Simulations for Double Chooz

Dario Motta (CEA­Saclay, France)

on behalf of the Double Chooz collaboration

MANDsim WorkshopManhattan (KS) 14­15 June 2005

The Double Chooz CollaborationFrance

CEA/DAPNIA, Saclay: F. Ardellier, J.C. Barrière, M. Cribier, Th. Lasserre, A. Letourneau, D. Lhuillier, F. Marie, J.P. Meyer,  A. Milsztajn, D. Motta, L. Scola, V. Sinev

Collège de France, Paris: B.Courty, H.de Kerret, D.Kryn, G.Mention, M.Obolensky, S.Sukhoten, D.Vignaud

Subatech, Nantes: S. Cormon, M. Fallot, T. Kirchner, J. Martino, K. Zbiri

ILL, Grenoble: H. Faust, P. Mutti

Germany

Max­Planck­Institut Kernphysik, Heidelberg: Ch.Buck, F.Dalnoki­Veress, W. Hampel, F.X.Hartmann, S.Schönert, U.Schwan

Technische Universität, München: Ch.Grieb, M.Goeger, P.Huber, Ch.Lendvai, M.Lindner, L.Oberauer, W.Potzel, T.Schwetz, F.von Feilitzsch, W.Winter

Universität Tübingen: M.Bauer, J.Jochum, T.Lachenmaier, S.Scholl

Universität Hamburg: C.Hagner

Universität Aachen: ...

Italy

LNGS: C.Cattadori, A. Di Vacri, L.Pandola

Russia

Institute for Nuclear Research RAS: I.Barabanov, L.Bezrukov

Institute of Physical Chemistry RAS: N.Danilov, Y.S.Krylov

RRC Kurchatov Institute: A.Etenko, M.Skorokhvatov

USA

University of Alabama: J.Buzenitz, I.Stancu

Argonne National Laboratory: G.Drake, M.Goodman, J.Grudzinski, V.Guarino, D.Reyna, R.Talaga

Drexel University: C.Lane

Kansas State University: Glenn Horton­Smith 

Louisiana State University: S.Dazeley, T.Kutter, R.McNeil, W.Metcalf, R.Svoboda

University of Notre Dame: J.LoSecco

University of Tennessee: S.Berridge, W.Bugg, Yu.Efremenko, Yu.Kamyshkov, T. Handler, T. Gabriel, H. Cohn

Double Chooz:search for the mixing angle θ13

Marseille 14/03/05

Near detector Far detector

νe νe,µ,τ

 anti­νe flux (uranium 235, 238 & plutonium 239, 241)  

 Reaction:  νe + p  e+ + n,  <E>~ 4 MeV,  Ethreshold =1.8 MeV

 Disappearance experiment: search  for a departure from 1/D2  and shape distortionGoal: improve Chooz sensitivity  0.03

 D1 = 100­200 m D2 = 1,050 m 

 Improve the detector concept  and backgrounds rejection

Detector Layout I

Acrylic Target vessel(r=1,2m, h=2,8m, t = 8mm)

Stainless steel Buffer(r= 2,92m, h = 5,84m, t = 3mm)Muon­Veto (50 cm)

Steel Shield (20 cm)

Acrylic Gamma catcher vessel(r = 1,8m, h = 4 m, t = 12mm)

LS +

 0,1

%Gd

LS

Detector layout II

Top ViewTop View 

CEA/DAPNIA

CEA/DAPNIA

Detector Layout III

Marseille 14/03/05

7 m

Shielding: 20 cm steel

7 m

Muon VETO: scintillating oil  (r+0.5 m – V = 80 m3)

Non­scintillating buffer:  mineral oil (r+0.95m, , V = 100 m3)

γ­catcher: 80% dodecane + 20% PXE(acrylic, r+0,6m – V = 28,1 m3)

PMTs supporting structure

ν target: 80% dodecane + 20% PXE + 0.1% Gd (acrylic, r = 1,2 m,  h = 2,8 m, 12,7 m3)

nνe

p

Gd

Σγ ~ 8 MeV

511 keV

511 keVe+

Overview Double Chooz Simulation

● DCGLG4

● Optical model

● Detector response

● Gd γ spectra

● Cosmic muons and induced n­background

● Outlook

DCGLG4sim Double Chooz GenericLand Geant 4 simulation● DCGLG4 is a derivation of GLG4sim

● GLG4sim contains major extensions of Geant4 => G. Horton Smith

● DCGLG4 implements

– Double Chooz geometry & materials– Detailed optical model of scintillator(s) & PMTs

● DCGLG4 profits from simulation expertise of KamLAND, Borexino, Chooz, LENS, ... 

