NEUCAL: un rivelatore di neutroni per la separazione di particelle adroniche ed elettromagnetiche...
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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
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REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
INTRODUZIONE
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL
Sommario
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REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
INTRODUZIONE
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL
Sommario
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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
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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
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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
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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
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REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL
INTRODUZIONE
Sommario
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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
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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
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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)
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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
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REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL
INTRODUZIONE
Sommario
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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]
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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)
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REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
INTRODUZIONE
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONEMONTE CARLO DI NEUCAL
Sommario
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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
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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
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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]
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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
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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
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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
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Middle Down Top Middle Top Down
Efficienza dei contatori proporzionali a 3He
Efficienza
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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])
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REALIZZAZIONE DI UNPROTOTIPO DI NEUCAL
RIVELATORI DI NEUTRONI
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RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
Sommario
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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
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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
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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
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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)]
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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