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

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

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) ↓

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 kg (Da discutere in COMM. II) LIQUIDO GIA’ UTILIZZATO: C 3 F 8 (Freon 218)

LNF (CSN II) A.Pullia kg F U N Z I O N A N T I→ In costruzione progetto

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

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

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

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.

LNF (CSN II) A.Pullia 10 P.COOPER al CERN 10 Luglio 2012

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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).

LNF (CSN II) A.Pullia  m goccioline di C 4 F 10 Ambiente T & P (P b = °C ) Piezo-electric transduttori La temperatura d’operazione determina la soglia di energia FATTI ATTRAENTI - 45 °C →E th = 2 keV 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

LNF (CSN II) A.Pullia 16 Calibration of Energy Threshold Mono-energetic n-test 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

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

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

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

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

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

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: Physics Results (March 27, Phys. Lett. B) SDD

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

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

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

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

LNF (CSN II) A.Pullia 27 Il TRIGGER DEL GEYSER: -Per rinculi dovuti a NEUTRONI (e WIMP) GLI IONI DEPOSITANO ENERGIE IN PICCOLE ZONE (  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.

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 n3/2 131 Xe p5/2 127 I 0.084n1/2 29 Si n9/2 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

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.

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.

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.

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

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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

LNF (CSN II) A.Pullia 35 NUOVO RIVELATORE (40 kg)

LNF (CSN II) A.Pullia 36 NUOVO VASO di QUARZO

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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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LNF (CSN II) A.Pullia 41 STUDIO COL MICROSCOPIO A FORZA ATOMICA

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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

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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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 ( 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.

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.

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

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

LNF (CSN II) A.Pullia 51 FINE TALK

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.