Candidato: Giovanni Sorichetti Relatore: Prof. Oscar Adriani Università degli Studi di Firenze Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Tesi Laurea Specialistica in Scienze Fisiche e Astrofisiche NEUCAL: un rivelatore di neutroni per la separazione di particelle adroniche ed elettromagnetiche nei raggi cosmici Candidato: Giovanni Sorichetti Relatore: Prof. Oscar Adriani 15/12/2009 Sesto Fiorentino (FI)

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

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Importanza della separazione e/h nei raggi cosmici 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) Il flusso di protoni e quello di elettroni di alta energia nei raggi cosmici differiscono di 3-4 ordini di grandezza 1 TeV

Tecniche calorimetriche ‘tradizionali’ Lo sviluppo in un calorimetro è DIVERSO per sciami adronici VS. elettromagnetici: profilo longitudinale e profilo trasversale; punto iniziale dello sciame. Gli sciami adronici hanno uno sviluppo più ampio (dimensoni vanno ~ l VS. ~ X0 , RM) La prima interazione di un adrone avviene a profondità maggiore PAMELA (Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter) 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 (NTOTsegnale << NTOTfondo) e certi tagli di selezione per eliminare il fondo nella misura del segnale: 1 / P.R. = Npassfondo / NTOTfondo Con la tecnica di discriminazione calorimetrica si raggiungono P.R. dell’ordine di 104-105

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

Da simulazioni effettuate dalla collaborazione CALET: La nostra proposta 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 Fattore circa 35 n da emissione diretta

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Classificazione dei neutroni ultrafreddi ~ 1 meV freddi ~ 1 meV termici (o lenti) ~ 25 meV epitermici ~ 0.1 eV  ~ 100 keV veloci > 100 keV  > 10 MeV di alta energia > 100 MeV I neutroni sono classificati a seconda della loro energia cinetica: 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, a)... ~ eV  ~ keV produzione di uno sciame adronico d’alta energia > 100 MeV

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 sterm ~ 5000 barn term 573 keV 191 keV

Moderazione di neutroni L’energia del neutrone dopo uno scattering con un nucleo di massa A è compresa nell’intervallo: Sezione d’urto per scattering elastico 1H L’energia MASSIMA di rinculo del nucleo dopo uno scattering è invece (la minima è ZERO): C 27Al In entrambi i casi la distribuzione d’energia è uniforme nei rispettivi intervalli In PAMELA si utilizzano due blocchi di polietilene (ricco di idrogeno)

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 sterm ~ 0.5 barn 1H C 208Pb 206Pb 207Pb

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Struttura del rivelatore di neutroni NEUCAL Rivelatore 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]

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) 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)

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

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 ms): 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 un HIT nell’ evento Condizione di neutrone ‘visto’: almeno due HIT nell’ evento

Contributo energetico dei singoli piani di scintillatore 100 keV EMEDIA [MeV] 1 MeV EMEDIA [MeV] 10 MeV Alle energie più alte tutti i piani di scintillatore sono importanti dal punto di vista dell’energia rilasciata EMEDIA [MeV]

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

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

Distribuzione temporale dell’energia degli HIT 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 ms fino a ~ 300 ms) log (E [keV]) moderazione attiva log (t [ns]) interazioni dei fotoni log (E [keV]) log (t [ns])

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

Distribuzione temporale delle ‘catture’ di n in 3He 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) ~ 10 ms ~ 300 ms log (t [ns]) log (t [ns]) log (t [ns])

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Struttura a nove moduli 8.5 cm Tripletta di scintillatori plastici letti dallo stesso fotomoltiplicatore (accoppiamento attraverso una guida di luce in Plexiglas) 25 cm

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 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 Modello 12NH25/1

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

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)]

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