6 marzo 2008 Efficienza di rivelazione per neutroni Candidato: Alessandra Lucà Relatore: Dott. Stefano Miscetti Relatore interno: Prof. Piergiorgio Picozza Efficienza di rivelazione per neutroni con calorimetri eterogenei a piombo e fibre scintillanti Efficienza di rivelazione per neutroni con calorimetri eterogenei a piombo e fibre scintillanti Università di Roma “Tor Vergata” Tesi di Laurea di I livello in FISICA 6 marzo 2008 1

Il calorimetro di KLOE 1.2 mm 1.35 mm 1.0 mm L’esperimento KLOE, presso DAFNE (LNF), ha un calorimetro elettromagnetico formato da strati alternati di piombo e fibre scintillanti Il calorimetro di KLOE è stato disegnato per rivelare elettroni e fotoni. Fibre scintillanti di 1 mm di diametro (Kuraray SCSF-81 e Pol.Hi.Tech 0046) Nucleo interno: polistirene, =1.050 g/cm3, n=1.6, peak ~ 460 nm sottili fogli di Pb scanalati (0.5mm di spessore) rapporto di volumi Piombo:Fibre:Colla= 42:48:10 X0 = 1.6 cm =5.3 g/cm3 Spessore del calorimetro 23 cm Spessore di contenimento = 14.4 X0 Spessore totale dello scintillatore ~ 10 cm 1.2 mm 1.35 mm 1.0 mm Piombo X_0: lunghezza di attenuazione 2

Rivelazione di neutroni Tradizionalmente per rivelare neutroni con energia tra 1-200 MeV si usano scintillatori organici (lo scattering elastico di neutroni su atomi di H: i protoni acquistano energia cinetica e vengono rivelati dagli stessi scintillatori) efficienza proporzionale allo spessore  1%/cm Misure preliminari stimate con i dati di KLOE (neutroni prodotti da interazioni K nell'apparato) hanno mostrato un'alta efficienza (40%) del calorimetro elettromagnetico per la rivelazione di neutroni con energia < 20 MeV, confermata dal Monte Carlo ufficiale dell’esperimento. La rivelazione di neutroni è importante per un esperimento alla macchina DANE , ad alta luminosità. Test beam dedicato effettuato con un fascio di neutroni presso “The Svedberg Laboratory” (TSL) di Uppsala (2006, 2007, 2008) per confermare la misura di efficienza. L'argomento della mia tesi è l'analisi dei dati raccolti nell'ultimo test beam (ottobre 2008). due proposte: Ricerca per nuclei kaonici profondamente legati (AMADEUS) Misura dei fattori di forma time-like dei neutroni (DANTE)‏ 3

Produzione del fascio di neutroni @ TSL 5.31 m CICLOTRONE GUSTAF WERNER ( 2 cm)‏ Blue Hall TRF = 45ns PICCOLO PROTOTIPO DEL CALORIMETRO DI KLOE Tramite la reazione p + 7Li → n + 7Be viene prodotto un fascio quasi monoenergetico di neutroni da 174 MeV. Fascio di protoni con energia 180 MeV. Spettro energetico dei neutroni con un picco alla massima energia (a 174 MeV fp = 42% di neutroni nel picco) Coda di neutroni termici 4

Rivelatore utilizzato @ TSL Piccolo prototipo di KLOE : - LxHxS = (65x13x24) cm3 - lettura da entrambe le facce (side A, side B) tramite PMTs con diametro 1, 1/8 “ - celle 35 (4.2 cm  4.2 cm) Reference counter : NE110; spessore 5 cm ; area 1020 cm2 letto da entrambi i lati Display degli eventi Le celle colorate indicano le celle colpite dal passaggio della particella. n Y X Z SIDE A SIDE B piani COLONNA CENTRALE 5

