Upload
karina-morrison
View
41
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Detekcja neutronów i techniki jądrowe w kontroli granic 20 - 21 Czerwiec, 2006, WILGA. Pomiar tła neutronowego w eksperymentach podziemnych. Piotr Mijakowski Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Warszawa, Świerk. Plan wystąpienia. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
1
Pomiar tła neutronowego w eksperymentach
podziemnych
Piotr MijakowskiInstytut Problemoacutew Jądrowych im Andrzeja Sołtana Warszawa Świerk
Detekcja neutronoacutew i techniki jądrowe w kontroli granic20-21 Czerwiec 2006 WILGA
P Mijakowski Wilga 20062006 2
Plan wystąpienia
bull Wstęp ndash źroacutedła neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Motywacja ndash tło neutronowe w eksperymentach podziemnych
ndash eksperymenty neutrinowendash podwoacutejny bezneutrinowy rozpad beta (0)ndash Ciemna Materia
bull Pomiary i symulacje tła neutronowego ILIAS ndash lab europejskie
bull bdquocase studyrdquo charakterystyka tła neutronowego określenie wymagań dla eksperymentu bezpośredniej detekcji cząstek Ciemnej Materii
bull Podsumowanie
P Mijakowski Wilga 20062006 3
ZROacuteDŁA NEUTRONOacuteW POD ZIEMIĄ
Lokalna radioaktywność (skała elementy detektora i wyposażenia lab)
spontaniczne rozszczepienie 238U reakcje (n) z szeregoacutew prom z rozpadoacutew UTh
Miony kosmiczne (-ind)
WSTĘP
PROCESY
ltEgt ~ 1-3 MeV ltgt ~ 10-6 n(cm2s)
ltEgt ~ 5-20 MeV ltgt ~ 10-9 n(cm2s)
P Mijakowski Wilga 20062006 4
Tło neutronowe
bull Oddziaływania neutronoacutew ndash tło w eksperymentach tzw bdquohigh-sensitivityrdquo poszukujących rzadkich oddziaływań
ndash dośw neutrinowe (neutrina słoneczne SN)ndash podwoacutejny rozpad beta (0ndash Ciemna Materia
MOTYWACJA
P Mijakowski Wilga 20062006 5
P Mijakowski Wilga 20062006 6
ICARUS
Detektor LAr typu TPC badanie oddziaływań neutrin
widmo energii neutrin e ze Słońca
Neutrina słoneczne z wybuchoacutew SN
TŁO wychwyt neutronoacutew na elementach detektora (n) -gt e- przez rozpraszanie Comptona
ee xx eKAre
4040
NC
CC
(n) istotne także w innych eksp neutrinowych
P Mijakowski Wilga 20062006 7
Podwoacutejny rozpad beta
bull Tło min (n) produkcja par elektrony Comptona
20 przypadkoacutew na rok (40 kg 76Ge)
NEMO GERDA (76Ge)
Heidelberg-Moscow (76Ge)
2033 keV
P Mijakowski Wilga 20062006 8
Ciemna MateriaZASADA DETEKCJI
+ Nw spoczynku + Nodrzut
mierzymy energię jąder odrzutu ~ keV z elastycznego rozpraszania WIMP-oacutew (Weakly Interacting
Massive Particle)
e- e-n n Neutrony i WIMPy taki
sam sygnał
TN lt 10 MeV(radioaktywność otoczenia i oddziaływania mionoacutew)
Wielokrotne rozpraszanie neutronoacutew w detektorze ndash jedyne kryterium
n ~ 103dzień
Głoacutewne źroacutedło tła Jednak możliwe do
rozpoznania
TŁO DOŚWIADCZALNE (KLASYFIKACJA)
18 GeV lt M lt 7 TeV
P Mijakowski Wilga 20062006 9
Pomiary i symulacje tła neutronowego
bull Oszacowanie poziomu tła neutronowego w lab podziemnych ndash strumień neutronoacutew n (rozkład energii En)
ndash Symulacje produkcji i transportu neutronoacutew (pomoc w projektowaniu systemu osłon)
ndash Pomiary n En ndash TRUDNE
bull Niska intensywność źroacutedłabull Często potrzebne dodatkowe informacje (Monte Carlo)
UWAGI
P Mijakowski Wilga 20062006 10
ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science)
3 obszary fale grawitacyjne Ciemna Materia podwoacutejny rozpad beta
Networking Activities(N2) Deep Underground science laboratories(N3) Direct dark matter detection(N4) Search on double beta decay(N5) Gravitational wave research(N6) Theoretical astroparticle physics
Joint Research Activities (RampD Projects)(JRA1) Low background techniques underground (JRA2) Double beta decay European observatory(JRA3) Study of noise in gravitational wave detectors
Transnational Access Activities(TA1) Access to the EU Deep Laboratories
działalność
JRA1 Joint Research activity
WG1 Measurement of the backgrounds in the EU deep underground labs
WG2 Development of the library of background simulation codes
WG3 RampD on ultra-low background and facilities
WG4 Data base and RampD for radiopurity of materials and purification techniques
bull Połączenie i skoordynowanie działań ndash europejska inicjatywa ILIAS
P Mijakowski Wilga 20062006 11
Modane (pomiar tła neutronowego)bull Detektor scyntylator
NE320+015 6Li
bull Faza I osłona Pb +Cu (8 mies)
bull Faza II Pb+Cu+ moderator neutronoacutew (5 mies)
bull Det 3He (pomiar neutronoacutew term)
[1] V Chazal et al Astroparticle Physics 9 (1998) 163
zasada detekcji
rozkład energii neutronoacutew w lab
)84(36 MeVQHLintherm
Modane (4800 m we) [1] gt2 MeV n = 40 10 bull 10-6
n(scm2)
Neutr term n = 16 01 bull 10-6
n(scm2)
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 2
Plan wystąpienia
bull Wstęp ndash źroacutedła neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Motywacja ndash tło neutronowe w eksperymentach podziemnych
