RICERCA ITALIANA     

Tecniche per la rivelazione ed il trattamento dei segnali in grandi apparati a LAr per esperimenti di nuova generazione di fisica astroparticellare

Università degli Studi di Padova

Abstract

Negli ultimi anni, nel campo della fisica astroparticellare, hanno suscitato grande interesse nuovi rivelatori di particelle basati sull'uso di gas nobili liquefatti in camere a proiezione temporale. Grazie alle eccellenti prorietà calorimetriche e di tracciamento del mezzo, essi sono adatti all'esplorazione di una grande varietà di fenomeni su un'ampia scala di energie (da pochi keV a centinaia di GeV). Le applicazioni proposte in campo internazionale spaziano dalla ricerca delle oscillazioni dei neutrini con fasci artificiali allo studio della stabitità della materia barionica e alla ricerca di fenomeni rari quali esplosioni di supernovae e materia oscura. L'esperienza acquista nell'ambito del progetto ICARUS, durante le fasi di R&D e costruzione, e con i rivelatori pilota pilota (PRIN 2003 prot. 2003024192) nonchè i risultati delle misure fatte sugli stessi (PRIN 2005 prot. 2005023073), hanno mostato che tali rivelatori possiedono grandi margini di miglioramento il cui raggiungimento aprirebbe la strada con successo a nuove applicazioni nel campo della fisica delle particelle e astroparticelle soprattutto nel caso di rivelatori a grandi masse (migliaia di tonnellate di Argon liquido - che vengono proposti da molte collaborazioni per fisica del neutrino e possible osservazione del decadimento dei nucleoni, 1-10 ton di Ar liquido – proposte per rivelatori ad Argon bifasico per la ricerca diretta di segnali da Dark Matter/WIMP) che vengono proposti da molte collaborazioni per fisica del neutrino e possible osservazione del decadimento dei nucleoni
La ricerca proposta riguarda lo sviluppo di tecniche di rivelazione dei segnali sia in termini di fotoni prodotti che di carica e il loro trattamento con particolare attenzione ai front-end a basso rumore e a nuovi sistemi di conversione AD adatti a rivelatori con alto numero di canali. Verranno sfruttate le competenze acquisite nello studio e nell'uso della luce di scintillazione prodotta in LAr dalle particelle ionizzanti e nell'operazione dei relativi foto-rivelatori per massimizzare il segnale della luce di scintillazione del LAr. Questi studi coinvolgono, in maniera integrata, in primo luogo il rivelatore di luce (standard o sviluppato ad hoc), nonché i materiali utilizzati per costruire l’apparato sperimentale e la possibilità di spostare la lunghezza d’onda mediante l’utilizzo di wavelength-shifter, direttamente sciolti nel LAr o depositati sulle superfici interne del rivelatore.
Per ciò che concerne il trattamento del segnale di carica o di scintillazione, con il presente progetto proponiamo uno schema migliorato del DAQ che utilizzi la stessa architettura di base di Icarus T600, con nuovi componenti caratterizzati da migliori prestazioni e con una diversa modularità. La proposta riguarda: amplificazione, conversione, trasmissione e riduzione dei dati.
L'integrazione dei risultati di tali attività sarà finalizzata alla progettazione di TPC ad Argon liquido di seconda generazione che rendano possible la realizzazione di Megaton detectors e/o lo studio di segnali estremamente deboli (Materia Oscura). <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Sandro Centro Università degli Studi di PADOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Le eccellenti proprietà calorimetriche e la capacità di registrare tracce cariche nel mezzo attivo delle camere a proiezione temporale (TPC) a liquido di gas nobile risultano particolarmente adatte alla ricerca di una grande varietà di fenomeni fisici in un ampio intervallo di energia (da pochi keV alle centinaia di GeV). Le possibili applicazioni spaziano dalla ricerca sulle oscillazioni del neutrino con fasci artificiali o con neutrini atmosferici, allo studio della stabilità della materia barionica e alla ricerca di fenomeni rari quali le esplosioni di Supernovae o la Materia Oscura nell'Universo. La fattibilità delle TPC ad Argon liquido (LAr TPC) è stata dimostrata senza incertezze dal programma ICARUS che ha incluso studi su piccoli volumi di Argon liquido per la verifica di caratteristiche fondamentali quali la purificazione ed i sistemi di lettura elettronica, nonchè studi con prototipi di massa. La realizzazione del modulo da 600 tonnellate di ICARUS, il cosiddetto T600, e il relativo test realizzato con raggi cosmici, ha dimostrato che la tecnica può essere applicata su grande scala con lunghezze di deriva fino a 1.5 metri. L' acquisizione di eventi dai raggi cosmici ha permesso di verificare il funzionamento del rivelatore in modo quantitativo. Il successo della costruzione su base industriale del T600 e la sua eccellente qualità hanno motivato e giustificato la proposta di riprodurre il modulo fino a masse di migliaia di tonnellate per esperimenti di fisica astroparticellare ai LNGS.
