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Laboratori Nazionali del Sud Stato e prospettive

E. Migneco Giornate di studio sul Piano Triennale 2006-2008 Frascati, 10 giugno 2005. Laboratori Nazionali del Sud Stato e prospettive. PRINCIPALI OBIETTIVI 2003-2005. Utilizzo della facility per Ioni Pesanti (Tandem, Ciclotrone Superconduttore e apparati sperimentali)

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Laboratori Nazionali del Sud Stato e prospettive

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  1. E. Migneco Giornate di studio sul Piano Triennale 2006-2008 Frascati, 10 giugno 2005 Laboratori Nazionali del Sud Stato e prospettive

  2. PRINCIPALI OBIETTIVI 2003-2005 • Utilizzo della facility per Ioni Pesanti (Tandem, Ciclotrone Superconduttore e apparati sperimentali) • Utilizzo della facility CATANA (completata nel 2002) a scopo clinico • Completamento della nuova sala misure (2005) • Completamento di EXCYTe MAGNEX(2005) • NEMO fase 1 (R&D per un telescopio per neutrini da 1 km3)

  3. ATTIVITA’ CON GLI ACCELERATORI2003-2005 • Dal 2003 al 2005 il funzionamento degli acceleratori ha lasciato ampi spazi allo sviluppo del progetto EXCYT. E’ stato quindi possibile portare a compimento, tra la fine del 2004 e l’inizio del 2005, la fase di montaggio dell’intera facility, così da iniziare i test di commissioning • Tuttavia, l’attività sperimentale è proseguita regolarmente, grazie al buon livello di affidabilità raggiunto, e tutti gli esperimenti approvati dal PAC sono stati effettuati • Una consistente percentuale (circa il 20%) del tempo macchina totale viene dedicata all’attività di protonterapia (Catana). E’ stato così possibile trattare finora 79 pazienti affetti da melanoma della regione oculare

  4. 2001-2004Statistiche sui fasci Delivered Setting Failures 2001 1085200 70 2002 2075222 82 2003 2288417 16 2004 1574373 21 Dati scalati su 8 mesi 2001 10 mesi 2002 8 mesi 2003 8.5 mesi 2004 5 mesi Dati scalati su 8 mesi Delivered Setting Failures 2001 25691424 975 2002 24851161 597 2003 26791204 587 2004 1529944 187

  5. AX E (MeV/a.m.u.) H2+ 62 H3+ 45 2D+ 35,62 4He 25 He-H 21 7Li 50 12C 23,62 12C 80 13C 45 14N 62 16O 25,62 18O 15 19F 35,40,50 20Ne 21,40,45,62 32S 19.5 35Cl 19.5 36Ar 16 40Ar 15,40 40Ca 10,25,40 58Ni 16,23,25,30,35,40,45 62Ni 25,35 86Kr 15,21,25 93Nb 15,17,23,30,38 112Sn 15.5,35,43.5 116Sn 23,30,38 120Sn 40 124Sn 15,25,30,35 197Au 10,15,20,21,23 Tipi di fasci sviluppati al Ciclotrone Fasci sviluppati Fasci 2003-2004 Deflettore elettr. Limite di bending &ECR 12C 80 MeV/a.m.u. sviluppato nel 2004 112Sn 43.5 MeV/a.m.u. sviluppato nel 2004

  6. La nuova sala sperimentale, che comprende 3 nuovi punti misura, è stata completata. I test di commissioning delle sale CATANA e MAGNEX sono stati eseguiti. PRIMO FASCIO INVIATO (Aprile 2005) MAGNEX PRIMO PAZIENTE TRATTATO NELLA NUOVA SALA (Aprile 2005) NUOVA CAMERA DI SCATTERING NUOVA SALA CATANA

  7. CHIMERA PROSPETTIVE • Accoppiamento con rivelatori di neutroni e gamma • Estensione delle misure dei rapporti isotopici a valori di Z>10 • Misure di correlazione ad alta risoluzione di impulso • Gruppo di lavoro per misure con EXCYT