ndash eksperymenty neutrinowendash podwoacutejny bezneutrinowy rozpad beta (0)ndash Ciemna Materia
bull Pomiary i symulacje tła neutronowego ILIAS ndash lab europejskie
bull bdquocase studyrdquo charakterystyka tła neutronowego określenie wymagań dla eksperymentu bezpośredniej detekcji cząstek Ciemnej Materii
bull Podsumowanie
P Mijakowski Wilga 20062006 3
ZROacuteDŁA NEUTRONOacuteW POD ZIEMIĄ
Lokalna radioaktywność (skała elementy detektora i wyposażenia lab)
spontaniczne rozszczepienie 238U reakcje (n) z szeregoacutew prom z rozpadoacutew UTh
Miony kosmiczne (-ind)
WSTĘP
PROCESY
ltEgt ~ 1-3 MeV ltgt ~ 10-6 n(cm2s)
ltEgt ~ 5-20 MeV ltgt ~ 10-9 n(cm2s)
P Mijakowski Wilga 20062006 4
Tło neutronowe
bull Oddziaływania neutronoacutew ndash tło w eksperymentach tzw bdquohigh-sensitivityrdquo poszukujących rzadkich oddziaływań
ndash dośw neutrinowe (neutrina słoneczne SN)ndash podwoacutejny rozpad beta (0ndash Ciemna Materia
MOTYWACJA
P Mijakowski Wilga 20062006 5
P Mijakowski Wilga 20062006 6
ICARUS
Detektor LAr typu TPC badanie oddziaływań neutrin
widmo energii neutrin e ze Słońca
Neutrina słoneczne z wybuchoacutew SN
TŁO wychwyt neutronoacutew na elementach detektora (n) -gt e- przez rozpraszanie Comptona
ee xx eKAre
4040
NC
CC
(n) istotne także w innych eksp neutrinowych
P Mijakowski Wilga 20062006 7
Podwoacutejny rozpad beta
bull Tło min (n) produkcja par elektrony Comptona
20 przypadkoacutew na rok (40 kg 76Ge)
NEMO GERDA (76Ge)
Heidelberg-Moscow (76Ge)
2033 keV
P Mijakowski Wilga 20062006 8
Ciemna MateriaZASADA DETEKCJI
+ Nw spoczynku + Nodrzut
mierzymy energię jąder odrzutu ~ keV z elastycznego rozpraszania WIMP-oacutew (Weakly Interacting
Massive Particle)
e- e-n n Neutrony i WIMPy taki
sam sygnał
TN lt 10 MeV(radioaktywność otoczenia i oddziaływania mionoacutew)
Wielokrotne rozpraszanie neutronoacutew w detektorze ndash jedyne kryterium
n ~ 103dzień
Głoacutewne źroacutedło tła Jednak możliwe do
rozpoznania
TŁO DOŚWIADCZALNE (KLASYFIKACJA)
18 GeV lt M lt 7 TeV
P Mijakowski Wilga 20062006 9
Pomiary i symulacje tła neutronowego
bull Oszacowanie poziomu tła neutronowego w lab podziemnych ndash strumień neutronoacutew n (rozkład energii En)
ndash Symulacje produkcji i transportu neutronoacutew (pomoc w projektowaniu systemu osłon)
ndash Pomiary n En ndash TRUDNE
bull Niska intensywność źroacutedłabull Często potrzebne dodatkowe informacje (Monte Carlo)
UWAGI
P Mijakowski Wilga 20062006 10
ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science)
3 obszary fale grawitacyjne Ciemna Materia podwoacutejny rozpad beta
Networking Activities(N2) Deep Underground science laboratories(N3) Direct dark matter detection(N4) Search on double beta decay(N5) Gravitational wave research(N6) Theoretical astroparticle physics
Joint Research Activities (RampD Projects)(JRA1) Low background techniques underground (JRA2) Double beta decay European observatory(JRA3) Study of noise in gravitational wave detectors
Transnational Access Activities(TA1) Access to the EU Deep Laboratories
działalność
JRA1 Joint Research activity
WG1 Measurement of the backgrounds in the EU deep underground labs
WG2 Development of the library of background simulation codes
WG3 RampD on ultra-low background and facilities
WG4 Data base and RampD for radiopurity of materials and purification techniques
bull Połączenie i skoordynowanie działań ndash europejska inicjatywa ILIAS
P Mijakowski Wilga 20062006 11
Modane (pomiar tła neutronowego)bull Detektor scyntylator
NE320+015 6Li
bull Faza I osłona Pb +Cu (8 mies)
bull Faza II Pb+Cu+ moderator neutronoacutew (5 mies)
bull Det 3He (pomiar neutronoacutew term)
[1] V Chazal et al Astroparticle Physics 9 (1998) 163
zasada detekcji
rozkład energii neutronoacutew w lab
)84(36 MeVQHLintherm
Modane (4800 m we) [1] gt2 MeV n = 40 10 bull 10-6
n(scm2)
Neutr term n = 16 01 bull 10-6
n(scm2)
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 3
ZROacuteDŁA NEUTRONOacuteW POD ZIEMIĄ
Lokalna radioaktywność (skała elementy detektora i wyposażenia lab)
spontaniczne rozszczepienie 238U reakcje (n) z szeregoacutew prom z rozpadoacutew UTh
Miony kosmiczne (-ind)
WSTĘP
PROCESY
ltEgt ~ 1-3 MeV ltgt ~ 10-6 n(cm2s)
ltEgt ~ 5-20 MeV ltgt ~ 10-9 n(cm2s)
P Mijakowski Wilga 20062006 4
Tło neutronowe
bull Oddziaływania neutronoacutew ndash tło w eksperymentach tzw bdquohigh-sensitivityrdquo poszukujących rzadkich oddziaływań
ndash dośw neutrinowe (neutrina słoneczne SN)ndash podwoacutejny rozpad beta (0ndash Ciemna Materia
MOTYWACJA
P Mijakowski Wilga 20062006 5
P Mijakowski Wilga 20062006 6
ICARUS
Detektor LAr typu TPC badanie oddziaływań neutrin
widmo energii neutrin e ze Słońca
Neutrina słoneczne z wybuchoacutew SN
TŁO wychwyt neutronoacutew na elementach detektora (n) -gt e- przez rozpraszanie Comptona
ee xx eKAre
4040
NC
CC
(n) istotne także w innych eksp neutrinowych
P Mijakowski Wilga 20062006 7
Podwoacutejny rozpad beta
bull Tło min (n) produkcja par elektrony Comptona
