9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 1 MOSCAB e Picasso + In questa relazione esporrò:  Dispositivi a bolle(richiamo per cenni) del principio fondamentale e di.

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1 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 1 MOSCAB e Picasso + In questa relazione esporrò:  Dispositivi a bolle(richiamo per cenni) del principio fondamentale e di una scoperta più recente.  Camera a Bolle ;SDD ; Geyser (per cenni)  Situazione Mondiale per C.B.,SDD,GEYSER (per cenni)  Migliorie rispetto a ROMA (Luglio 2012) di MOSCAB  Incontro con PICASSO

2 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 2 Bubble Nucleation by Radiation (Seitz, “Thermal Spike Model”, 1957) RcRc P vapor P external particle Surface tension  Pressure inside bubble is equilibrium vapor pressure. At critical radius R c surface tension balances pressure. Bubbles bigger than the critical radius R c will grow, while smaller bubbles will shrink to zero. Boiling occurs when energy loss of throughgoing particle is enough to produce a bubble with radius > R c RcRc EcEc Radius Work  R 2  R 3 (P svp – P) superficie volume

3 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 3 CRESCITA DELLE BOLLE(sviluppi recenti) EMISSIONE DI SUONO DA UNA BOLLA HA UN MASSIMO A r bolla ~10  m C’E’ UN SEGNALE ACUSTICO PER UN SINGOLO RINCULO NUCLEARE I DECADIMENTI  DANNO LUOGO A SITI DI PROTOBOLLE ~40  m I DECADIMENTI  SONO SIGNIFICATIVAMENTE PIU’ RUMOROSI Dimensioni Bolla (~1 mm) ↓

4 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 4 STORIA DI COUPP :Chicago University- Fermilab:CAMERA BOLLE -Tubo di test 0.03kg (risultati pubblicati) -COUPP 2kg (risultati pubblicati) FUNZIONANTE -COUPP 4kg (risultati parzialmente pubblicati) FUNZIONANTE -COUPP 60 kg (in realizzazione a SNOLAB) -Proposta di 500 kg (PROPOSTA APPROVATA ANNO per ANNO) Liquido Utilizzato : C F 3 I T=40°C GEYSER STORIA DI MOSCAB: GEYSER APPARATO DI TEST (0.7 kg) FUNZIONANTE COSTRUZIONE DI UN MODULO DA 40 kg in FASE DI MONTAGGIO E TEST PROGETTO DA 100-200 kg (Da discutere in COMM. II) LIQUIDO GIA’ UTILIZZATO: C 3 F 8 (Freon 218)

5 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 5 0.3 kg F U N Z I O N A N T I→ In costruzione progetto

6 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 6 Camera da 2 L: Diametro 15 cm Attrezzata con strumenti di P e T Sensori acustici piezo-elettrici Immersa in fluidi idraulici con un Vaso di acciaio a pressione Vista da web-camere

7 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 7 -Liquido usato: CF 3 I -Generazione di Bolle: -3 urti di un neutrone -La camera deve essere ricompressa Per ogni evento

8 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 8 Acoust. Param.=(Amp.  2 Misura l’energia acustica lasciata Nella camera Le  emettono piu’ suono. CAMERA A BOLLE

9 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 9 RICERCA DI MATERIA OSCURA CON STRUMENTI A BOLLE (DEBOLMENTE SURRISCALDATI) Insensibilità a fondi di  e  Dispositivi a soglia,distribuzioni integrate. Differenzazione evento x evento di rinculi dai decadimenti  Indicazione con le multiple per i neutroni.

10 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 10 P.COOPER al CERN 10 Luglio 2012

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14 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 14 FUTURO DI COUPP: -COUPP 4 kg : nuovo run in SNOLAB con sensori piezoelettrici a basso fondo; migliore purezza di CF 3 I; migliore pulizia della camera. -COUPP 60 kg : installazione in corso a SNOLAB. -Disegno ingegneristico per COUPP 500 kg (in progress).