  8. b s c x x c =  a d b s a d Reazione virtuale (processo astrofisico) Reazione a tre corpi Decadimento virtuale x ASTROFISICA NUCLEARE=ASFIN Reazioni nucleari in ambiente stellare e primordiale, in particolare quelle rilevanti per lo studio Metodo del TROJAN HORSE basato sull’uso di reazioni quasi- libere • delle Abbondanze di Litio, Berillio e Boro • della Nucleosintesi stellare e primordiale • dei Cicli (hot-)CNO Collaborazioni: RIKEN (Giappone), Texas A&M (USA), Univ.Sao Paulo (Brasile), RUB-TUM-FZJ (Germania), Rudjer Boskovitc Institute (Croazia), …

  9. The Focal Plane Detector The start detector The FPD, realized in collaboration with GANIL, is ready and mounted on the apparatus. PSD based on microchannel plate technology MAGNEX • Main elements • Position sensitive start detector; • vertically focusing quadrupole; • bending magnet; • focal plane detector measuring ion direction, energy, charge and mass. MAGNEX 28.07.2004

  10. E < 30 MeV/amu 2 < A < 40 E < 25 MeV/amu 40 < A < 93 Upper limits MAGNEX MAGNEX STATUS November 2004: successful excitation of the magnets at full power End of 2004: all components ready except the scattering chamber April 2005: test of MAGNEX with a 16O 80 MeV beam July 2005: commissioning with Tandem beams • Some physics items • Spectroscopy of weakly bound nuclei via reactions induced by EXCYT beams; • Charge exchange near the neutron dripline at Tandem and Cyclotron energies; • Nuclear astrophysics with stable and radioactive beams; • -delayed spectroscopy via EXCYT beams

  11. I3 EURONS JRA-07 Ion Sources for Intense Beams of Heavy Ions (ISIBHI) Joint Research Activity approvato dalla UE nel FP6, 2005-2008 INFN LNS (coord.) & LNL GSI - GANIL - CERN - JYFL - KVI TSL - LPSC - HMI -NIPNE Prototipo di sorgente superconduttiva di nuova generazione, per la produzione di fasci di ioni molto intensi (~mA) con stati di carica medi (>20+) e di fasci di ioni di media intensità (~µA) con altissimo stato di carica (>50+) Indispensabile per i grandi progetti di acceleratori in Europa

  12. La facility di protonterapia CATANA nella sua posizione definitiva nella nuova sala misure: in operazione da aprile 2005.

  13. Provenienza dei Pazienti 5 Numero totale di pazienti trattati fino ad ora: 79 1 2 10 2 4 8 1 10 Uomini-Donne 5 31 Età Media: 57.6 anni 42% 58%

  14. Stato e prospettive future • La collaborazione CATANA partecipa al progetto MAESTRO (Methods and Advanced Equipment for Simulation and Treatment in Radio Oncology), finanziato da EC nell’ambito del 6° P.Q.I LNS e la sezione di Torino guidano la sessione di protonterapia • Il 7 Marzo 2003 la Regione Sicilia ha approvato un accordo di programma che prevede la realizzazione di un centro di protonterapia a Catania • E’ stato studiato un nuovo Ciclotrone Superconduttore per terapia capace di accelerare protoni e ioni leggeri fino a 250 AMeV. Le industrie europea e italiana hanno mostrato interesse verso la realizzazione di questa macchina in collaborazione con l’INFN

  15. Max. Energy for Proton, 6Li, C Sectors Rpole Bo Bmax Kbending Kfoc Gap cresta Gap Valle Frequenza RF Diametro Peso 250 AMeV 4 132cm 3.1 T 4.09 T 1000 500 50 mm 105cm 92.3 MHz 4900 mm  300 tons SCENT a Superconducting Cyclotron for Medical Applications

  16. Schema della facility EXCYT Energia del fascio facilmente variabile Basso energy spread: E/E = 10-4. Energie ottenibili:2.5 ÷ 150 MeV(possibilità di utilizzo dellasola energia di preaccelerazione fino a 300 keV) Bassa emittanza: beam spot ben definito e basso spread angolare.