La collezione della luce di scintillazione emessa in LAr risulta complicata, nonostante la produzione di luce (in assenza di campi elettrici) sia confrontabile con quello degli scintillatori più efficienti (NaI o stilbene), a causa della transmittanza praticamente nulla nel range VUV delle finestre ottiche normalmente impiegate nei tubi foto-moltiplicatori. Mediante l'impiego di sostanze con proprietà di wavelength-shifter (convertitori di lunghezza d'onda) applicate sulla finestra ottica del PMT, o disciolte nell'Argon liquido, è tuttavia possibile raccogliere parte della luce di scintillazione. Inoltre l'impiego di PMT immersi in LAr, ossia a temperature criogeniche, pone anch'esso delle limitazioni all'efficienza della risposta, solo di recente superate in foto-moltiplicatori di piccole dimensioni grazie all'impiego nei foto-catodi di substrati metallici che limitano le variazioni di resistività indotte dalle basse temperature di utilizzo. Questi ultimi risultati sono stati ottenuti grazie all’esperienza del gruppo di Pavia nel campo dello sviluppo di foto-rivelatori, unitamente alla proficua collaborazione con ditte specializzate nella produzione di PMT. L’utilizzo di PMT per la raccolta della luce di scintillazione è limitato inoltre dalle grandi dimensioni degli apparati, soprattutto nel caso di rivelatori dedicati alla fisica degli eventi rari, che nel futuro necessiteranno volumi sempre più elevati.
Sussitono inoltre alcune potenziali cause di "perdita di segnale" sia esso in carica o in luce. Tra queste la principale è dovuta alla presenza di agenti contaminanti diluiti in quantita' anche minime. Contaminazioni a livello del ppb di Ossigeno (O2) determinano una sostanziale perdita di carica elettronica da ionizzazione. Perdite di segnale in luce di scintillazione possono ugualmente verificarsi in presenza di tracce (dal ppm al ppb) di varie molecole quali N2 e O2. La vasta esperienza della sezione di L’Aquila nello sviluppo dei metodi di monitoraggio del livello di concentrazione di impurezze e di caratterizzazione dei suoi effetti sulla collezione del segnale si prevede possa consentire l’ottimizzazione dei sistemi di purificazione più adatti per ridurre la presenza di agenti contaminanti a livello inoffensivo.
Questi esperimenti si avvantaggerebbero dall'ottima granularità fornita dalla tecnica per ridurre drasticamente i fondi fisici. Argomenti analoghi si applicano allo studio di neutrini cosmici quali quelli di origine atmosferica, solare, da esplosioni di supernove e da sorgenti lontane.
In questa prospettiva, l'esperienza acquisita nell'ambito del progetto ICARUS e i PRIN 2003 (prot. 2003024192) e 2005 (prot. 2005023073) titolati rispettivamente "Sviluppo di un sistema integrato di lettura, trigger e monitoraggio per rivelatori a proiezione temporale ad Argon liquido" e "Nuove tecniche di rivelazione di deboli segnali di ionizzazione e scintillazione in gas nobili pressurizzati e criogenici" ha dimostrato che questo tipo di rivelatore ha ampi margini di sviluppo e di evoluzione che possono aprirgli la strada nel campo dei rivelatori di grandissima massa per esperimenti con neutrini naturali ed artificiali nonchè sul decadimento del nucleone.
Un passo ulteriore nell'attività di R&amp;D è richiesto per raggiungere questi obiettivi. L'attività principale sarà focalizzata quindi sia sullo studio della generazione del segnale che sullo studio di nuove architetture di DAQ che permettano la realizzazione di sistemi a grande numero di canali (varie decine di migliaia) a basso rumore e conversione AD seriale installata sul rivelatore. A valle il ricevitore della fibra ottica integrerà in potenti FPGA la parte di compressione e gestione del flusso dei dati. <<<

Risultati parziali attesi

UNITÀ DI PADOVA

Il programma di ricerca proposto dall'unita' di Padova mira alla progettazione e realizzazione di nuove architetture di aquisizione dati per segnali ionizzazione generati in TPC ad Argon liquido di grandi dimensioni.

