Studio del flusso di neutroni indotto dai muoni cosmici nei LNGS con l'esperimento LVD

Introduzione
principalmente nel canale di decadimento β-inverso, di neutrini da collassi
stellari gravitazionali nella nostra galassia ed e` in acquisizione dati dal 1992.
LVD e` in grado di rivelare sia il passaggio del muone sia la successiva
cattura del neutrone ed e` quindi particolarmente efficace per misurare il flusso
di neutroni indotti da muoni cosmici.
In questo lavoro di tesi abbiamo realizzato una simulazione completa del-
l’apparato utilizzando il Monte-Carlo Geant4 al fine di valutare la risposta del
rivelatore al segnale dovuto ai muoni ed in particolare ai neutroni e poter cos`ı
verificare i risultati sperimentali ottenuti in questi anni di acquisizione dati
(1994-2002).
Nel primo capitolo di questa tesi sono evidenziate le principali problema-
tiche nella fisica underground dovute al fondo e in particolare al fondo di
neutroni.
Le descrizioni del rivelatore LVD, dell’acquisizione dati e degli obiettivi
fisici sono presentati nel secondo capitolo.
Il terzo capitolo e` dedicato al programma di simulazione Geant4 e alle sue
caratteristiche.
Nel quarto capitolo sono descritte le simulazioni preliminari; sono tratta-
te in dettaglio la produzione di neutroni indotti dai muoni e la cattura dei
neutroni nei vari materiali che compongono il rivelatore.
L’ultimo capitolo e` dedicato alla simulazione completa del rivelatore LVD:
la generazione e la selezione degli eventi, le caratteristiche dei neutroni prodotti
dal passaggio dei muoni cosmici nel rivelatore e la simulazione della risposta
del rivelatore. Infine si e` fatto un confronto con i dati reali.
Alcune considerazioni finali concludono questo lavoro di tesi.
- 2 -
Capitolo 1
La fisica underground e i
neutroni
Negli ultimi anni hanno assunto grande importanza gli esperimenti dedicati
alla rivelazione di neutrini, alla ricerca di eventi rari (decadimento del proto-
ne, decadimento doppio-β senza neutrini) o di segnali deboli (rivelazione di
particelle che costituiscono la cosidetta materia oscura).
Tali esperimenti devono essere condotti in condizioni di rumore di fondo
particolarmente basso. La maggior parte del fondo, generalmente, e` dovuto
ai raggi cosmici e alla radioattivita` naturale. Il modo migliore per schermare
la radiazione cosmica e` quello di effettuare gli esperimenti in luoghi sotterra-
nei. Numerosi laboratori operano, o hanno operato, in questo tipo di fisica:
i laboratori di Baksan, Homestake, Kolar Gold Field, Monte Bianco, Frejus,
Canfranc, Soudan, Kamioka e Sudbury. In Italia si trova il piu` grande di tali
laboratori: il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso, nato negli anni ’80 da
un’idea del prof. Antonino Zichichi [1].
Gli esperimenti underground sono schermati dalla radiazione cosmica, ma
sono comunque soggetti a radiazioni di diversa origine. Se consideriamo siti
poco profondi, i fondi principali sono dovuti all’interazione con la roccia dei
raggi cosmici secondari quali muoni, pioni e neutroni. Scendendo in profondita`,
invece, i pioni sono assorbiti dalla roccia e restano quindi solo le componenti
- 3 -
La fisica underground e i neutroni
piu` penetranti che sono muoni e neutrini.
Un’altra sorgente importante del fondo e` la radioattivita` naturale dovuta
alla presenza di nuclidi radioattivi nella roccia, nei materiali che rivestono il
laboratorio e anche nei materiali usati nella costruzione dei rivelatori.