15 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 15 150  m goccioline di C 4 F 10 Ambiente T & P (P b = - 1.7 °C ) Piezo-electric transduttori La temperatura d’operazione determina la soglia di energia FATTI ATTRAENTI - 45 °C →E th = 2 keV - 0.3 k$/kg (C 4 F 10 ) - insensitive to  - background LIQUIDO :C 4 F 10 Freon SDD : Superheated Droplet Detector (2 esperimenti: PICASSO e SIMPLE).Matrice di GEL+FREON. FATTI NEGATIVI: -Scarsa quantità di materia Massima quantità raggiunta ~2 kg. SDD

16 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 16 Calibration of Energy Threshold Mono-energetic n-test beam @ Montréal tandem accelerator C 4 F 10 E F Rec = 0.18 x E n E rec = 0.86 keV Ottenuta con fasci di n monocromatici SDD

17 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 17  n( Am- Be)→ ↑WIMP MC  da 22 Na → SDD

18 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 18 LIMITI PER WIMPS M  p =1 pb M W =10,30,100 GeV LIMITI SUI SEGNALI DI WIMP La risposta x WIMP ed il back. piatto di  determinano i limiti su . Back. di  piatto SDD

19 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 19 The Frequency Variable “Fvar” SDD Construct Fourier Transform Ratio of region A / region B  “Fvar”

20 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 20 Black: n- calibration run Red: background run Electronic noise Acoustic noise Mine blasts Fractures Particle induced Evar vs. Fvar  Background Discrimination! SDD

21 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 21 Results factor 5 better than 2009 2012 Physics Results (March 27, Phys. Lett. B) « Constraints On Low Mass WIMP interactions on 19 F from PICASSO » arxiv: 1202.1260 SD- sector: SDD

22 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 22 SI-sector: Most of DAMA /LIBRA excluded CoGeNT & CRESST challenged Interesting: Isospin viol. DM ! « Constraints On Low Mass WIMP interactions on 19 F from PICASSO » arxiv: 1202.1260 2012 Physics Results (March 27, Phys. Lett. B) SDD

23 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 23 Proposta di PICASSO+ Physics Reach Spin-dependent Sector 1 year of live time = 1.5 – 2 years of calender time

24 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 24 PROPOSTA PICASSO+ Physics Reach Spin-independent Sector Xenon 1t  Darwin 20 t  10 -13 1 year of live time = 1.5 – 2 years of calender time

25 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 25 -Ne è stato costruito uno solo (a Berna da B.Hahn e H.W.Reist nel 1973 per ricerche di fisica nucleare-elementi transuranici): -Un liquido è portato in uno stato metastabile (stato 1 in Fig.) -Il liquido è tenuto a temperatura T2 (es. 65°) con un bagno termico. -Il vapore sopra la superficie del liquido è tenuto a temperatura T1 < T2 (es. 10°) raffreddando il collo della bottiglia(con acqua). -La pressione di equilibrio del vapore sopra il liquido è p1 (mentre la pressione di equilibrio del liquido dovrebbe essere dovrebbe essere p2 > p1. -In queste condizioni, se c’è un rilascio locale di energia (rinculo di un nucleo),si crea una bolla che diventa supercritica e cresce a valori grandi spingendo il liquido nel collo della bottiglia. -la pressione aumenta e quando raggiunge il valore di equilibrio T2, il liquido ritorna nel volume principale e il vapore caldo nel collo ricondensa. -lo stato metastabile è automaticamente reinstallato (Tempo < 1 s). IL FUNZIONAMENTO DEL GEYSER

26 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 26 T1=10 °C T2=65 °C  ↑ → ↓

27 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 27 Il TRIGGER DEL GEYSER: -Per rinculi dovuti a NEUTRONI (e WIMP) GLI IONI DEPOSITANO ENERGIE IN PICCOLE ZONE (0.05-0.1  m). -In QUESTE CONDIZIONI UNA BOLLA PUO’ CRESCERE E DIVENTARE VISIBILE (~1 mm) e poi CRESCERE DI DIMENSIONI. -2 WEB-CAMERE VEDONO IN MODO “CONTINUO” (30 fps) (distanza ~30 ms) IL VASO e, quando I pixel notano una variazione di intensità (insorgenza della bolla) scatta il TRIGGER VISIVO ; si MEMORIZZANO 50 “foto prima” ed alcune dopo e le altre si abbandonano. -Le Web-CAMERE UTILIZZATE hanno le seguenti caratteristiche: 30 fps, ~0.3 Mpixels ; ORA ABBIAMO LE NUOVE con : 52 fps e 2 Mpixels. -In futuro si utilizzerà anche il TRIGGER ACUSTICO, che consentirà anche il posizionamento della bolla.

