300 likes | 421 Views
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.
E N D
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Pomiary tła w laboratoriach europejskich za Gilles Gerbier, „Underground labs in Europe”AP Town meeting – Munich 23-25 nov 2005 Wilga 20.06.2006
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
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
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
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
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
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
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
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
Neutrony z mionów kosmicznych mn: 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
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
Neutrony ze skały – przykład analizy liczba niezident. neutronów Wilga 20.06.2006
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
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
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
Rozpraszanie elastyczne neutronów w LAr Widmo energii jąder odrzutu 40Ar dla TN = 2 MeV Tn<<Mnnierelat. Wilga 20.06.2006
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