Flexible Light Apparatus for. Rare Events Searches. Ezio Previtali INFN Sezione Milano Bicocca

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Virginia Campo
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1 Flexible Light Apparatus for Rare Events Searches Ezio Previtali INFN Sezione Milano Bicocca

2 Fisica degli Eventi Rari Fisica del Neutrino: - Quanto vale la scala di massa del neutrino (, ) - Natura del neutrino Dirac/Maiorana (, μ ν ) - Determinazione della gerarchia delle masse (, Oscillazioni) Ricerca di Materia Oscura: - Ricerca di WIMP (σ vs M W ) - Misura della modulazione stagionale Caratteristiche per nuovi rivelatori: - Buona risoluzione energetica - Bassissimo fondo radioattivo - Nuclei doppio beta attivi (possibilmente più di uno) - Massa scalabile

3 senza emissione di neutrini (A,Z) (A,Z+2) + 2 e - Vietato dal modello standard Violazione del numero leptonico (ΔL=2) Se osservato: Neutrino particella di Majorana ν = ν Misura della massa del neutrino

4 Sensibilità t 1/2 0n sensitivity detector efficiency isotopic abundance atomic number detector mass [kg] 0 a.i. S 1 2 A measuring time [y] M t meas E bkg energy resolution [kev] background [c/kev/y/kg]

5 Fondo decadimento con 2 neutrini In ultima analisi il fondo dal decadimento a 2 neutrini è l unico non eliminabile E necessario avere rivelatori ad elevata risoluzione in energia Il rate di eventi prodotto da tale decadimento va correttamente considerato Bisogna avere una valutazione di un possibile fondo prodotto da pile-up

6 Tecnica Possibile: Scintillazione Possibili Nuclei di interesse doppio beta Nucleo Energia transizione T 1/2 (10-2 ev) Possibili scintillatori 48 Ca 4276 kev a CaF 2, CaWO 4, CaMoO 4? 100 Mo 3134 kev a Vari composti con MoO Cd 2804 kev a CdWO 4, CdMoO 4? 150 Nd 3368 kev a Nd 2 (MoO 4 ) 3?????? 2615 kev 208 Tl

7 Possibili Cristalli Esistono molti cristalli scintillanti contenenti nuclei doppio beta Per molti si osserva un aumento della luce emessa al diminuire della temperatura ~25000 ph/mev CaMoO 4 CaWO 4 CaMoO 4 ~8000 ph/mev V.B. Mikhailik et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 583 (2007)

8 Risoluzione Energetica Se abbiamo un emissione di ph/mev A 3 MeV, range di energia che ci interessa R( FWHM ) % R 40keV ( FWHM ) Se raccogliamo tutti i fotoni emessi dalla scintillazione!

9 Possiamo avere problemi di pile up?? Risposta temporale V.B. Mikhailik et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 583 (2007) La risoluzione temporale è sulla scala di 10 μsec Più che accettabile per un esperimento sulla ricerca di eventi rari

10 Rivelatori di luce Efficienza quantica per la rivelazione dei fotoni: Fotomoltiplicatori ~ 35% Fotodiodi Stato Solido ~ 80% Silicon Drift Devices ~ 80% Silicon Photomultiplier ~ 50% Un rivelatore SDD risulta avere un elevata efficienza quantica garantendo allo stesso tempo un minore rumore elettronico se paragonato ad un diodo al silicio C. Fiorini et al., IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 60, N. 4, August2013

11 Silicon Drift Chamber (SDD) Per valutare la risoluzione va considerata la statistica ed il rumore elettronico R tot R 2 stat R 2 noise C. Fiorini et al., IEEE Transaction on Nuclear Science, Vol. 60, N. 4, August2013

12 Rumore elettronico C d = 0.5 pf (SDD di 1 cm 2 ) C i = 1.0 pf (FET) C p = 0.5 pf (Parassita) <e w2 > = V 2 /Hz 120K) A 1/f = 0 (trascurabile in JFET) I l = A (SDD e 120 K) ENC = 3.1 e - rms Per un cristallo cilindrico di 5 cm di diametro Coperto con SDD su entrambe le facce circolari Sono necessarie 40 SDD per un rumore totale pari a: ENC t = ENC x (N SDD ) 1/2 = 20 e - rms

