1 La TPC ad Argon Liquido Il progetto ICARUS

2 ICARUS Imaging Cosmic And Rare Underground Signal La tecnologia di ICARUS, proposta per la prima volta da C. Rubbia nel 1977, riunisce in se' le caratteristiche di una camera a bolle con i vantaggi della lettura elettronica del segnale. Si tratta essenzialmente di una vasca criogenica riempita con di Argon liquido (LAr) ultra-puro e dotata di un sofisticato sistema elettronico di lettura. Ideale per lo studio delle interazioni di neutrino ed altri eventi rari.

3 Rivelazione elettronica di eventi ionizzanti Il piu' semplice rivelatore elettronico per eventi ionizzanti e' costituito da una coppia di elettrodi immersi in un dielettrico (gas o liquido) e fra i quali si stabilisce una d.d.p. In seguito al passaggio di una particella ionizzante si formano elettroni e ioni positivi che vengono spinti (“derivano”) verso gli elettrodi di polarita' opposta. Il moto degli elettroni (e degli ioni) induce una corrente misurabile.

4 Rivelazione elettronica di eventi ionizzanti (2/4) Assumiamo che sia gli elettroni che gli ioni positivi si muovano sotto l'influenza del campo elettrico E, con velocità v - (E) >> v + (E), e che non si leghino in modo apprezzabile alle impurita' elettronegative. Si puo' valutare l'effetto di una particella carica che passa attraverso un liquido sul circuito esterno attraverso il lavoro fatto dal campo elettrico per tenere le cariche in moto: dW = eE(v + +v - )dt =V 0 i 0 dt dove i 0 e' la corrente nel circuito. La corrente i 0 = e(v + +v - ) / d comincia a scorrere immediatamente dopo la formazione delle coppie elettrone-ione e molto prima che queste colpiscano gli elettrodi.

5 Rivelazione elettronica di eventi ionizzanti (3/4) Poiche’ la velocita' degli elettroni e' diversi ordini di grandezza maggiore di quella degli ioni positivi, solo gli elettroni contribuiscono significativamente alla corrente: i 0 ≈ e v - /d La carica raccolta da un singolo elettrone che parte da una certa posizione x all'interno del rivelatore e' allora: Q - (x) = ∫ 0 t (d) t (x) i 0 dt = = e (v - /d) {(d-x)/v - } = = e (d-x)/d

6 Rivelazione elettronica di eventi ionizzanti (4/4) Problemi nella rivelazione di eventi ionizzanti in un liquido: I segnali sono molto piccoli: 1 mm di una traccia al minimo di ionizzazione rilascia meno di 10 4 elettroni nella maggioranza dei dielettrici liquidi. Il segnale e' anche piu' piccolo a basso campo elettrico per via di un significativo numero di ricombinazioni di coppie elettrone-ione immediatamente dopo la loro formazione. I liquidi devono essere ultrapuri: un elettrone in un liquido e‘ sottoposto a circa collisioni molecolari per secondo. Quindi le impurita' con una grande probabilita' di legarsi devono essere tenute ad un livello molto basso (1 ppb). I gas nobili in forma liquida, come l'Argon, il Kripton e lo Xenon, hanno mobilita' (μ = v/e) molto alta e questo implica che gli elettroni siano quasi liberi.

7 Visualizzazione degli eventi La visualizzazione degli eventi ionizzanti dentro il volume liquido del rivelatore e' possibile grazie al lungo tempo di vita degli elettroni prodotti e alla sensibilita' degli amplificatori di carica a basso rumore j-FET che sono in grado di percepire il segnale di poche migliaia di elettroni che compongono alcuni millimetri di una traccia al minimo di ionizzazione. La lettura delle informazioni usa una tecnica molto simile a quella tradizionalmente usata per le camere a ionizzazione. In questo caso, pero', non e' sufficiente raccogliere semplicemente la carica: e‘ necessaria una lettura non distruttiva per assicurare la visualizzazione simultanea in almeno tre viste diverse e la determinazione del cosiddetto segnale di tempo zero.

8 Perchè l’Argon come mezzo liquido Deve trattarsi di un gas nobile: non cattura gli elettroni di ionizzazione. Tra i cinque gas nobili esistenti in natura (He, Ne, Ar, Kr e Xe) i primi due non possono essere usati in forma liquida perche' producono delle piccole bollicine attorno all'elettrone rallentandone il processo di deriva. Dei due rimanenti, solo l'Argon liquido ha raggiunto un sufficiente sfruttamento industriale ad un prezzo ragionevole. E' ottenibile ad un alto grado di purezza chimica e questo permette agli elettroni liberi di compiere un cammino abbastanza lungo. La presenza di altre sostanze chimiche nell’Argon, soprattutto elettronegative come l'Ossigeno, non deve superare una parte su un miliardo (1 ppb). la massima lunghezza percorribile in Argon dagli elettroni prodotti in eventi ionizzanti e' di 1640 mm per un campo elettrico di 300 V/cm.