● DCGLG4 provides feed­back for GLG4 debugging, test, improvement

DCGLG4 Detector Construction

● Simplified geometry (concentric cylinders)

No chimney, no tank supports, no filling lines, no sloping top/bottom

● All materials implemented

● Hamamatsu 8­inch PMTs

● Buffer tank “100 % black”

“Self illuminated” view

Optical Modeland related issues

DCGLG4 Optical ModelThe Strategy

Mineral Oil

Aromatic

Fluor

Gd­comp

WLS

Data­Base materials optical properties

Optics simulateddetector

(4 volumes => 4 independent liquids)

Guidelines:● Flexibility● Detailed physicsmodeled as in: D. Motta, et al., Physics/0502086,    accepted for publication in NIMA

Scintillator composition (all parameters free !!)

Light Emission : Spectra

Fluor and WLS choice  Emission & Re­emission spectra (≠)

Emission spectrum depends on Fluor WLS energy transfer:● radiative● non radiative

It's your choice ...

Examples:● PPO   Bis­MSB radiative● BPO  Bis­MSB non radiative

Fluorimetric measurements tells you whether radiative or non radiative transfer

(Data from MPIK­Heidelberg)

Light Emission : Light Yield

● Aromatic/Oil fraction● Fluor concentration● Gd­Compund concentration

 LYFree parameter for each volume of the simulation

(Data from MPIK­Heidelberg)

Attenuation

Attenuation : extinction coefficients x concentrations

Important to separate contributions :Abs ≠WLS !!

(example for typical formulation Double Chooz scintillator)

Re ­ Emission

Determined by :● Prob. Abs. by fluorescent species (Fluor & WLS)

● Fluorescing probabilities 

– QE

– cut­off

(example for typical formulation Double Chooz scintillator)

Re – Emission probability

Photons re­emitted according to the WLS spectrum

What can we do with this ?

● Chose our liquids as we like, and see:–  Aromatic (e.g. PXE, PC, ...)–  Oil (e.g. Dodecane, mineral oil)–  Fluor (e.g PPO, BPO, p­TP, ...)–  WLS (e.g Bis­MSB, BPO, ...)

–  Gd­Compound (Gd(acac)3, Gd(dpm)3, GdA3, ...)

All concentrations / volume fractions free !

The simulation accesses the data­base and builds its optics run­time

Yes ...  But what exactly?

● Tune PXE/Dodecane ratio and see ...● Change PXE with PC and see ...● Change PPO with another fluor and see ...● Simulate optical impurities and see ...● Tune the LY of target and γ – catcher● ...

New optical properties adjusted with minimal intervention from the user 

PMTsManaged by :● GLG4TorusStack● GLG4_PMT_LogicalVolume● GLG4PMTOpticalModel(see also Glenn Horton­Smith)

GLG4PMTOpticalModel implements model thin absorbing photocathode with complex refractive index, as described in:D. Motta & S. Schönert, NIMA 539 (2005), pp. 217­235)

PMTs Optical Model

A PMT is not just its QE ! The model 

Predictions● A (θ,λ)● R (θ,λ)● T (θ,λ)

Complex refractive index + thickness(from experiments)

The predictions 

Applications DCGLG4 Optical Model

We will discuss some examples related to : 

● Scintillator optimization

● Detector response

● Study scenarios scintillator degradation

● PMT orientation

Scintillator Optimization

● PPO vs BPO (LY BPO ~ 1.05­1.10 LY PPO, however abs ↑)

Result: BPO disfavored● PXE – Dodecane ratio

(less PXE convenient for acrylics)● Bis­MSB concentration 

PXE LY Light Output20% 100% 100%15% 96% 97%10% 92% 94%

Assumptions :● PPO ­> Bis­MSB radiative (wrong, but easier to simulate)● Primary LY independent of bis­MSB● QEPPO = 100 % , cut­off = 390 nm● QEBis­MSB = 94 %, cut­off = 430 nm

Detector Response : 1 MeV e­

(local energy deposition)

Detector Response : multi­sources

Continued ...