20 przypadkoacutew na rok (40 kg 76Ge)
NEMO GERDA (76Ge)
Heidelberg-Moscow (76Ge)
2033 keV
P Mijakowski Wilga 20062006 8
Ciemna MateriaZASADA DETEKCJI
+ Nw spoczynku + Nodrzut
mierzymy energię jąder odrzutu ~ keV z elastycznego rozpraszania WIMP-oacutew (Weakly Interacting
Massive Particle)
e- e-n n Neutrony i WIMPy taki
sam sygnał
TN lt 10 MeV(radioaktywność otoczenia i oddziaływania mionoacutew)
Wielokrotne rozpraszanie neutronoacutew w detektorze ndash jedyne kryterium
n ~ 103dzień
Głoacutewne źroacutedło tła Jednak możliwe do
rozpoznania
TŁO DOŚWIADCZALNE (KLASYFIKACJA)
18 GeV lt M lt 7 TeV
P Mijakowski Wilga 20062006 9
Pomiary i symulacje tła neutronowego
bull Oszacowanie poziomu tła neutronowego w lab podziemnych ndash strumień neutronoacutew n (rozkład energii En)
ndash Symulacje produkcji i transportu neutronoacutew (pomoc w projektowaniu systemu osłon)
ndash Pomiary n En ndash TRUDNE
bull Niska intensywność źroacutedłabull Często potrzebne dodatkowe informacje (Monte Carlo)
UWAGI
P Mijakowski Wilga 20062006 10
ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science)
3 obszary fale grawitacyjne Ciemna Materia podwoacutejny rozpad beta
Networking Activities(N2) Deep Underground science laboratories(N3) Direct dark matter detection(N4) Search on double beta decay(N5) Gravitational wave research(N6) Theoretical astroparticle physics
Joint Research Activities (RampD Projects)(JRA1) Low background techniques underground (JRA2) Double beta decay European observatory(JRA3) Study of noise in gravitational wave detectors
Transnational Access Activities(TA1) Access to the EU Deep Laboratories
działalność
JRA1 Joint Research activity
WG1 Measurement of the backgrounds in the EU deep underground labs
WG2 Development of the library of background simulation codes
WG3 RampD on ultra-low background and facilities
WG4 Data base and RampD for radiopurity of materials and purification techniques
bull Połączenie i skoordynowanie działań ndash europejska inicjatywa ILIAS
P Mijakowski Wilga 20062006 11
Modane (pomiar tła neutronowego)bull Detektor scyntylator
NE320+015 6Li
bull Faza I osłona Pb +Cu (8 mies)
bull Faza II Pb+Cu+ moderator neutronoacutew (5 mies)
bull Det 3He (pomiar neutronoacutew term)
[1] V Chazal et al Astroparticle Physics 9 (1998) 163
zasada detekcji
rozkład energii neutronoacutew w lab
)84(36 MeVQHLintherm
Modane (4800 m we) [1] gt2 MeV n = 40 10 bull 10-6
n(scm2)
Neutr term n = 16 01 bull 10-6
n(scm2)
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 4
Tło neutronowe
bull Oddziaływania neutronoacutew ndash tło w eksperymentach tzw bdquohigh-sensitivityrdquo poszukujących rzadkich oddziaływań
ndash dośw neutrinowe (neutrina słoneczne SN)ndash podwoacutejny rozpad beta (0ndash Ciemna Materia
MOTYWACJA
P Mijakowski Wilga 20062006 5
P Mijakowski Wilga 20062006 6
ICARUS
Detektor LAr typu TPC badanie oddziaływań neutrin
widmo energii neutrin e ze Słońca
Neutrina słoneczne z wybuchoacutew SN
TŁO wychwyt neutronoacutew na elementach detektora (n) -gt e- przez rozpraszanie Comptona
ee xx eKAre
4040
NC
CC
(n) istotne także w innych eksp neutrinowych
P Mijakowski Wilga 20062006 7
Podwoacutejny rozpad beta
bull Tło min (n) produkcja par elektrony Comptona
20 przypadkoacutew na rok (40 kg 76Ge)
NEMO GERDA (76Ge)
Heidelberg-Moscow (76Ge)
2033 keV
P Mijakowski Wilga 20062006 8
Ciemna MateriaZASADA DETEKCJI
+ Nw spoczynku + Nodrzut
mierzymy energię jąder odrzutu ~ keV z elastycznego rozpraszania WIMP-oacutew (Weakly Interacting
Massive Particle)
e- e-n n Neutrony i WIMPy taki
sam sygnał
TN lt 10 MeV(radioaktywność otoczenia i oddziaływania mionoacutew)
Wielokrotne rozpraszanie neutronoacutew w detektorze ndash jedyne kryterium
n ~ 103dzień
Głoacutewne źroacutedło tła Jednak możliwe do
rozpoznania
TŁO DOŚWIADCZALNE (KLASYFIKACJA)
18 GeV lt M lt 7 TeV
P Mijakowski Wilga 20062006 9
Pomiary i symulacje tła neutronowego
bull Oszacowanie poziomu tła neutronowego w lab podziemnych ndash strumień neutronoacutew n (rozkład energii En)
ndash Symulacje produkcji i transportu neutronoacutew (pomoc w projektowaniu systemu osłon)
ndash Pomiary n En ndash TRUDNE
bull Niska intensywność źroacutedłabull Często potrzebne dodatkowe informacje (Monte Carlo)
UWAGI
P Mijakowski Wilga 20062006 10
ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science)
3 obszary fale grawitacyjne Ciemna Materia podwoacutejny rozpad beta
Networking Activities(N2) Deep Underground science laboratories(N3) Direct dark matter detection(N4) Search on double beta decay(N5) Gravitational wave research(N6) Theoretical astroparticle physics
Joint Research Activities (RampD Projects)(JRA1) Low background techniques underground (JRA2) Double beta decay European observatory(JRA3) Study of noise in gravitational wave detectors
Transnational Access Activities(TA1) Access to the EU Deep Laboratories
działalność
JRA1 Joint Research activity
