Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

1 Pomiar tła neutronowego w eksperymentach podziemnych Piotr Mijakowski Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Warszawa, Świerk Detekcja neutronów.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "1 Pomiar tła neutronowego w eksperymentach podziemnych Piotr Mijakowski Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Warszawa, Świerk Detekcja neutronów."— Zapis prezentacji:

1 1 Pomiar tła neutronowego w eksperymentach podziemnych Piotr Mijakowski Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Warszawa, Świerk Detekcja neutronów i techniki jądrowe w kontroli granic 20-21 Czerwiec, 2006, WILGA

2 P. MijakowskiWilga 20.06.20062 Plan wystąpienia Wstęp – źródła neutronów w laboratoriach podziemnych Motywacja – tło neutronowe w eksperymentach podziemnych: –eksperymenty neutrinowe –podwójny bezneutrinowy rozpad beta (0 ) –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

3 P. MijakowskiWilga 20.06.20063 ZRÓDŁA NEUTRONÓW POD ZIEMIĄ: Lokalna radioaktywność (skała, elementy detektora i wyposażenia lab) spontaniczne rozszczepienie 238 U reakcje (,n); z szeregów prom. z rozpadów U/Th Miony kosmiczne ( -ind) WSTĘP PROCESY ~ 1-3 MeV; ~ 10 -6 n/(cm 2 ·s) ~ 5-20 MeV; ~ 10 -9 n/(cm 2 ·s)

4 P. MijakowskiWilga 20.06.20064 Tło neutronowe Oddziaływania neutronów – tło w eksperymentach tzw. high-sensitivity, poszukujących rzadkich oddziaływań: –dośw. neutrinowe (neutrina słoneczne, SN) –podwójny rozpad beta (0 –Ciemna Materia MOTYWACJA:

5 P. MijakowskiWilga 20.06.20065

6 P. MijakowskiWilga 20.06.20066 ICARUS Detektor LAr typu TPC, badanie oddziaływań neutrin widmo energii neutrin e ze Słońca Neutrina słoneczne, z wybuchów SN: TŁO: wychwyt neutronów na elementach detektora (n, ), -> e - przez rozpraszanie Comptona NC CC (n, ) istotne także w innych eksp. neutrinowych

7 P. MijakowskiWilga 20.06.20067 Podwójny rozpad beta Tło: m.in. (n, ): produkcja par, elektrony Comptona 20 przypadków na rok (40 kg 76 Ge) NEMO GERDA ( 76 Ge) Heidelberg-Moscow ( 76 Ge) 2033 keV

8 P. MijakowskiWilga 20.06.20068 Ciemna Materia ZASADA DETEKCJI: + N w spoczynku + N odrzut mierzymy energię jąder odrzutu ~ keV z elastycznego rozpraszania WIMP-ów ( Weakly Interacting Massive Particle ) e-e- e - n, Neutrony i WIMPy: taki sam sygnał !!! T N < 10 MeV (radioaktywność otoczenia i oddziaływania mionów) Wielokrotne rozpraszanie neutronów w detektorze – jedyne kryterium n ~ 10 3 /dzień Główne źródło tła. Jednak możliwe do rozpoznania TŁO DOŚWIADCZALNE (KLASYFIKACJA) 18 GeV < M < 7 TeV

9 P. MijakowskiWilga 20.06.20069 Pomiary i symulacje tła neutronowego Oszacowanie poziomu tła neutronowego w lab. podziemnych – strumień neutronów n (rozkład energii E n ) –Symulacje produkcji i transportu neutronów (pomoc w projektowaniu systemu osłon) –Pomiary n, E n – TRUDNE! Niska intensywność źródła Często potrzebne dodatkowe informacje (Monte Carlo) UWAGI:

10 P. MijakowskiWilga 20.06.200610 ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science) 3 obszary: fale grawitacyjne, Ciemna Materia, podwójny rozpad beta 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: 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 Połączenie i skoordynowanie działań – europejska inicjatywa ILIAS

11 P. MijakowskiWilga 20.06.200611 Modane (pomiar tła neutronowego) Detektor: scyntylator NE320+0.15% 6 Li Faza I: osłona Pb +Cu (8 mies.) Faza II: Pb+Cu+ moderator neutronów (5 mies.) Det. 3 He (pomiar neutronów term.) [1] V. Chazal et al., Astroparticle Physics 9 (1998) 163 zasada detekcji rozkład energii neutronów w lab Modane (4800 m w.e.) [1] >2 MeV: n = 4.0 1.0 10 -6 n/(s·cm 2 ) Neutr term.: n = 1.6 0.1 10 -6 n/(s·cm 2 )