Scenarios Degradation Scintillator● What is the impact of a considered or observed 

degradation of the scintillator ?– Which are the wavelengths that really matters?– When spectro­photometric effects become observable?

● Degradation implemented DCGLG4sim– Stability measurements and aging tests– If some degradation shows up, data converted into 

additional attenuation lengths– Monte Carlo outcome in the new scenario

An R&D sample which showed a degradation

Attenuation LengthsBase­Case Scintillator

The degradation of the R&D sample “virtually” added to the reference scintillator

Results 

*

no degradation

degradation target + γ­catcher

degradation target

PMT Orientation tilted or non tilted ?

Alias : how to get the best from a cylindrical geometry ?

● Several luxury­levels defined (G. Horton­Smith):– 0 => QEλ (no angular dependence; R=T=0)

– 1 => QEλ(no angular dependence; rough model for R,T)

– 2 => QE(λθ), R(λθ), T(λθ) (full model)

Note : simplistic simulations equivalent to luxury­0 approach 

(only geometrical coverage considered)

● Caveat: Folding of PMT radial response missing !!

Results PMT­tilt

Lux level tilted pe/MeV Ratio0 no 150,30 yes 164,7 1,0961 no 193,71 yes 195,5 1,0092 no 191,22 yes 196,2 1,026

Conclusions :● precise modeling of PMTs does matter!● tilting is anyway better than non­tilting

Warning :● PMT radial response can substantially change the result 

Summary & Outlook Optical Model● Detailed and flexible implementation scintillator optical properties

● Feed­back with the scintillator and calibration groups

– Optimization of the formulation

– Set specifications for optical stability

– Where and how precisely to calibrate

● Detailed optical model PMTs

● To do list

– continue debugging validation

– improve geometry (chimney, supports, ...)

– reflective buffer tank

– Optimize PMT disposition, study light concentrators for the edges

And now to something completely different ... !

Detector Response : neutrons(Gd­spectra to verify)

Detector Response : neutrons

Detector Response : neutrons

Need to quantify preciselythis part

Gd Radiative Spectra(from Karim Zbiri, Subatech Nantes)

­ Basic Class : G4NeutronHPCaptureUse  of  Evaluated  Nuclear  Data  File (ENDF)⇒ High precision for the neutron capture ⇒ Bad description of photon evaporation ?

Question: how can we check ?Answer:  comparing  with  experimental spectra, if not with CHOOZ 1 simulation!

=>Implementation of new class :GdNeutronHPCapture

Gd Radiative Spectra(from Karim Zbiri, Subatech Nantes)

­Two interesting isotopes : Gd155(14.73%) and Gd157(15.68%)   + neutron +

                   Gd*156              Gd*158

          (E*=8.46 MeV)      (E*=7.87 MeV)­Gamma spectra : double or multiple cascades 

­Double cascades of Gd*156 :7.33 and 1.17 MeV (probability of 1%)6.44 and 2.18 MeV (probability of 1.3%)

­Double cascades of Gd*158 :6.74 and 1.11 MeV (probability of 3.7%)5.88 and 1.99 MeV (probability of 1.8%)5.62 and 2.25 MeV (probability of 1.3%)

Gd Radiative Spectra(from Karim Zbiri, Subatech Nantes)

Multiple cascadesAssumption: transitions of energy ε from level energy E to :● Ground state● First excited state (E1st*= 1 MeV), always followed by a transition to ground 

state.● Continuum of levels with density (with minimum energy of 2E1st*=2MeV) 

of the form:

Assumption:● Emission’s probability of 1 gamma proportional to ε3

● All transitions are dipolar (E1)

ea E−2 E1 st*− a = 37

Gd Radiative Spectra(from Karim Zbiri, Subatech Nantes)

Probability of different transitions :

1­Transition to the ground state : A = E3

2­Transition to the first excited state : B = (E­E1st*)3

3­Transition to the continuum : C = ∫0

E−2 E1 st*

3 ea E−2 E1 st*− d

(*)L. V. GROSHEV, A.M. DEMIDOV, V.N. LUTSENKO, V.T. PALEKHOV« Atlas » Moscou (1958)

a = 37

Gd Radiative Spectra(from Karim Zbiri, Subatech Nantes)

Egamma(MeV)

● Spectra are different at low and high energies● Effect on the neutron response under evaluation● Work in progress to finalize the model and compare with experimental data

And now to something completely different ... !