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 !!
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Reação de troca de carga
Troca de um píon ou outro méson carregado entre dois núcleos
π+/-
Feixe
Alvo
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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)
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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
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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
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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
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Casos de interesse para NLDBD
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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
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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
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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
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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
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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
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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