SCUOLA DI DOTTORATO
Reactor neutrino detection
Esperimento di Cowan e Reines - 1956
Marco Selvi
Thanks to Piero Galeotti and Walter Fulgione
Cowan and Reines
Cowan
and
Reines
Setup del
rivelatore
Un tipico
evento
con la
doppia
segnatura
Schema dell’elettronica di trigger e DAQ
Criteri di selezione del segnale
• Coincidenza “positrone”:
– Energia: 0.2-0.6 MeV in ognuna
– Tempo: <0.2 us fra loro
• Coincidenza “neutrone”:
– Energia: 3.-11. MeV in totale (almeno 0.2
MeV in ognuna)
– Tempo: <30 us dal “positrone”
Selezione del
segnale
Due esempi di segnale
Calibrazione in energia
Energia persa da un muone verticale
nella tank di scintillatore:
Elostm =
2 MeV g/cm2 x 0.8 g/cm3 x 58 cm =
92.8 MeV
Calibrazione in energia
5 test di consistenza
Test 1: verifica di segnale
dipendente dal reattore
Test 1: verifica di segnale dipendente dal reattore
Per confrontare il rate di eventi misurati con le attese teoriche
è necessario conoscere le efficienza di rivelazione del segnale
del positrone e del neutrone, vediamo come ...
Neutron detection efficiency
Pu-Be neutron source: 3100 neutroni / s
Due differenze principali:
• Spettro energetico dei neutroni emessi (fino a 11 MeV,
invece i neutroni da antineutrino hanno energie del keV)
• Distribuzione spaziale: puntiforme per la sorgente,
uniforme per il segnale.
Stima dell’efficienza media
del rivelatore rispetto
all’efficienza centrale: 60%
Neutron detection efficiency
Pu-Be neutron source:
a + 9Be  12C* + n
12C*
 12C + g (4.4 MeV)
Stima dell’efficienza come rate di neutroni/gamma
Primo impulso: g di 4.4 MeV
Rate con sorgente = 329 Hz Rate senza sorgente = 10 Hz
Rate di coincidenze: 43 Hz
Dopo alcune correzioni si valuta un limite inferiore
all’efficienza pari al 14%
Neutron detection efficiency
Secondo approccio: calcolo a priori.
L’efficienza di rivelazione del neutrone viene suddivisa in tre
contributi e = e1 e2 e3
e1 prob. che il neutrone NON esca dalla tank di acqua. Il
libero cammino medio di un n di 10 keV in acqua è 0.75 cm
94%
e2 prob. che il neutrone sia catturato dal Cd entro la finestra
temporale considerata. Conoscendo il t del Cd ottengo 86%
e3 prob. che i gamma emessi soddisfino i criteri per la
rivelazione (Energia: 3.-11. MeV in totale (almeno 0.2 MeV in ognuna) e
Tempo: <30 us dal “positrone”) 49%
e = 40% (al centro)
e = 40% x 60% = 24% (ovunque)
Positron detection efficiency
Sorgenti emettitrici di positroni: 64Cu disciolto nella targhetta
Tra 0.2 e 0.6 MeV
Efficienza del 15 %
Calcolo della sezione d’urto
R = 1.5 h-1
N = 1.1 1028 protoni liberi
F = 1.2 1013 cm-2 s-1
Epsn= 17%
Epsb= 15%
s = 1.2 10-43 cm2
(anche attuali !!)
in accordo con le attese teoriche
Test 2: proof che il primo segnale è dovuto al e+
Due dimostrazioni:
- Spessori di piombo
- Spettro energetico
Test 3: proof che il secondo
segnale è dovuto al neutrone
Due dimostrazioni:
-Variazione della conc. di Cd
- Spettro energetico
Test 4: dipendenza del segnale dal numero di
protoni liberi nella targhetta
Il 47% dell’acqua è stata sostituita con acqua pesante D2O.
La sezione d’urto di interazione degli antineutrini con il
deuterio è circa 1/15 di quella su protone.
Si osserva un diminuzione del numero di interazioni
compatibile con le attese.
Test 5: dimostrazione che il segnale non è
dovuto a neutroni del reattore
Un neutrone “fast” proveniente dal reattore potrebbe simulare
l’interazione dell’antineutrino.
Usando sorgenti di neutroni esterne al rivelatore si vede che non
rappresenta un background importante.
Anche il test con acqua pesante esclude questa contaminazione (il
rate non sarebbe diminuito), così pure il test con l’inserimento di
piombo (di nuovo il rate non sarebbe diminuito).
Infine è stata inserita della sabbia (76 cm) in grado di assorbire
neutroni (verificato tramite sorgente di Am-Be) e gamma, ma non si
osserva nessun calo nel rate.
Il segnale NON dipende da radiazione neutra esterna (a parte
gli antineutrini, of course).
Cowan and Reines: conclusioni