Radiazione nella materia, principi di rivelazione e...

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M. Sioli Lezioni di Astrofisica Nucleare e Subnucleare CdL Astronomia AA 2004/05 Radiazione nella materia, principi di rivelazione e rivelatori di particelle elementari: rivelatori per neutrini

Transcript of Radiazione nella materia, principi di rivelazione e...

M. S

ioli

Lezio

ni di A

str

ofisic

a N

ucle

are

e S

ub

nucle

are

CdL

Astr

on

om

iaA

A 2

00

4/0

5

Ra

dia

zio

ne

ne

lla m

ate

ria

,

prin

cip

i d

i rive

lazio

ne

e

rive

lato

ri d

i p

art

ice

lle e

lem

en

tari:

rive

lato

ri p

er

ne

utr

ini

Cara

tteristiche p

rincip

ali

di un

rivela

tore

di neutr

ini

•G

randi dim

ensio

ni: s

ezio

ne d

’urt

o

pic

colis

sim

a (

10

-44

-10

-38

cm

2),

e flu

ssi m

olto

bassi (e

s. 10

-13

cm

-2s

-1sr

-1 p

er

νatm

)

•O

ttim

o s

cherm

aggio

da r

adia

zio

ne

am

bie

nta

le e

cosm

ica (

genera

lmente

sono

esperim

enti s

otterr

anei)

•R

ichie

sta

ottim

a r

eie

zio

ne d

el fo

ndo,

in g

enere

pre

dom

inante

(ra

pport

o

segnale

/rum

ore

massim

o p

ossib

ile)

Outlin

edi questa

panora

mic

a s

ui

rivela

tori d

i neutr

ini

•M

ostr

ere

mo: prim

a p

rincip

io d

i rivela

zio

ne,

poi te

cnic

a d

i rivela

zio

ne e

d infine e

sem

pio

di

imple

menta

zio

ne.

•F

are

mo u

n r

iassunto

molto lim

itato

e n

on

esaustivo s

ui rivela

tori d

i neutr

ini a

ttualm

ente

esis

tenti.

•N

on tutti i rivela

tori s

ono e

str

em

am

ente

massiv

i: s

hort

baselin

e, ricerc

he “

esotiche”…

Em

uls

ion

i n

ucle

ari

Anco

ra forn

isco

no la m

iglio

re r

iso

luzio

ne s

pazia

le (

<1m

m).

Han

no u

na

gra

nd

e im

port

anza p

er

la r

ivela

zio

ne

di ve

rtic

i e

d

eca

dim

enti d

i p

art

ice

lle c

on b

reve v

ita m

edia

So

no

com

poste

da

mic

ro-c

rista

llid

iA

lidu

rod

iA

rge

nto

(AgB

r)

dis

pe

rsiin

un

am

atr

ice

ge

latin

osa.

L’e

ne

rgia

rila

scia

tad

alla

part

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llaio

niz

za

nte

pro

duce

un’im

ma

gin

ela

tente

la q

ua

le, m

edia

nte

un a

pp

osito

svilu

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o, si

rid

uce

ad a

rge

nto

meta

llico.

Alla

fin

e d

el tr

attam

en

tochim

ico, il

pa

ssa

gg

iod

ella

part

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llaio

niz

za

nte

div

ien

evis

ibile

com

e u

na

seq

ue

nza

digra

nidi

arg

ento

de

l dia

metr

odicir

ca 0

.8 µ

m in s

ize.

Le

em

uls

ion

in

ucle

ari

ve

ng

ono

utiliz

za

ted

ai

fisic

id

ao

ltre

60 a

nn

i

1896:

1896: radioattività

radioattività

1947:

1947: decadimento

decadimentodel

del pione

pione

2000: neutrino del tau

2000: neutrino del tau

100 µ µµµm

Pre

cis

ion

e

intr

inse

ca

Ag grain after development

dx M

.I.P

. T

rack

σ =

0.0

m

intrinsic spatial resolution

Gra

in S

ize

0.2

µm

(o

rig

inal cry

sta

l)

develo

pm

en

t pro

cess

0.8

µm

(v

isib

le a

t m

icro

scope) m

m

µµ

06

.0

12

2.0

=

Sis

tem

adiscannin

g

com

ple

tam

ente

auto

matico

gs

camera

optical tube

objective

emulsion

trasparentslide

with vacuum system

motorized stage

motorized axis

condenser

lamp

auxiliary monitor for

real-time display

Computer with:

•frame grabber and

vision processor

•motors and lamp

controllers

Esem

pio

di rivela

tore

che u

tiliz

za e

muls

ioni:

OP

ER

A a

l G

ran S

asso (

esperim

ento

“su fascio

”)

Riv

ela

tore

ibri

do

(riv

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tori

ele

ttro

nic

i +

em

uls

ion

i)

Massa

to

tale

= 1

.8

Massa

to

tale

= 1

.8

Massa

to

tale

= 1

.8

Massa

to

tale

= 1

.8 t

on

ne

llate

ton

ne

llate

ton

ne

llate

ton

ne

llate

, , , , cir

ca

cir

ca

cir

ca

cir

ca

200

00

0 «

200

00

0 «

200

00

0 «

200

00

0 «

ma

tto

ni

ma

tto

ni

ma

tto

ni

ma

tto

ni» »»»

Riv

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tori a

scin

tilla

zio

ne

Un

a p

arti

cell

a ca

rica

, at

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nd

o

un

o s

cinti

llat

ore

, p

erde

ener

gia

ecci

tand

o g

li a

tom

i d

el m

ater

iale

.