WG1 Measurement of the backgrounds in the EU deep underground labs
WG2 Development of the library of background simulation codes
WG3 RampD on ultra-low background and facilities
WG4 Data base and RampD for radiopurity of materials and purification techniques
bull Połączenie i skoordynowanie działań ndash europejska inicjatywa ILIAS
P Mijakowski Wilga 20062006 11
Modane (pomiar tła neutronowego)bull Detektor scyntylator
NE320+015 6Li
bull Faza I osłona Pb +Cu (8 mies)
bull Faza II Pb+Cu+ moderator neutronoacutew (5 mies)
bull Det 3He (pomiar neutronoacutew term)
[1] V Chazal et al Astroparticle Physics 9 (1998) 163
zasada detekcji
rozkład energii neutronoacutew w lab
)84(36 MeVQHLintherm
Modane (4800 m we) [1] gt2 MeV n = 40 10 bull 10-6
n(scm2)
Neutr term n = 16 01 bull 10-6
n(scm2)
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 5
P Mijakowski Wilga 20062006 6
ICARUS
Detektor LAr typu TPC badanie oddziaływań neutrin
widmo energii neutrin e ze Słońca
Neutrina słoneczne z wybuchoacutew SN
TŁO wychwyt neutronoacutew na elementach detektora (n) -gt e- przez rozpraszanie Comptona
ee xx eKAre
4040
NC
CC
(n) istotne także w innych eksp neutrinowych
P Mijakowski Wilga 20062006 7
Podwoacutejny rozpad beta
bull Tło min (n) produkcja par elektrony Comptona
20 przypadkoacutew na rok (40 kg 76Ge)
NEMO GERDA (76Ge)
Heidelberg-Moscow (76Ge)
2033 keV
P Mijakowski Wilga 20062006 8
Ciemna MateriaZASADA DETEKCJI
+ Nw spoczynku + Nodrzut
mierzymy energię jąder odrzutu ~ keV z elastycznego rozpraszania WIMP-oacutew (Weakly Interacting
Massive Particle)
e- e-n n Neutrony i WIMPy taki
sam sygnał
TN lt 10 MeV(radioaktywność otoczenia i oddziaływania mionoacutew)
Wielokrotne rozpraszanie neutronoacutew w detektorze ndash jedyne kryterium
n ~ 103dzień
Głoacutewne źroacutedło tła Jednak możliwe do
rozpoznania
TŁO DOŚWIADCZALNE (KLASYFIKACJA)
18 GeV lt M lt 7 TeV
P Mijakowski Wilga 20062006 9
Pomiary i symulacje tła neutronowego
bull Oszacowanie poziomu tła neutronowego w lab podziemnych ndash strumień neutronoacutew n (rozkład energii En)
ndash Symulacje produkcji i transportu neutronoacutew (pomoc w projektowaniu systemu osłon)
ndash Pomiary n En ndash TRUDNE
bull Niska intensywność źroacutedłabull Często potrzebne dodatkowe informacje (Monte Carlo)
UWAGI
P Mijakowski Wilga 20062006 10
ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science)
3 obszary fale grawitacyjne Ciemna Materia podwoacutejny rozpad beta
Networking Activities(N2) Deep Underground science laboratories(N3) Direct dark matter detection(N4) Search on double beta decay(N5) Gravitational wave research(N6) Theoretical astroparticle physics
Joint Research Activities (RampD Projects)(JRA1) Low background techniques underground (JRA2) Double beta decay European observatory(JRA3) Study of noise in gravitational wave detectors
Transnational Access Activities(TA1) Access to the EU Deep Laboratories
działalność
JRA1 Joint Research activity
WG1 Measurement of the backgrounds in the EU deep underground labs
WG2 Development of the library of background simulation codes
WG3 RampD on ultra-low background and facilities
WG4 Data base and RampD for radiopurity of materials and purification techniques
bull Połączenie i skoordynowanie działań ndash europejska inicjatywa ILIAS
P Mijakowski Wilga 20062006 11
Modane (pomiar tła neutronowego)bull Detektor scyntylator
NE320+015 6Li
bull Faza I osłona Pb +Cu (8 mies)
bull Faza II Pb+Cu+ moderator neutronoacutew (5 mies)
bull Det 3He (pomiar neutronoacutew term)
[1] V Chazal et al Astroparticle Physics 9 (1998) 163
zasada detekcji
rozkład energii neutronoacutew w lab
)84(36 MeVQHLintherm
Modane (4800 m we) [1] gt2 MeV n = 40 10 bull 10-6
n(scm2)
Neutr term n = 16 01 bull 10-6
n(scm2)
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 6
ICARUS
Detektor LAr typu TPC badanie oddziaływań neutrin
widmo energii neutrin e ze Słońca
Neutrina słoneczne z wybuchoacutew SN
TŁO wychwyt neutronoacutew na elementach detektora (n) -gt e- przez rozpraszanie Comptona
ee xx eKAre
4040
NC
CC
(n) istotne także w innych eksp neutrinowych
P Mijakowski Wilga 20062006 7
Podwoacutejny rozpad beta
bull Tło min (n) produkcja par elektrony Comptona
20 przypadkoacutew na rok (40 kg 76Ge)
NEMO GERDA (76Ge)
Heidelberg-Moscow (76Ge)
2033 keV
P Mijakowski Wilga 20062006 8
Ciemna MateriaZASADA DETEKCJI
+ Nw spoczynku + Nodrzut
mierzymy energię jąder odrzutu ~ keV z elastycznego rozpraszania WIMP-oacutew (Weakly Interacting
Massive Particle)
e- e-n n Neutrony i WIMPy taki
sam sygnał
TN lt 10 MeV(radioaktywność otoczenia i oddziaływania mionoacutew)
Wielokrotne rozpraszanie neutronoacutew w detektorze ndash jedyne kryterium
n ~ 103dzień
Głoacutewne źroacutedło tła Jednak możliwe do
rozpoznania
TŁO DOŚWIADCZALNE (KLASYFIKACJA)
18 GeV lt M lt 7 TeV
P Mijakowski Wilga 20062006 9
Pomiary i symulacje tła neutronowego
