Studio del flusso di neutroni indotto dai muoni cosmici nei LNGS con l'esperimento LVD
Autore
Rino Persiani - Università degli Studi di Bologna - [2005-06]
Documenti
Abstract
Il lavoro di questa tesi è stato dedicato allo studio dei neutroni indotti dai muoni cosmici nell'esperimento LVD. A tale scopo è stato sviluppato e messo a punto un programma di simulazione Monte-Carlo nel framework di Geant4.
I muoni cosmici di alta energia (mediamente 280 GeV alla profondit\`a dei LNGS) possono generare neutroni tramite cascate elettromagnetiche ed adroniche nel passaggio attraverso l'apparato.
I neutroni sono particelle neutre e molto penetranti, risulta quindi difficile eliminarli tramite un sistema di veto. Lo studio del flusso di neutroni è particolarmente importante perché essi rappresentano un fondo per gli esperimenti dedicati alla rivelazione di neutrini (in particolare antineutrini dell'elettrone di bassa energia), alla ricerca di eventi rari (decadimento del protone, decadimento doppio-beta senza neutrini) o di segnali deboli (rivelazione di particelle che costituiscono la cosidetta materia oscura).
L'esperimento LVD (Large Volume Detector) è un rivelatore di particelle situato nella sala A dei LNGS ad una profondità di circa 3600 metri di acqua equivalente (m w.e.).
Esso è un rivelatore modulare di circa 1000 tonnellate di scintillatore liquido ottimizzato per l'osservazione, tramite decadimento beta-inverso, di neutrini da collassi stellari gravitazionali nella nostra galassia ed è in acquisizione dati dal 1992.
LVD è in grado di rivelare sia il passaggio del muone sia la successiva cattura del neutrone ed è quindi particolarmente adatto per misurare il flusso di neutroni indotti da muoni cosmici.
La tesi si articola in cinque capitoli: sono illustrate le principali problematiche nella fisica underground dovute al fondo ed in particolare al fondo di neutroni; è fornita la descrizione del rivelatore e dell'acquisizione dati; è poi descritto il programma di simulazione Geant4 e il confronto con i dati sperimentali.
Sono stati trattati in dettaglio la produzione di neutroni indotti dai muoni e la cattura dei neutroni nei diversi materiali che compongono il rivelatore LVD.
Si è studiato il comportamento dei neutroni generati all'interno di un contatore ed in particolare si è ottenuto un tempo di cattura dei neutroni pari a 200 microsecondi, in ottimo accordo con le misure sperimentali effettuate con una sorgente di 252-Cf.
Si è sviluppata la simulazione completa dell'intero rivelatore LVD e si sono studiati in dettaglio la produzione di neutroni nell'apparato, la loro propagazione e cattura.
L'efficienza di rivelazione della cattura dei neutroni in scintillatore, epsilon=60%, è in ottimo accordo con il valore utilizzato nell'analisi dei dati sperimentali.
Come primo confronto con i dati acquisiti in LVD si è studiata la distribuzione della distanza fra la traccia del muone e il punto di cattura del neutrone. I risultati ottenuti dalla simulazione sono in buon accordo con i dati sperimentali, ad ulteriore prova dell'affidabilità della simulazione.
Il programma di simulazione sviluppato in questo lavoro di tesi sarà di fondamentale importanza per tutta l'analisi dei neutroni in LVD e servirà per verificare e convalidare i risultati ottenuti, oltre che per permettere di dare una misura del flusso di neutroni nei LNGS.
I muoni cosmici di alta energia (mediamente 280 GeV alla profondit\`a dei LNGS) possono generare neutroni tramite cascate elettromagnetiche ed adroniche nel passaggio attraverso l'apparato.
I neutroni sono particelle neutre e molto penetranti, risulta quindi difficile eliminarli tramite un sistema di veto. Lo studio del flusso di neutroni è particolarmente importante perché essi rappresentano un fondo per gli esperimenti dedicati alla rivelazione di neutrini (in particolare antineutrini dell'elettrone di bassa energia), alla ricerca di eventi rari (decadimento del protone, decadimento doppio-beta senza neutrini) o di segnali deboli (rivelazione di particelle che costituiscono la cosidetta materia oscura).
L'esperimento LVD (Large Volume Detector) è un rivelatore di particelle situato nella sala A dei LNGS ad una profondità di circa 3600 metri di acqua equivalente (m w.e.).
Esso è un rivelatore modulare di circa 1000 tonnellate di scintillatore liquido ottimizzato per l'osservazione, tramite decadimento beta-inverso, di neutrini da collassi stellari gravitazionali nella nostra galassia ed è in acquisizione dati dal 1992.
LVD è in grado di rivelare sia il passaggio del muone sia la successiva cattura del neutrone ed è quindi particolarmente adatto per misurare il flusso di neutroni indotti da muoni cosmici.
La tesi si articola in cinque capitoli: sono illustrate le principali problematiche nella fisica underground dovute al fondo ed in particolare al fondo di neutroni; è fornita la descrizione del rivelatore e dell'acquisizione dati; è poi descritto il programma di simulazione Geant4 e il confronto con i dati sperimentali.
Sono stati trattati in dettaglio la produzione di neutroni indotti dai muoni e la cattura dei neutroni nei diversi materiali che compongono il rivelatore LVD.
Si è studiato il comportamento dei neutroni generati all'interno di un contatore ed in particolare si è ottenuto un tempo di cattura dei neutroni pari a 200 microsecondi, in ottimo accordo con le misure sperimentali effettuate con una sorgente di 252-Cf.
Si è sviluppata la simulazione completa dell'intero rivelatore LVD e si sono studiati in dettaglio la produzione di neutroni nell'apparato, la loro propagazione e cattura.
L'efficienza di rivelazione della cattura dei neutroni in scintillatore, epsilon=60%, è in ottimo accordo con il valore utilizzato nell'analisi dei dati sperimentali.
Come primo confronto con i dati acquisiti in LVD si è studiata la distribuzione della distanza fra la traccia del muone e il punto di cattura del neutrone. I risultati ottenuti dalla simulazione sono in buon accordo con i dati sperimentali, ad ulteriore prova dell'affidabilità della simulazione.
Il programma di simulazione sviluppato in questo lavoro di tesi sarà di fondamentale importanza per tutta l'analisi dei neutroni in LVD e servirà per verificare e convalidare i risultati ottenuti, oltre che per permettere di dare una misura del flusso di neutroni nei LNGS.
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