1 / 30

Pomiar tła neutronowego w eksperymentach podziemnych

Detekcja neutronów i techniki jądrowe w kontroli granic 20 - 21 Czerwiec, 2006, WILGA. Pomiar tła neutronowego w eksperymentach podziemnych. Piotr Mijakowski Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Warszawa, Świerk. Plan wystąpienia.

karina-morrison
Download Presentation

Pomiar tła neutronowego w eksperymentach podziemnych

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Detekcja neutronów i techniki jądrowe w kontroli granic20-21Czerwiec, 2006, WILGA Pomiar tła neutronowego w eksperymentach podziemnych Piotr MijakowskiInstytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Warszawa, Świerk

  2. Plan wystąpienia • Wstęp – źródła neutronów w laboratoriach podziemnych • Motywacja –tło neutronowe w eksperymentach podziemnych: • eksperymenty neutrinowe • podwójny bezneutrinowy rozpad beta (0nbb) • Ciemna Materia • Pomiary i symulacje tła neutronowego; ILIAS – lab. europejskie • „case study”: charakterystyka tła neutronowego, określenie wymagań dla eksperymentu bezpośredniej detekcji cząstek Ciemnej Materii • Podsumowanie Wilga 20.06.2006

  3. WSTĘP • ZRÓDŁA NEUTRONÓW POD ZIEMIĄ: • Lokalna radioaktywność (skała, elementy detektora i wyposażenia lab) • spontaniczne rozszczepienie 238U • reakcje (a,n); a z szeregów prom. z rozpadów U/Th • Miony kosmiczne (m-ind) PROCESY <E> ~ 1-3 MeV; <F> ~ 10-6 n/(cm2·s) <E> ~ 5-20 MeV; <F> ~ 10-9 n/(cm2·s) Wilga 20.06.2006

  4. Tło neutronowe MOTYWACJA: • Oddziaływania neutronów – tło w eksperymentach tzw. „high-sensitivity”, poszukujących rzadkich oddziaływań: • dośw. neutrinowe (neutrina słoneczne, SN) • podwójny rozpad beta (0nbb) • Ciemna Materia Wilga 20.06.2006

  5. Wilga 20.06.2006

  6. ICARUS Detektor LAr typu TPC, badanie oddziaływań neutrin Neutrina słoneczne, z wybuchów SN: TŁO: wychwyt neutronów na elementach detektora (n,g),g -> e- przez rozpraszanie Comptona NC widmo energii neutrin ne ze Słońca CC (n,g) istotne także w innych eksp. neutrinowych Wilga 20.06.2006

  7. Podwójny rozpad beta • Tło: m.in. (n,g): produkcja par, elektrony Comptona 20 przypadków na rok (40 kg 76Ge) NEMO GERDA (76Ge) 2033 keV Heidelberg-Moscow (76Ge) Wilga 20.06.2006

  8. n,c n,c e- g, e- Ciemna Materia 18 GeV < Mc < 7 TeV ZASADA DETEKCJI: c + Nw spoczynku c + Nodrzut mierzymy energię jąder odrzutu ~ keV z elastycznego rozpraszania WIMP-ów (c, Weakly Interacting Massive Particle) TŁO DOŚWIADCZALNE (KLASYFIKACJA) • Neutrony i WIMPy: taki sam sygnał !!! • TN < 10 MeV(radioaktywność otoczenia i oddziaływania mionów) • Wielokrotne rozpraszanie neutronów w detektorze – jedyne kryterium Główne źródło tła. Jednak możliwe do rozpoznania n ~ 103/dzień Wilga 20.06.2006

  9. Pomiary i symulacje tła neutronowego UWAGI: • Oszacowanie poziomu tła neutronowego w lab. podziemnych – strumień neutronów Fn (rozkład energii En) • Symulacje produkcji i transportu neutronów (pomoc w projektowaniu systemu osłon) • Pomiary Fn, En – TRUDNE! • Niska intensywność źródła • Często potrzebne dodatkowe informacje (Monte Carlo) Wilga 20.06.2006

  10. ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science) • Połączenie i skoordynowanie działań – europejska inicjatywa ILIAS 3 obszary:fale grawitacyjne,Ciemna Materia, podwójny rozpad beta JRA1 Joint Research activity: WG1 Measurement of the backgrounds in the EU deep underground labs WG2 Development of the library of background simulation codes WG3 R&D on ultra-low background and facilities WG4 Data base and R&D for radiopurity of materials and purification techniques • Networking Activities • (N2) Deep Underground science laboratories • (N3) Direct dark matter detection • (N4) Search on double beta decay • (N5) Gravitational wave research • (N6) Theoretical astroparticle physics • Joint Research Activities (R&D Projects) • (JRA1) Low background techniques underground • (JRA2) Double beta decay European observatory • (JRA3) Study of noise in gravitational wave detectors • Transnational Access Activities • (TA1) Access to the EU Deep Laboratories działalność: Wilga 20.06.2006