  17. Linea di fascio primario

  18. Separatore isobarico di massa (M/M)Pre 180 (preseparatore: magnete a 18° magnet e un quadrupletto di quadrupoli elettrostatici) (M/M)1st 2000 (I stadio: due magneti (77° e 90°) e 2 quadrupletti di quadrupoli elettrostatici) (M/M)2nd 20000 (II stadio: due magneti (90°, =2.6 m) e un quadrupletto di quadrupoli elettrostatici)

  19. Target-Ion Source Primary Beam Target heater Radioactive Beam (1+ or 1-) Graphite Target Target holder Ion source

  20. Commissioning con fascio stabile 7Li+ generato localmente nel TIS, opportunamente modificato, e trasportato sulle due piattaforme con elevata efficienza (87%). 7Li+ beam Oven Positive Ion source

  21. Primo fascio EXCYT 8Li+ Riscaldatore 2000 °C Riscaldatore 2100 °C Fondo dovuto al fascio primario Fascio utilizzato: 13C4+ 45MeV/amu Target: Grafite (12C) Corrente focalizzata su target: 120 nA (18 W) 7103 pps di 8Li+ rivelato su LEBI 3. Fascio di 8Li+ trasportato nel preseparatore e nel primo stadio del separatore isobarico di massa. F. Chines, L. Celona, M. Re, P. Reina, F.Tudisco, V. Scuderi, E. Messina, A. Pappalardo

  22. EXCYT: stato e prospettive • Completamento del commissioning con fascio stabile (secondo stadio del separatore isobarico e linea di accoppiamento al Tandem) • Test di produzione di 8Li+ • Primo esperimento previsto in Ottobre-Novembre 2005 • Nel 2006 è previsto il completamento del programma sperimentale già approvato dal PAC con i fasci di 8Li e 9Li (960 ore totali per 4 esperimenti: BIGBANG, RCS, RSM, MAGNEX-RIB).

  23. Limiti e prospettive di Excyt Limiti sull’intensità del fascio primario Iniezione radiale da Tandem Iniezione assiale da ECR Upgrading deflettori elettrostatici 500 watt: obiettivo EXCYT

  24. Prospettive di Excyt Parametri principali Ioni accelerati Q/A Max. Energy Max Power Extraction Sectors Rpole Bo Bmax Hill gap Valley height RF frequency Diametro Peso 6Li2+ , 9Be3+ 12C4+,18O6+21Ne7+, 24Mg8+ 27Al9+ , 30Si10+ 0.333 120 AMeV 20 kW By stripper 4 132cm 3.4 T 3.8 T 40 mm 105cm 67 MHz 4900 mm  300 tons SCEN(T) Superconducting Cyclotron for Exotic Nuclei (and Therapy)

  25. MAGNEX CATANA SCEN

  26. La Collaborazione NEMO INFN Bari, Bologna, Catania, Genova, LNF, LNS, Napoli, Pisa, Roma Università Bari, Bologna, Catania, Genova, Napoli, Pisa, Roma “La Sapienza” CNR Istituto di Oceanografia Fisica, La Spezia Istituto di Biologia del Mare, Venezia Istituto Sperimentale Talassografico, Messina Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale (OGS) Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell’Informazione (ISCTI) Più di 60 ricercatori dell’INFN e dei principali enti di ricerca italiani coinvolti