bull Oszacowanie poziomu tła neutronowego w lab podziemnych ndash strumień neutronoacutew n (rozkład energii En)
ndash Symulacje produkcji i transportu neutronoacutew (pomoc w projektowaniu systemu osłon)
ndash Pomiary n En ndash TRUDNE
bull Niska intensywność źroacutedłabull Często potrzebne dodatkowe informacje (Monte Carlo)
UWAGI
P Mijakowski Wilga 20062006 10
ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science)
3 obszary fale grawitacyjne Ciemna Materia podwoacutejny rozpad beta
Networking Activities(N2) Deep Underground science laboratories(N3) Direct dark matter detection(N4) Search on double beta decay(N5) Gravitational wave research(N6) Theoretical astroparticle physics
Joint Research Activities (RampD Projects)(JRA1) Low background techniques underground (JRA2) Double beta decay European observatory(JRA3) Study of noise in gravitational wave detectors
Transnational Access Activities(TA1) Access to the EU Deep Laboratories
działalność
JRA1 Joint Research activity
WG1 Measurement of the backgrounds in the EU deep underground labs
WG2 Development of the library of background simulation codes
WG3 RampD on ultra-low background and facilities
WG4 Data base and RampD for radiopurity of materials and purification techniques
bull Połączenie i skoordynowanie działań ndash europejska inicjatywa ILIAS
P Mijakowski Wilga 20062006 11
Modane (pomiar tła neutronowego)bull Detektor scyntylator
NE320+015 6Li
bull Faza I osłona Pb +Cu (8 mies)
bull Faza II Pb+Cu+ moderator neutronoacutew (5 mies)
bull Det 3He (pomiar neutronoacutew term)
[1] V Chazal et al Astroparticle Physics 9 (1998) 163
zasada detekcji
rozkład energii neutronoacutew w lab
)84(36 MeVQHLintherm
Modane (4800 m we) [1] gt2 MeV n = 40 10 bull 10-6
n(scm2)
Neutr term n = 16 01 bull 10-6
n(scm2)
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 7
Podwoacutejny rozpad beta
bull Tło min (n) produkcja par elektrony Comptona
20 przypadkoacutew na rok (40 kg 76Ge)
NEMO GERDA (76Ge)
Heidelberg-Moscow (76Ge)
2033 keV
P Mijakowski Wilga 20062006 8
Ciemna MateriaZASADA DETEKCJI
+ Nw spoczynku + Nodrzut
mierzymy energię jąder odrzutu ~ keV z elastycznego rozpraszania WIMP-oacutew (Weakly Interacting
Massive Particle)
e- e-n n Neutrony i WIMPy taki
sam sygnał
TN lt 10 MeV(radioaktywność otoczenia i oddziaływania mionoacutew)
Wielokrotne rozpraszanie neutronoacutew w detektorze ndash jedyne kryterium
n ~ 103dzień
Głoacutewne źroacutedło tła Jednak możliwe do
rozpoznania
TŁO DOŚWIADCZALNE (KLASYFIKACJA)
18 GeV lt M lt 7 TeV
P Mijakowski Wilga 20062006 9
Pomiary i symulacje tła neutronowego
bull Oszacowanie poziomu tła neutronowego w lab podziemnych ndash strumień neutronoacutew n (rozkład energii En)
ndash Symulacje produkcji i transportu neutronoacutew (pomoc w projektowaniu systemu osłon)
ndash Pomiary n En ndash TRUDNE
bull Niska intensywność źroacutedłabull Często potrzebne dodatkowe informacje (Monte Carlo)
UWAGI
P Mijakowski Wilga 20062006 10
ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science)
3 obszary fale grawitacyjne Ciemna Materia podwoacutejny rozpad beta
Networking Activities(N2) Deep Underground science laboratories(N3) Direct dark matter detection(N4) Search on double beta decay(N5) Gravitational wave research(N6) Theoretical astroparticle physics
Joint Research Activities (RampD Projects)(JRA1) Low background techniques underground (JRA2) Double beta decay European observatory(JRA3) Study of noise in gravitational wave detectors
Transnational Access Activities(TA1) Access to the EU Deep Laboratories
działalność
JRA1 Joint Research activity
WG1 Measurement of the backgrounds in the EU deep underground labs
WG2 Development of the library of background simulation codes
WG3 RampD on ultra-low background and facilities
WG4 Data base and RampD for radiopurity of materials and purification techniques
bull Połączenie i skoordynowanie działań ndash europejska inicjatywa ILIAS
P Mijakowski Wilga 20062006 11
Modane (pomiar tła neutronowego)bull Detektor scyntylator
NE320+015 6Li
bull Faza I osłona Pb +Cu (8 mies)
bull Faza II Pb+Cu+ moderator neutronoacutew (5 mies)
bull Det 3He (pomiar neutronoacutew term)
[1] V Chazal et al Astroparticle Physics 9 (1998) 163
zasada detekcji
rozkład energii neutronoacutew w lab
)84(36 MeVQHLintherm
Modane (4800 m we) [1] gt2 MeV n = 40 10 bull 10-6
n(scm2)
Neutr term n = 16 01 bull 10-6
n(scm2)
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 8
Ciemna MateriaZASADA DETEKCJI
+ Nw spoczynku + Nodrzut
mierzymy energię jąder odrzutu ~ keV z elastycznego rozpraszania WIMP-oacutew (Weakly Interacting
Massive Particle)
e- e-n n Neutrony i WIMPy taki
sam sygnał
TN lt 10 MeV(radioaktywność otoczenia i oddziaływania mionoacutew)
Wielokrotne rozpraszanie neutronoacutew w detektorze ndash jedyne kryterium
n ~ 103dzień
Głoacutewne źroacutedło tła Jednak możliwe do
rozpoznania
TŁO DOŚWIADCZALNE (KLASYFIKACJA)
18 GeV lt M lt 7 TeV
P Mijakowski Wilga 20062006 9