13 Risoluzione Energetica Consideriamo ora il rivelatore nel suo insieme α h = 70% (efficienza di raccolta dei fotoni da Montecarlo) N ph = (numero dei fotoni emessi da CaMoO 4 a 3 120K) ε Q = 80% (efficienza quantica del rivelatore SDD) N SDD = 40 (numero di SDD per leggere un cristallo di 5 cm di diametro) ENC e = 3.1 e - rms (rumore elettronico di ogni singola SDD) Questo equivale ad una risoluzione in energia a 3 MeV pari a ΔE (FWHM) = 34 kev

14 Struttura del rivelatore Identificazione della posizione spaziale dell evento Identificazione di un volume fiduciale Riduzione del fondo radioattivo Identificazione di eventi specifici Per migliorare la risoluzione spaziale Migliore efficienza di raccolta dei fotoni Corretta segmentazione sistema lettura Ottimizzazione sistema riflessione Obiettivo: Risoluzione spaziale attorno a 1 cm Misura del rapporto dei fotoni raccolti tra faccia anteriore e posteriore del cristallo (CdWO 4 )

15 Montecarlo per fotoni ottici Elettrone Gamma

16 Esperimenti aggiuntivi Dark Matter: Con soglia bassa è possibile effettuare ricerche di Materia Oscura Rivelazione di neutrini: ν e Mo 100 Tc + e - T 1/2 = 15 sec _ 100 Tc 100 Ru + ν e + e - Correlazione spaziale/temporale e energia del neutrino incidente con il beta ritardato Notevole riduzione del fondo di misura

Pubblicazione Abbiamo sottoposto l idea scientifica a Europhysics Journal C a fine luglio Abbiamo ricevuto la risposta dei referees della rivista a fine agosto Comments to

17 Pubblicazione Abbiamo sottoposto l idea scientifica a Europhysics Journal C a fine luglio Abbiamo ricevuto la risposta dei referees della rivista a fine agosto Comments to the Author The article is very well written, the work is nicely documented and the content quite important and novel. Therefore I strongly support the publication of this work.

18 Sviluppo del rivelatore Il progetto di sviluppo per FLARES comporta: - Selezione di cristalli scintillanti CaMoO 4 (CdWO 4 ) - Studio del fondo radioattivo prodotto nei cristalli - Test a bassa temperatura per ottimizzazione della resa in luce - Design di un sistema di lettura ottica basato su SDD - Studio ed analisi del rumore correlato al singolo canale - Caratterizzazione della matrice di SDD a bassa temperatura - Massimizzazione dell efficienza di misura dei fotoni ottici - Realizzazione di un rivelatore a lettura SDD a bassa temperatura

19 Sviluppo del SDD Per lo sviluppo degli SDD esiste una diretta sinergia con l esperimento REDSOX (CSN5): 1. REDSOX ha attiva una linea per lo sviluppo di SDD come rivelatori di luce 2. FLARES e REDSOX avranno una linea di sviluppo comune 3. REDSOX ha già implementato l accoppiamento tra SDD e elettronica 4. REDSOX supporterebbe le richieste tecniche di FLARES 5. FLARES possiede tutte le facilities per effettuare test criogenici 6. Si studierà in collaborazione l accoppiamento SDD/cristalli scintillanti Siamo ovviamente aperti anche ad ulteriori contributi

20 Anagrafica/Richieste Milano Bicocca Antonio Cammi 0.4 Silvia Capelli 0.2 Oliviero Cremonesi 0.1 Giacomo Cucciati 0.6 Luca Gironi 0.3 Maura Pavan 0.1 Ezio Previtali (RN) 0.3 Monica Sisti (RL) 0.4 Totale 2.2 FTE Richieste Milano Bicocca Missioni 8.0 k Consumo 35.0 k Apparati 10.0 k Bologna Lucia Andreani 0.1 Giuseppe Baldazzi (RL) 0.2 Riccardo Campana 0.2 Fabio Fuschino 0.3 Claudio Labanti 0.2 Pier Luca Rossi 0.1 Totale 1.1 FTE Forti sinergie esitono con gli esperimenti: REDSOX CSN5 CUORE CSN2 Richieste Bologna Missioni 0.5 k Consumo 2.5 k Apparati 5.0 k

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