  27. Telescopi per neutrini di alta energia:motivazioni scientifiche • Sorgenti astrofisiche di neutrini di alta energia • Galattiche (Supernova Remnants, MicroQuasars, interazione di raggi cosmici con il mezzo interstellare) • Extragalattici (Active Galactic Nuclei, Gamma Ray Bursts) • Sorgenti sconosciute • Origine dei raggi cosmici di energia estrema • Ricerca indiretta di materia oscura • Attività interdisciplinari Le stime sui flussi di neutrini di alta energia impongono rivelatori con dimensioni dell’ordine di 1 km3 La soluzione tecnica percorribile è quella di un rivelatore Cherenkov in un mezzo naturale trasparente (acqua o ghiaccio)

  28. Telescopi per neutrini di alta energia:il contesto internazionale BAIKAL, AMANDA: in presa dati NESTOR, ANTARES, NEMO R&D: in fase di realizzazione ICECUBE: in costruzione, completamento 2010 KM3 nel Mediterraneo ? BAIKAL Pylos Mediterranean km3 La Seyne Capo Passero AMANDA ICECUBE

  29. Il percorso verso il km3 nel Mediterraneo Scelta del sito abissale Attività di ricerca e caratterizzazione di un sito con caratteristiche ottimali (profondità, proprietà ottiche dell’acqua, …) per l’installazione del telescopio Prova della fattibilità tecnica del rivelatore Studio di fattibilità che analizza tutti gli aspetti di realizzazione ed installazione del telescopio e le stime economiche Validazione delle tecnologie per il km3 Attività di R&D avanzato e prototipazione delle soluzioni tecniche proposte

  30. Il sito abissale di Capo Passero Dopo sei anni di attività di ricerca e caratterizzazione la collaborazione NEMO ha individuato un sito abissale al largo di Capo Passero con caratteristiche oceanografiche e ambientali ottimali Il sito è stato presentato ad ApPEC nel gennaio 2003 come candidato italiano per l’installazione del telescopio km3 • Profondità di oltre 3500 m sono raggiunte a distanze inferiori a 100 km dalla costa • Le proprietà ottiche dell’acqua sono le migliori riscontrate nei siti investigati • Il rumore di fondo ottico dovuto alla presenza di organismi bioluminescenti è estremamente ridotto • Le correnti sottomarine sono di debole intensità e stabili nel tempo • Vasta piana abissale, lontana da scarpate, che consente possibili riconfigurazioni del rivelatore

  31. Proprietà ottiche dell’acqua Confronto tra i siti di Tolone e Capo Passero Le proprietà di trasparenza dell’acqua sono state misurate a Tolone e Capo Passero in alcune campagne congiunte NEMO-ANTARES utilizzando gli strumenti messi a punto dalle due collaborazioni Le lunghezze di assorbimento misurate a Capo Passero sono compatibili con i valori dell’acqua salata pura Nella regione del blu si osserva una sostanziale differenza tra i due siti I valori misurati con i due strumenti (l’AC9 di NEMO ed il Test 3’ di Antares) sono compatibili

  32. Background ottico a Capo Passero Misure effettuate in collaborazione con ANTARES • PMT: 10” • Thres: ~.5 SPE Dead time: Fraction of time with Rate > 200 kHz I valore misurato di circa 30 kHz è compatibile con il fondo da solo 40K 23/11/03 - 17/12/03 Noise at 0.25 s.p.e. 28.4 kHz Noise at 0.3 s.p.e. 28.5  2.5 kHz March 2002 data Winter 2003 data

  33. Studio di fattibilità per il km3 secondary JB “tower” main Junction Box main EO cable Architettura del rivelatore Ridurre il numero delle strutture per limitare il numero di connessioni e consentire le operazioni per mezzo di un ROV Modularità “Torri” con distribuzione non omogenea dei sensori

  34. Sensibilità del telescopio km3 Preliminary results for the NEMO sensitivity to a E-2 neutrino spectrum from a point-like source. NEMO angular resolution Search bin: NEMO 0.3˚ IceCube 1˚ 1  10 TeV 10  100 TeV 100  1000 TeV NEMO 81 towers - 5832 PMTs IceCube 80 strings - 4800 PMTs