28 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 28 Enhancement factor WIMP interaction with matter: Depending on the type of target nucleus and WIMP composition Spin independent interaction (C A  A 2 )‏ Spin dependent interaction C A = (8/  )(a p + a n ) 2 (J+1)/J 0.0147n3/2 131 Xe 0.0026p5/2 127 I 0.084n1/2 29 Si 0.0026n9/2 73 Ge 0.011p3/2 23 Na 0.863p 1/2 19 F 0.11p3/2 7 Li 2 UnpairedSpinIsotope  19 F Most favorable nucleus for SD interactions SEZIONI D’URTO WIMP NUCLEONE

29 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 29 Le interazioni possono essere di due tipi: -SCALARI (Spin-independent):descrivono Interazioni coerenti di DM con l’intera massa nucleare. -VETTORE-ASSIALE: descrivono interazioni con il contenuto di Spin del nucleo. Le interazioni di WIMP possono essere di due tipi: -SCALARI (Spin independent):descrivono Interazioni coerenti di DM con l’intera massa nucleare. -VETTORE-ASSIALE: descrivono interazioni con il contenuto di Spin del nucleo.

30 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 30 VANTAGGI DI CAMERA A BOLLE E GEYSER Vantaggi di un GEYSER: 1)Grande rigetto di particelle al minimo di ionizzazione (  ed elettroni). 2)Maggiore semplicità della costruzione meccanica,anche su vasta scala. 3)Possibilità di contare i neutroni dalle interazioni multiple. 4)Possibilità di separare interazioni di WIMP SD da SI cambiando i liquidi usati. CONFRONTO TRA GEYSER E SDD 1)Un Geyser può avere massa molto grande (100 kg) mentre gli SDD possono raggiungere pochi kg. 2) Il costo è inferiore la costruzione è più semplice.

31 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 31 STATO DELL’ESPERIMENTO MOSCA B Il progetto (gr. V) è impostato in 4 fasi: 1)Costruzione di un piccolo prototipo (0.7 kg) Già fatto. 2)Progettazione di altri 2 rivelatori (da 4 e 40 kg) Già fatto. 3)Costruzione dall’industria dei 2 rivelatori Già fatto 4)Montaggio e test dei 2 riv. a Milano-Bi (con passaggio al gr.II) Il rivelatore da 40 kg è già competitivo per la Fisica e andrà ai LNGS nel 2014 (se approvato dalla Comm. II e dal Comitato del Gran Sasso) Si pensa di realizzare in pochi anni 4 di tali rivelatori. per una massa di 120 kg.

32 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 32 Risultati ottenuti con MOSCAB prima di ROMA (Luglio 2012)

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34 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 34 NOVITA’ RISPETTO A QUANTO DETTO A ROMA NEL LUGLIO 2012 (Comm. II) 1)Arrivo in Milano-Bi da parte dell’industria, della meccanica del rivelatore da 40 kg. arrivo (Venerdì 27/3/13) del VASO di quarzo (con qualche problema superato) 2)Migliorie sul rivelatore “piccolo”: prove a varie temperature con aumentata sensibilità (temperature più alte). Studio delle pareti interne del vaso; 3)Misure di contaminanti nel liquido di Buffer (Glicolo o acqua distillata) 4)Inizio discussioni con PICASSO + ed anche con COUPP

35 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 35 NUOVO RIVELATORE (40 kg)

36 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 36 NUOVO VASO di QUARZO

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38 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 38 MIGLIORIE SUL PICCOLO RIVELATORE: 1)SCANSIONI A VARIE TEMPERATURE 2)STUDIO DELLA RUGOSITA’ DELLA PARETE INTERNA DEL VASO CON AFM E VERNICIATURA DELLA PARETE INTERNA DEL VASO. 3)NUOVO CONTENITORE DI PLEXIGLASS. 4)MISURE CON Si e Ge DELL’ATTIVITA’ DEL LIQUIDO DI BAFFER (GLYCOL O ACQUA DISTILLATA.

