Il Progetto Icarus

La TPC ad Argon Liquido
Il progetto ICARUS
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ICARUS
Imaging Cosmic And Rare
Underground Signal
La 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 di 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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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 elettronica
di eventi ionizzanti (2/4)
Assumiamo che sia gli elettroni che gli ioni positivi si muovano
sotto l'influenza del campo elettrico E, con velocità
v- (E) >> v+ (E), e che non si leghino in modo apprezzabile
alle impurita' elettronegative.
Si puo' valutare l'effetto di una particella carica che passa
attraverso un liquido sul circuito esterno attraverso il lavoro
fatto dal campo elettrico per tenere le cariche in moto:
dW = eE(v++v-)dt =V0i0dt
dove i0 e' la corrente nel circuito. La corrente
i0 = e(v++v-) / d
comincia a scorrere immediatamente dopo la formazione delle
coppie elettrone-ione e molto prima che queste colpiscano gli
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elettrodi.
Rivelazione elettronica
di eventi ionizzanti (3/4)
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-/d
La carica raccolta da un singolo elettrone che parte da una
certa posizione x all'interno del rivelatore e' allora:
Q-(x) = ∫0t (d)t(x) i0dt =
= e (v-/d) {(d-x)/v-} =
= e (d-x)/d
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Rivelazione elettronica
di eventi ionizzanti (4/4)
Problemi nella rivelazione di eventi ionizzanti in un liquido:
•I segnali sono molto piccoli: 1 mm di una traccia al minimo
di ionizzazione rilascia meno di 104 elettroni nella
maggioranza dei dielettrici liquidi. Il segnale e' anche piu'
piccolo a basso campo elettrico per via di un significativo
numero di ricombinazioni di coppie elettrone-ione
immediatamente dopo la loro formazione.
•I liquidi devono essere ultrapuri: un elettrone in un liquido
e‘ sottoposto a circa 1012 collisioni molecolari per secondo.
Quindi le impurita' con una grande probabilita' di legarsi
devono essere tenute ad un livello molto basso (1 ppb).
I gas nobili in forma liquida, come l'Argon, il Kripton e lo Xenon,
hanno mobilita' (μ = v/e) molto alta e questo implica che gli6
elettroni siano quasi liberi.
Visualizzazione degli eventi
La visualizzazione degli eventi ionizzanti dentro il volume
liquido del rivelatore e' possibile grazie al lungo tempo di vita
degli elettroni prodotti e alla sensibilita' degli amplificatori
di carica a basso rumore j-FET che sono in grado di
percepire il segnale di poche migliaia di elettroni che
compongono alcuni millimetri di una traccia al minimo di
ionizzazione.
La lettura delle informazioni usa una tecnica molto simile a
quella tradizionalmente usata per le camere a ionizzazione.
In questo caso, pero', non e' sufficiente raccogliere
semplicemente la carica: e‘ necessaria una lettura non
distruttiva per assicurare la visualizzazione simultanea in
almeno tre viste diverse e la determinazione del cosiddetto
segnale di tempo zero.
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Perchè l’Argon come mezzo liquido
Deve 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 due 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.
La presenza di altre sostanze chimiche nell’Argon,
soprattutto elettronegative come l'Ossigeno, non deve
superare una parte su un miliardo (1 ppb). la massima
lunghezza percorribile in Argon dagli elettroni prodotti
in
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eventi ionizzanti e' di 1640 mm per un campo elettrico di 300
Visualizzazione degli eventi
Una lettura non distruttiva del segnale di corrente puo'
essere realizzata sostituendo agli elettrodi piani un certo
numero di piani di fili o griglie altamente trasparenti agli
elettroni dell'evento.
La tasparenza della griglia agli elettroni che si muovono
lungo le linee del campo elettrico dipende dal rapporto
tra i campi E1 ed E2 rispettivamente davanti e dietro la
griglia e dal rapporto
ρ =2πr/p
dove r e' il raggio del filo e p e' lo spazio tra i fili.
9
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Visualizzazione degli eventi (2)
Gli elettroni, avvicinandosi lungo le linee del campo
elettrico, possono attraversare diversi piani di fili orientati
in direzioni differenti. Mentre si avvicinano a un piano,
inducono corrente solo sui fili prossimi al loro passaggio.
Quando si allontanano viene registrata una corrente di
segno opposto. Integrando la corrente con un amplificatore
di carica si otterra' un segnale dipendente dal tempo di
forma approssimativamente triangolare.
In seguito all'effetto di schermo delle griglie adiacenti, il