Trigger e schema elettronico Canale 0 Linear Fan in Fan out Canale 1 Canale N ADC 100fC/count gate 200ns ritardo Una copia del segnale analogico arriva all’ADC, con un ritardo dovuto all’elettronica Discriminatori TDC 50ps/count stop common start ritardo Una copia del segnale viene discriminata e ritardata prima di arrivare al TDC; essa dà lo STOP per ogni singolo canale Time Unit gate Discr. Σ (Side A) Σ (Side B) Dopo una somma analogica su tutti i canali per ogni side, il segnale viene discriminato Il Fan out replica il segnale in tre copie Radiofrequenza 45ns Rate Neutroni 20kHz trigger Phase Locking Il trigger è generato in fase con la RF è abilitato dalla coincidenza SA and SB. 6

Schema temporale Sensibilità del TDC= (53.6 0.3) ps Il fascio di protoni viene pulsato con un periodo TRF = 45 ns. I neutroni prodotti giungono dopo un certo intervallo di tempo sul calorimetro. Il common start del TDC è fornito da un trigger, generato in fase con la RF ed abilitato dalla coincidenza delle due side. Con questa configurazione gli eventi del picco vengono ben determinati, ma gli eventi della coda (più lenti) possono essere determinati con uno start generato nel successivo TRF. Sensibilità del TDC= (53.6 0.3) ps

Calibrazione dei piedistalli e zero di carica Il piedistallo è il valore di carica riportato dall’ADC in assenza di segnale esterno. Vengono effettuati dei run speciali, per stimare il valore (in conteggi di ADC) del piedistallo di ogni singolo canale Il piedistallo è calcolato attraverso un fit gaussiano dello spettro dei canali di ADC, Qraw generati tramite un oscillatore a 10 kHz,vengono Alla carica si sottrae il valore del piedistallo: Q = Qraw- PED >3s Il fit mostra una variazione contenuta del valore del piedistallo in funzione del numero di run.

Scala in energia e MIP ETOT=S Qi/MMIPi La misura dell'energia all'interno del calorimetro avviene tramite la misura della carica raccolta dai fotomoltiplicatori. Per valutare i guadagni vengono utilizzate le MIP. Per ogni cella: E(MIP) = GA K DE. Con i valori ottenuti si cerca di equalizzare i guadagni. L’energia totale della particella espressa in unità di MIP è: Entries Entries ETOT=S Qi/MMIPi è meglio metterne 2? Entries Entries che corrisponde a: ETOT(MeV) = ETOT(MIP) K E con KE = 35 MeV/MIP Esempi di distribuzioni di MIP per 4 canali

Allineamento dei tempi e ToF Entries Tpeak= Li/ (peak c) T’ tail = Ttail + TRF T tail < Tpeak - 2s (ns) Allineamento dei tempi , poiché il trigger è “phase locked” con la RF (TRF =45 ns) Precisione 50 ps, stabilita' 1 ns. Il tempo vero è: TTRUE= T –Tpeak +L0/ (peak c). Lo spettro di energia può essere ricostruito con il ToF: Dal ToF   spettro dei neutroni : T = Li / ( c) Nota la massa dei neutroni energia cinetica: EK= E-Mn c2 10

Confronto Dati/MC e alone I clusters formati da una singola cella mostrano un rapporto celle accese laterali/centrali più alto di quello aspettato dal MC Entries dati MC all BKG Le celle laterali mostrano una componente piatta non attesa dal MC C’è un fondo di neutroni di bassa energia che formano un alone attorno al core cella centrale dati MC all BKG Fit delle distributioni dei ToF nei dati con: - forma del segnale attesa da MC - parametrizzazione lineare del fondo; Per ogni cella del calorimetro e per ogni soglia del trigger dati MC all BKG Distribuzione del ToF per le celle del 1° piano per gli eventi con una sola cella. Frazione di alone ■ = Central cell ■ = Lateral cell n

Misura dell'efficienza su tutto lo spettro  = Rtrigger × (1-B/(S+B)) RNEUTRONI ×  B = background S= segnale Rtrigger : numero di neutroni rivelati RNEUTRONI: numero di neutroni incidenti (misurato tramite un monitor del fascio sull'intensità del flusso di neutroni, misurato dal TSL.) ( 1 - 0.3)‏ ricordati che rate totale n = 20 kHZ su un periodo RF = 45 ns. Probabilita' di doppi/neutroni/evento = 1/1000 con un contatore (scaler)) L'ICM viene utilizzato online il TFBC viene usato offline per calibrare l'ICM: il sistema ha un'accuratezza del 10 %  : accettanza ( ≈ 1 , assumendo che il fascio sia completamente contenuto nella superficie del calorimetro ) 12

