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

Prof. José Roberto Brandão OliveiraDFN

IFUSP, Junho de 2016

Organização da palestra

● Introdução– Física de neutrinos

– Reações de dupla troca de carga

● Projeto NUMEN

● Projeto G-NUMEN ←

● Perspectivas● Considerações finais● Lista de colaboradores (a ser expandida...)

Neutrinos e decaimento beta

...

e+

νDecaimento β+

Decaimento do nêutron

ν - Férmion (s=1/2), sem carga elétrica, m~0

Partículas elementares - MP Decaimento β-

Os 3 tipos (sabores) de neutrinos e oscilações

Oscilações de neutrinos

Auto-estados de “sabor”Cons. números leptônicos

νe → ν

μ ou → ν

τ

MP

MP✗

Massas dos neutrinos

?

Auto-estados de massa

Sabores

m²MIN

?

0

Duplo decaimento beta

t1/2≈2×1021 anos(“bem raro”!)

Dirac x Majorana?

ν=ν̄ν≠ν̄DDB

“Raramente” observado Ainda não observado(muitas tentativas em andamento...)

t1/20ν=1−10×1027 anos

(Previsões teóricas)

t1/2=0.01−10×1021 anos

→ possíveis reformulações do MP

8

Decaimento 0νββ e Elemento de Matriz Nuclear

1

t1 /20 ν=G0 ν

(Z ,Qββ)|M0 ν|2⟨mββ⟩

2

⟨mββ⟩=|∑j

m j U ej2

|

Constante de decaimento por 0νββ:

Massa efetiva do neutrino de Majorana:

Fator de fase

Elemento de Matriz Nuclear: M 0 ν=⟨ψf|O

0 ν|ψi⟩

U: Matriz de Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata

ψi ψf

EMN

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

10/42

Reação de troca de carga

Troca de um píon ou outro méson carregado entre dois núcleos

π+/-

Feixe

Alvo

11

Reação de dupla troca de carga

Ca40( O18 , Ne18

) Ar40Exemplo:

ββ

DTC

DTC

Ca40 → Ar40 +β++β+Relação com duplo-beta:

Ca40

O18

(0 ν)

12

0νββ e dupla troca de carga

M DTC=⟨ψf|O

DTC|ψi⟩

Ca40( O18 , Ne18

) Ar40Ex.:M 0 ν⇔M DTC

ββ

DTC

M 0 ν=⟨ψf|O

0 ν|ψi⟩

nn

pp

e+

e+W

Wψi ψf

nn

pp

ψi ψf

nn

pp

ππ

0νββ DTCν

● Mesmos estados i e f● Interações de curto

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

ψiψf

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

MAGNEXMAGNEX

14

DTC medidas com MAGNEX @ LNS18O Beam

18Ne

TargetTarget

MAGNEX

Dipole

Quadrupole

Focal Focal planeplane

DCE

Beam dump

0o

0.5 MeVResoluçãoFWHM

15 MeV/A

Cappuzzello et al. EPJA 51(2015)145

Distribuição angular

15

Fases do NUMEN @ LNS/INFN● Fase 1 (em andamento) 40Ca, 116Sn● Fase 2 – casos adicionais:

e desenvolvimentos técnicos:

– CS ciclotron: Ifeixe>1012 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

18O Beam

18Ne

Beam dump

Bunker

TargetTarget

MAGNEX

Dipole

Quadrupole

Focal Focal planeplane

DCE

0o

IFUSP

(emissores duplo-β)

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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 DQ

FPD

Proposta: uso de um “calorímetro” γ para veto de estados excitados e estudo do estado 2+.