segnale ha durata limitata. Nella prima griglia, invece, i
segnali iniziano non appena la particella ionizzante
attraversa la camera. In questo modo si puo' registrare il
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tempo di inizio del segnale.
Drifting
ein LAr
E1
Screen
Grid
wire pitch
d E2
d
E3
Induction
Plane
Amplifier
Collection
Plane
(schematic) Waveform
Charge
Ionizing Track
UV Light
Ionisation electrons may drift over
large distances (meters) in a
volume of highly purified liquid
Argon (O2 eq. less than 0.1 ppb !)
under the action of an electric
field.
With an appropriate readout system
(i.e. a set of fine pitch wire grids)
is it possible to realize a massive,
continuously sensitive “bubble
chamber” ?
Can we create multiple readouts of
the same, small charge ( 8000
e/mm)? Induction wire Signal
T0
Light
Electric Field
PMT
Tdrift
Tpeak
PMT Signal
time
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L’elettronica di lettura
Non-destructive multiple readout
A mip produces ≈20000 electrons per 3mm
eIonizing track
Charge
Scintillation Light
2nd
Induction wire
grid (x view)
d
d
p
Charge
1st Induction
wire/screen grid
Signals induced
C
A
Raw Data from a 10 m3 prototype
Time -drift
B Drift time
C
Collection wire
grid (y view)
A B
Drift time
400 ns sampling
Qnoise  350  2.5  Cinput[pF] electrons
Continuous
waveform
recording
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Visualizzazione degli eventi (3)
Questa tecnica comporta una serie di vantaggi:
•La risposta al singolo elettrone e' uniforme e quindi produce
un segnale di altezza proporzionale alla carica che passa
attraverso gli elettrodi (quindi una misurazione precisa
dell'energia depositata).
•La separazione elettrostatica tra i fili permette una
localizzazione molto precisa della carica in moto (quindi una
buona risoluzione spaziale).
•Ciascun piano di fili produce una proiezione bidimensionale
dell'evento dove una coordinata e' data dalla posizione del
filo e l'altra e' data dal tempo impiegato dalla carica a
raggiungere il piano dei fili (direttamente proporzionale,
attraverso la velocita' dell'elettrone, alla distanza di
partenza della carica dal piano dei fili). Quest'ultima
coordinata e' comune a tutte le proiezioni e quindi permette
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la ricostruzione tridimensionale dell'evento.
The ICARUS
Genealogy
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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
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una fila di fotomoltiplicatori.
The ICARUS T600 Module
• Two separate containers
– inner volume/cont. =
3.6 x 3.9 x 19.6 m3
• Sensitive mass =
476 ton
• 4 wire chambers with 3
readout planes at 0°, ±60°
(two chambers / container)
– ≈ 54000 wires
None broke during test
• Maximum drift = 1.5 m
– HV = -75 kV @ 0.5 kV/cm
• Scintillation light readout
with 8” VUV sensitive PMTs
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Esterno del rivelatore
All'esterno del rivelatore si trova:
•nella parte superiore, l'elettronica di lettura,
•l'impianto criogenico fatto, oltre che da un circuito di
raffreddamento all'Azoto liquido, da un sistema di
purificazione del LAr per conservare la purezza ad un livello
sufficientemente alto,
•un eventuale schermo per i neutroni che circonda l'intero
rivelatore, composto da file di tubi di polietilene riempite con
acido borico, al fine di moderare e catturare i neutroni
prodotti dalla radioattivita' naturale del sottosuolo. Questo
schermo e' necessario per ridurre il fondo di neutroni nello
studio dei neutrini solari.
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Interno
del
rivelatore
La 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.
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Il numero totale dei fili nel rivelatore T600 e' di 53760.
All'interno del volume del
rivelatore si trova un campo
elettrico costante 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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L'elettronica di ICARUS e' disegnata per permettere
una continua lettura, digitalizzazione e registrazione
della forma d'onda del segnale per ogni filo della TPC.
Poiche' nella TPC di ICARUS le cariche non vengono
amplificate, come invece accade nelle usuali camere a
gas, e' necessaria un'elettronica a basso rumore.
Gli eventi ionizzanti nel LAr sono accompagnati
dall'emissione di una 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 del trigger interno.
A questo scopo e' stato adottato un sistema di
fotomoltiplicatori immersi direttamente nel LAr.
21
Run 939 Event 46 Left chamber
Induction I view
Induction II view
D
D
C
B
C
A
A
B
Collection view
D
e
B
K
C
A