In particolare i neutroni rappresentano un fondo importante per gli espe-
rimenti sotterranei e possono essere un fattore chiave che limita la sensibilita`
del rivelatore. Infatti, a differenza degli adroni carichi, che possono essere ri-
conosciuti ed eliminati da un sistema di tracciamento esterno ai rivelatori, i
neutroni non sono rivelati fino alla loro cattura; ed in questo caso non sono
sempre riconoscibili e possono essere scambiati per altre particelle.
In questo capitolo saranno descritte le principali sorgenti di neutroni nei
laboratori sotterranei, con particolare riferimento ai Laboratori Nazionali del
Gran Sasso, oggetto di questa tesi.
1.1 I Laboratori Nazionali del Gran Sasso
Il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso e` stato ideato dal prof. Antonino
Zichichi negli anni ’80 quando era presidente dell’INFN; esso e` stato realizzato
in occasione della costruzione del traforo autostradale, lungo circa 10 km, che
collega Teramo con L’Aquila. Esso e` il laboratorio sotterraneo piu` grande al
mondo dedicato agli esperimenti di fisica delle astroparticelle e degli eventi
rari.
Le tre aree sperimentali (sale A, B e C) (si veda figura 1.1) sono situate
circa a meta` del traforo che attraversa il massiccio del Gran Sasso. Ciascuna
sala e` lunga 100 m, larga 20 m e alta circa 18 m; in totale, compresi i tunnel di
servizio, il volume occupato e` di 180000 m3. Entrando dal versante aquilano, la
copertura di roccia aumenta progressivamente fino a raggiungere uno spessore
di circa 1490 m al km 6.250, in corrispondenza del Monte Aquila: proprio
in questa posizione sono stati scavati i laboratori sotterranei. A causa delle
grandi quantita` d’acqua presenti all’interno del Gran Sasso, la temperatura e` di
6−7 ◦C e l’umidita` quasi del 100% durante tutto l’anno, ma per ovviare a cio`, le
sale sono state coibentate, impermeabilizzate e dotate di ventilazione tramite
- 4 -
1.1 — I Laboratori Nazionali del Gran Sasso
Figura 1.1: I Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
Figura 1.2: Sito esterno dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
- 5 -
La fisica underground e i neutroni
una tubazione che corre lungo tutta la galleria autostradale fino all’esterno in
modo da avere nelle sale sperimentali una temperatura di circa 20 ◦C e un
tasso di umidita` del 20%. I dati raccolti dai vari esperimenti giungono, per
mezzo di cavi a fibre ottiche, ai laboratori esterni (figura 1.2), situati a circa
8 km di distanza, presso Assergi (Aq), dove sono conservati ed elaborati. Le
strutture esterne constano di un complesso di circa 12000 m2 che ospita uffici,
laboratori scientifici, sale conferenze, la mensa, la foresteria e alcune sale per
l’assemblaggio ed il collaudo degli esperimenti [2].
Nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, lo strato di roccia (circa 1400
m) che sovrasta le sale sperimentali riduce il fondo dovuto ai raggi cosmici
di un fattore 106, e il flusso di neutroni e` ridotto di un fattore 103 rispetto a
quello della superficie, grazie al basso contenuto di Torio e Uranio nella roccia
del Gran Sasso. Le caratteristiche appena descritte, rendono i Laboratori
Nazionali del Gran Sasso un sito ideale per tutti quegli esperimenti che, nel
campo della fisica astroparticellare e dell’astrofisica nucleare, richiedono un
fondo molto basso.
1.1.1 La fisica studiata ai Laboratori del Gran Sasso
Le linee principali dei programmi scientifici dei Laboratori riguardano lo studio
della fisica del neutrino, lo studio di reazioni nucleari di interesse astrofisico e
la ricerca di materia oscura.
La fisica dei neutrini solari e` stata studiata dagli esperimenti Gallex e GNO
(conclusi nel 2004) e attualmente dall’esperimento Borexino, che e` principal-
mente dedicato alla misura della componente del 7Be (862 keV) dei neutrini
solari. Allo stato attuale, l’esperimento e` pronto per essere completato ed
assumere la sua configurazione finale per l’acquisizione dati.