12 P. MijakowskiWilga 20.06.200612 Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr) Detektor IGEX Pomiar z moderatorem (B) i bez (A) Wynik A-B porównany z wynikami symulacji Określenie wartości strumienia neutronów rock ze skały n = 1.73 0.22 (stat) 0.69(syst) 10 -9 n/(s·cm 2 ) [2] n = 3.8 0.44 10 -6 n/(s·cm 2 ) [2] [2] J.M. Carmona et al., Astropart.Phys. 21 (2004) 523-533, hep-ex/0403009 Strumień neutronów z mionów w osłonach detektora: przypadki veto i porównanie z symulacją (FLUKA) Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja) Neutrony ze skały (pomiar) Neutrony z oddz. mionów w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb energia jąder odrzutu [keV]

13 P. MijakowskiWilga 20.06.200613 Pomiary tła w laboratoriach europejskich Laboratorium LNGS (Gran Sasso) LSM (Modane) LSC (Canfranc) IUS Boulby Głębokość m w.e. 3 7004 8002 450 2 800 Neutrony: n (>1MeV) /cm 2 /s ~0.8 · 10 -6 (pomiar) 1.1 · 10 -6 (pomiar) 3.8 · 10 -6 (sym./pom.) 1.3 · 10 -6 (sym.) za Gilles Gerbier, Underground labs in Europe AP Town meeting – Munich 23-25 nov 2005

14 P. MijakowskiWilga 20.06.200614 Pomiar energii odrzutu (T r ) Ar [10-100 keV] T r scyntylacja & jonizacja CEL: niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier) swiatło/ładunek: odróżnianie przypadków tła ( e/ vs. n) LEM – pomiar wsp. x,y – wielokrotne rozpraszanie case study: poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii http://neutrino.ethz.ch/ArDM ETH Zurich (spokesman: A.Rubbia) Univ. of Zurich Univ. de Granada CIEMAT Madryt IPJ (T.Kozłowski, P.Mijakowski, E.Rondio) Univ. of Sheffield 170 cm LEM fotopowielacze Ar (10 cm) LAr (120 cm) detektor ~ 700 litrów Oczekiwana liczba przypadków oddz. WIMP-ów (dla M =100GeV, Thr=30keV): 100 przyp./tona/dzień ( =10 -6 pb); 1 przyp./t/d ( =10 -8 pb); 1 przyp/t/100 dni ( =10 -10 pb) eksp. ArDM (Argon Dark Matter)

15 P. MijakowskiWilga 20.06.200615 Neutrony ze skały laboratorium Spontaniczne rozszczepienie 238 U (T 1/2 2.6 10 23 s); (,n) Produkcja neutronów: przekrój czynny (,n) (zależy od E ), straty energii w materiale Kalkulacja strumienia, np. przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronów przez 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 [3] R. Lemrani et al., Nucl. Instrum. Meth. A560 (2006) 454-459 rozkład energii neutronów ze skały (symulacja) ref. [3] BOULBY

16 P. MijakowskiWilga 20.06.200616 Neutrony ze skały laboratorium Propagacja neutronów w skale Widmo i strumień neut. po przejściu przez różne grubości moderatora 50 g/cm 2 CH 2 pozwala obniżyć n 10 6 razy rozkład energii neutronów ze skały na ścianie laboratorium(symulacja) ref. [4] 13200 n wchodzących na dzień! CANFRANC: n = 3.8 10 -6 n/(s·cm 2 ) [1] ArDM Symulacje (Geant4): - oddziaływanie neut. w det., - wielokrotne rozpraszanie BOULBY MINE [4] M.J. Carson et al., Astroparticle Physics 21(2004) 667-687

17 P. MijakowskiWilga 20.06.200617 Neutrony z mionów kosmicznych [2] J.M. Carmona et al., Astropart.Phys. 21 (2004) 523-533, hep-ex/0403009 CANFRANC (2450 m w.e, 240 GeV): = 2.47 10 -7 /(s·cm 2 ) [2] 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)

18 P. MijakowskiWilga 20.06.200618 Neutrony z mionów kosmicznych ref. [4] 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) at rock/cavern boundary after lead and hydrocarbon shielding CANFRANC: n = 1.73 10 -9 n/(s·cm 2 ) [1] SYMULACJA, BOULBY MINE MOTYWACJA: Strum. -ind stanowi ~0.1% rock ~6 przypadków na dzień ArDM [4] M.J. Carson et al., Astroparticle Physics 21(2004) 667-687

19 P. MijakowskiWilga 20.06.200619 Neutrony z mionów kosmicznych rock cavern veto n n prod. capt. rock cavern veto n n prod. capt. Możliwość identyfikacji za pomocą zewn. detektora typu veto - Koincydencja z przelatującym mionem - Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady

