Sviluppo e applicazioni di rivelatori a xenon. Giovanni Signorelli INFN Sezione di Pisa

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1 Sviluppo e applicazioni di rivelatori a xenon Giovanni Signorelli INFN Sezione di Pisa XCIX Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica Trieste, Settembre 2013

2 Sommario Panoramica sui rivelatori che usano lo xenon come materiale attivo, studi in corso Incentrata sui rivelatori, non sui risultati di fisica I gas nobili (He, Ne, Ar, Kr, Xe) sono relativamente economici, facili da ottenere e densi Caratteristiche fisiche uniche - gas liquefatti (Jortner et al., 1965) - permettono di costruire grossi rivelatori omogenei - unici nella risposta quando sono attraversati da radiazione Facilmente purificabili - bassa reattività - le impurezze di congelano - purificazione relativamente semplice 2

3 LXe come mezzo attivo I gas nobili (liquefatti) hanno due proprietà uniche - scintillano - abbondantemente, ~NaI - basso auto-assorbimento - gli elettroni liberati possono percorrere lunghe distanze (drift) - purificazione ρ (g/cm 3 ) T (K) Z λ(nm) He Ne Ar Kr Xe Xenon è il più luminoso, il più denso, quello con la minor lunghezza di radiazione e il più rapido - più caro 3

4 Scintillazione Comune a tutti i gas nobili Xe + radiazione eccitazione ionizzazione Xe* Xe + Xe Xe e Xe + + Xe e e Xe e - Xe + Xe** ricombinazione Xe Xe eccimero Xe* + Xe Xe 2 * Xe**! Xe*! singlet = 4.2 ns! triplet = 22 ns 2Xe + hv fotoni di scintillazione 178 nm, 14 nm FWHM! recomb = 45 ns 4

5 Proprietà di scintillazione Differenti per diversi tipi di particelle (es. α, elettroni) Scintillazione in fase liquida e gassosa nm, necessità di fotorivelatori sensibili al VUV (finestre di quarzo...) particelle α elettroni / fotoni particelle α elettroni / fotoni 5

6 Purezza e Purificazione Acqua ed ossigeno a livello di ppb modificano spettro e forma d onda Sistemi di purificazione continua sono essenziali - filtro molecolare + hot getter - circolazione in fase gassosa oppure fase liquida Peak position Peak position as a function of the date 3! LXe light yield inizio purificazione /08 18/09 13/10 06/11 30/11 24/12 Date Q/A Q/A as a function of the date Rapporto carica/ampiezza Forma d onda prima/dopo Amplitude (mv) TRG waveform " - ray Run " - ray Run /10 01/11 13/11 25/11 07/12 19/12 Date 50-6! Time (sec) Rapporto carica/ampiezza variable (elettroni catturati da impurità non contribuiscono alla coda) 6

7 Ionizzazione L elevata mobilità degli elettroni nel gas nobile liquefatto permette la raccolta di carica TPC triggerata dalla luce di scintillazione E drift es. E. Aprile et al. (2008) dates back to C. Rubbia (1977) 7

8 Complementarietà luce-carica Energia totale rilasciata condivisa fra eccitazione e ionizzazione Opportuno campo elettrico permette di separare e raccogliere la carica di ionizzazione La misura simultanea di luce e carica migliora la risoluzione energetica - compensazione delle fluttuazioni statistiche Conti et al. Phys. Rev. B 68, (2003) 8

9 Rivelatori a doppia fase Un altro fenomeno peculiare nei rivelatori a gas nobile liquefatto è la scintillazione secondaria - elettroni che viaggiano nel gas producono luce di scintillazione - campi elettrici modesti (200 V/cm) Necessità di mantenere la superficie di separazione molto stabile - no ebollizione - controllo del livello 9

10 Rivelatori a GXe Moltiplicazione di carica in gas è ancora un problema - scariche presenti anche a guadagni bassi - impossibilità di addizionare quencher - sviluppi in corso Opzione molto attraente per la rivelazione di raggi-x di bassa energia - piccolo cammino libero medio - possibilità di ricostruire le singole interazioni Coincidenze α, X-ray 241 Am MeV α - 59 kev x-ray 10

11 Applicazioni Panoramica per presentare il grande ventaglio di applicazioni Ricerca di materia oscura Ricerca di 0v2β Fisica delle alte energie Applicazioni alla TOF-PET (Astrofisica) Refrigerator H.V. Signals Cooling pipe Vacuum for thermal insulation Liq. Xe Al Honeycomb window PMT Plastic filler Un esempio per... tipo cm 11