Pomiary i symulacje tła neutronowego
bull Oszacowanie poziomu tła neutronowego w lab podziemnych ndash strumień neutronoacutew n (rozkład energii En)
ndash Symulacje produkcji i transportu neutronoacutew (pomoc w projektowaniu systemu osłon)
ndash Pomiary n En ndash TRUDNE
bull Niska intensywność źroacutedłabull Często potrzebne dodatkowe informacje (Monte Carlo)
UWAGI
P Mijakowski Wilga 20062006 10
ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science)
3 obszary fale grawitacyjne Ciemna Materia podwoacutejny rozpad beta
Networking Activities(N2) Deep Underground science laboratories(N3) Direct dark matter detection(N4) Search on double beta decay(N5) Gravitational wave research(N6) Theoretical astroparticle physics
Joint Research Activities (RampD Projects)(JRA1) Low background techniques underground (JRA2) Double beta decay European observatory(JRA3) Study of noise in gravitational wave detectors
Transnational Access Activities(TA1) Access to the EU Deep Laboratories
działalność
JRA1 Joint Research activity
WG1 Measurement of the backgrounds in the EU deep underground labs
WG2 Development of the library of background simulation codes
WG3 RampD on ultra-low background and facilities
WG4 Data base and RampD for radiopurity of materials and purification techniques
bull Połączenie i skoordynowanie działań ndash europejska inicjatywa ILIAS
P Mijakowski Wilga 20062006 11
Modane (pomiar tła neutronowego)bull Detektor scyntylator
NE320+015 6Li
bull Faza I osłona Pb +Cu (8 mies)
bull Faza II Pb+Cu+ moderator neutronoacutew (5 mies)
bull Det 3He (pomiar neutronoacutew term)
[1] V Chazal et al Astroparticle Physics 9 (1998) 163
zasada detekcji
rozkład energii neutronoacutew w lab
)84(36 MeVQHLintherm
Modane (4800 m we) [1] gt2 MeV n = 40 10 bull 10-6
n(scm2)
Neutr term n = 16 01 bull 10-6
n(scm2)
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 9
Pomiary i symulacje tła neutronowego
bull Oszacowanie poziomu tła neutronowego w lab podziemnych ndash strumień neutronoacutew n (rozkład energii En)
ndash Symulacje produkcji i transportu neutronoacutew (pomoc w projektowaniu systemu osłon)
ndash Pomiary n En ndash TRUDNE
bull Niska intensywność źroacutedłabull Często potrzebne dodatkowe informacje (Monte Carlo)
UWAGI
P Mijakowski Wilga 20062006 10
ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science)
3 obszary fale grawitacyjne Ciemna Materia podwoacutejny rozpad beta
Networking Activities(N2) Deep Underground science laboratories(N3) Direct dark matter detection(N4) Search on double beta decay(N5) Gravitational wave research(N6) Theoretical astroparticle physics
Joint Research Activities (RampD Projects)(JRA1) Low background techniques underground (JRA2) Double beta decay European observatory(JRA3) Study of noise in gravitational wave detectors
Transnational Access Activities(TA1) Access to the EU Deep Laboratories
działalność
JRA1 Joint Research activity
WG1 Measurement of the backgrounds in the EU deep underground labs
WG2 Development of the library of background simulation codes
WG3 RampD on ultra-low background and facilities
WG4 Data base and RampD for radiopurity of materials and purification techniques
bull Połączenie i skoordynowanie działań ndash europejska inicjatywa ILIAS
P Mijakowski Wilga 20062006 11
Modane (pomiar tła neutronowego)bull Detektor scyntylator
NE320+015 6Li
bull Faza I osłona Pb +Cu (8 mies)
bull Faza II Pb+Cu+ moderator neutronoacutew (5 mies)
bull Det 3He (pomiar neutronoacutew term)
[1] V Chazal et al Astroparticle Physics 9 (1998) 163
zasada detekcji
rozkład energii neutronoacutew w lab
)84(36 MeVQHLintherm
Modane (4800 m we) [1] gt2 MeV n = 40 10 bull 10-6
n(scm2)
Neutr term n = 16 01 bull 10-6
n(scm2)
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 10
ILIAS (Integrated Large Infrastructures for Astroparticle Science)
3 obszary fale grawitacyjne Ciemna Materia podwoacutejny rozpad beta
Networking Activities(N2) Deep Underground science laboratories(N3) Direct dark matter detection(N4) Search on double beta decay(N5) Gravitational wave research(N6) Theoretical astroparticle physics
Joint Research Activities (RampD Projects)(JRA1) Low background techniques underground (JRA2) Double beta decay European observatory(JRA3) Study of noise in gravitational wave detectors
Transnational Access Activities(TA1) Access to the EU Deep Laboratories
działalność
JRA1 Joint Research activity
WG1 Measurement of the backgrounds in the EU deep underground labs
WG2 Development of the library of background simulation codes
WG3 RampD on ultra-low background and facilities
WG4 Data base and RampD for radiopurity of materials and purification techniques
bull Połączenie i skoordynowanie działań ndash europejska inicjatywa ILIAS
P Mijakowski Wilga 20062006 11
Modane (pomiar tła neutronowego)bull Detektor scyntylator
NE320+015 6Li
bull Faza I osłona Pb +Cu (8 mies)