  11. Modane (pomiar tła neutronowego) zasada detekcji • Detektor: scyntylator NE320+0.15% 6Li • Faza I: osłona Pb +Cu (8 mies.) • Faza II: Pb+Cu+ moderator neutronów (5 mies.) • Det. 3He (pomiar F neutronów term.) rozkład energii neutronów w lab Modane (4800 m w.e.) [1]>2 MeV:Fn = 4.0  1.0 • 10-6 n/(s·cm2)Neutr term.:Fn = 1.6  0.1 • 10-6 n/(s·cm2) [1] V. Chazal et al., Astroparticle Physics 9 (1998) 163 Wilga 20.06.2006

  12. Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr) Neutrony ze skały (pomiar) • Detektor IGEX • Pomiar z moderatorem (B) i bez (A) • Wynik A-B porównany z wynikami symulacji • Określenie wartości strumienia neutronów Frock ze skały Fn = 3.8  0.44 •10-6 n/(s·cm2)[2] energia jąder odrzutu [keV] Neutrony z oddz. mionów w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb • Strumień neutronów z mionów w osłonach detektora: przypadki veto i porównanie z symulacją (FLUKA) • Określenie wartości strumieniaFm-ind ze skały (symulacja) Fn = 1.73  0.22 (stat)  0.69(syst)•10-9 n/(s·cm2)[2] energia jąder odrzutu [keV] [2] J.M. Carmona et al., Astropart.Phys. 21 (2004) 523-533, hep-ex/0403009 Wilga 20.06.2006

  13. Pomiary tła w laboratoriach europejskich za Gilles Gerbier, „Underground labs in Europe”AP Town meeting – Munich 23-25 nov 2005 Wilga 20.06.2006

  14. ETH Zurich (spokesman: A.Rubbia) Univ. of Zurich Univ. de Granada CIEMAT Madryt IPJ (T.Kozłowski, P.Mijakowski, E.Rondio) Univ. of Sheffield „case study”: poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii eksp. ArDM (Argon Dark Matter) detektor ~ 700 litrów LEM • Pomiar energii odrzutu (Tr )Ar [10-100 keV] • Tr scyntylacja & jonizacjaCEL: niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier) • swiatło/ładunek: odróżnianie przypadków tła (e/g vs. n) • LEM – pomiar wsp. x,y – wielokrotne rozpraszanie Ar(10 cm) 170 cm LAr(120 cm) fotopowielacze Oczekiwana liczba przypadków oddz. WIMP-ów (dla Mc=100GeV, Thr=30keV): 100 przyp./tona/dzień (sc=10-6pb); 1 przyp./t/d (sc=10-8pb); 1 przyp/t/100 dni (sc=10-10pb) Wilga 20.06.2006 http://neutrino.ethz.ch/ArDM

  15. Neutrony ze skały laboratorium rozkład energii neutronów ze skały (symulacja) • Spontaniczne rozszczepienie 238U (T1/2 ≈ 2.6 • 1023 s); • (a,n)Produkcja neutronów: przekrój czynny s(a,n) (zależy od Ea), straty energii a w materiale • Kalkulacja strumienia, np. przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronów przez a na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529) • Oprogramowanie symulacyjne, np. SOURCES (Los Alamos) • Pomiar koncentracji U/Th jako input do symulacji i obliczeń BOULBY ref. [3] [3] R. Lemrani et al., Nucl. Instrum. Meth. A560 (2006) 454-459 Wilga 20.06.2006

  16. Neutrony ze skały laboratorium rozkład energii neutronów ze skały na ścianie laboratorium(symulacja) • Propagacja neutronów w skale • Widmo i strumień neut. po przejściu przez różne grubości moderatora • 50 g/cm2 CH2 pozwala obniżyć Fn 106 razy ref. [4] CANFRANC: Fn = 3.8 •10-6 n/(s·cm2)[1] ArDM 13200 n wchodzących na dzień! BOULBY MINE Symulacje (Geant4): - oddziaływanie neut. w det., - wielokrotne rozpraszanie ref. [4] [4] M.J. Carson et al., Astroparticle Physics 21(2004) 667-687 Wilga 20.06.2006

  17. Neutrony z mionów kosmicznych • Produkcja w oddziaływaniach mionów kosmicznych pod ziemią (głównie kaskady e-m, hadronowe) • Zależność od strumienia i widma energii mionów • Średnia energia mionów rośnie wraz z głębokością • Pomiar strumienia mionów pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod. neutronów (proporcjonalność) • Pomiar mionów w niektórych lab. (np. MACRO lub LVD w Gran Sasso, Super-Kamiokande w Kamioce, Soudan2 w Soudan) CANFRANC (2450 m w.e, <Em>  240 GeV): Fm = 2.47 •10-7m/(s·cm2)[2] [2] J.M. Carmona et al., Astropart.Phys. 21 (2004) 523-533, hep-ex/0403009 Wilga 20.06.2006

