NEUCAL: un rivelatore di neutroni per la separazione di particelle adroniche ed elettromagnetiche nei raggi cosmici

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NEUCALun rivelatore di neutroni per la
separazione di particelle adroniche ed
elettromagnetichenei raggi cosmici
Università degli Studi di Firenze
Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e
Naturali Tesi Laurea Specialistica in Scienze
Fisiche e Astrofisiche

• Candidato Giovanni Sorichetti
• Relatore Prof. Oscar Adriani

15/12/2009

Sesto Fiorentino (FI)
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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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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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La misura precisa e con alta statistica dello
spettro denergia di elettroni e positroni
potrebbe evidenziare la presenza di materia
oscura (deviazione da legge di potenza)
Importanza della separazione e/h nei raggi
cosmici
Il flusso di protoni e quello di elettroni di
alta energianei raggi cosmici differiscono di
3-4 ordini di grandezza
1 TeV
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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 ltlt 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. dellordine di 104-105
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Lesperimento 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
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Da simulazioni effettuate dalla collaborazione
CALET
La nostra proposta

• 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 denergia 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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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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Classificazione dei neutroni
ultrafreddi 1 meV

freddi 1 meV

termici (o lenti) 25 meV

epitermici 0.1 eV ? 100 keV

veloci gt 100 keV ? gt 10
MeV
di alta energia gt 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 dalta energia gt 100
MeV
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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
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Moderazione di neutroni
Lenergia del neutrone dopo uno
scattering con un nucleo
di massa A è compresa
nellintervallo
Sezione durto per scattering elastico
1H
Lenergia MASSIMA di rinculo del nucleo dopo uno
scattering è invece
(la minima è ZERO)
C
27Al
In entrambi i casi la distribuzione denergia è
uniforme nei rispettivi intervalli
In PAMELA si utilizzano due blocchi di
polietilene (ricco di idrogeno)
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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

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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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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

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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 denergia,
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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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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Moderazione di n a seconda dellenergia 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
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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
denergia - 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
denergia 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
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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
dellenergia rilasciata
EMEDIA MeV
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Simulazioni con strati di piombo

• Lefficienza (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
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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
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Distribuzione temporale dellenergia degli HIT

• Due diverse scale di tempo
  (da tenere presenti nello scegliere lelettronica
  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)
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Efficienza dei contatori proporzionali a 3He
Top Down
Middle Down
Top Middle
Efficienza
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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)
300 ms
10 ms
log (t ns)
log (t ns)
log (t ns)
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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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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
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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

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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
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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)
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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