Projeto de um calorímetro gama para medidas de reações nucleares de dupla troca de carga

(1)

Projeto de um calorímetro gama para medidas

de reações nucleares de dupla troca de carga

Prof. José Roberto Brandão Oliveira

DFN

(2)

Organização da palestra

●

Introdução

–

Física de neutrinos

–

Reações de dupla troca de carga

●

Projeto NUMEN

●

Projeto G-NUMEN

←

●

Perspectivas

●

Considerações finais

(3)

Neutrinos e decaimento beta

.

e+ ν

Decaimento β

+ Decaimento do nêutron

ν - Férmion (s=1/2),

sem carga elétrica, m~0

(4)

-Os 3 tipos (sabores) de neutrinos e oscilações

Oscilações de neutrinos

Auto-estados de “sabor”

Cons. números leptônicos

ν

_e

→

ν

μ

ou →

ν

τ

MP

(5)

Massas dos neutrinos

?

Auto-estados de massa

Sabores

m²

_MIN

?

0

(6)

Duplo decaimento beta

t

_1/2

≈2×10

21

anos

(7)

Dirac x Majorana?

ν=¯ν

ν≠¯ν

DDB

“Raramente” observado Ainda não observado

(muitas tentativas em andamento...)

t

_1/20 ν

=1−10×10

27

anos

(Previsões teóricas)

t

_{1/ 2}

=0.01−10×10

21

anos

(8)

8

Decaimento 0νββ e

E

lemento de

M

atriz

N

uclear

1 t

_1/2

0 ν

=

G

0 ν

(

Z ,Q

_{β β}

)|

M

0 ν

|

2 ⟨

m

_ββ

⟩

2 ⟨

m

_ββ

⟩=

|

∑

j

m

_j

U

_ej

2

|

Constante de decaimento por 0νββ:

Massa efetiva do neutrino de Majorana:

Fator de fase

E

lemento de

M

atriz

N

uclear:

M

0 ν

_{=⟨ ψ}

_f

|

O

0 ν

|

_ψ

_i

_⟩

U: Matriz de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata

ψ

_i

ψ

_f

EMN

Para determinar a massa não basta a vida média do 0νββ - é preciso conhecer o EMN !!

(9)

(10)

10/42

Reação de troca de carga

Troca de um píon ou outro méson

carregado entre dois núcleos

π

+/-Feixe

(11)

11

Reação de dupla troca de carga

Ca

40 (

18 O

, Ne

18 )

40 Ar

Exemplo:

ββ

DTC

Ca

40

→

40

Ar

+β

+

+β

+

Relação com duplo-beta:

Ca

40 O

18

(12)

12

0νββ e dupla troca de carga

M

DTC

=⟨ ψ

_f

|

O

DTC

|

ψ

_i

⟩

Ca

40 (

18 O

, Ne

18 )

40 Ar

Ex.:

M

0 ν

⇔

M

DTC

ββ

DTC

M

0 ν

=⟨ ψ

_f

|

O

0 ν

|

ψ

_i

⟩

n n p p e+ e+ W W

ψ

_i

_ψ

_f n n p p

ψ

_i

_ψ

_f n n p p π π

0νββ

_DTC

ν ●

Mesmos estados i e f

●

Interações de curto

alcance

●

Fermi (s=0) + G.T. (s=1)

●

...

ψ

_i

ψ

_f

(13)

Projeto Numen

●

Determinação dos

EMN

a partir de medidas de

seções de choque de DTC

●

Testes atuais – Espectrômetro MAGNEX (Catania)

●

Desenvolvimentos

–

Feixe

–

Detectores

●

Casos fáceis

●

Casos difíceis

MAGNEX MAGNEX

(14)

14

DTC medidas com MAGNEX @ LNS

18_O Beam 18_Ne Target Target MAGNEX Dipole Quadrupole Focal Focal plane plane DCE Beam dump 0o 0.5 MeV Resolução FWHM 15 MeV/A

Cappuzzello et al. EPJA 51(2015)145

(15)

15

Fases do NUMEN @ LNS/INFN

●

Fase 1 (em andamento)

40

Ca,

116

Sn

●

Fase 2 – casos adicionais:

e desenvolvimentos técnicos:

–

CS ciclotron: I

_feixe

>10

12

p/s (>100×atual)

–

Aumento da rigidez magnética

–

Bunker (nêutrons)

–

FPD:

substituição por dets. GEM, e SiC

–

Testes de irradiação por nêutrons

–

Espectrômetro gama

–

Estabilidade térmica do alvo

●

Fase 3 - Implementação

●

Fase 4 – campanha experimental final:

