• Nenhum resultado encontrado

Experimento CONNIE para detecção de neutrinos com CCDs na usina nuclear de Angra II

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Experimento CONNIE para detecção de neutrinos com CCDs na usina nuclear de Angra II"

Copied!
32
0
0

Texto

(1)

Experimento CONNIE

para detecção de neutrinos com

CCDs na usina nuclear de Angra II

Carla Bonifazi

Instituto de Física - UFRJ

Instrumentação Científica em Física

de Altas Energias no Brasil

(2)

Coherent elastic neutrino-nucleus scattering

• 1974 Neutral curent neutrino interaction

• for neutrino energies below 50 MeV A

A

d

d(cos ✓)

=

G

2

8⇡

Z(4 sin

2

W

1) + N

2

E

2

(1 + cos ✓)

increases with N

Cross section

2

!!

In the coherent neutrino-nucleus neutral-current interaction, a neutrino of any flavor scatters off a nucleus transferring some

energy in the form of a nuclear recoil.

G = Fermi constant

Z = atomic number of the nucleus

𝜃 = scattering angle 𝜃w = weak mixing angle

N = neutron number of the nucleus E𝜈 = neutrino energy PRD 89 (2014) 072004 < Er >= 2 3 (E⌫/MeV)2 A keV

• The high cross section for neutrino interactions is counter balanced by the tiny recoil energies ≲ keV

(3)

Carla Bonifazi

Motivation

• Compact neutrino detectors - monitor nuclear reactors

through their emitted neutrinos

• Irreducible background for WIMP detection

• New tool for neutrino experiments (very short baseline oscillation

experiments – sterile neutrino)

• Coherent Neutral Current Neutrino–Nucleus Elastic Scattering

• SM prediction but never measured – Recently measured by COHERENT collaboration (Science 03 Aug 2017) at higher energies than CONNIE.

• Coherent elastic scattering at lower energy good potential to test physics beyond the standard model

(4)

CONNIE collaboration

Argentina

Centro Atómico Bariloche Universidad del Sur / CONICET

Brazil

Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas Universidade Federal do Rio de Janeiro

Mexico

Universidad Nacional Autónoma de México

Switzerland University of Zurich

Paraguay

Universidad Nacional de Asunción

USA

Fermilab National Laboratory

About 30 members

(5)

Carla Bonifazi

CONNIE collaboration

First CONNIE Collaboration Meeting June 12, 2015

(6)

Charge Coupled Device

Unique features of high resistivity CCDs designed by Berkeley

Laboratories:

very low energy threshold detectors: 5.5 eV (RMS < 2 e

-

)

pixel size of 15

𝜇m x 15 𝜇m

large mass compared to conventional CCDs (250/675

𝜇m)

up to 5.7 gr/CCD

“3D” information (diffusion): rejection of surface events

used in the Dark Energy Survey (DES) and Dark Matter in CCDs

(DAMIC) experiments

(7)

Carla Bonifazi

New CCDs

4k 4k size: 4k x 4k depth: 675 𝜇m mass: 5.7 g muons electrons 1 mm

(8)

Charge Coupled Device

𝜈

Ionization efficiency in silicon

• The scattering of the 𝜈 with a Si nucleus leads to ionization

• The charges diffuse giving information in the z-axis

(9)

s

• The noise is determined by the capacitance of the output node

• Capacitance of the system is set by the sens node: C = 0.05 pF 3 mV/e

• The active pixels are decoupled from the readout node!

PRD91 (2015) 7, 072001

Pixel time = 30 µs 𝜎RMS = 1.5e

-≡

5.5 eV of ionization energy

(10)

~ 160 km

Angra Nuclear Power Plant

Total reactor antineutrino spectrum in the reactor per MeV

PRD91 (2015) 7, 072001

𝜎

𝜎T weighted by the reactor

(11)

Carla Bonifazi

Angra Nuclear Power Plant

𝜈 lab already installed by Neutrinos Angra Project

30 m

200 m

Angra II

Angra I ~ 1% more neutrinos

(12)

The detector

ViB board (signals transport) Dewar (hold vacuum) Inner polyethylene (30 cm) Lead (15 cm)

~ 800 bricks (Fermilab, USP-Galvão, CBPF and bought to Aurea)

Outer

(13)

Carla Bonifazi

The detector

Copper Box with CCDs Lead (15 cm)

(14)

Vacuum pump Vacuum pipe Cryocooler Relay system Temperature Controller

(15)

Carla Bonifazi

Novembro de 2014

Sem verba para

completar a blindagem

Fase I (2g – 2k x 4k detector) – Blindagem parcial

Testes de funcionamento remoto Monitoramento do background

Testes de ruido e corrente escura do detector Problemas encontrado:

Cortes de luz frequentes, principalmente durante o verão

Altas temperaturas dentro do contêiner – problemas no detector

(16)

Agosto de 2015

(17)

Carla Bonifazi

August 2015

Fase II (2g – 2k x 4k detector) – Blindagem completa

Monitoramento do background

Testes de ruido e corrente escura do detector Primeira medida com o reator desligado (OFF) Problemas achados:

Ruído alto devido aos trabalhos de manutenção – solução: relês para a leitura Cortes de luz frequentes, principalmente durante o verão

Temperaturas altas em verão – ruído na eletrônica

Primeiro artigo do detector e o seu potencial JINST 11, 2016

(18)