Misura preliminare dell’efficienza Efficienza del calorimetro misurata con neutroni di 174 MeV PRELIMINARY e = 30 % a 15 MeV di soglia. Il valore trovato è  4 volte maggiore di quello aspettato per uno spessore equivalente di scintillatore Le efficienze misurate per lo scintillatore di referenza sono in accordo con i valori in letteratura Simulazioni dettagliate sono in sviluppo errY:sottr. alone,flusso n errX: cut off soglie 13

Spares 14

Fibre scintillanti 1.2 mm 1.35 mm 1.0 mm Propagazione della luce attraverso riflessioni multiple all’interno del core e del cladding. 1.2 mm 1.35 mm 1.0 mm Piombo TR = 21 cladding core 36 particella X_0: lunghezza di attenuazione Es. di fibra ottica: n1 =1.6, n2=1.49 → QTR = 21° Lunghezza di attenuazione l  3 – 4 m 15

Luminosità @ DAFNE Il rate di eventi R in una collisione è proporzionale alla sezione d’urto d’interazione σint La luminosità è il fattore di proporzionalità: R = Lσint . La nuova macchina Dafne ha una luminosità maggiore di 5 x 1032 cm-2 s-1 X_0: lunghezza di attenuazione Alta luminosita’: alta frequenza di eventi da studiare 16

Il ciclotrone Gustaf Werner Dati principali: Raggio di estrazione: 1.2 m Diametro della base del polo magnetico: 2.8 m Campo medio massimo: 1.75 T al a raggio massimo utile di 1.2 m Radiofrequenza: RF= 22 MHz => TRF = 45 ns Energie disponibili per la produzione di un fascio di protoni: 20-180 MeV rate 6 kHz

PMT: Photo Multiplier Tube Un PMT converte la luce in un segnale elettrico che poi amplifica. I fotoni incidono su un fotocatodo che, per effetto fotoelettrico, emette fotoelettroni. Questi passano attraverso una serie di dinodi mantenuti a una certa ddp. Da dinodo a dinodo, i fotoelettroni vengono così moltiplicati, prima di arrivare all’anodo. è meglio metterne 2? Il guadagno è: G ~ V Nd La variazione in guadagno è:

Neutron rate Flusso assoluto di neutroni misurato dopo il collimatore con 2 monitors di intensità del fascio Ionization Chamber Monitor (7 cm ): ICM monitor online Thin-Film Breakdown Counter (1 cm ): TFBC monitor offline. Viene usato per calibrare l’ ICM misurando il flusso di neutroni all’uscita del collimatore. Conta il numero di fissioni dell’ 238U, da cui ricava la frazione di eventi del picco di neutroni, fp. Rate(n) = Rate(ICM)  K  π r2 / fp r = raggio del collimatore (1 cm) K = fattore di calibrazione TFBC : ICM = 1Hz : 3 kHz/cm2 fp = frazione di neutroni nel picco  accuratezza: 10% per l’ energia del picco (180 MeV) 20% per energie più basse (20 – 50 MeV) Move beam halo in previous slide 19

−<dE/dx> = cost => -DE~ Dx Cosa sono le MIP Le Minimum Ionizing Particles, o Mip, sono particelle che nel passaggio attraverso la materia hanno un rate di perdita di energia vicino al minimo. Una fonte di MIP sono i raggi cosmici (muoni): −<dE/dx> = cost => -DE~ Dx Il valore della carica rilasciato dalle MIP in parte attiva è proporzionale solo allo spessore attraversato: Le MIP risultano utili ai fini della calibrazione della scala energetica. è meglio metterne 2?

La sensibillità si ricava da Sensibilità del TDC La sensibillità si ricava da TRF/DTTDC Spettro di TDC in conteggi: Le due linee rappresentano inizio e fine del range del plot. La prima linea si trova a 2390 2.9 cont. la seconda a 3230 2.9 cont. TRF = 45ns (840 4) conteggi →(53.6 0.3)ns A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation April 8-9, 2008 - Saclay

Clusters Coordinate spaziali Z X Tempo Energia del cluster

Fondo per cluster con più di una cella Entries Distribuzione del ToF per le celle del 1° piano per gli eventi con più di una cella.