bull Faza II Pb+Cu+ moderator neutronoacutew (5 mies)
bull Det 3He (pomiar neutronoacutew term)
[1] V Chazal et al Astroparticle Physics 9 (1998) 163
zasada detekcji
rozkład energii neutronoacutew w lab
)84(36 MeVQHLintherm
Modane (4800 m we) [1] gt2 MeV n = 40 10 bull 10-6
n(scm2)
Neutr term n = 16 01 bull 10-6
n(scm2)
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 11
Modane (pomiar tła neutronowego)bull Detektor scyntylator
NE320+015 6Li
bull Faza I osłona Pb +Cu (8 mies)
bull Faza II Pb+Cu+ moderator neutronoacutew (5 mies)
bull Det 3He (pomiar neutronoacutew term)
[1] V Chazal et al Astroparticle Physics 9 (1998) 163
zasada detekcji
rozkład energii neutronoacutew w lab
)84(36 MeVQHLintherm
Modane (4800 m we) [1] gt2 MeV n = 40 10 bull 10-6
n(scm2)
Neutr term n = 16 01 bull 10-6
n(scm2)
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 12
Canfranc (symulacja i pomiar tła neutr)
bull Detektor IGEXbull Pomiar z moderatorem (B) i bez
(A)bull Wynik A-B poroacutewnany z wynikami
symulacjibull Określenie wartości strumienia
neutronoacutew rock ze skały
n = 173 022 (stat) 069(syst)
bull10-9 n(scm2) [2]
n = 38 044 bull10-6 n(scm2) [2]
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
bull Strumień neutronoacutew z mionoacutew w osłonach detektora przypadki veto i poroacutewnanie z symulacją (FLUKA)
bull Określenie wartości strumienia -ind ze skały (symulacja)
Neutrony ze skały (pomiar)
Neutrony z oddz mionoacutew w skale (symulacja) Produkcja n w osłonie Pb
energia jąder odrzutu [keV]
energia jąder odrzutu [keV]
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 13
Pomiary tła w laboratoriach europejskich
Laboratorium LNGS(Gran Sasso)
LSM (Modane)
LSC(Canfranc)
IUS Boulby
Głębokość m we 3 700 4 800 2 450 2 800Neutrony n (gt1MeV) cm2s
~08 10-6
(pomiar)11 10-6
(pomiar)38 10-6
(sympom)13 10-6
(sym)
za Gilles Gerbier bdquoUnderground labs in EuroperdquoAP Town meeting ndash Munich 23-25 nov 2005
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 14
bull Pomiar energii odrzutu (Tr ) Ar [10-100 keV]bull Tr scyntylacja amp jonizacja
CEL niezależny pomiar światła (PMTs) i ładunku (Large Electron Multiplier)
bull swiatłoładunek odroacuteżnianie przypadkoacutew tła (e vs n)bull LEM ndash pomiar wsp xy ndash wielokrotne rozpraszanie
bdquocase studyrdquo poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii
httpneutrinoethzchArDM
bull ETH Zurich (spokesman ARubbia)bull Univ of Zurichbull Univ de Granadabull CIEMAT Madrytbull IPJ (TKozłowski PMijakowski ERondio)bull Univ of Sheffield
170
cm
LEM
fotopowielacze
Ar(10 cm)
LAr(120 cm)
detektor ~ 700 litroacutew
Oczekiwana liczba przypadkoacutew oddz WIMP-oacutew (dla M=100GeV Thr=30keV) 100 przyptonadzień (=10-6pb) 1 przyptd (=10-8pb) 1 przypt100 dni (=10-10pb)
eksp ArDM (Argon Dark Matter)
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 15
Neutrony ze skały laboratoriumbull Spontaniczne rozszczepienie
238U (T12 asymp 26 bull 1023 s)bull (n)
Produkcja neutronoacutew przekroacutej czynny (n) (zależy od E) straty energii w materiale
bull Kalkulacja strumienia np przy wykorzystaniu o danych o wydajności produkcji neutronoacutew przez na grubych tarczach (Heaton NIM A 276 (1989) 529)
bull Oprogramowanie symulacyjne np SOURCES (Los Alamos)
bull Pomiar koncentracji UTh jako input do symulacji i obliczeń
[3] R Lemrani et al Nucl Instrum Meth A560 (2006) 454-459
rozkład energii neutronoacutew ze skały
(symulacja)
ref [3]
BOULBY
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 16
Neutrony ze skały laboratoriumbull Propagacja neutronoacutew
w skalebull Widmo i strumień neut
po przejściu przez roacuteżne grubości moderatora
bull 50 gcm2 CH2 pozwala obniżyć n 106 razy
rozkład energii neutronoacutew ze skały na ścianie
laboratorium(symulacja)ref [4]
ref [4]
13200 n wchodzących na dzień
CANFRANC n = 38 bull10-6 n(scm2) [1]
ArDM
Symulacje (Geant4)- oddziaływanie neut w det - wielokrotne rozpraszanie
BOULBY MINE
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 17
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
[2] JM Carmona et al AstropartPhys 21 (2004) 523-533 hep-ex0403009
CANFRANC (2450 m we ltEgt 240 GeV) = 247 bull10-7 (scm2) [2]
bull Produkcja w oddziaływaniach mionoacutew kosmicznych pod ziemią (głoacutewnie kaskady e-m hadronowe)bull Zależność od strumienia i widma energii mionoacutewbull Średnia energia mionoacutew rośnie wraz z głębokością bull Pomiar strumienia mionoacutew pod ziemią zapewnia normalizację strumienia prod neutronoacutew (proporcjonalność)bull Pomiar mionoacutew w niektoacuterych lab (np MACRO lub LVD w Gran Sasso Super-Kamiokande w Kamioce Soudan2 w Soudan)
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 18
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
ref [4]
wysokoenergetyczne spektrum n docierają z większych
odległości do detektora przekazują większą energię
jądrom ośrodka (powyżej progu det)
