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NEUCAL: un rivelatore di neutroni per la separazione di particelle adroniche ed elettromagnetiche nei raggi cosmici Candidato: Giovanni Sorichetti Relatore:

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Presentazione sul tema: "NEUCAL: un rivelatore di neutroni per la separazione di particelle adroniche ed elettromagnetiche nei raggi cosmici Candidato: Giovanni Sorichetti Relatore:"— Transcript della presentazione:

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

2 REALIZZAZIONE DI UN PROTOTIPO DI NEUCAL INTRODUZIONE RISULTATI DELLA SIMULAZIONE: OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL RIVELATORI DI NEUTRONI PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE MONTE CARLO DI NEUCAL Sommario

3 REALIZZAZIONE DI UN PROTOTIPO DI NEUCAL INTRODUZIONE RISULTATI DELLA SIMULAZIONE: OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL RIVELATORI DI NEUTRONI PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE MONTE CARLO DI NEUCAL Sommario

4 La misura precisa e con alta statistica dello spettro denergia 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 energia nei raggi cosmici differiscono di 3-4 ordini di grandezza 1 TeV

5 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 (N TOT segnale << N TOT fondo ) e certi tagli di selezione per eliminare il fondo nella misura del segnale: 1 / P.R. = N pass fondo / N TOT 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. ~ X 0, R M ) La prima interazione di un adrone avviene a profondità maggiore Con la tecnica di discriminazione calorimetrica si raggiungono P.R. dellordine di

6 Lesperimento 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. ~ 10 5 Peso dello strumento ~ 1500 kg Rivelatore di neutroni al di sotto dei calorimetri; dimensioni laterali compatibili con CALET: 68 x 68 cm 2

7 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 denergia dei n uscenti da TASC simile per sciami da p e da e. n da diseccitazione dei nuclei n da emissione diretta

8 REALIZZAZIONE DI UN PROTOTIPO DI NEUCAL RISULTATI DELLA SIMULAZIONE: OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL RIVELATORI DI NEUTRONI PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE MONTE CARLO DI NEUCAL INTRODUZIONE Sommario

9 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 dalta energia > 100 MeV

10 Reazioni di conversione Per 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

11 Moderazione di neutroni Sezione durto per scattering elastico 1H1H C 27 Al Lenergia del neutrone dopo uno scattering con un nucleo di massa A è compresa nellintervallo: Lenergia MASSIMA di rinculo del nucleo dopo uno scattering è invece (la minima è ZERO): In entrambi i casi la distribuzione denergia è uniforme nei rispettivi intervalli In PAMELA si utilizzano due blocchi di polietilene (ricco di idrogeno)

12 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 1H1H C 208 Pb 206 Pb 207 Pb

13 REALIZZAZIONE DI UN PROTOTIPO DI NEUCAL RISULTATI DELLA SIMULAZIONE: OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL RIVELATORI DI NEUTRONI PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE MONTE CARLO DI NEUCAL INTRODUZIONE Sommario

14 Struttura del rivelatore di neutroni NEUCAL Rivelatore di neutroni multistrato: - 11 piani attivi di scintillatore plastico (68 x 68 x 1 cm 3 ) - 2 piani di contatori proporzionali a 3 He - 10 strati passivi di Pb (68 x 68 cm 2 ) [vedi prototipo del calorimetro KLOE]

15 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 denergia, tempo e posizione di questi...) ad ogni passo Abbiamo scelto il software FLUKA (adatto e largamente utilizzato per la simulazione di neutroni)

16 REALIZZAZIONE DI UN PROTOTIPO DI NEUCAL RISULTATI DELLA SIMULAZIONE: OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL RIVELATORI DI NEUTRONI INTRODUZIONE PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE MONTE CARLO DI NEUCAL Sommario

17 Moderazione di n a seconda dellenergia cinetica iniziale Picco n non interagenti Picco n termalizzati Termalizzazione n + da cattura radiativa ( 1 H) Picco KERMA ( 12 C) Termalizzazione n + da cattura radiativa ( 58 Ni, 63 Cu) Energia rilasciata complessivamente negli 11 piani di scintillatore di NEUCAL da ciascun n singolo 100 keV 100 MeV 1 MeV 10 MeV

18 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 denergia - 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 da 10 s): se il rilascio denergia 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

19 Contributo energetico dei singoli piani di scintillatore Alle energie più alte tutti i piani di scintillatore sono importanti dal punto di vista dellenergia rilasciata 100 keV 1 MeV 10 MeV E MEDIA [MeV]

20 Simulazioni con strati di piombo Lefficienza (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 (X 0 = 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

21 Distribuzione spaziale degli HIT 100 keV: x,y in (-5, 5) cm1 MeV: x,y in (-10, 10) cm10 MeV: x,y in (-10, 10) cm

22 Distribuzione temporale dellenergia degli HIT interazioni dei fotoni Due diverse scale di tempo: ( da tenere presenti nello scegliere lelettronica 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 (E [keV]) moderazione attiva

23 Middle DownTop Middle Top Down Efficienza dei contatori proporzionali a 3 He Efficienza

24 Distribuzione temporale delle catture di n in 3 He ~ 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])

25 REALIZZAZIONE DI UN PROTOTIPO DI NEUCAL RIVELATORI DI NEUTRONI INTRODUZIONE PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE MONTE CARLO DI NEUCAL RISULTATI DELLA SIMULAZIONE: OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL Sommario

26 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

27 Caratteristiche tecniche dei componenti utilizzati Nella 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 cm 3 Per il Prototipo abbiamo avuto a disposizione 5 contatori proporzionali cilindrici a 3 He prodotti dalla CANBERRA (12NH25/1): la lunghezza del volume attivo del tubo è la stessa degli scintillatori CANBERRA 12NH25/1 CANBERRA Modello 12NH25/1

28 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

29 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 ( )]

30 Per concludere Simulazione di NEUCAL con FLUKA: - efficienza di rivelazione dei neutroni negli scintillatori - effetto del piombo - efficienza dei tubi a 3 He - 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


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