  18. Neutrony z mionów kosmicznych Strum. Fm-indstanowi ~0.1%Frock SYMULACJA, BOULBY MINE CANFRANC: Fn = 1.73 •10-9 n/(s·cm2)[1] at rock/cavern boundary ArDM ~6 przypadków na dzień MOTYWACJA: • wysokoenergetyczne spektrum • n docierają z większych odległości do detektora • przekazują większą energię jądrom ośrodka (powyżej progu det.) • przenikają przez zew. osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę) after lead and hydrocarbon shielding ref. [4] [4] M.J. Carson et al., Astroparticle Physics 21(2004) 667-687 Wilga 20.06.2006

  19. m n prod. m rock cavern rock n cavern veto veto n n prod. capt. capt. Neutrony z mionów kosmicznych • Możliwość identyfikacji za pomocą zewn. detektora typu veto • Koincydencja z przelatującym mionem • Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady Wilga 20.06.2006

  20. Tło neutronowe w eksperymencie ArDM PODSUMOWANIE 1 neutrony ze skały/ścian laboratoriumstrumień: Frock ~ 3.8×10-6 n/(s·cm2) @ CANFRANC ArDM input (bez osłon): ~ 13200 n/dzień sposób: moderator neutronów (redukcja 104-106) 2 neutrony z elementów detektorastrumień: zależy od wyboru materiałów ArDM input: ~ 74 n/dzień (wariant pesymistyczny)sposób: selekcja materiałów 3 neutrony z mionów kosmicznychstrumień: Fm-ind ~ 1.7 × 10-9 n/(s·cm2) @ CANFRANCArDM input (preliminary): ~ 6 n/dzień sposób: detektor veto ~10-6 n/(cm2·s) 0.1-1ppb U/Th 10-2-10-4 Bq/kg ~10-9 n/(cm2·s) Wilga 20.06.2006

  21. Podsumowanie • Dokładne określenie poziomu tła neutronowego – warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentów • Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni, energii neutronów w laboratoriach podziemnych • Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab. UE • ArDM – przykład eksperymentu o szczególnych wymaganiach – niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień, rozkład energii) CEL:1 określenie wymagań dla systemu osłon detektorów (moderator, aktywne veto, „czystość” materiałów)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych) Wilga 20.06.2006

  22. SLAJDY ZAPASOWE

  23. Neutrony z mionów kosmicznych mn: produkcja Przykład, <Em> = 260 GeV (2.8 m w.e) [ref] • Wychwyt mionu (m-) • Spalacja • Kaskady hadronowe • Kaskady e-m zaniedbywalne (tylko małe głębokości) 5% 75% 20% scyntylator [ref] V.A. Kudryavtsev, N.J.C Spooner, J.E McMillan, Nucl. Instrum. Meth. A505 (2003) 688-698, „Simulations of muon-induced neutron flux at large depths underground” Wilga 20.06.2006

  24. geometria h=120 cm r=40 cm Neutrony ze skały – przykład analizy Widmo energii jąder odrzutu Rozkład energii początkowej Fn = 3.8•10-6 n/s·cm2 całkowity strumień neutronów ze skały(dane z lab. Canfranc) 10 keV threshold 13200 wchodzących neutronów na dzień !!! 550 neutronów na godzinę 1 neutron co ~ 6.5 sec. Wilga 20.06.2006

  25. Neutrony ze skały – przykład analizy liczba niezident. neutronów Wilga 20.06.2006

  26. Neutrons per year No neutrons = ldecay× N × neutron yield neutron yield = sum [ yield(Ea) × intesitya] N = Mass × ppb / ( Atomic Mass × 1,66 × 10-27) PIOTR’s estimation LILIAN’sestimation Wilga 20.06.2006

  27. neutron capture (1) • tabulated form of neutron capture cross-sections and transition probability arrays are supported by G4 (ENDF/B-VI) capture on natural Argon(40Ar - 99,6%, 36Ar - 0.337%, 38Ar - 0.063%) Initial neutrons energy = 10 eV 1 mln. neutron events, every neutron captures on stable Argon isotope producing g’s Average number of g’s produced = 3.5 Wilga 20.06.2006

  28. 1 mln events 6.099 MeV 6.598 MeV 8.788 MeV neutron capture (2) • Summed energy of all g’s produced in each neutron capture reproduce Q value! • One can reproduce each isotope abundunce from this data! Wilga 20.06.2006

  29. Rozpraszanie elastyczne neutronów w LAr Widmo energii jąder odrzutu 40Ar dla TN = 2 MeV Tn<<Mnnierelat. Wilga 20.06.2006

  30. Estimated event rates ≈ 100 event/ton/day Assuming 30 keV recoil energy threshold, Mc = 100 GeV/c2 ≈ 1 event/ton/day for s = 10-46:≈ 1 event/ton/100 day Wilga 20.06.2006

More Related