48Ca, 82Se, 96Zr, 100Mo, 110Pd, 124Sn, 128Te, 130Te, 136Xe, 148Nd, 150Nd, 154Sm, 160Gd, 198Pt 18_O Beam 18_Ne Beam dump Bunker Target Target MAGNEX Dipole Quadrupole Focal Focal plane plane DCE 0o IFUSP (emissores duplo-β)

(16)

16

Energias dos estados 2

+

de emissores ββ

Casos

fáceis

e

difíceis

de DTC

Núcleo E(2+) [keV]

48Ca 3831.7 82Se 654.8 96Zr 1750.5 100Mo 535.6 110Pd 373.8 124Sn 1131.7 128Te 743.2 130Te 839.5 136Xe 1313.0 148Nd 301.7 150Nd 130.2 154Sm 82.0 160Gd 75.3 198Pt 407.2

Difícil:

E(2

+

_{) < 500 keV}

(Resol. do Magnex)

γ Q _D FPD

Proposta: uso de um

“calorímetro” γ para veto

de estados excitados e

estudo do estado 2

+

_.

Magnex Magnex

Projeto G-NUMEN

(17)

17

Caso difícil “típico”

● 18

O+

154

Gd →

18

Ne+

154

Sm

ββ

DCE

d σ

_DTC

d Ω

=10−100μ b/sr

Seções de choque de DTC esperadas (muito pequenas)

α=

4.86

Coeficiente de conversão eletrônica

σ

_TOT

≈

2−3 b

Δ Ω≈

1 mb

(18)

18

(19)

19

Projeto G-NUMEN- Desafios técnicos

●

Tolerância a altas taxas de contagens –

típicas:

45MHz: (150

kHz/detector com ~300 detectores)

●

Tolerância a radiação (nêutrons rápidos)

●

Alta eficiência (→ 100%: 4π) –

baixa taxa de sinal esperada:

10/semana/16 nb

●

Boa resolução temporal

(redução de fundo)

●

Resolução em energia suficiente (≤20% fwhm)

●

Dimensões compatíveis com o acoplamento ao

Quadrupolo do MAGNEX

γ Q _D

FPD 40 cm

(20)

20

Possível configuração do calorímetro

●

Cintiladores LYSO(Cs) (Luttetium

Ytrium Ortosilicate) com SiPM

(fotomultiplicadoras de Silício)

●

Geometria de um tubo com vários

anéis de detectores

●

Anéis semelhantes aos de um

tomógrafo PET

Anel de detectores LYSO para PET

(21)

21

(22)

(23)

23

Fundo “casual”

●

Devido a outras reações nucleares – taxa:

●

Torna-se importante a altas taxas de eventos

●

Podem ocorrer com probabilidades significativas

dentro de um mesmo pulso de feixe

(CS f ~ 40 MHz)

●

Não é possível separar temporalmente (dentro de

um mesmo pulso)

25 ns 2 ns t

P(0)=o=e

−⟨k ⟩ Poisson

P(1 ou +)=1−o

⟨

k ⟩=

R

f

Reações por pulso

R

_R

=

I n σ

_R

limpos sujos

(24)

24

Reações nucleares

(25)

25

Espectros “limpos”

C

_d

=

d o+g o(1−ε)

C

_g

=

g o ε

d – número de eventos de DCO (gs)

g – número de eventos de DCO (2

+

₎

ε

Eficiência de detecção gama

0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 5 10 15 20 25 30 rd rg

<k> (Average number of reactions per beam bunch)

R e la tiv e u n ce rt a in ty ( % ) R_DCE=I nd σDCE d Ω Δ Ω d =L σDCET

(26)

26

Espectros limpos ou não

E

_d

=

d (1−h)+g(1−ε)(1−h)

E

_g

=

d h+g ε+ g(1−ε)h

h=1−e

−⟨k ⟩r ε Probabilidade de 1 ou mais raios gama de outra reação na janela do 2+ Espectro gama 2+ 4+

Δ

E

_γ

E

_γ r – probabilidade de 1 gama

de outra reação (não DCE) estar noa janela

r≈

Δ

E

γ

SE

_γ

(27)

27

(28)

Perspectivas

●

Participação de estudantes (IC, MS, DR) e colaboradores

●

Sub-projetos G-NUMEN

–

Simulações

–

Desenvolvimento de protótipos e testes experimentais

–

Eletrônica

●

Projeto “Nossa Caixa” (IFUSP)

–

Estudo de mecanismo de reações com coincidências γ-p.