  35. Confronto tra diverse geometrie del km3 5832 PMT – 81 towers –18 floors - 20 m bar length – down horizontal PMT Black line nemo_140_40 Red square nemo_300_60 Black points nemo_300_40 Background 20 kHz - No quality cuts

  36. Il progetto NEMO Fase-1 I Laboratori Nazionali del Sud hanno realizzato un’infrastruttura sottomarina a Catania per il test dei prototipi del telescopio km3 e per l’installazione di un osservatorio sismico e ambientale dell’INGV SN-1 Stazione di terra Diramazione nord 5.220 m Cavo a doppia armatura 2.330 m BU Cavo a singola armatura 20.595 m • Realizzazione di un sottosistema del km3 comprendente gli elementi critici del rivelatore • Infrastrutture a terra e a 2000 m già realizzate • Progetto completamente finanziato dall’INFN e dal MIUR • Completamento previsto ad inizio 2006 con il deployment di junction box e di una minitorre di 4 piani Diramazione sud 5.000 m NEMO Fase1

  37. Operazioni gennaio 2005 Installazione dei telai con connettori EO Installazione e connessione di una stazione di rilevamento acustico e della stazione SN-1 dell’INGV Sistema funzionante e in presa dati da gennaio 2005

  38. Strutture meccaniche Sensori Ottici Contenitore per l’elettronica Le strutture meccaniche per il km3 sono state studiate in modo da ottimizzare le prestazioni del rivelatore Struttura modulare formata da piani interconnessi da cavi Piani realizzati con tralicci della lunghezza di 15 metri Una vola aperta una “torre” di 16 piani avrà un’altezza complessiva di circa 750 metri

  39. Le Junction Boxes Connessioni elettro-ottiche Contenitori a pressione per l’elettronica Contenitore esterno

  40. Il progetto NEMO Fase 2 Realizzazione di una stazione a 3500 m sul sito di Capo Passero • OBIETTIVI • Realizzazione di una infrastruttura sottomarina a 3500 m di profondità sul sito di Capo Passero • Test delle procedure di installazione a 3500 m • Installazione di una torre di 16 piani • Monitoraggio a lungo terminedel sito • INFRASTRUTTURA PROPOSTA • Stazione di terra a Portopalo di Capo Passero per alloggiare il sistema di potenza e l’acquisizione dati e attrezzata per l’integrazione di strutture • Cavo elettro-ottico di 100 km • Infrastrutture sottomarine • STATO • Procedure per l’acquisto di un cavo elettro-ottico (circa 40 kW) in corso • Acquistato un edificio, sulla banchina del porto di Portopalo, da ristrutturare per l’utilizzo come stazione di terra • Realizzazione prevista entro il 2007

  41. NEMO: stato e prospettive Scelta del sito abissale Il sito di Capo Passero individuato dalla collaborazione NEMO presenta caratteristiche ottimali per l’installazione del km3 Prova della fattibilità tecnica del rivelatore Verificata con uno studio completo di fattibilità effettuato in collaborazione con alcune delle principali imprese operanti nel settore marino Validazione delle tecnologie per il km3 Completamento nel 2006 del progetto Fase-1 e nel 2007 del progetto Fase-2 Sviluppi futuri Design Study KM3NeT approvato dalla EU Costruzione del rivelatore …

  42. PIANI DI ATTIVITA’ A BREVE TERMINE • Esperimenti con fasci stabili agli apparati sperimentali e MAGNEX • Esperimenti con fasci instabili • Trattamenti di protonterapia con CATANA e partecipazione alla realizzazione di nuove facilities di adroterapia in Italia • Sviluppo del programma R&D per la costruzione di un telescopio da 1 km3 per neutrini di alta energia nel mar Mediterraneo (Fase 1, Fase 2, KM3NeT) PROSPETTIVE A LUNGO TERMINE • NEMO - Telescopio per neutrini di alta energia (Km3) • EXCYT 2 - Upgrading della facility per fasci radioattivi

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