SCUOLA DI DOTTORATO

Marco Selvi

Thanks to Piero Galeotti and Walter Fulgione

Reactor neutrino detectionEsperimento di Cowan e Reines - 1956

Cowan and Reines

Cowan and Reines

Setup del rivelatore

Un tipico evento con la doppia segnatura

Schema dell’elettronica di trigger e DAQ

Criteri di selezione del segnale

• Coincidenza “positrone”:– Energia: 0.2-0.6 MeV in ognuna– Tempo: <0.2 us fra loro

• Coincidenza “neutrone”:– Energia: 3.-11. MeV in totale (almeno 0.2

MeV in ognuna)– Tempo: <30 us dal “positrone”

Selezione del segnale

Due esempi di segnale

Calibrazione in energia

Energia persa da un muone verticale nella tank di scintillatore: Elost

=2 MeV g/cm2 x 0.8 g/cm3 x 58 cm = 92.8 MeV

Calibrazione in energia

5 test di consistenza

Test 1: verifica di segnale dipendente dal reattore

Test 1: verifica di segnale dipendente dal reattore

Per confrontare il rate di eventi misurati con le attese teoriche è necessario conoscere le efficienza di rivelazione del segnale del positrone e del neutrone, vediamo come ...

Neutron detection efficiency

Pu-Be neutron source: 3100 neutroni / s

Due differenze principali:

• Spettro energetico dei neutroni emessi (fino a 11 MeV, invece i neutroni da antineutrino hanno energie del keV)

• Distribuzione spaziale: puntiforme per la sorgente, uniforme per il segnale.

Stima dell’efficienza media del rivelatore rispetto all’efficienza centrale: 60%

Neutron detection efficiency

Pu-Be neutron source:

+ 9Be 12C* + n

12C* 12C + (4.4 MeV)

Stima dell’efficienza come rate di neutroni/gamma

Primo impulso: di 4.4 MeV

Rate con sorgente = 329 Hz Rate senza sorgente = 10 Hz

Rate di coincidenze: 43 Hz

Dopo alcune correzioni si valuta un limite inferiore all’efficienza pari al 14%

Neutron detection efficiency

Secondo approccio: calcolo a priori.

L’efficienza di rivelazione del neutrone viene suddivisa in tre contributi = 1 2 3

1 prob. che il neutrone NON esca dalla tank di acqua. Il libero cammino medio di un n di 10 keV in acqua è 0.75 cm 94%

2 prob. che il neutrone sia catturato dal Cd entro la finestra temporale considerata. Conoscendo il del Cd ottengo 86%

3 prob. che i gamma emessi soddisfino i criteri per la rivelazione (Energia: 3.-11. MeV in totale (almeno 0.2 MeV in ognuna)

e Tempo: <30 us dal “positrone”) 49%

= 40% (al centro) = 40% x 60% = 24% (ovunque)

Positron detection efficiency

Sorgenti emettitrici di positroni: 64Cu disciolto nella targhetta

Tra 0.2 e 0.6 MeV

Efficienza del 15 %

Calcolo della sezione d’urto

R = 1.5 h-1

N = 1.1 1028 protoni liberi

F = 1.2 1013 cm-2 s-1

Epsn= 17%

Eps= 15%

= 1.2 10-43 cm2 in accordo con le attese teoriche (anche attuali !!)

Test 2: proof che il primo segnale è dovuto al e+

Due dimostrazioni:

- Spessori di piombo

- Spettro energetico

Test 3: proof che il secondo segnale è dovuto al neutrone

Due dimostrazioni:

-Variazione della conc. di Cd

- Spettro energetico

Test 4: dipendenza del segnale dal numero di protoni liberi nella targhetta

Il 47% dell’acqua è stata sostituita con acqua pesante D2O.

La sezione d’urto di interazione degli antineutrini con il deuterio è circa 1/15 di quella su protone.

Si osserva un diminuzione del numero di interazioni compatibile con le attese.

Test 5: dimostrazione che il segnale non è dovuto a neutroni del reattore

Un neutrone “fast” proveniente dal reattore potrebbe simulare l’interazione dell’antineutrino.

Usando sorgenti di neutroni esterne al rivelatore si vede che non rappresenta un background importante.

Anche il test con acqua pesante esclude questa contaminazione (il rate non sarebbe diminuito), così pure il test con l’inserimento di piombo (di nuovo il rate non sarebbe diminuito).

Infine è stata inserita della sabbia (76 cm) in grado di assorbire neutroni (verificato tramite sorgente di Am-Be) e gamma, ma non si osserva nessun calo nel rate.

Il segnale NON dipende da radiazione neutra esterna (a parte gli antineutrini, of course).

Cowan and Reines: conclusioni