Il programma si basa sullo scaling-up del presente DAQ dell'esperimento ICARUS a un grande numero di canali (&gt;10^5) e mira al contenimento del costo per canale (60 Euro/channel), tramite una profonda revisione del progetto sulla base dei nuovi componenti presenti sul mercato attualmente.

I risultati fondamentali da raggiungere per il successo di tale programma sono: 1) grande numero di canali (varie decine di migliaia) a basso rumore, (2) conversione AD seriale installata sul rivelatore, (3) trasmissione su fibra ottica a grande banda passanti dei segnali non compressi (4) utilizzazione di potenti FPGA a valle del ricevitore della fibra ottica per la compressione e gestione del flusso dei dati.

I risultati di tale programma di ricerca potranno essere applicati alla prossima generazione di TPC criogeniche di grande massa (parecchie decine di kt) per la rivelazione di eventi rari (interazioni di neutrini, proton decay, etc...), quali l'esperimento MODULAr a LNGS attualmente in fase di progetto.



UNITÀ DI PAVIA

In relazione al proposto programma di ricerca, il gruppo di Pavia si aspetta di riuscire a sviluppare e studiare nuove applicazioni che permettano di massimizzare il segnale della luce di scintillazione del LAr. In particolare, lo sviluppo e l’ottimizzazione dei vari aspetti relativi alla raccolta della luce di scintillazione (drogaggio del LAr, drogaggio e trattamento delle superfici, foto-rivelatore) saranno fondamentali per lo studio di fattibilità di nuove TPC ad Argon Liquido di grandi volumi. In esse la massimizzazione della raccolta del segnale di scintillazione sarà fondamentale, in vista delle applicazioni nel campo della fisica degli eventi rari, in particolare la fisica del neutrino e del decadimento del nucleone.