Estado atual (desde Nov 2016)

CONNIE Upgrade (80g – 4k x 4k detector) – Blindagem completa

• Redução do background proveniente do detector

• Aumento significativo da massa

• Medida com reator ON - OFF Problemas encontrados:

• Cortes de luz muito frequentes (1 por semana)

• Problema de ruído no momento da leitura Soluções:

• Sistema de relés

• Melhora do aterramento do experimento

• Rodízio para controle da aquisição de dados (a cada hora - para mitigar cortes de luz)

• Instalação de um ar acondicionado extra

(19)

Carla Bonifazi

Colaboração Brasileira

Participação

• Construção da blindagem (em duas fases - com demoras devido a financiamento)

• Caracterização de todos os tijolos de chumbo para garantir a baixa contaminação radioativa (~300 tijolos de Fermilab, CBPF e USP e 500 tijolos comprados)

• Estudos de ruído e operação do experimento

• Trabalhos de instalação e otimização dos parâmetros do detector

Bancada de teste e calibração de CCDs

• Objetivo: aprender sobre a tecnologia de CCDs e caracterizar o detector

• Estudos de ruído e parâmetros de leitura

Não realizado for falta de financiamento

Visitas a Fermilab – Possibilidade real de fazer instrumentação

• Heman Lima • Ana Foguel • Carla Bonifazi + 1 ano 09/17 - 09/18 Carla Bonifazi Martín Makler

(20)
(21)

Resumo

• Detectores CCDs:

• nova tecnologia para a detecção de partículas

• boa resolução espacial e em energia – Capacidade para detectar recuos nucleares (DAMIC e CONNIE)

• CONNIE com 14 CCDs instaladas operando na usina nuclear angra

• Novos dados – com reator ON e OFF – sendo analisados (artigo em andamento)

Sugestões

• Financiamento para experimentos/projetos e não pesquisadores - sem cortes

• Priorização de projetos e não “um pouquinho para cada um”

• Planejamento estratégico e de longo/médio prazo

• Acompanhamento científico dos projetos e continuidade nos auxílios

• Garantia de que projetos com mérito e bem geridos poderão ser executados

• Recursos por mérito e não senioridade

(22)

Carla

(23)

Carla Bonifazi

BACKUP

(24)
(25)

Carla Bonifazi

Estrada

(26)

Diffusion from data

Using the muon track in the CCD

• Recorded track: CCD top view

• CCD side view

(27)

Carla Bonifazi

Diffusion from data

Diffusion can be measured as a function of the interaction depth

No need to rely on models.

(28)

Diffusion from data

Diffusion can be modeled with a Gaussian distribution with lateral

deviation from 0 to 0.55 pixels.

(29)

Carla Bonifazi

Expected event rate for the Angra reactor

Energy spectra for expected events in silicon detectors

1s 5s

nuclear-recoil energy spectrum spectrum for detectable events using quenching factor

Total number of events as a function of the threshold energy for different constant quenching factors

The total number of events as a function of the maximum detectable recoil com Q = 1

Expected number of events (event/kg/day) Eth = 5.5 eV (1𝜎RMS) ~ 28.3 Eth = 28 eV (5𝜎RMS) ~ 18.1 Q = 0.20 PRD91 (2015) 7, 072001

(30)

Forecast

Assuming

57 g detector array (10 CCDs with 650 mm)

the background at sea level using passive shield can be reduced to

~600 events/keV/day/kg, i.e. 8.5 events/day

the rate of expected false positive is 3.18 events/day

Expected running time for different CL for a detector’s mass of 57 g

We need 150 days of running for a 3

𝜎 detection

CL [%] T (days) 80 12 90 28 95 45 98 70 99 150 PRD91 (2015) 7, 072001

(31)

Carla Bonifazi

Energy spectrum

Rate of events with the reactor ON and OFF (corrected for the efficiency of the selection criteria)

The higher rate of events at 1.8 keV is produced by the silicon fluorescence X-ray.

(32)

Upper limit

Upper limit of the coherent scattering interaction detection with the available data at 95 % confidence limit of the Reactor ON minus Reactor OFF signal rates

JINST 11, 2016

Referências

Documentos relacionados

Ao longo do relatório é referido o quanto é importante os Contabilistas Certificados (CC) serem honestos, o que abrange diversas ações, nomeadamente passar uma

16 Tendo em consideração que diversos estudos relacionam a Perturbação do Comportamento com o desenvolvimento e manutenção de comportamentos socialmente desajustados,

LCL (Lower confidence limit), UCL (Upper confidence limit)... 53.52% of control values after exposure to 80% of the 24 h LC 50 values of benzylamine and momordicine,

Na hepatite B, as enzimas hepáticas têm valores menores tanto para quem toma quanto para os que não tomam café comparados ao vírus C, porém os dados foram estatisticamente

Diante dessa situação e tendo em vista a importância que a gestão do conhecimento tem para a competitividade das empresas, este estudo visa verificar se a gestão do

The probability of attending school four our group of interest in this region increased by 6.5 percentage points after the expansion of the Bolsa Família program in 2007 and

No campo, os efeitos da seca e da privatiza- ção dos recursos recaíram principalmente sobre agricultores familiares, que mobilizaram as comunidades rurais organizadas e as agências