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 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 P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

WSTĘP <E> ~ 1-3 MeV; <F> ~ 10-6 n/(cm2·s) 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) P. Mijakowski 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 P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

ICARUS NC CC Neutrina słoneczne, z wybuchów SN: 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 P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

Heidelberg-Moscow (76Ge) 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) P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

c + Nw spoczynku  c + Nodrzut 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 n, c e- g, e- Główne źródło tła. Jednak możliwe do rozpoznania n ~ 103/dzień P. Mijakowski 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) P. Mijakowski 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: P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

Modane (pomiar tła neutronowego) 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.) zasada detekcji 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 P. Mijakowski 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 strumienia Fm-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 P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

Pomiary tła w laboratoriach europejskich Laboratorium LNGS (Gran Sasso) LSM (Modane) LSC (Canfranc) IUS Boulby Głębokość m w.e. 3 700 4 800 2 450  2 800 Neutrony: Fn (>1MeV) /cm2/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 P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

„case study”: poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii eksp. ArDM (Argon Dark Matter) detektor ~ 700 litrów ETH Zurich (spokesman: A.Rubbia) Univ. of Zurich Univ. de Granada CIEMAT Madryt IPJ (T.Kozłowski, P.Mijakowski, E.Rondio) Univ. of Sheffield LEM Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV] Tr  scyntylacja & jonizacja CEL: 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) P. Mijakowski 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 P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

Neutrony ze skały laboratorium Propagacja neutronów w skale Widmo i strumień neut. po przejściu przez różne grubości moderatora 50 g/cm2 CH2 pozwala obniżyć Fn 106 razy rozkład energii neutronów ze skały na ścianie laboratorium(symulacja) 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 P. Mijakowski 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 •10-7 m/(s·cm2) [2] [2] J.M. Carmona et al., Astropart.Phys. 21 (2004) 523-533, hep-ex/0403009 P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

Neutrony z mionów kosmicznych Strum. Fm-ind stanowi ~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 P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

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

Tło neutronowe w eksperymencie ArDM PODSUMOWANIE 1 neutrony ze skały/ścian laboratorium strumień: 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 detektora strumień: zależy od wyboru materiałów ArDM input: ~ 74 n/dzień (wariant pesymistyczny) sposób: selekcja materiałów 3 neutrony z mionów kosmicznych strumień: Fm-ind ~ 1.7 × 10-9 n/(s·cm2) @ CANFRANC ArDM 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) P. Mijakowski 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) P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

SLAJDY ZAPASOWE

Neutrony z mionów kosmicznych produkcja mn: 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” P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

Neutrony ze skały – przykład analizy Widmo energii jąder odrzutu Rozkład energii początkowej r=40 cm h=120 cm geometria 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. P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

Neutrony ze skały – przykład analizy liczba niezident. neutronów P. Mijakowski 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’s estimation Component Mass (kg) Cont. U (ppb) Cont. Th (ppb) n per year n per year SOURCES Dewar 1000 0.6 0.7 448 494 266 LEM (Glass part) 2 10808 12107 9422 85 PMTs (Glass parts) 4 600 12969 14590 10196 Pillars (Polyeth.) 13 20 210 280 P. Mijakowski 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 P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

neutron capture (2) Stable isotope Abundance (%) process s [barns] (from G4 tables for 10 eV neutrons) Q-value [MeV] Number of events in 1 mln. simulation 40Ar 99.6 0.032 6.099 974502 36Ar 0.337 0.25 8.788 24703 38Ar 0.063 0.041 6.598 795 6.099 MeV 8.788 MeV 6.598 MeV 1 mln events Summed energy of all g’s produced in each neutron capture reproduce Q value! One can reproduce each isotope abundunce from this data! P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

Rozpraszanie elastyczne neutronów w LAr Widmo energii jąder odrzutu 40Ar dla TN = 2 MeV Tn<<Mn nierelat. P. Mijakowski Wilga 20.06.2006

Estimated event rates ≈ 100 event/ton/day ≈ 1 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 P. Mijakowski Wilga 20.06.2006