9 Visualizzazione degli eventi Una lettura non distruttiva del segnale di corrente puo' essere realizzata sostituendo agli elettrodi piani un certo numero di piani di fili o griglie altamente trasparenti agli elettroni dell'evento. La tasparenza della griglia agli elettroni che si muovono lungo le linee del campo elettrico dipende dal rapporto tra i campi E 1 ed E 2 rispettivamente davanti e dietro la griglia e dal rapporto ρ =2πr/p dove r e' il raggio del filo e p e' lo spazio tra i fili.

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11 Visualizzazione degli eventi (2) Gli elettroni, avvicinandosi lungo le linee del campo elettrico, possono attraversare diversi piani di fili orientati in direzioni differenti. Mentre si avvicinano a un piano, inducono corrente solo sui fili prossimi al loro passaggio. Quando si allontanano viene registrata una corrente di segno opposto. Integrando la corrente con un amplificatore di carica si otterra' un segnale dipendente dal tempo di forma approssimativamente triangolare. In seguito all'effetto di schermo delle griglie adiacenti, il segnale ha durata limitata. Nella prima griglia, invece, i segnali iniziano non appena la particella ionizzante attraversa la camera. In questo modo si puo' registrare il tempo di inizio del segnale.

12 wire pitch d d Drifting Ionizing Track e-e- Electric Field time Screen Grid Induction Plane Collection Plane Charge Induction wire Signal (schematic) Waveform T0T0 T peak Light T drift PMT Signal PMT UV Light Amplifier in LAr E1E1 E2E2 E3E3 Ionisation electrons may drift over large distances (meters) in a volume of highly purified liquid Argon (O 2 eq. less than 0.1 ppb !) under the action of an electric field. With an appropriate readout system (i.e. a set of fine pitch wire grids) is it possible to realize a massive, continuously sensitive “bubble chamber” ? Can we create multiple readouts of the same, small charge ( 8000 e/mm)?

13 L’elettronica di lettura Charge Signals induced Drift time AB C Charge Drift time A B C Ionizing track e-e- 1 st Induction wire/screen grid 2 nd Induction wire grid (x view) Collection wire grid (y view) d d p Non-destructive multiple readout Continuous waveform recording Time -- drift 400 ns sampling Raw Data from a 10 m 3 prototype Scintillation Light A mip produces ≈20000 electrons per 3mm

14 Visualizzazione degli eventi (3) Questa tecnica comporta una serie di vantaggi: La risposta al singolo elettrone e' uniforme e quindi produce un segnale di altezza proporzionale alla carica che passa attraverso gli elettrodi (quindi una misurazione precisa dell'energia depositata). La separazione elettrostatica tra i fili permette una localizzazione molto precisa della carica in moto (quindi una buona risoluzione spaziale). Ciascun piano di fili produce una proiezione bidimensionale dell'evento dove una coordinata e' data dalla posizione del filo e l'altra e' data dal tempo impiegato dalla carica a raggiungere il piano dei fili (direttamente proporzionale, attraverso la velocita' dell'elettrone, alla distanza di partenza della carica dal piano dei fili). Quest'ultima coordinata e' comune a tutte le proiezioni e quindi permette la ricostruzione tridimensionale dell'evento.

15 The ICARUS Genealogy

16 Il rivelatore ICARUS T600 ICARUS T600 e' un grande criostato diviso in due semimoduli adiacenti identici a forma di parallelepipedo (dalle dimensioni interne di 3.6 x 3.9 x 19.9 m 3 ). Ogni semimodulo da 300t di LAr ospita al suo interno un rivelatore composto da due TPC, il sistema di formatura del campo e un sistema di rivelazione per la luce di scintillazione del LAr costituito da una fila di fotomoltiplicatori.

17 The ICARUS T600 Module Two separate containers –inner volume/cont. = 3.6 x 3.9 x 19.6 m 3 Sensitive mass = 476 ton 4 wire chambers with 3 readout planes at 0°, ±60° (two chambers / container) –≈ wires None broke during test Maximum drift = 1.5 m –HV = kV/cm Scintillation light readout with 8” VUV sensitive PMTs

18 Esterno del rivelatore All'esterno del rivelatore si trova: nella parte superiore, l'elettronica di lettura, l'impianto criogenico fatto, oltre che da un circuito di raffreddamento all'Azoto liquido, da un sistema di purificazione del LAr per conservare la purezza ad un livello sufficientemente alto, un eventuale schermo per i neutroni che circonda l'intero rivelatore, composto da file di tubi di polietilene riempite con acido borico, al fine di moderare e catturare i neutroni prodotti dalla radioattivita' naturale del sottosuolo. Questo schermo e' necessario per ridurre il fondo di neutroni nello studio dei neutrini solari.