12 Ricerca di Materia Oscura Le principali teorie suggeriscono che la materia oscura (Dark Matter) sia composta da particelle pesanti interagenti debolmente (WIMPs) di massa GeV Rivelabili mediante collisioni con la materia ordinaria - rinculi di energia <100 kev Basse sezioni d urto ( pb) - fondo ~10 5 volte maggiore - sottoterra + self-screening - utilizzo combinato di scintillazione/ionizzazione mediante scintillazione secondaria LXe è di estremo interesse - PID - alto numero atomico A, σ ~ A 2 - Diversi isotopi (pari/dispari) sensibilità ad interazioni spin-dependent e spinindependent Alta massa + Bassa Soglia + Discriminazione particelle Barabash and Bolozdynia (1989) Dama/LXe, XENON (Gran Sasso, IT), ZEPLIN (Boulby, UK), LUX (Homestake, USA), [XMASS] 12

13 XENON al Gran Sasso Approccio graduale, XENON10 XENON100 XENON1T - Rivelatore a doppia fase in un cilindro di PTFE - 62 (active)+ 100 (screen) kg di Xenon visti da 178 PMT quadrati 1-30 cm di drift - XENON100 ha fornito il miglior limite WIMP-materia elastico E. Aprile et al. (2010) E. Aprile e L. Baudis (

14 XENON100 results XENON 1T - XENON100 scalato di un fattore 20-1 m diametro, 1 m drift, 2.4 ton di xenon liquido - sensibilità ~ 2 x cm 2 Xenon1T 14

15 Neutrino-less double-β decay Oscillazioni di neutrino Δm 2! 0 Non sappiamo la scala assoluta di massa, nè se il v sia una particella di Dirac o di Majorana - nel secondo caso è possibile osservare il 0v2β 136 Xe è un candidato naturale - 8% abbondanza isotopica arricchito fino all 80% - E 2e = 2479 kev 15

16 EXO-200 EXO-200 è una TPC a LXe con lettura sia di carica che di luce Come fotorivelatori vengono utilizzati LAAPD - radioattività intrinseca più bassa rispetto ai PMTs - massa minore Regione di drift con catodo centrale, 75kV Criostato in rame ultra puro G. Gratta et al. (2009) 16

17 EXO-200 Misura del 2vββ-decay dello 136 Xe - Vita media misurata nel run 2011 di 2.11±0.04(stat)±0.21(syst) x anni Miglioramenti nel 2012: - lettura combinata luce e carica: 2.172±0.017(stat)±0.060(syst) x anni - nuovo limite sul T(0v2b) > 1.6 x (90% C.L.) Rivelazione del 136 Ba? 2.6 γ-ray del 208 Tl 17

18 MEG Rivelazione di fotoni da 52.8 MeV del decadimento µ e γ 900 litri di LXe letti da 846 PMTs - più grande rivelatore a LXe (...ancora per poco!) ~ ~ ~ ~ ~! e+ µ+ µ+ Stabilità monitorata continuamente - α-sources, LEDs, linee-γ nucleari 18

19 UP MEG È appena finita l ultima presa dati (31 Aug 2013) Upgrade dell esperimento - calorimetro con maggiore accettanza, minori punti morti, maggior granularità - PMT SiPM sensibili al VUV "! 19

20 Altre applicazioni Rivelatori a GXe ad alta pressione (NEXT-100) - 0v2β LXe imaging prototype per 50 MeV γs LXe TOF-PET GS et al. (2012) D. Bryman et al. (2012) 20

21 Conclusioni Rivelatori a xenon (liquido/ibrido/gassoso) hanno un applicazione vastissima nella fisica fondamentale Sviluppo di nuovi rivelatori e di nuove tipologie di purificazione, calibrazione Problemi aperti - ottimizzazione di rivelatori: SiPM, passanti... - moltiplicazione di carica - rivelatori a GXe ad alta pressione - imaging per fotoni di alta energia 21

22 Grazie 22

23 Bibliografia J. Jortner et al, J. Chem. Phys. 42 (1965) 4250 E. Aprile and T. Doke, Rev. Mod. Phys. 82 (2010) 2053 E. Aprile et al, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 480 (2002) 636 Baldini A. et al, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 545 (2005) 753 Baldini A. et al, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 565 (2006) 589 Carugno G. et al, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 376 (1996) 149 G. Signorelli et al, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 718 (2013) 110 A. Pocar, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 718 (2013) 462 C. Rubbia, CERN Report No. CERN-EP/77-08 (1977) V. Chepel and H. Araùjo, JINST, arxiv: v3 [physics.ins-det] (2012) J. B. Albert et al, arxiv: v1 [nucl-ex] (2013) A. Miceli et al, JoP Conference Series 312 (2011) W. Ootani et al, PoS Photodet2012 (2012) 035 S. Mihara et al, Cryogenics 46 (2006) 688 S. Dussoni et al, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A doi: /j.nima

24 W. Ootani et al, PoS Photodet2012 (2012)

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