Journées GDR Nucléon - Instrumentation Un tipico processo inelastico n Z(cm)‏ p n1 n2 n3 n4 X(cm)‏ primary vertex En = 175.7 MeV En (p) = 126 MeV L’aumento dell’efficienza sembra essere dovuto a un’enorme produzione inelastica di neutroni nei piani di piombo. Questi neutroni secondari: - sono prodotti isotropicamente; - sono prodotti con una frazione non trascurabile di energia e.m. e di protoni, che può essere rivelata nelle fibre; - hanno un’energia più bassa e quindi una probabilità più grande di avere nuove interazioni nel calorimetro con produzione di neutroni / protoni /γ . A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation April 8-9, 2008 - Saclay 24

Journées GDR Nucléon - Instrumentation Scintillator efficiency Agrees with the “thumb rule” (1%/cm) at thresholds above 2.5 MeV el.eq.en. (%)/ cm of scintillator En (%) - scint. Agrees with previous measurements in the same energy range after rescaling for the thickness Larger errors at low energies due to: big uncertainty in the beam halo evaluation worse accuracy of the beam monitors Correction factor for beam halo  0.9  0.1 A. Ferrari Journées GDR Nucléon - Instrumentation April 8-9, 2008 - Saclay 25 25

Neutron interactions in the calorimeter Simulated neutron beam: Ekin = 180 MeV target Pel(%) Pinel(%) Pb 32.6 31.4 fibers 10.4 7.0 glue 2.3 2.2 Each primary neutron has a high probability to have elastic/inelastic scattering in Pb In average, secondaries generated in inelastic interactions are 5.4 per primary neutron, counting only neutrons above 19.6 MeV. neutrons above 19.MeV 62.2% photons 26.9% protons 6.8% He-4 3.2% deuteron 0.4% triton 0.2% He-3 Typical reactions on lead: n Pb  x n  y   Pb n Pb  x n  y   p + residual nucleus n Pb  x n  y   2p + residual nucleus In addition, secondaries created in interactions of low energy neutrons (below 19.6 MeV) are - in average – 97.7 particles per primary neutron. neutrons 94.2% protons 4.7% photons 1.1% 26

The simulation of the beam line At the Li-target At the calorimeter Ekin(MeV)‏ The beam line has been simulated starting from the neutrons out of the Litium target Proton beam Li target n 5.5° Gaussian angular distribution (Journal of Nuclear Science and Technology, supplement 2(2002), 112-115)‏ At the entrance of the beam monitor Z(cm)‏ Y(cm)‏ Shielding (concrete and steel)‏ Calorimeter 7Li Target

Polyoxypropylediamine Aminoethylpiperazine The FLUKA simulation - part (I)‏ The Pb-SciFi structure LEAD GLUE FIBERS base module replicas 200 layers Using the FLUKA tool LATTICE the fiber structure of the whole calorimeter module has been designed. In the base module the calorimeter is simulated in detail, both under the geometrical point of view and with respect to the used materials All the compounds have been carefully simulated. - for the fibers, an average density between cladding and core has been used : ρ = 1.044 g/cm3 - glue: 72% epoxy resin C2H4O, =1.14 g/cm3, + 28% hardener, =0.95 g/cm3 Polyoxypropylediamine C7H20NO3 90% Triethanolamine C6H15NO3 7% Aminoethylpiperazine C6H20N3 1.5% Diethylenediamine C4H10N2 hardener composition Journées GDR Nucléon - Instrumentation April 8-9, 2008 - Saclay 28

Determinazione soglia trigger in MeV (ex.) Fermi-Dirac fits for the sum of the cluster energy side B MeV eq. el. en. Thr. (mV)‏ Riferiti al plot con soglia piu bassa Plot sulla destra effcienza ai neutroni per lo scintillatore di ne110 a diversi valori di energia e misurato da diversi gruppi negli anni. Thr. [mV] 15  75 Thr. [MeV] 5.3  22.8 29