L’esperimento LVD e` in acquisizione dati dal 1992 e si occupa principal-
mente della rivelazione di neutrini di bassa energia da collassi stellari.
Il progetto del fascio di neutrini dal CERN al Gran Sasso (CNGS), otti-
mizzato per lo studio delle oscillazioni dei neutrini tramite l’osservazione della
comparsa del ντ da un fascio di neutrini νµ, ha dato vita a due esperimenti:
OPERA, un rivelatore a emulsioni nucleari che sta per essere completato,
- 6 -
1.1 — I Laboratori Nazionali del Gran Sasso
e ICARUS, un rivelatore TPC ad argon liquido di 600 t che e` in fase di
installazione.
Gli esperimenti CUORICINO e Heidelberg-Moscow, impiegando tec-
niche di rivelazione diverse e complementari, si occupano della ricerca del de-
cadimento doppio-β senza neutrini. Sulla stessa linea di ricerca sono stati
approvati altri due esperimenti che rappresentano l’evoluzione dei precedenti:
CUORE e GERDA.
L’esperimento LUNA, utilizzando un acceleratore da 400 keV, si occupa
della misura delle sezioni d’urto delle reazioni nucleari che avvengono all’inter-
no del sole o delle stelle, misure fondamentali per comprendere e verificare il
modello solare standard.
Lo studio della materia oscura e` oggetto di ricerca negli apparati sperimen-
tali di DAMA/LIBRA. Attualmente e` presente anche un altro esperimento
per la ricerca di materia oscura che usa una diversa tecnica di osservazio-
ne, CRESST. Inoltre si stanno preparando altri due esperimenti WARP e
XENON.
Occorre infine ricordare che nei laboratori sotterranei sono presenti esperi-
menti di geologia e biologia.
1.1.2 Composizione della roccia del Gran Sasso
La roccia che costituisce il massiccio del Gran Sasso e` formata principalmente
da CaCO3 e MgCO3 con una densita` di (2.71±0.05) g/cm3 [3]. La percentuale
in peso degli elementi e` riportata in tabella 1.1.
Come gia` detto in precedenza, la roccia che circonda i Laboratori ha un
basso contenuto di Torio e Uranio, ma a causa della presenza della roccia
marnosa nera, queste contaminazioni sono dalle 10 alle 30 volte piu` elevate
Element C O Mg Al Si K Ca
% Weight 11.88 47.91 5.58 1.03 1.27 1.03 30.29
Tabella 1.1: Composizione chimica della roccia del Gran Sasso.
- 7 -
La fisica underground e i neutroni
Hall Activities (ppm)
238U 232Th
A 6.80± 0.67 2.167± 0.074
B 0.42± 0.10 0.062± 0.020
C 0.66± 0.14 0.066± 0.025
Tabella 1.2: Attivita` degli elementi 238U e 232Th presenti nella roccia del Gran
Sasso nelle 3 sale sperimentali.
Element H C O Na Mg Al Si
% Weight 0.89 7.99 48.43 0.6 0.85 0.9 3.86
Element P S K Ca Ti Fe
% Weight 0.04 0.16 0.54 34.06 0.04 0.43
Tabella 1.3: Composizione chimica del cemento dei Laboratori.
nella sala A (dove si trova il rivelatore LVD) rispetto alle altre sale [4], come
mostrato in tabella 1.2. La composizione chimica e la percentuale in peso dei
vari elementi che costituiscono il cemento armato usato per la costruzione dei
Laboratori e` data in tabella 1.3 e non ci sono grandi variazioni tra le tre sale
sperimentali [5]. Il contenuto d’acqua nel cemento armato e` tipicamente del
12% e la sua densita` e` compresa tra 2.3 e 2.5 g/cm3 a seconda della percentuale
d’acqua presente; le contaminazioni da Uranio e Torio sono rispettivamente
(1.05±0.12) ppm e (0.656±0.028) ppm [6]. Tali contaminazioni sono importanti
per valutare il fondo di neutroni, come sara` spiegato nel paragrafo 1.2.1.
