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SCUOLA DI DOTTORATO Marco Selvi Thanks to Piero Galeotti and Walter Fulgione Reactor neutrino detection Esperimento di Cowan e Reines - 1956.

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1 SCUOLA DI DOTTORATO Marco Selvi Thanks to Piero Galeotti and Walter Fulgione Reactor neutrino detection Esperimento di Cowan e Reines

2 Cowan and Reines

3

4 Setup del rivelatore

5 Un tipico evento con la doppia segnatura

6 Schema dellelettronica di trigger e DAQ

7 Criteri di selezione del segnale Coincidenza positrone: –Energia: MeV in ognuna –Tempo: <0.2 us fra loro Coincidenza neutrone: –Energia: MeV in totale (almeno 0.2 MeV in ognuna) –Tempo: <30 us dal positrone

8 Selezione del segnale

9 Due esempi di segnale

10 Calibrazione in energia Energia persa da un muone verticale nella tank di scintillatore: E lost = 2 MeV g/cm 2 x 0.8 g/cm 3 x 58 cm = 92.8 MeV

11 Calibrazione in energia

12 5 test di consistenza

13 Test 1: verifica di segnale dipendente dal reattore

14 Per confrontare il rate di eventi misurati con le attese teoriche è necessario conoscere le efficienza di rivelazione del segnale del positrone e del neutrone, vediamo come...

15 Neutron detection efficiency Pu-Be neutron source: 3100 neutroni / s Due differenze principali: Spettro energetico dei neutroni emessi (fino a 11 MeV, invece i neutroni da antineutrino hanno energie del keV) Distribuzione spaziale: puntiforme per la sorgente, uniforme per il segnale. Stima dellefficienza media del rivelatore rispetto allefficienza centrale: 60%

16 Neutron detection efficiency Pu-Be neutron source: + 9 Be 12 C* + n 12 C* 12 C + (4.4 MeV) Stima dellefficienza come rate di neutroni/gamma Primo impulso: di 4.4 MeV Rate con sorgente = 329 Hz Rate senza sorgente = 10 Hz Rate di coincidenze: 43 Hz Dopo alcune correzioni si valuta un limite inferiore allefficienza pari al 14%

17 Neutron detection efficiency Secondo approccio: calcolo a priori. Lefficienza di rivelazione del neutrone viene suddivisa in tre contributi = prob. che il neutrone NON esca dalla tank di acqua. Il libero cammino medio di un n di 10 keV in acqua è 0.75 cm 94% 2 prob. che il neutrone sia catturato dal Cd entro la finestra temporale considerata. Conoscendo il del Cd ottengo 86% 3 prob. che i gamma emessi soddisfino i criteri per la rivelazione (Energia: MeV in totale (almeno 0.2 MeV in ognuna) e Tempo: <30 us dal positrone) 49% = 40% (al centro) = 40% x 60% = 24% (ovunque)

18 Positron detection efficiency Sorgenti emettitrici di positroni: 64Cu disciolto nella targhetta Tra 0.2 e 0.6 MeV Efficienza del 15 %

19 Calcolo della sezione durto R = 1.5 h -1 N = protoni liberi F = cm -2 s -1 Eps n = 17% Eps = 15% = cm 2 in accordo con le attese teoriche (anche attuali !!)

20 Test 2: proof che il primo segnale è dovuto al e + Due dimostrazioni: - Spessori di piombo - Spettro energetico

21 Test 3: proof che il secondo segnale è dovuto al neutrone Due dimostrazioni: -Variazione della conc. di Cd - Spettro energetico

22 Test 4: dipendenza del segnale dal numero di protoni liberi nella targhetta Il 47% dellacqua è stata sostituita con acqua pesante D 2 O. La sezione durto di interazione degli antineutrini con il deuterio è circa 1/15 di quella su protone. Si osserva un diminuzione del numero di interazioni compatibile con le attese.

23 Test 5: dimostrazione che il segnale non è dovuto a neutroni del reattore Un neutrone fast proveniente dal reattore potrebbe simulare linterazione dellantineutrino. Usando sorgenti di neutroni esterne al rivelatore si vede che non rappresenta un background importante. Anche il test con acqua pesante esclude questa contaminazione (il rate non sarebbe diminuito), così pure il test con linserimento di piombo (di nuovo il rate non sarebbe diminuito). Infine è stata inserita della sabbia (76 cm) in grado di assorbire neutroni (verificato tramite sorgente di Am-Be) e gamma, ma non si osserva nessun calo nel rate. Il segnale NON dipende da radiazione neutra esterna (a parte gli antineutrini, of course).

24 Cowan and Reines: conclusioni


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