22
dE/dx vs range
The 3D
reconstruction
allows to compute the
dE/dx and range
The dE/dx vs
range of the
primary track is
compatible with
a kaon
K candidate
Stopping 
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Stopping muon reconstruction example

J. Rico’s thesis (ETHZ, 2002)

 [AB]  e [BC]
Run 939 Event 95 Right chamber
Induction 1 view
µ+
A
B
e+
Induction 2 view
C
A
µ+
B
e+
Collection view
C
Te=36.2 MeV
Range=15.4 cm
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Long longitudinal muon track crossing the cathode plane
1.5 m
Right Chamber
18 m
1.5 m
Left Chamber
Cathode
Track Length = 18.2 m
Top View
dE/dx = 2.1 MeV/cm
3D View
3-D reconstruction of the long track
dE/dx distribution along the track
25
2
Full 2D View from the Collection Wire Plane
Drift coord. (m)
1
3
2
2
4
6
Wire coord. (m)
1
12
18
El.m. shower
2
Zoom views
3
2
 stop and decay in e
El.m. shower
Detail of a long (14 m)  track
with d-ray spots
T600 test @ Pv: Run 201 - Evt 12
26
Cosmic ray
Showers
T600
27
V0 candidate
28
Hadron interaction
29
30
HALL C
HALL B
MI
R&D
ICARUS
LISA
XENON
Borexino
HALL A
BAM - OPERA
LVD
LUNA2
GERDA
DAMA/LIBRA
OPERA
WARP
VIP
CRESST
LOW ACTIVITY LAB
CUORE
CUORICINO
GENIUS-TF
31
Il progetto ICARUS per il Gran Sasso:
detector ad Argon liquido per neutrini
32
33
Gli obiettivi di
fisica di Icarus
• Neutrini atmosferici e da
Supernova
• Oscillazioni di neutrino
con il fascio dal CERN
• Ricerca esplicita di
nnt and nne
• Ricerca di segnali del
decadimento del
protone
p
u
u
d
e
d
d
p0
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Il decadimento del protone e’ l’obiettivo originale del progetto ICARUS
65 cm
Molto competitivo sul canale Kn
pK+n
pe+p0
p  K+ ne
“Single” event detection
capability
K+
1035
µ+
1034
e+
p K+ ne:efficiency=97% 0.001 bg events in 1kt x year exposure: results after few kt year
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Caratteristiche importanti di ICARUS per la
fisica del neutrino (atmosferico e da fascio)
50 cm
Bassa soglia (~50 MeV), separazione netta e/μ
Ricostruzione completa degli eventi
Correnti Neutre: buona discriminazione e/p0
ep
36
Una interazione di neutrino in Argon Liquido
46 cm max. drift distance
n  n     p
CERN n-beam
ICARUS-CERN-Milano
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Ricostruzione della massa del π0
Run 712 Evt 7 (Left Collection View)
Main vertex
51 p0
gg eventi candidati
E(g1) = 182.5±22.2 MeV
q = 40º
Fondo
Combinaotio
da eventi con
> 2 sciami
E(g2) = 180.8±20.1 MeV
t0 = 12.4 s, te = 1.65 ms
Mgg = 150.6±11.8 MeV/c2
In accordo con la risoluzione in
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energia e.m. attesa
neutrini dalle Supernovae
Interazioni di bassa energia rivelabili in Argon
•
Scattering elastico dei n (ES)
f(ne)+0.15 f(n + nt)
•
•
•
Assorbimento del ne (CC)
f(ne)
Q=5.885 MeV
Scattering elastico degli anti-n (ES)
f(ne)+0.34 f(n + nt)
Assorbimento dell’anti-ne (CC)
f(ne)
Q≈8 MeV
nx  e  n x  e


ne  Ar K  e
40
40

*
nx  e  nx  e


ne  40Ar40Cl *  e 
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