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41 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 41 STUDIO COL MICROSCOPIO A FORZA ATOMICA

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43 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 43 Measurements for Glycol-Water: Sample Th U K Glycol <5 ppt <5 ppt 62 ppb Water distilled <20 ppq <20 ppq 0.2 ppb 1 ppb=10(-9) g/g 1 ppt=10(-12) g/g 1 ppq=10(-15) g/g 1 ppb=10(-9) g/g 1ppt=10(-12) g 1ppq=10(-13) g/g

44 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 44 -ABBIAMO CALCOLATO LE SOGLIE in ENERGIA e POTERE FRENANTE PER LE NOSTRE CONDIZIONI SPERIMENTALI. -A QUESTO PUNTO ABBIAMO MESSO A PUNTO UN PROGRAMMA DEL TIPO MONTE CARLO (MCNP PROVENIENTA DA LOS ALAMOS) -ABBIAMO TROVATO UN BUON ACCORDO TRA I DATI OTTENUTI CON UNA SORGENTE DI NEUTRONI (Am Be da 40 kBq) ed il MC A LIVELLO DI 1,5   l CALCOLO DEVE ESSERE RIFATTO PER LE INTERAZIONI DI WIMP IN MODO DA OTTENERE UN’EFFICIENZA IN QUEL CASO.

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47 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 47 DISCUSSIONI PRELIMINARI CON PICASSO + E CON COUPP 1)LA COLLABORAZIONE PICASSO HA MOLTO LAVORATO IN PASSATO(ALMENO DA 15 ANNI CON LA TECNICA SDD (Superheated Droplet Detector). 2)Hanno ottenuto OTTIMI RISULTATI negli ultimi anni col liquido C 4 F 10 tra i migliori per il settore SD. 3)Gli SDD contengono poca materia attiva nel rivelatore (<1%) e non sono adatti a grandissime masse (100-1000 kg) come quelle richieste adesso per la Dark Matter. 4)Il gruppo di Picasso HA QUINDI DECISO DI PASSARE ALLA TECNICA “GEYSER” nell’OTTOBRE 2012;5)NOI (Mi-Bicocca) avevamo scelto questa tecnica (praticamente nuova per lavori di particelle) già da 3 anni. 6) Il leader del gruppo Prof. Victor Zacek è venuto a trovarci a MilanoIl 19 Dicembre 2012 ed abbiamo preliminarmente pensato di stabilireun accordo cosi’ fatto :a)SCAMBIO DI INFORMAZIONI SULLE TECNOLOGIE CHE I DUE GRUPPI STANNO USANDO, b) lavorare in futuro, noi al Gran Sasso e loro a SNOLAB.c)stabilire eventualmente un accordo per i lavori che ne usciranno.

48 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 48 d)Mi hanno incaricato di interpellare la corrispondente collaborazione SIMPLE a LISBONA per vedere se vogliono, anche loro,passare alla tecnologia GEYSER IO NON HO AUTORITA’ IN QUESTE PROPOSTE E CHIEDO ALLA Comm. II se posso proseguire in questa direzione. VEDO I SEGUENTI VANTAGGI: I)Lo scambio di informazioni tecnologiche può essere utile a tutti i laboratori II)L’uso di due siti (Gran Sasso e SNOLAB) può essere utile per eventuali fondi connessi ai siti stessi. III)L’uso di liquidi leggermente diversi C 3 F 8 per noi e C 4 F 10 può darci la possibilità di ottenere le sezioni d’urto di WIMP su C e F in modo indipen- dente dalla teoria (DA VERIFICARE???). IV) Aprire per l’INFN la strada della tecnica basata sulla formazione di bolle.

49 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 49 DEAP3600 XENON100 CDMS XENON 1t most of the activity in SI sector !

50 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 50 no channel favored largely uncorrelated desctructive interference possible in SI sector Need to explore both sectors! PICASSO ‘12 PICASSO 0.5 t DEAP3600 XENON100 CDMS XENON 1t

51 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 51 FINE TALK

52 9-4-13 LNF (CSN II) A.Pullia 52 COLLABORATION Milano- Bicocca : BONESINI,GHEZZI,GOVONI,LUCCHINI,PAGANONI,PULLIA, REDAELLI, TABARELLI,CLEMENZA,ZANOTTI con la collaborazione di Mi-Celoria (Ing.Alessandria) e MERATE (Oberto Citterio) CERN : D. Cundy.. BERNA : H.W. Reist CAGLIARI ? W. Bonivento etc.