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Il progetto ICARUS

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ICARUSImaging Cosmic And Rare

Underground SignalLa tecnologia di ICARUS, proposta per la prima volta da C. Rubbia nel 1977, riunisce in se' le caratteristiche di una camera a bolle con i vantaggi della lettura elettronica del segnale.

Si tratta essenzialmente di una vasca criogenica riempita con Argon liquido (LAr) ultra-puro e dotata di un sofisticato sistema elettronico di lettura.

Ideale per lo studio delle interazioni di neutrino ed altri eventi rari.

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ICARUS-CERN-MilanoCERN ν-beam

46 cm max. drift distance

νμ + n → μ − + p

ICARUS: Time Projection Chamber (TPC)

Ricostruzione 3D delletracce di particelleionizzanti a partire da“viste” 2D

Risoluzione: 3x3x.4mm

Ricostruzionedell’energia depositata

Interazione di neutrino da fascio al CERN nel prototipo 50l

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Rivelazione elettronica di eventi ionizzanti

Il piu' semplice rivelatore elettronico per eventi ionizzanti e' costituito da una coppia di elettrodi immersi in un dielettrico (gas o liquido) e fra i quali si stabilisce una d.d.p.In seguito al passaggio di una particella ionizzante si formano elettroni e ioni positivi che vengono spinti (“derivano”) verso gli elettrodi di polarita' opposta.Il moto degli elettroni (e degli ioni) induce una corrente misurabile.

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Rivelazione elettronicadi eventi ionizzanti

Poiche’ la velocita' degli elettroni e' diversi ordini di grandezza maggiore di quella degli ioni positivi, solo gli elettroni contribuiscono significativamente alla corrente:

i0 ≈ e v-/dLa corrente comincia a scorrere immediatamente dopo la formazione delle coppie elettrone-ione e molto prima che queste colpiscano gli elettrodi.

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Visualizzazione degli eventiIl segnale indotto fornisce una misura dell’energia depositata dalla particella ionizzanteCome determinare la posizione della particella?

Sostituendo all’elettrodo piano una griglia di fili si ricostruisce una delle coordinate dalla posizione del filo su cui e’ indotto il segnale Aggiungendo griglie parallele ma con orientazioni diverse dei fili si ricostruisce l’altra coordinata nel piano delle griglieGrazie all’ effetto di schermo dei piani di fili, il segnale indotto sul piano “esterno” inizia solo quando le cariche attraversano la prima griglia: e’ quindi possibile determinare la terza coordinata (coordinata di drift) dal tempo di arrivo del segnale rispetto a T0=istante in cui avviene la ionizzazione

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Perchè l’Argon come mezzo liquidoDeve trattarsi di un gas nobile: non cattura gli elettroni di ionizzazione.Tra i cinque gas nobili esistenti in natura (He, Ne, Ar, Kr e Xe) i primi due non possono essere usati in forma liquida perche' producono delle piccole bollicine attorno all'elettrone rallentandone il processo di deriva. Dei tre rimanenti, solo l'Argon liquido ha raggiunto un sufficiente sfruttamento industriale ad un prezzo ragionevole.E' ottenibile ad un alto grado di purezza chimica e questo permette agli elettroni liberi di compiere un cammino abbastanza lungo. Infatti un elettrone in un liquido e‘sottoposto a circa 1012 collisioni molecolari per secondo. Quindi la concentrazione di impurita' con una grande probabilita' di legarsi come l'Ossigeno, non deve superare una parte su un miliardo (1 ppb).

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La luce come segnale di T0• Gli eventi ionizzanti nel LAr

sono accompagnati dall'emissione di luce di scintillazione. La rilevazione di questa luce puo' essere usata per la misurazione del tempo assoluto T0 dell'evento e puo' dare un utile segnale di trigger interno.

• A questo scopo e' stato adottato un sistema di fotomoltiplicatori immersi direttamente nel LAr.