19 Interno del rivelatore La struttura del rivelatore interno e' costituita da due TPC per semimodulo. Il volume totale dell'argon liquido e' di 559 m 3, pari a 782 t. Ogni TPC e' formata da tre piani di fili, distanziati di 3 mm, orientati a 60 º, con un passo di 3 mm tra fili adiacenti. In particolare si hanno due piani di Induzione a 0º e +60º ed un piano di Collezione a -60º. Il numero totale dei fili nel rivelatore T600 e' di

20 All'interno del volume del rivelatore si trova un campo elettrico costante e perpendicolare ai piani di fili per permettere la deriva delle cariche. Il sistema ad alto voltaggio che lo produce e' composto da un catodo piano,parallelo ai piani di fili, posto nel mezzo del volume di LAr di ogni semimodulo alla distanza di circa 1,5 m dai fili di entrambe le parti. Elettrodi per la formatura del campo ne garantiscono l'uniformita‘ lungo la direzione di drift.

21 L'elettronica di ICARUS e' disegnata per permettere una continua lettura, digitalizzazione e registrazione della forma d'onda del segnale per ogni filo della TPC. Poiche' nella TPC di ICARUS le cariche non vengono amplificate, come invece accade nelle usuali camere a gas, e' necessaria un'elettronica a basso rumore. Gli eventi ionizzanti nel LAr sono accompagnati dall'emissione di una luce di scintillazione. La rilevazione di questa luce puo' essere usata per la misurazione del tempo assoluto T 0 dell'evento e puo' dare un utile segnale del trigger interno. A questo scopo e' stato adottato un sistema di fotomoltiplicatori immersi direttamente nel LAr.

22 A B C D A B C D C D BA Induction I view Induction II view Collection view Run 939 Event 46 Left chamber  K e

23 dE/dx vs range K candidate Stopping  The dE/dx vs range of the primary track is compatible with a kaon The 3D reconstruction allows to compute the dE/dx and range

24 Run 939 Event 95 Right chamber T e =36.2 MeV Range=15.4 cm T e =36.2 MeV Range=15.4 cm Stopping muon reconstruction example Collection view Induction 2 view A A B B C C µ+ e+ µ+ e+ Induction 1 view J. Rico’s thesis (ETHZ, 2002)

25 18 m 1.5 m Left Chamber Right Chamber Cathode Long longitudinal muon track crossing the cathode plane Track Length = 18.2 m 3D View Top View dE/dx = 2.1 MeV/cm 3-D reconstruction of the long track dE/dx distribution along the track

26 2 El.m. shower Full 2D View from the Collection Wire Plane Wire coord. (m) 2 Drift coord. (m) Zoom views  stop and decay in e Detail of a long (14 m)  track with  -ray spots El.m. shower T600 Pv: Run Evt 12 1

27 Cosmic ray Showers T600

28 V0 candidate

29 Hadron interaction

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31 Borexino OPERA HALL C HALL B HALL A LVD CRESST CUORE CUORICINO LUNA2 D AMA/LIBRA GENIUS-TF MI R&D XENON ICARUS GERDA WARP VIP LOW ACTIVITY LAB LISA BAM - OPERA

32 Il progetto ICARUS per il Gran Sasso: detector ad Argon liquido per neutrini

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34 Gli obiettivi di fisica di Icarus Neutrini atmosferici e da Supernova Oscillazioni di neutrino con il fascio dal CERN Ricerca esplicita di    and   e Ricerca di segnali del decadimento del protone uuduud ee dddd p 00

35 65 cm p  K + e P = 425 MeV “Single” event detection capability K+ µ+ e+ p  K + pe+0pe+0 Il decadimento del protone e’ l’obiettivo originale del progetto ICARUS Molto competitivo sul canale K p  K + e :efficiency=97% bg events in 1kt x year exposure: results after few kt year

36 50 cm 65 cm p e-e- Bassa soglia (~50 MeV), separazione netta e/μ Ricostruzione completa degli eventi Correnti Neutre: buona discriminazione e/  0 Caratteristiche importanti di ICARUS per la fisica del neutrino (atmosferico e da fascio)

37 Una interazione di neutrino in Argon Liquido ICARUS-CERN-Milano CERN -beam 46 cm max. drift distance

38 Ricostruzione della massa del π 0 t 0 = 12.4  s,  e = 1.65 ms E(  1 ) = 182.5±22.2 MeV E(  2 ) = 180.8±20.1 MeV Run 712 Evt 7 (Left Collection View) M  = 150.6±11.8 MeV/c 2 51  0  eventi candidati  = 40 º Main vertex Fondo Combinaotio da eventi con > 2 sciami In accordo con la risoluzione in energia e.m. attesa

39 neutrini dalle Supernovae Scattering elastico dei (ES) Assorbimento del e (CC) Scattering elastico degli anti- (ES) Assorbimento dell’anti- e (CC)  ( e )+0.15  (  +  )  ( e ) Q=5.885 MeV  ( e )+0.34  (  +  )  ( e ) Q≈8 MeV Interazioni di bassa energia rivelabili in Argon