del Prototipo abbiamo utilizzato 27 blocchi di scintillatore plastico veloce prodotti dalla ELJEN TECHNOLOGY (EJ-230) di dimensioni: 25 x 8.5 x 1 cm3

Per il Prototipo abbiamo avuto a disposizione 5 contatori proporzionali cilindrici a 3He prodotti dalla CANBERRA (12NH25/1): la lunghezza del volume attivo del tubo è la stessa degli scintillatori

CANBERRA CANBERRA Modello 12NH25/1 12NH25/1

Preparazione e assemblaggio dei moduli del Prototipo Assemblaggio dei nove moduli in camera bianca (estate 2009)

allineamento degli scintillatori

grasso ottico

BC-630

PMT HAMAMATSU

(R5946)

mantenere un buon contatto ottico

Il Prototipo di NEUCAL nella configurazione usata nei test

I test degli scintillatori dei moduli del Prototipo di NEUCAL sono stati effettuati acquisendo muoni in laboratorio (Settembre 2009) [vedi A. Tiberio, Calibrazione del sistema di scintillatori NEUCAL, Tesi di Laurea Triennale in Fisica (2008-2009)]

Per concludere

Simulazione di NEUCAL con FLUKA: - efficienza di rivelazione dei neutroni negli scintillatori - effetto del piombo - efficienza dei tubi a 3He - distribuzione spaziale e temporale dei rilasci di energia

Prototipo di NEUCAL: - definizione del Prototipo (struttura e dimensioni) - simulazione del Prototipo con FLUKA - preparazione e assemblaggio dei moduli