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wire pitch

d

d

Drifting

Ionizing Track

e-

Electric Field

ScreenGrid

InductionPlane

CollectionPlane

PMTUV Light

Amplifier

in LAr

E1

E2

E3

Time --drift

400 ns sampling

time

Char

ge

Induction wire Signal(schematic) Waveform

T0 Tpeak

Ligh

t Tdrift

PMT Signal

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La GenealogiaICARUS

Il prossimo passo:ICARUS T600Al Gran Sasso

In allestimento, Partenza previstaPrimavera 2008

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Il rivelatore ICARUS

T600

ICARUS T600 e' un grande criostato diviso in due semimoduli adiacenti identici a forma di parallelepipedo (dalle dimensioni interne di 3.6 x 3.9 x 19.9 m3). Ogni semimodulo da 300t di LAr ospita al suo interno un rivelatore composto da due TPC, il sistema di formatura del campo e un sistema di rivelazione per la luce di scintillazione del LAr costituito da una fila di fotomoltiplicatori.

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Dewar LN2 (30 m3)Dewar LAr (30

m3)

Passive heaters

Readout electronicsAll'esterno del rivelatore si trova:

• l'elettronica di lettura,• l'impianto criogenico

•circuito di raffreddamento all'Azoto liquido•sistema di purificazione del LAr

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Interno del

rivelatoreLa struttura del rivelatore interno e' costituita da due TPC per semimodulo.Il volume totale dell'argon liquido e' di 559 m3,pari a 782 t.Ogni TPC e' formata da tre piani di fili, distanziati di 3 mm, orientati a 60º, con un passo di 3 mm tra fili adiacenti. In particolare si hanno due piani di Induzione a 0º e +60º ed un piano di Collezione a -60º.Il numero totale dei fili nel rivelatore T600 e' di 53760.

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All'interno del volume del rivelatore si trova un campo elettrico costante ( 0.5 kV/cm) e perpendicolare ai piani di fili per permettere la deriva delle cariche.Il sistema ad alto voltaggio che lo produce e' composto da un catodo piano,parallelo ai piani di fili, posto nel mezzo del volume di LAr di ogni semimodulo alla distanza di circa 1,5 m dai fili di entrambe le parti.Elettrodi per la formatura del campo ne garantiscono l'uniformita‘ lungo la direzione di drift.

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75

100

2030405060

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

z (cm)

x (c

m)

75100 20

30

40

50

60

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

y (cm)

x (c

m)

Run 939 Event 95 Right chamberRun 939 Event 95 Right chamber

Te=36.2 MeVRange=15.4 cm

Te=36.2 MeVRange=15.4 cm

Esempio di ricostruzione di un muone e suodecadimento. Dal test run a Pavia, 2001

Collection view

Induction 2 view

A

A

B

B

C

C

μ+[AB] → e+[BC]

µ+

e+

µ+e+

Induction 1 view

J. Rico’s thesis (ETHZ, 2002)

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Ricostruzione della massa del π0

E(E(γγ11) = 182.5) = 182.5±±22.2 22.2 MeVMeV

E(E(γγ22) = 180.8) = 180.8±±20.1 20.1 MeVMeV

Run 712 Evt 7 (Left Collection View)

MMγγγγ = 150.6= 150.6±±11.8 MeV/c11.8 MeV/c22

51 π0 γγ eventi candidati

θθ = 40= 40ºº

Main vertex

0 50 100 150 200 250 3000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

MeV/c2

χ2/ ndf 3.824 / 10

Mean 150.6 ± 6.8RMS 11.8 ± 7.4

FondoCombinatorioda eventi con> 2 sciami

In accordo con la risoluzione in energia e.m. attesa

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Borexino

OPERA

HALL CHALL B

HALL A

LVD

CRESST

CUORE

CUORICINO

LUNA2DAMA/LIBRA

GENIUS-TF

MI R&DXENON

ICA

RU

SGERDA

WARP

VIP

LOW ACTIVITY LAB

LISA

BAM - OPERA

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Il Il progettoprogetto ICARUS per ICARUS per ilil GranGran SassoSasso::detector ad Argon detector ad Argon liquidoliquido per per neutrinineutrini

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Gli obiettivi di fisica di Icarus• Neutrini atmosferici e da

Supernova • Oscillazioni di neutrino

con il fascio dal CERN• Ricerca esplicita di

νμ→ντ and νμ→νe• Ricerca di segnali del

decadimento del protone

uud

e+

dd

pπ0

21

65 cm

p → K+ νe

P = 425 MeV

“Single” event detection capability

1034

1035

Il decadimento del protone e’ l’obiettivooriginale del progetto ICARUS

Molto competitivo sul canale Kν

Decadimento del protone

22

50 cm

65 c

mp

e-

Vantaggi della tecnologia ICARUS : Bassa soglia (~50 MeV), separazione netta e/μRicostruzione completa degli eventi