1.2 Origine dei neutroni nei laboratori sotter-
ranei
Nei laboratori sotterranei due sono le principali sorgenti di neutroni che pos-
sono costituire un fondo per gli esperimenti:
- 8 -
1.2 — Origine dei neutroni nei laboratori sotterranei
Figura 1.3: Spettro energetico dei neutroni emessi dalla fissione spontanea
dell’ 238U.
• la radioattivita` naturale come la fissione spontanea e le reazioni (α,n)
dovute alla presenza di nuclidi radioattivi.
• l’interazione dei muoni cosmici con la roccia o il rivelatore stesso.
I neutroni che provengono dalla radioattivita` naturale hanno basse energie,
come si puo` vedere dallo spettro energetico dei neutroni che provengono dalla
fissione spontanea dell’ 238U (vedi figura 1.3), mentre i neutroni prodotti dai
muoni cosmici possono essere di piu` alta energia (si veda la figura 5.8). In
generale, a profondita` di 3000-4000 m w.e. (Gran Sasso 3800 m w.e.) il flusso
di neutroni dovuti all’attivita` dell’ambiente circostante i laboratori e` dai 2 ai
- 9 -
La fisica underground e i neutroni
3 ordini di grandezza piu` grande rispetto al flusso di neutroni che provengono
dalle interazioni dei muoni cosmici.
1.2.1 I neutroni da radioattivita` naturale
La sorgente di neutroni dominante alle grandi profondita`, dove i raggi cosmici
sono significativamente ridotti, sono la fissione spontanea di alcuni elementi,
principalmente 238U, e le reazioni (α,n) sugli elementi leggeri (ad esempio Li,
F, Na).
La fissione spontanea consiste nella rottura di un nucleo, in genere nuclei
pesanti e con molti neutroni, in modo naturale. Tale processo fu scoperto
nel 1940 da Flerov come proprieta` del nucleo di 238U. I prodotti della fissione
sono due nuclei con massa atomica simile e alcuni neutroni; tali prodotti non
sono univocamente determinati, ma sono statisticamente distribuiti intorno ai
nuclei con peso atomico pari a circa la meta` di quello del nucleo genitore. Vi
sono essenzialmente tre nuclei che possono avere in natura fissione spontanea
e che sono presenti nella roccia del Gran Sasso e, come contaminazione, nel
cemento armato usato per il rivestimento interno del laboratorio: 238U, 235U
e 232Th. Qui consideriamo solo i neutroni prodotti dalla fissione spontanea
dell’Uranio-238, perche´ tra i tre nuclei citati e` quello con il tempo di vita media
minore (considerando la sua concentrazione e la vita media di fissione). Il rate
di fissione spontanea dell’Uranio-238 e` pari a 0.218 fissioni/anno/g/ppm e il
numero medio di neutroni prodotti per fissione e` dell’ordine di (2.4± 0.2) [7],
ovvero 0.52 neutroni/anno/g/ppm. Per ottenere il flusso di neutroni da fissione
di Uranio-238, per esempio nella sala A dove la contaminazione e` maggiore,
e` sufficiente moltiplicare il valore ottenuto (0.52 neutroni/anno/g/ppm) per
l’attivita` di 238U nella roccia che circonda la sala A che corrisponde a 6.80 ppm;
si ottiene, quindi, un numero di neutroni pari a 3.54 e 0.55 neutroni all’anno
per grammo di roccia e di cemento armato rispettivamente. Lo spettro dei
neutroni emessi dalla fissione spontanea dell’uranio-238 e` riportato in figura
1.3 e segue lo spettro di Watt:
N(E) = C exp
(
−E
a
)
sinh bE 12 (1.1)
- 10 -