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)
Sommario
INTRODUZIONE
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE
MONTE CARLO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:
OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
REALIZZAZIONE DI UN
PROTOTIPO DI NEUCAL
Sommario
INTRODUZIONE
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE
MONTE CARLO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:
OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
REALIZZAZIONE DI UN
PROTOTIPO DI NEUCAL
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
Esperimenti recenti che utilizzano
questa tecnica per la separazione e/h:
PAMELA (Payload for Antimatter/Matter
Exploration and Light-nuclei Astrophysics)
AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)
ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter)
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:
Con la tecnica di discriminazione calorimetrica
1 / P.R. = Npassfondo / NTOTfondo
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
Peso dello strumento
~ 1500 kg
Rivelatore di neutroni
al di sotto dei calorimetri;
dimensioni laterali
compatibili con CALET:
68 x 68 cm2
Per la separazione e/h CALET utilizza la tecnica
di discriminazione calorimetrica:
dalle simulazioni della collaborazione P.R. ~ 105
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
Sommario
INTRODUZIONE
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE
MONTE CARLO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:
OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
REALIZZAZIONE DI UN
PROTOTIPO DI NEUCAL
Classificazione dei neutroni
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:
ultrafreddi
freddi
termici (o lenti)
epitermici
veloci
di alta energia
~ 1 meV
~ 1 meV
~ 25 meV
~ 0.1 eV  ~ 100 keV
> 100 keV  > 10 MeV
> 100 MeV
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:
L’energia MASSIMA di
rinculo del nucleo dopo uno
scattering è invece
(la minima è ZERO):
In entrambi i casi la distribuzione
d’energia è uniforme nei rispettivi
intervalli
Sezione d’urto per scattering elastico
1H
C
27Al
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
sterm ~ 0.5 barn
term
2.2 MeV
1H
207Pb
206Pb
C
208Pb
Sommario
INTRODUZIONE
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE
MONTE CARLO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:
OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
REALIZZAZIONE DI UN
PROTOTIPO DI NEUCAL
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)
Sommario
INTRODUZIONE
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE
MONTE CARLO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:
OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
REALIZZAZIONE DI UN
PROTOTIPO DI NEUCAL
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
Picco n termalizzati
1 MeV
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
EMEDIA [MeV]
EMEDIA [MeV]
Alle energie più alte tutti i
piani di scintillatore sono
importanti dal punto di
vista dell’energia rilasciata
100 keV
1 MeV
EMEDIA [MeV]
Contributo energetico dei singoli piani di scintillatore
10 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
Due diverse scale di tempo:
(da tenere presenti nello scegliere
l’elettronica di acquisizione dei segnali)
log (E [keV])
Distribuzione temporale dell’energia degli HIT
• moderazione attiva
(visibile fino a ~ 100 ns)
(da ~ 10 ms fino a ~ 300 ms)
moderazione attiva
log (E [keV])
• cattura radiativa di
n termalizzati
log (t [ns])
interazioni dei fotoni
log (t [ns])
Efficienza dei contatori proporzionali a 3He
Middle Down Top Middle
Efficienza
Top Down
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])
Sommario
INTRODUZIONE
RIVELATORI DI NEUTRONI
PROGETTAZIONE E SIMULAZIONE
MONTE CARLO DI NEUCAL
RISULTATI DELLA SIMULAZIONE:
OTTIMIZZAZIONE DI NEUCAL
REALIZZAZIONE DI UN
PROTOTIPO DI NEUCAL
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