Eventi di Corrente Carica attesi per anno in un rivelatore da 1kt

Δm232

Neutrini Atmosferici• Prodotti da interazioni dei raggi cosmici in atmosfera• Oscillazioni osservate da SuperKamiokande, confermate agli

acceleratori

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Cern Neutrino to Gran SassoI neutrini viaggiano dal CERN ai Laboratori

Nazionali del Gran Sasso (INFN),per una distanza di 732 kilometri a una

profondità massima di 11 km

Commissinioning:Luglio-Agosto 2006Primo fascio ai LNGS18 Agosto 2006

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CNGS

• Fascio di νμ

• Energia abbastanza altada poter produrre e rivelare leptoni τ (mτ≈2 GeV)

• Il piu’ intenso possibile..• Bassa contaminazione

da νe per– ricerca del τ nel canale

τ e– ricerca di e da νμ νe

Scopo primario:rivelazione diretta del ντ da oscillazione νμ→ ντ

Flusso atteso: 3.7 1010 ν/m2/annointerazioni attese:2800 νμCC/kt/y

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Produzione dei neutrini

Un fascio di protonicolpisce un bersaglio in grafite producendo (tra l’altro)mesoni π e K

π+ e K+

vengono focalizzati con due lenti magnetiche, horn eriflettore

π+ e K+ sono inviati nel tunnel di decadimento, dove si disintegrano soprattutto in neutrini muonici (νμ) e muoni (μ+)

I mesoni restanti si fermano neldump

I μ sonomisurati nelle muon-pits

νvolanoverso il Gran Sasso

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Eventi CNGS in ICARUS T600• ≈ 300 νμ CC / anno studio delle

interazioni• ≈ 100 NC / anno verifica della

identificazione di π0

• ντ CC: 32in 5 anni , 6 con decadimento in elettrone.. prima dei tagli..

μ from ν interactions in the Gran Sassorock: a monitor for νflux

ICARUS T600≈ 3500 μ/y (nominal beam)870μ/y with Pμ> 20 GeV/ccoming mainly from high energy ν

• assuming a good knowledge of the bulk of the ν beam

⇒ measurement of ν fluence above 40 GeV

with good statistical accuracy

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neutrini dalle Supernovae

ν e +40Ar→40Cl* +e+

• Scattering elastico dei ν (ES)

• Assorbimento del νe (CC)

• Scattering elastico degli anti-ν (ES)

• Assorbimento dell’anti-νe (CC)

φ(νe)+0.15 φ(νμ + ντ)νx +e− →νx +e−

νe +40Ar→40K* +e−φ(νe) Q=5.885 MeV

ν x + e− →ν x + e−

φ(νe)+0.34 φ(νμ + ντ)

φ(νe)Q≈8 MeV

Interazioni di bassa energia rivelabili in Argon

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SN in T600

reaction SN at 10 kp SN in the Large Magellanic cloud

elastic 8 <1

CC 150 6

NC 180 7

Total 338 13

Numero di eventi attesi in Icarus T600 da esplosione diSuperNova

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Il futuro

• Per esplorare le oscillazioni νμ ↔ νe governatedal parametro θ13 e la possibile violazione di CP nel settore leptonico servono rivelatori di massasempre piu’ grande

• La tecnologia LAr TPC e’ ideale in questo campo perche’– Consente una ricostruzione completa degli eventi anche

a bassa energia e con topologie complesse– Consente la discriminazione dal fondo dovuto a eventi

di corrente neutra

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Il progetto ModuLAr

• Esiste un progetto “ModuLAr” per un rivelatoread Argon Liquido basato sulla tecnologia Icarus

• Con una massa di 20 kton, ottenuta con “moduli”da 10 Kton e quindi estendibile in futuro

• Da collocare in un nuovo sito al GranSasso• Pensato per un fascio CNGS-2 modificato e

ottimizzato per θ13

• Il programma di R&D dovrebbe partire nel 2008.

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The ModuLAr project

B. Baibussinov et al.,“A new, very massive modular Liquid Argon Imaging Chamber to detect low energy off-axis neutrinos from the CNGS beam (Project MODULAr)”,

arXiv:0704.1422, 11-04-2007.

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