PROSPETTIVE DERIVANTI DAL DROGAGGIO DELLO SCINTILLATORE LIQUIDO DI LVD CON GADOLINIO

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1 PROSPETTIVE DERIVANTI DAL DROGAGGIO DELLO SCINTILLATORE LIQUIDO DI LVD CON GADOLINIO XCVII Congresso Nazionale SIF L'Aquila 2011

2 Large Volume Detector Un rivelatore a scintillatore liquido da 1 kton nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso. LVD Collaboration, Il Nuovo Cimento A105, (1992) Più di 19 anni di presa dati.

3 Large Volume Detector Hall A Laboratori sotterranei 1400 m di copertura rocciosa (3600 m w.e.). Flusso di muoni : 1 / (m2h) Condizioni ottimali per la rivelazione di neutrini

4 Large Volume Detector OBIETTIVO PRINCIPALE Rivelazione di neutrini da collasso gravitazionale Altri studi: Modulazione annuale del flusso di Neutron yield in Fe e scintillatore Neutrini dal CNGS

5 LVD : I contatori 1 contatore 1 X 1 X 1.5 m3 1.2 t di scintillatore liquido 3 fotomoltiplicatori 840 di questi contatori sono disposti in una geometria compatta e modulare

6 LVD : Il trigger Principale interazione : IBD ν e p e n np dγ 2. 2MeV Evis~ Eν-0.8 MeV < t> = 185 µs, Eγ= 2.2 MeV Condizione di trigger: coincidenza tripla dei tre fotomoltiplicatori di un singolo contatore <E>trig = 4 MeV Dopo un trigger: ricerca del segnale del 2.2MeV per un tempo di 1 ms (soglia energia più bassa) Efficienza identificazione cattura neutronica n < 60%

7 LVD : Segnale atteso Dipende dalla distanza D della stella che collassa. Nella tabella a fianco D = 10 kpc Si assume gerarchia normale di massa per le oscillazioni dei neutrini nell'interno della stella. 1 kpc = m Diametro della Galassia: 2R = 30 kpc

8 Sensibilità del rivelatore Per migliorare S/N: una selezione sul fondo (Nbk) che conservi alta efficienza nell'identificazione del segnale ( ) Identificazione del da cattura neutronica dopo IBD, E = 2.23 MeV In un contatore di LVD tempo medio di cattura No miglioramenti nella sensibilità a causa della efficienza n

9 Drogaggio con Gadolinio Due isotopi 155Gd e 157 Gd con sezione d'urto di cattura neutrone 104 volte quella del protone Rilascio di una cascata di fotoni fino a un totale di 8 MeV in seguito a una cattura

10 Drogaggio con Gadolinio Studio di tre anni su due contatori di LVD, 2.4 t di scintillatore liquido drogate con Gd. Caratteristiche chimiche e fisiche dello scintillatore dopo il drogaggio, studio della stabilità METALS collaboration, I.R. Barabanov et al., JINST 5 P04001

11 Efficienza di cattura neutronica Simulazione completa, con GEANT4, di un contatore di LVD. Generati in modo uniforme nel contatore 104 neutroni. Sia scintillatore liquido standard sia drogato 0.14% in peso con Gd.

12 Efficienza di cattura neutronica Le efficienze di identificazione della cattura neutronica n = 58% per LS standard n Gd = 80% per LS drogato con GD

13 Efficienza di cattura neutronica Tempo medio di cattura neutronica vs concentrazione di Gd Spettro di energia rivelata per cattura neutronica in liquido scintillatore Non drogato Drogato con Gd

14 Efficienza di cattura neutronica Eth Energia minima del segnale di cattura neutronica n Efficienza di identificazione cattura a seconda di Eth R Rate di fondo sopra Eth t finestra temporale di ricerca del segnale di cattura dopo un trigger P Probabilità che il fondo simuli un segnale di cattura nella finestra t S/N* Rapporto segnale rumore relativo al caso No Gd doping

15 Aumento del trigger rate dovuto alle catture di neutroni su Gd Il drogaggio con Gd genera un aumento del trigger rate con rilascio di fino a 8 MeV in seguito alla cattura di neutroni della radioattività naturale

16 Aumento del trigger rate dovuto alle catture di neutroni su Gd Simulazione con GEANT4 Liquido scintillatore drogato con Gd allo 0.14% Flusso di neutroni da radioattività naturale come risulta da misure nei laboratori del Gran Sasso P. Belli et al., Nuovo Cim. A 101 (1989)

17 Aumento del trigger rate dovuto alle catture di neutroni su Gd Trigger rate risultante su tutto il rivelatore drogato con Gd E > 7 MeV E > 10 MeV f7 tot = 1.3 s-1 f10 tot = s-1

18 Sensibilità a bursts di neutrini Si confronta la sensibilità attuale (No Gd doping) con diverse possibilità nel caso di Gd doping

19 Sensibilità a burst di neutrini Ecut=7Mev, standard liquid scintillator Ecut=10Mev, standard liquid scintillator LMC Ecut=7Mev, Gd doped liquid scintillator Ecut=10Mev, Gd doped liquid scintillator

20 Conclusioni Il drogaggio con Gd dello scintillatore liquido di LVD (1 kt) aumenta la sensibilità a bursts di e da collasso gravitazionale. La probabilità di rivelazione di un burst generato alla distanza della Grande Nube di Magellano (LMC, 50 kpc) per LVD stand-alone risulta 90%. G.Bruno et al., JCAP06 (2011) 024