●

Outros subprojetos (IFUSP)

–

Detectores de plano focal (espectrógrafo Enge do IFUSP)

–

Irradiação de dispositivos com nêutrons

–

Estabilidade térmica de alvos

●

Cronograma

(29)

29

Colaboradores

N.H. Medina 1, V.A.B. Zagatto 1,2, L.R. Gasques 1,3, J.A. Alcántara-Núñez 1,

J.G.Duarte 1,3, V.P. Aguiar 1, W.A. Seale 1, A. Freitas 1, J.M.B. Shorto 5, F.A. Genezini 5, G. Zahn 5, M.R.D. Rodrigues 1, T. Borello 1, M. Morales 5

1 Instituto de Física da Universidade de São Paulo

2 Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - Laboratori Nazionali del Sud

3 INFN - Sezione di Napoli and Dipartimento di Matematica e Fisica Seconda Università degli Studi di Napoli

4 Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense 5 Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares

7 Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Catania, Catania, Italy 8 INFN - Sezione di Catania, Catania, Italy

F. Cappuzzello 7,2, M. Cavallaro 2, C. Agodi 2, M. Bondì 7,2, D. Carbone 2, A. Cunsolo 2, and A. Foti 7,8 … e vários outros dos LNS/INFN – NUMEN Collaboration

R. Linares 4, D.R.Mendes Jr 4, P.R.S. Gomes 4, J. Lubian 4,

Obrigado pela atenção!

SP - IFUSP/IPEN

RJ - IFUFF

(30)

30

(31)

O espectrômetro gama do IFUSP

●

Saci-Pererê:

–

Sistema Ancilar de Cintiladores Plásticos

–

Pequeno Espectrômetro de Radiação

Eletromagnética com Rejeição de Espalhamento

Acelerador Pelletron

LAFN

Espectro gama

(32)

32/42

Espectroscopia



_

e mecanismos de reações

Técnica de coincidências

gama-partícula

Processos estudados:

Espalhamento inelástico, Transferência inelástica, Fusão completa e incompleta, Transf. Múltiplas, DIC, Quebra inelástica [V.A.B. Zagatto, MS e DR]

“Know-how” útil para o projeto

NUMEN

γ

-p

Detector gama Detector gama Detector Detector partícula partícula

*



Z



feixe alvo feixe recuo

p

colisão 1171 704 7

_Li+

120

_Sn

Espectro de tempo _{Espectro γ}

Raios  característicos

gs

A

_Z

Δ

E

_γ Z=0 Z=1 Z=0 Z=2 Z=0 Z=3 Espectro de partículas

(33)

33

Simulações preliminares (espectro γ)

u. a. E(keV)/2

Ideal: 100 %

4π

2π

+Chance

BG 2π

π

/2

82 185 267 277 359 462 544 626 718 821 903 1333 LYSO 15 4 S m

(34)

34

Simulações

Estatística em 1 semana (previsão mais pessimista)

E(keV)/2

Ω=2 π

Contagens

3 “tentativas”, ~10

contagens em cada uma

→ Incerteza estatística ~30% (ruim)

(35)

Conceitos quânticos

●

Estados quânticos

●

Função de onda, superposição e interferência

●

Princípio da Incerteza

●

Decaimento radioativo

●

Transições quânticas –

E

lemento de

M

atriz

✗

✓

ψ

₍₄₁₀₎

(⃗

r )

Δ

p

_x

Δ

x≈ℏ

N=N

₀

e

−tτ

τ Δ

E≈ℏ

Largura do nível

M

_if

=< ψ

_f

|

O

|

ψ

_i

>

Operador de transição

i

f

Vida média H - Decaimento radioativo

- Reações nucleares e seção de choque de espalhamento:

R=I nσ

ψ=ψ

₁

+ ψ

₂

|

ψ

|

2

=ψ

*

ψ=

_|

ψ

₁

_|

2

+

_|

ψ

₂

_|

2

+ ψ

₁*

ψ

₂

+ ψ

₁

ψ

₂* Orbitais atômicos do H Interf.

t

N

(36)

Neutrino e decaimento beta

.

e+ ν

β

+

β

-Decaimento do Nêutron Pauli 1930

ν - Férmion (s=1/2),

sem carga elétrica, m~0

(37)

Anti-partículas

●

Aniquilação e

+

/e

-●

Anti-matéria

PET H Anti-H ●

Mésons (qq)

18_F, 110min

ν

, ¯ν

●

(38)

38

Espectro do plano focal do MAGNEX

E*(MeV) Jπ Fr.(%) 0.0 0+ 99.599.5 0.082 2+ 99.299.2 0.267 4+ 94.294.2 0.544 6+ 60.460.4 0.903 8+ 7.67.6

-0.6 MeV < E < 0.6 MeV*

Corte

0.5 MeV FWHM

Gaussians

E*(MeV) Y(arb. un.) 0+ 2+ 4+ 6+ 8+

Fração contida no corte

● 18

Ne

Inclui ~99% do estado fundamental e do 2+

15

4

S

(39)

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