przenikają przez zew osłony (stanowią one dla nich dodatkową tarczę)
at rockcavern boundary
after lead and hydrocarbon shielding
CANFRANC n = 173 bull10-9 n(scm2) [1]
SYMULACJA BOULBY MINE
MOTYWACJA
Strum -ind stanowi ~01 rock
~6 przypadkoacutew na dzieńArDM
[4] MJ Carson et al Astroparticle Physics 21(2004) 667-687
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 19
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
rock
cavern
veto
n
n prod
capt
rock
cavern
veto
nn prod
capt
bull Możliwość identyfikacji za pomocą zewn detektora typu veto- Koincydencja z przelatującym mionem- Rejestracja cząstek naładowanych z kaskady
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 20
1 neutrony ze skałyścian laboratoriumstrumień rock ~ 38times10-6 n(scm2) CANFRANC ArDM input (bez osłon) ~ 13200 ndzień
sposoacuteb moderator neutronoacutew (redukcja 104-106)
2 neutrony z elementoacutew detektora
strumień zależy od wyboru materiałoacutew ArDM input ~ 74 ndzień (wariant pesymistyczny)sposoacuteb selekcja materiałoacutew
3 neutrony z mionoacutew kosmicznych strumień -ind ~ 17 times 10-9 n(scm2) CANFRANCArDM input (preliminary) ~ 6 ndzieńsposoacuteb detektor veto
Tło neutronowe w eksperymencie ArDMPODSUMOWANIE
~10-6 n(cm2s
)01-1ppb UTh10-2-10-4 Bqkg
~10-9 n(cm2s
)
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 21
Podsumowanie
bull Dokładne określenie poziomu tła neutronowego ndash warunek działania coraz większej grupy precyzyjnych eksperymentoacutew
bull Prowadzone pomiary oraz symulacje strumieni energii neutronoacutew w laboratoriach podziemnych
bull Inicjatywa ILIAS wspiera tego typu działalność w lab UEbull ArDM ndash przykład eksperymentu o szczegoacutelnych
wymaganiach ndash niski poziom tła neutronowego oraz jego dokładna znajomość (strumień rozkład energii)
CEL1 określenie wymagań dla systemu osłon detektoroacutew (moderator aktywne veto bdquoczystośćrdquo materiałoacutew)2 dokładne oszacowanie poziomu tła w doświadczeniu (analiza danych)
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
22
SLAJDY ZAPASOWE
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 23
Neutrony z mionoacutew kosmicznych
n Przykład ltE = 260 GeV (28 m we) [ref] Wychwyt mionu (-)
Spalacja Kaskady hadronowe Kaskady e-m
zaniedbywalne (tylko małe głębokości)57520
scyntylator
produkcja
[ref] VA Kudryavtsev NJC Spooner JE McMillan Nucl Instrum Meth A505 (2003) 688-698 bdquoSimulations of muon-induced neutron flux at large depths undergroundrdquo
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 24
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
Rozkład energii początkowej
Widmo energii jąder odrzutu
n = 38bull10-6 nscm2
całkowity strumień neutronoacutew ze skały
(dane z lab Canfranc) 10 keV threshold
r=40 cm
h=120 cm
geometria
13200 wchodzących neutronoacutew na dzień 550 neutronoacutew na godzinę1 neutron co ~ 65 sec
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 25
Neutrony ze skały ndash przykład analizy
liczba niezident neutronoacutew
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 26
Neutrons per year
Component Mass (kg) Cont U (ppb)
Cont Th (ppb)
n per year n per year SOURCES
Dewar 1000 06 07 448494
266
LEM (Glass part)
2 1000 1000 1080812107
9422
85 PMTs(Glass parts)
4 600 600 1296914590
10196
Pillars(Polyeth)
13 20 20 210 280
PIOTRrsquos estimationLILIANrsquos estimation
No neutrons = decay times N times neutron yieldneutron yield = sum [ yield(E) times
intesity]
N = Mass times ppb ( Atomic Mass times 166 times 10-27)
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 27
neutron capture (1)bull tabulated form of neutron capture cross-sections and
transition probability arrays are supported by G4 (ENDFB-VI)
capture on natural Argon(40Ar - 996 36Ar - 0337 38Ar - 0063)
Initial neutrons energy = 10 eV
1 mln neutron events
every neutron
captures on stable
Argon isotope
producing rsquos
Average number of rsquos produced = 35
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 28
6099 MeV
8788 MeV
6598 MeV
1 mln events
Stable isotope
Abundance()
process [barns] (from G4 tables for 10
eV neutrons)
Q-value[MeV]
Number of events in 1 mln simulation
40Ar 996 0032 6099 97450236Ar 0337 025 8788 2470338Ar 0063 0041 6598 795
bull Summed energy of all rsquos produced in each neutron capture reproduce Q valuebull One can reproduce each isotope abundunce from this data
neutron capture (2)
sArArArn 414040
sArArArn 373736
sArArArn 393938
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 29
Rozpraszanie elastyczne neutronoacutew w LAr
coscoscos~
dddT
ddddN ArAr
)cos1(2)(sincos1 2
2
22
2
2
2
Arn
nArnnAr
n
Ar
Arn
nnAr Mm
mMTmMmM
MmmTT
Widmo energii jąder odrzutu 40Ar
dla TN = 2 MeV
TnltltMn
nierelat
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2
P Mijakowski Wilga 20062006 30
Estimated event rates
asymp 100 eventtonday
asymp 1 eventtonday
for = 10-46asymp 1 eventton100 day
Assuming 30 keV recoil energy threshold M = 100 GeVc2