UNITÀ DELL'AQUILA


Classificazione degli effetti di perdita di segnale in luce di scintillazione e in carica di ionizzazione dovuti a presenza residua di agenti contaminanti quali O2, N2, H2, H2O in Argon. Definizione di opportuni metodi addizionali di purificazione per Argon liquido a sostegno degli attuali metodi standard di purificazione. Potenzialità di diverse sostanze wave-length shifting rispetto alle sostanze di impiego tradizionale. Studio comparativo delle proprietà di risposta dell’Argon in fase solida vs fase liquida per applicazione in rivelatori di prossima generazione. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La fisica astroparticellare e del neutrino in particolare ha recentemente avuto notevoli positivi sviluppi con l'interpretazione dei risultati sperimentali ottenuti con i neutrini solari ed atmosferici. Nell'ambito dei neutrini solari, si è conclusa una prima fase di ricerche durata quasi tre decadi che ha avuto come pietre miliari gli esperimenti di Homestake, GALLEX-GNO, SAGE, Kamiokande, CHOOZ, Super-Kamiokande, SNO e Kamland, che, unitamente al cosiddetto Modello Solare Standard di John Bachall, hanno prodotto un quadro coerente che indica la sostanziale correttezza della nostra comprensione dei meccanismi alla base del funzionamento del Sole e, soprattutto, la chiara evidenza del processo di conversione di neutrini solari (elettronici) in neutrini di un altro sapore (muonici o tauonici), ovvero delle oscillazioni di neutrino. Evidenza per le oscillazioni di neutrino in un altro dominio dei parametri è stata anche fornita dagli esperimenti Kamiokande, MACRO, SOUDAN II e soprattutto Super-Kamiokande, studiando i neutrini prodotti nell'interazione di raggi cosmici nell'atmosfera. Tali risultati aprono la via allo studio sistematico della matrice di mescolamento dei neutrini da realizzarsi mediante futuri esperimenti con neutrini artificiali (da acceleratori e da reattori nucleari) nonchè con neutrini solari ed atmosferici. Un altro importante soggetto di fisica è la ricerca del decadimento del nucleone, prevista dai Modelli di Grande Unificazione delle interazioni fondamentali. Anche in questo caso, esperimenti di prima generazione (come ad esempio Super-Kamiokande) hanno soltanto permesso di porre dei limiti, senza l'osservazione dell' evidenza del fenomeno. Infine, sempre nell'ambito della fisica astroparticellare, vi è un crescente interesse per problema della identificazione e rivelazione della Materia Oscura dell'Universo. Un possibile candidato per tale materia Oscura sono le cosiddette Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) probabilmente coincidenti con le più leggere (e stabili) particelle Supersimmetriche. Tutti gli argomenti su esposti motivano la necessità di rivelatori di nuova generazione, caratterizzati da grande sensibilità ed elevate prestazioni. La tecnica delle Time Projection Chambers a gas nobili liquefatti offre un'adeguata soluzione alle richieste sperimentali imposte dai programmi di fisica su menzionati. Il progetto ICARUS rappresenta il primo importante esempio di una TPC ad Argon liquido realizzata con successo come osservatorio per lo studio di neutrini solari, atmosferici, da Supernovae, e terresti nonchè per la ricerca del decadimento del protone con alta sensibilità. Un importante sottoprodotto della tecnica ICARUS ha condotto allo sviluppo di rivelatori criogenici per la Materia Oscura attraverso l'uso della cosiddetta 'doppia fase' (vedi ad esempio il progetto WARP). L'esperienza acquisita da alcuni dei proponenti con lo studio di rivelatori criogenici (Argon liquido) a proiezione temporale (TPC), la tecnica alla base dell'esperimento originariamente proposta da Carlo Rubbia, è pluridecennale. Sono stati realizzati e studiati vari prototipi di rivelatori, come evidenziato dalla bibliografia, che hanno permesso di sviluppare nel tempo tutti i vari aspetti tecnici (meccanica, criogenia, purezza del liquido, raccolta del segnale, stabilità di operazione, ecc.) fino a raggiungere la maturità della tecnica in vista del suo utilizzo su grande scala. L'esperienza acquisita con i rivelatori finora realizzati, unita alle competenze specifiche dei proponenti, permettono oggi di proporre in questa sede lo sviluppo di un articolato programma di ricerca che migliori le prestazioni della tecnica con soluzioni originali e quindi innovative. A tale scopo è opportuno sintetizzare le competenze specifiche dei componenti le tre Unità, descritte nel dettaglio nei rispettivi moduli B locali. L'Unità di Padova ha ampia e documentata esperienza nel campo della progettazione e realizzazione di sistemi elettronici per esperimenti in fisica delle particelle elementari, sia a componenti discreti che integrati, sia nel campo analogico che digitale. Sono stati anche sviluppati algoritmi di simulazione di sistemi complessi, nonchè algoritmi di filtraggio e compressione dati in tempo reale. L'Unità di Pavia ha avuto un ruolo chiave nella realizzazione dei rivelatori criogenici TPC ad Argon liquido. In relazione al proposto programma di ricerca, il gruppo sfrutterà le competenze acquisite nello studio e nell'uso della luce di scintillazione prodotta nell'Argon liquido dalle particelle ionizzanti e nell'operazione dei relativi fotorivelatori. L'Unità de L'Aquila, unitamente ai ricercatori del laboratorio del Gran Sasso, ha acquisito nell'ambito delle collaborazioni ICARUS e WARP notevoli competenze sui molti aspetti tecnici e tecnologici connessi alle innovative tecnologie impiegate. Tra questi in particolare quelli legati allo sviluppo di tecniche di misura del livello di contaminazione da impurezze elettronegative in Argon liquido agenti sulla carica di ionizzazione, all'analisi degli effetti di contaminazione in Argon liquido da impurezze agenti sulla luce di scintillazione, allo sviluppo di sistemi di purificazione per i principali agenti contaminanti (O2, N2, H2O) e nell'impiego dei più moderni sistemi di liquefazione/ricondensazione e delle tecniche criogeniche e da alto vuoto associate. <<<