20 P. MijakowskiWilga 20.06.200620 1 neutrony ze skały/ścian laboratorium strumień: rock ~ 3.8×10 -6 n/(s·cm 2 ) @ CANFRANC ArDM input (bez osłon): ~ 13200 n/dzień sposób: moderator neutronów (redukcja 10 4 -10 6 ) 2 neutrony z elementów detektora strumień: zależy od wyboru materiałów ArDM input: ~ 74 n/dzień (wariant pesymistyczny) sposób: selekcja materiałów 3 neutrony z mionów kosmicznych strumień: -ind ~ 1.7 × 10 -9 n/(s·cm 2 ) @ CANFRANC ArDM input (preliminary): ~ 6 n/dzień sposób: detektor veto Tło neutronowe w eksperymencie ArDM PODSUMOWANIE ~ 10 -6 n/(cm 2 ·s) 0.1-1ppb U/Th 10 -2 -10 -4 Bq/kg ~ 10 -9 n/(cm 2 ·s)

21 P. MijakowskiWilga 20.06.200621 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)

22 22 SLAJDY ZAPASOWE

23 P. MijakowskiWilga 20.06.200623 Neutrony z mionów kosmicznych n: Przykład, { "@context": "http://schema.org", "@type": "ImageObject", "contentUrl": "http://images.slideplayer.pl/422889/1/slides/slide_22.jpg", "name": "P.", "description": "MijakowskiWilga 20.06.200623 Neutrony z mionów kosmicznych n: Przykład,

24 P. MijakowskiWilga 20.06.200624 Neutrony ze skały – przykład analizy Rozkład energii początkowej Widmo energii jąder odrzutu n = 3.810 -6 n/s·cm 2 całkowity strumień neutronów ze skały (dane z lab. Canfranc) 10 keV threshold r=40 cm h=120 cm geometria 13200 wchodzących neutronów na dzień !!! 550 neutronów na godzinę 1 neutron co ~ 6.5 sec.

25 P. MijakowskiWilga 20.06.200625 Neutrony ze skały – przykład analizy liczba niezident. neutronów

26 P. MijakowskiWilga 20.06.200626 Neutrons per year ComponentMass (kg) Cont. U (ppb) Cont. Th (ppb) n per yearn per year SOURCE S Dewar10000.60.7448 494 266 LEM (Glass part) 21000 10808 12107 9422 85 PMTs (Glass parts) 4600 12969 14590 10196 Pillars (Polyeth.) 1320 210 280 PIOTRs estimation LILIANs estimation No neutrons = decay × N × neutron yield neutron yield = sum [ yield(E ) × intesity ] N = Mass × ppb / ( Atomic Mass × 1,66 × 10 -27 )

27 P. MijakowskiWilga 20.06.200627 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 ( 40 Ar - 99,6%, 36 Ar - 0.337%, 38 Ar - 0.063%) Initial neutrons energy = 10 eV 1 mln. neutron events, every neutron captures on stable Argon isotope producing s Average number of s produced = 3.5

28 P. MijakowskiWilga 20.06.200628 6.099 MeV 8.788 MeV 6.598 MeV 1 mln events Stable isotope Abundance (%) process [barns] (from G4 tables for 10 eV neutrons) Q-value [MeV] Number of events in 1 mln. simulation 40 Ar99.60.0326.099974502 36 Ar0.3370.258.78824703 38 Ar0.0630.0416.598795 Summed energy of all s produced in each neutron capture reproduce Q value! One can reproduce each isotope abundunce from this data! neutron capture (2)

29 P. MijakowskiWilga 20.06.200629 Rozpraszanie elastyczne neutronów w LAr Widmo energii jąder odrzutu 40 Ar dla T N = 2 MeV T n < { "@context": "http://schema.org", "@type": "ImageObject", "contentUrl": "http://images.slideplayer.pl/422889/1/slides/slide_28.jpg", "name": "P.", "description": "MijakowskiWilga 20.06.200629 Rozpraszanie elastyczne neutronów w LAr Widmo energii jąder odrzutu 40 Ar dla T N = 2 MeV T n <

30 P. MijakowskiWilga 20.06.200630 Estimated event rates 100 event/ton/day 1 event/ton/day for = 10 -46 : 1 event/ton/100 day Assuming 30 keV recoil energy threshold, M = 100 GeV/c 2


Pobierz ppt "1 Pomiar tła neutronowego w eksperymentach podziemnych Piotr Mijakowski Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Warszawa, Świerk Detekcja neutronów."

Podobne prezentacje


Reklamy Google