MagnexMagnex

Projeto G-NUMENProjeto G-NUMEN

17

Caso difícil “típico”

● 18O+154Gd → 18Ne+154Sm

ββ

DCE

dσDTC

dΩ=10−100μ b/sr

Seções de choque de DTC esperadas (muito pequenas)

α=4.86

Coeficiente de conversão eletrônica

σTOT≈2−3b

ΔΩ≈1mb

18

Casos de interesse para NLDBD

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 DQ

FPD40 cm

calorímetro

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 paraPET

21

Forma mais “regular”

22

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 ns2 ns

t

P(0)=o=e−⟨k ⟩Poisson

P(1 ou +)=1−o

⟨k ⟩=RR

fReações por pulso

RR=I nσR

limpos

sujos

24

Reações nucleares

Frobrich and Lipperheide – Theory of Nuclear Reactions

25

Espectros “limpos”

Cd=d o+g o(1−ε) Cg=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 2.50

5

10

15

20

25

30

rd

rg

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

Re

lativ

e u

nce

rta

inty

(%

)

RDCE=I nd σDCE

dΩΔΩ

d=LσDCE T

26

Espectros limpos ou não

Ed=d (1−h)+g(1−ε)(1−h)

Eg=d h+g ε+g(1−ε)h

h=1−e−⟨k ⟩r εProbabilidade de 1 ou mais raios gama de outra reação na janela do 2+

Espectro gama2+

4+

Δ Eγ Eγ

r – probabilidade de 1 gama de outra reação (não DCE) estar noa janela

r≈Δ Eγ

SEγ

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Incerteza relativa

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– Calorímetro: 2016-2019 – Campanha experimental: 2019-2023

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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 Paulo2 Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - Laboratori Nazionali del Sud3 INFN - Sezione di Napoli and Dipartimento di Matematica e Fisica Seconda Università degli Studi di Napoli4 Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense5 Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares

7 Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università di Catania, Catania, Italy8 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

Itália – INFN,LNS/Un. Catania

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Extras

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

Saci

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Espectroscopia Espectroscopia e mecanismos de reações 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

γγ-p-p

Detector gamaDetector gama

Detector Detector partículapartícula

*

Z

feixe

alvo

feixe recuo

p

colisão

1171

704

7Li+120Sn Espectro de tempo Espectro γ

Raios característicos

gsAZ

Δ Eγ

Z=0

Z=1

Z=0

Z=2

Z=0

Z=3

Espectro de partículas

33

Simulações preliminares (espectro γ)u.

a.

E(keV)/2

Ideal: 100 % 4π

2π

+Chance BG 2π

π/2

82

185

267 277

359462

544

626

718 821

903

1333

LYSO

154Sm

34

SimulaçõesEstatística em 1 semana (previsão mais pessimista)

E(keV)/2

Ω=2π

Contagens

3 “tentativas”, ~10 contagens em cada uma

→ Incerteza estatística ~30%

(ruim)

σ = 16 nb

Conceitos quânticos

● Estados quânticos

● Função de onda, superposição e interferência

● Princípio da Incerteza

● Decaimento radioativo

● Transições quânticas – Elemento de Matriz

✗ ✓ψ(410)( r⃗ )

Δ pxΔ x≈ℏ

N=N 0 e−tτ

τ Δ E≈ℏ

Largura do nível

M if=<ψf|O|ψi >Operador de transição

i

f

Vida média

H

- Decaimento radioativo- Reações nucleares e seção de choque de espalhamento:

R=I nσ

ψ=ψ1+ψ2 |ψ|2=ψ

*ψ=|ψ1|

2+|ψ2|

2+ψ1

*ψ2+ψ1ψ2

*

Orbitais atômicos do H

Interf.

t

N

Neutrino e decaimento beta

...

e+

ν

β+

β-

Decaimento doNêutron

Pauli 1930

ν - Férmion (s=1/2), sem carga elétrica, m~0

2mec²

Anti-partículas

● Aniquilação e+/e-

● Anti-matéria

PET

H Anti-H

● Mésons (qq)

18F, 110min

ν , ν̄●

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 MeVCorte

0.5 MeV FWHMGaussians

E*(MeV)

Y(arb. un.)

0+ 2+ 4+ 6+ 8+

Fração contida no corte● 18Ne

Inclui ~99% do estado fundamental e do 2+154S

m