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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30

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

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30