Qu

esti

ult

imi,

dis

ecci

tan

dosi

,

emet

ton

o l

uce

vis

ibil

e

Un

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cell

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rica

, at

trav

ersa

nd

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un

o s

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llat

ore

, p

erde

ener

gia

ecci

tand

o g

li a

tom

i d

el m

ater

iale

.

Qu

esti

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imi,

dis

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tan

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,

emet

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o l

uce

vis

ibil

e

�S

cin

till

ato

riin

org

an

ici

(Na

I, C

sI…

)so

no c

rist

alli

io

nic

i dro

gat

i co

n i

mpuri

-al

ta e

ffic

ien

za d

i sc

inti

llaz

ione

1γ/

20-1

00 e

V

-el

evat

a den

sità

(ri

vel

atori

co

mpat

ti)

4-5

g/c

m2

-te

mp

i di

emis

sione

elev

ati

(100-6

00 n

s)

-poss

ono e

sser

e ig

rosc

opic

i ed

aver

e la

risp

ost

a dip

enden

te d

alla

tem

per

atu

ra

�S

cin

till

ato

riorg

an

ici

(BC

10

2,

PO

PO

P )

sono c

om

ple

sse

mole

cole

org

anic

he

in c

ui

si h

a

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sio

ne

di

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UV

in s

eguit

o a

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ccit

azio

ne

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livel

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ole

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ri. S

i ag

giu

ngono p

oi

altr

e

mole

cole

(w

ave

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shif

ter)

per

tra

sfer

ire

la

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nel

vis

ibil

e: t

empi

di

emis

sione

rapid

i (

2.5

-

10 n

s) e

min

or

risp

ost

a lu

min

osa

1γ/

400 e

V

Tip

i di

scin

till

atori

Ra

ccolta

dilu

ce

e fo

tom

oltip

lica

tori

In u

n r

ivel

atore

a s

cinti

llat

ore

la

luce

vis

ibil

e p

rodott

a vie

ne

tras

po

rtat

a ver

so

un

ap

par

ecch

io (

foto

molt

ipli

cato

re,

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dio

do

)ch

e la

co

nv

erte

in u

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egn

ale

elet

tric

o.

foto

mo

ltip

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tore

Foto

cato

do:

vet

ro o

quar

zo

con d

eposi

to d

i m

ater

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FO

TO

SE

NS

IBIL

E a

bas

so

pote

nzi

ale

di

estr

azio

ne

�E

ffic

ienza

quan

tica

ε εεε q=

Np

.e./

Nγ γγγ

= 1

0-3

0%

�D

inodi

Est

razi

one

seco

ndar

ia K

= 3

-4

�P

arti

tore

div

iso

re r

esis

tivo

per

appli

care

HV

sui

din

odi

�A

nodo r

acco

lta

segnal

e

�G

≈ ≈≈≈

KN

din

od

i

Utiliz

zo d

egli

scin

tilla

tori

per

la m

isura

del

tem

po d

i volo S

tart

Sto

p

Te

mp

o d

i vo

loT

em

po

di vo

lo

t=

L βc

∆ ∆∆∆t

per

L =

1 m

σ σσσt=

300

ps

sep

ara

zio

ne p

/K

fin

o a

d 1

GeV

/c

σ σσσt=

300

ps

sep

ara

zio

ne p

/K

fin

o a

d 1

GeV

/c

Se

si d

isp

on

e di

un

riv

elat

ore

co

n

bu

on

a ri

solu

zio

ne

tem

pora

le e

per

trag

itti

(L

) d

ella

par

tice

lla

abb

asta

nza

el

evat

i ....

p, H

e,

Fe

p, H

e,

Fe

µµ

νµ

νµ

Neutr

iniatm

osfe

rici

Eν:

1 GeV →

300 GeV

L:

~100 km →

13000 km

L/E

ν : 30 km/GeV →

6000 km/GeV

Downgoing

νµ: sorgente vicina

Upgoing

νµ: sorgente lontana

p, H

e,

Fe

νµ

νµ

νe

µπ

e

Esem

pio

: M

AC

RO

al G

ran

Sasso

up

thro

ug

hg

oin

g µ

IU µ

UG

S µ

ID µ

νµ

νµ

νµ

νµ

MA

CR

O a

l G

ran S

asso

(esp

erim

ento

concl

uso

nel

2000)

