DarkSide Document 1392-v1

CARATTERIZZAZIONE DEL RIVELATORE DI NEUTRONI PER LA RIVELAZIONE DIRETTA DI WIMPs CON DARKSIDE

Document #:
DarkSide-doc-1392-v1
Document type:
Note
Submitted by:
Davide D'Angelo
Updated by:
Davide D'Angelo
Document Created:
11 Oct 2015, 19:03
Contents Revised:
11 Oct 2015, 19:03
Metadata Revised:
13 Oct 2015, 09:23
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Abstract:
La materia oscura, la cui esistenza è stata provata da diversi studi sperimen- tali, è uno dei problemi aperti della fisica contemporanea: una delle teorie proposte per dare una spiegazione alla natura di questa materia “invisibile” è che essa sia composta da generiche particelle elementari massive debolmenti interagenti non ancora scoperte, denominate WIMPs, acronimo di Weakly Interacting Massive Particles. Le WIMPs rappresentano il candidato più verosimile nel panorama degli studi sulla materia oscura non relativistica: il range di massa aspettato varia tra poche decine di GeV e alcuni TeV, la carica elettrica e di colore sono nulle e la sezione d’urto è dell’ordine delle interazioni deboli.
Esistono principalmente due modi per studiare le WIMPs: esse possono essere prodotte mediante esperimenti di fisica attiva, ovvero esperimenti che utilizzano fasci di particelle accelerate, come ad esempio LHC, oppure pos- sono essere studiate da esperimenti di fisica passiva, cioè apparati costruiti per effettuarne un’osservazione indiretta o diretta. L’osservazione diretta è il metodo più innovativo ed efficace per poter studiare le WIMPs: il princi- pio alla base è lo scattering nucleare delle particelle di materia oscura con un materiale bersaglio; la Terra, il cui moto è solidale alla galassia, è in- fatti soggetta ad un costante “vento di WIMPs” in quanto la Via Lattea è immersa in un alone di materia oscura non solidale con essa. É quindi possi- bile ricercare le interazioni di queste particelle in moto relativo rispetto alla Terra con i nuclei di un materiale bersaglio per avere una prova della loro esistenza: il segnale aspettato è un rinculo nucleare di energia ∼ 100 keV molto raro, dell’ordine di poche interazioni annuali per tonnellata di bersa- glio. Questo metodo richiede particolari accorgimenti, legati alla difficoltà di rivelazione di questo segnale molto raro: occorre costruire gli appara- ti con materiali estremamente radiopuri, in locazioni apposite, e conoscere perfettamente il fondo radioattivo residuo.
L’esperimento DarkSide, sul quale verte questo lavoro di tesi, è un ap- parato sperimentale costruito presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), con l’intento di effettuare l’osservazione diretta di WIMPs. L’ap- parato DarkSide-50, entrato in funzione a Novembre 2013, utilizza una TimeProjection Chamber bifasica con 50 kg di Argon come bersaglio per le intera- zioni di materia oscura; esso è inoltre dotato di un sistema di veto costituito da uno scintillatore (il Neutron Veto) e da un rivelatore Čerenkov (il Muon Veto). Questa coppia di rivelatori, in particolare il rivelatore di neutroni, costituisce una peculiarità del progetto perchè permette di rigettare dai da- ti la componente di fondo più pericolosa, formata dai neutroni radiogenici e cosmogenici, in quanto il segnale prodotto dalle loro interazioni nucleari non è altrimenti distinguibile da quello prodotto da interazioni di WIMPs.
Questo lavoro di tesi è incentrato sul sistema di veto di DarkSide-50, e si divide principalmente in quattro parti. Nella prima parte sono presenta- ti alcuni miglioramenti all’elettronica del veto e la manutenzione di alcuni componenti, in particolare del Neutron Veto, con i conseguenti test di fun- zionalità svolti. Successivamente è presentato uno studio della stabilità temporale dei PMT. Nella terza parte del lavoro è presentato il program- ma per la visualizzazione tridimensionale dei rate di tutti i PMT del veto: è un importante sistema di monitoring online per visualizzare le tipologie di evento che presentano significative anisotropie; inoltre è utilizzato per correlare lo stato dei fotomoltiplicatori alla posizione che occupano nell’ap- parato, sia durante la normale presa dati che durante le operazioni e i test effettuati sul rivelatore.
Infine l’ultima parte del lavoro concerne la caratterizzazione dello scintil- latore e in particolare l’analisi del fondo radioattivo di 14C, il più importante contaminante presente nel Neutron Veto. Tramite questa analisi si è arrivati a misurare le principali caratteristiche fisiche dello scintillatore, per esem- pio la resa in luce, e della componente di fondo data dal 14C. Durante lo studio del fondo radioattivo sono stati presi in esame diversi algoritmi di clustering: il lavoro svolto ha portato alla definizione del miglior algoritmo per l’analisi dei dati del veto di DarkSide-50.
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theses veto ds50
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Master Thesis - Milano University (in italian).
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