DoLLAr:Ottimizzazione di rivelatori a liquidi nobili criogenici mediante l’uso di foto-dopanti….

LNF - MIB - PD - TO

R&D Experiment per INFN Gr.V

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Introduzione

I gas nobili in fase liquida presentano la particolarità di poter misurare contemporaneamente la ionizzazione e la scintillazione.

L’efficienza di rivelazione di fotoni UV e’ bassa a causa della scarsa efficienza quantica dei fotomoltiplicatori e wavelength shifters.

La risposta a ioni pesanti non e’ lineare a causa della forte ricombinazione dovuta all’alta densita’ di carica rilasciata.

La ricombinazione tra ioni ed elettroni produce fotoni ultravioletti (VUV) generando una relazione di complementarietà tra i segnali di ionizzazione e scintillazione con un valore costante della somma del numero degli elettroni liberati e dei fotoni emessi.

E’ possibile convertire i fotoni di scintillazione in carica rivelata, migliorando la risposta dei rivelatori mediante l’uso di dopanti fotosensitivi.

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Introduzione

L’argon liquido viene usato per rivelare la dark matter non solo perche’ economico ma anche perche’ si presta bene ai dopaggi diventando cosi un ottimo rivelatore

L’urto elastico di una particella neutra e pesante (WIMP) crea nell’argon liquido dei fotoni ultravioletti (VUV) e una alta densita’ di ioni ed elettroni che si ricombinano tra di loro dando luogo a fotoni che come quelli primari hanno caratteristici di decay (10ns e 2 μs) ben definiti tra di loro. Lo xenon , invece ha 7ns e 22 ns.

I fotoni hanno una efficienza di rivelazione bassa (5 / 10 %) mentre gli elettroni, sfruttando l’estrazione in fase gassosa e la sucessiva produzione di luce proprzionale, hanno una efficienza di rivelazione vicino al 100%.

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Drogaggio di liquidi nobili

TMG (tetra-methyl-germanium) Non e’ assorbito dall OxisorbTM nel ricircolo Grande sezione d’urto di assorbimento di

fotoni da 128 nm (62 Mbarn) Per recuperare la carica persa, Icarus 3 t

e’ stato dopato con TMG ottenendo ottimi risultati.

Nucl. Instr. and Meth. A 355 (1995) 660-662

Correlazione tra carica raccolta e energia depositata a 200V/cm.

• Drogaggio di LAr con piccole percentuali di Xe per shiftare la luce di scintillazione verso i 170 nm, piu’ facilmente rivelabili.

• Dopaggio con CH4 ed altri idrocarburi per variare la velocita’ di drift degli elettroni ed avere luce visibile al posto di UV

• Soluzione in LAr di sali di gadolinio per cattura neutroni ?

Da investigare

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Problemi aperti per R&D

studio dei doping di LAr. studio dei rivelatori piu adatti (PMT sensibili al

VUV, ...). studio deposizione TPB (tetra-phenyl-butadiene)

su vetro/quarzo in trasparenza (PMT) e riflessione (superficie rivelatore).

tests di laboratorio sui PMT VUV a freddo. utilizzo per trigger di rivelatori LAr di grande

dimensione.

Facilities

LNL: 30 l LAr-TPC (Icarino)

CERN: 50 l LAr-TPC Apparecchiature criogeniche per

test a varie temperature in gas e liquido.

Milano: Facilities per test su fototubi

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Partecipanti

Partecipanti: Padova

B. Baibussinov (10%) S. Centro (10%) D. Gibin (10%) A. Guglielmi (10%) G. Meng (20%) F. Pietropaolo (20%)

LNF G. Mannocchi (20%) P. Picchi (30%, Resp. Naz.) G.Satta (20%)

MIB M. Bonesini (30%) M.Tardocchi(40%) A.Andreoni(30%)

TO G.C.Trinchero (20%) L.Periale (30%)

CERN R. De Oliveira A. Di Mauro P. Martinengo V. Peskov

Associati: Padova

M. Guglielmi (15%) A. Martucci (15%) G. Brusatin (15%)

Totale FTE a Padova: 1.25

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Padova: richieste 2009

Richieste ai servizi PD per il 2009

Officina elettronica: Per costruzione e montaggi read-

out: 1 mese uomo

Officina meccanica: Per adattamento strutture esistenti:

1 mese uomo

Durata: 24 Mesi (2009 + 2010)

Previsioni di spesa per PD (2009):

Consumo (12000 €): Argon liguido: 8000 € Gas dopanti: 4000 €

Costruzione apparati (10000 €):

PMT’s (2 , 3, 8 inches): 7000 € Elettronica front end: 3000 €

Trasferte (totale 6000 €): Interne a LNL, MI, TO (5 mesi uomo):

3000 € Estere per deposizioni shifters (1 mese

uomo): 3000 €