•Ottima reiezione fondo(

~10

-6 d

el f

luss

o s

uper

fici

ale)

•~600 t di scintillatoriliquidi (

riso

luzi

on

e te

mpora

le ~

500 p

s)

•~20000 m

2di tubi a streamer

(ris

olu

zion

e an

gola

re <

)

•Grande accettanza

(~10000 m

2sr

per

un f

luss

o i

sotr

opo)

Muoni “p

assanti”

(<E

n>

~ 5

0 G

eV

)

Tem

po

di

vo

lo:

1/β

β

β

β

= (

T1-T

2)

.c

/ L

=

+1 d

ow

n µ µµµ

-1 u

p µ µµµ

Eff

ett

o C

he

ren

ko

v spe

cch

iora

dia

tore

part

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lle

PM

Ch

ere

nko

va s

og

lia:

θc

fro

nte

d’o

nd

a

co

s θ θθθ

c=

1 β βββn

Rin

g i

mag

ing

e R

ICH

:vie

ne

mis

ura

nto

l’ango

lo d

i apert

ura

de

l cono

DE

LP

HI

RIC

H

Eff

etto

Ch

eren

ko

v:

le p

arti

cell

e ca

rich

e ch

e av

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no

in

un

mat

eria

le a

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oci

mag

gio

re d

i q

uel

la d

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lu

ce n

el m

ezzo

>1/n

) p

rod

uco

no

del

la l

uce

“vel

oce

” p

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dep

ola

rizz

azio

ne

del

mat

eria

le.

Esem

pio

di rivela

tore

che

utiliz

za

luce

Ch

ere

nkov

co

me p

rin

cip

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i rivela

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ne

e i f

oto

moltip

licato

ri c

om

e

rivela

tori

:

Su

per-

Ka

mio

ka

nde

in G

iappon

e.

So

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eutr

ini

elet

tro

nic

i

son

op

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ott

in

elso

le

Flu

sso d

i neutr

ino s

ola

ri s

econdo il

“Sola

rS

tandard

Model”

“Tele

scopio

”p

er

neutr

inisola

ri

Su

db

ury

Ne

utr

ino

Ob

se

rva

tory

(G.B

eie

r)

1700 t

onnes

Inner

Shie

ldin

g H

2O

1000 t

on

nes

D2O

5300 t

onnes

Oute

r S

hie

ld H

2O

12 m

Dia

me

ter

Acry

lic V

essel

Support

Str

uctu

re f

or

95

00

PM

Ts, 6

0%

co

vera

ge

Ury

lon

Lin

er

and

Radon S

eal

ν νννR

eacti

on

s in

SN

O

NC

xx

νν

++

⇒+

np

d

ES

--

+⇒

+e

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νx

x

-Ba

ssa

sta

tistica

-Pri

ncip

alm

en

tep

er

i ν

e

-me

no

pe

r i ν

µa

nd

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-Fo

rte

po

tere

dip

un

tam

en

to

-Fo

rnis

ce

sp

ettro

en

erg

etico

de

e

-D

ire

zio

na

lità

po

ve

ra∝

1-1

/3co

s(θ

)

-S

olo

νe

-Mis

ura

de

l flu

sso

tota

le8B

-Ste

ssa

se

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ne

d’u

rto

pe

r tu

ttii sa

pori

CC

-e

pd

++

⇒+

νe

p

Altro

esem

pio

di rive

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re c

he

utiliz

za

lu

ce

Ch

ere

nko

vcom

e p

rin

cip

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i ri

ve

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ne

e i

foto

mo

ltip

lica

tori

co

me

riv

ela

tori

: A

nta

res, in

Eu

rop

a.

Riv

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di n

eu

trin

i a

str

ofisic

i (T

eV

ne

utr

ino

s)

Lu

ce

Ch

ere

nko

vd

ai

µ(a

nd

τ?

)L

uce

Ch

ere

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ai

µ(a

nd

τ?

)

•E

vento

CC

: ν

µ+

N →

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X

•B

ackgro

und:

deiµ

atm

osfe

rici

An

tare

s:

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ne

discia

mi

EM

ed

ad

ron

ici

An

tare

s:

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discia

mi

EM

ed

ad

ron

ici

ν+

N →

ν+

X (N

C)

νe

+ e

→ν

e +

e (C

C,N

C)

⇒b

asso

po

tere

di

pu

nta

men

toin

qu

esto

caso

.

Altri tip

i di rivela

tori

non tra

ttati

•R

ivela

tori “

radio

chim

ici” p

er

i n

eutr

ini sola

ri;

•R

ivela

tori p

er

ND

BD

(doppio

beta

senza ν

)

•R

ivela

tori “

risonanti”