Autoreferat. 1. Dane osobowe: Aktualna afiliacja/adres:

Transkrypt

1 Autoreferat 1. Dane osobowe: Imię/Nazwisko: Data/miejsce urodzenia: Narodowość: Aktualna afiliacja/adres: 2. Stopnie naukowe: Doktora: Magistra: Grzegorz Zuzel , Wieluń, Polska Polska Uniwersytet Jagielloński, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Instytut Fizyki im. M. Smoluchowskiego Prof. Stanisława Łojasiewicza 11, Kraków, Polska uzyskany z wyróżnieniem , Wydział Matematyki, Fizyki i Informatyki, Uniwersytet Jagielloński, Kraków Tytuł rozprawy: 226 Ra in the nylon scintillator vessel as a background source in the solar neutrino experiment BOREXINO uzyskany z wyróżnieniem , Wydział Matematyki i Fizyki, Uniwersytet Jagielloński, Kraków Tytuł pracy: 222 Rn diffusion through polymer membranes 3. Zatrudnienie: Adiunkt, Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński Max Planck Institute for Nuclear Physics, Heidelberg, Niemcy Post-doc w ramach projektu IDEA (ILIAS-JRA2), Max Planck Institute for Nuclear Physics, Heidelberg, Niemcy Max Planck Institute for Nuclear Physics, Heidelberg, Niemcy. 4. Osiągnięcia naukowe: a) Autor: Grzegorz Zuzel b) Tytuł: Searching for rare nuclear processes at low energies development of background reduction techniques for cutting-edge experiments, Wydano w Instytucie Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk, ISBN , Kraków c) Przegląd tematyki badawczej i uzyskanych wyników: W eksperymentach zaprojektowanych do badań fundamentalnych zagadnień wykraczających poza Model Standardowy, jak np. oscylacje niskoenergetycznych (E ~ 1 MeV) neutrin słonecznych, niezachowanie liczby leptonowej, rozpad protonu czy oddziaływania cząstek ciemnej zimnej materii, oczekiwany sygnał jest niezwykle słaby. Dlatego też odpowiednie detektory muszą charakteryzować się dużą masą aktywną oraz niezwykle niskim biegiem własnym, na który ogromny wpływ ma promieniotwórczość naturalna oraz promieniowanie kosmiczne. To ostanie można wyeliminować poprzez umieszczenie detektora(ów) w głębokich laboratoriach podziemnych. W przypadku promieniotwórczości naturalnej wymagane jest, aby materiały konstrukcyjne oraz osłony wykonane zostały z materiałów praktycznie wolnych od izotopów promieniotwórczych. Zrozumienie procesów jądrowych zachodzących przy niskich energiach (~1 MeV) i obserwowalnych w laboratoriach ma ogromne znaczenie dla współczesnej fizyki cząstek elementarnych, astrofizyki i kosmologii. Prowadzone obecnie eksperymenty dotyczą m.in. badań właściwości neutrin, ewolucji gwiazd, poszukiwań niebarionowej ciemnej materii, rozpadu protonu lub podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta. Odkrycie niezerowej masy neutrin oraz ich oscylacji jest już dobrze ugruntowane, jednakże absolutna skala ich mas ciągle nie jest znana. Nie jest również wiadomo czy neutrino jest cząstką Diraca czy Majorany, czyli czy jest swoją własną antycząstką. Te fundamentalne problemy można rozstrzygnąć np. poprzez badanie podwójnego rozpadu beta. W klasycznym rozpadzie beta neutron znajdujący się w jądrze atomowym rozpada się na proton, któremu towarzyszy elektron i antyneutrino elektronowe. Jednak dla niektórych izotopów rozpad beta nie może zajść ze względu na zasadę zachowania energii. Mimo to równoczesna konwersja dwóch neutronów jest możliwa i proces taki został zarejestrowany m.in. dla 76 Ge, 130 Te czy 136 Xe (łącznie dla dziesięciu izotopów). Pomiary wykonane z bardzo dużą precyzją pozwoliły wyznaczyć czasy połowicznego 1

2 zaniku ze względu na wspomniany proces na poziomie lat (10 24 lat dla 128 Te). Mamy więc do czynienia z jednym z najrzadszych rozpadów jaki kiedykolwiek zaobserwowano. Jeżeli neutrino byłoby cząstką Majorany powinien zachodzić także podwójny rozpad bezneutrinowy, lecz z jeszcze mniejszym prawdopodobieństwem. Jest on możliwy tylko wtedy, gdy neutrino i antyneutrino są cząstkami identycznymi, przy równoczesnym niezachowaniu liczby leptonowej. Na podstawie najnowszych danych eksperymentalnych wiemy, iż czas połowicznego zaniku dla podwójnego rozpadu bezneutrinowego wynosi co najmniej lat. Innym niezwykle ekscytującym problemem jest budowa Wszechświata. Szereg obserwacji astronomicznych wskazuje na to, iż gwiazdy w galaktykach oraz gromady galaktyk zanurzone są w halo nieświecącej materii, posiadającej masę co najmniej o rząd wielkości większą niż masa materii widzialnej. Mimo, iż pośrednio istnienie ciemnej materii jest dość dobrze udokumentowane, jej natura ciągle nie jest znana. Teorie rozszerzające Model Standardowy sugerują możliwość bezpośredniej rejestracji cząstek ciemnej, zimnej materii (określanych wspólnym mianem słabo oddziałujących cząstek masywnych: Weakly Interacting Massive Particles WIMPs), poprzez oddziaływania (głównie) z jądrami atomowymi. Odkrycie WIMP-ów, podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta lub rozpadu protonu miałoby ogromne znaczenie dla współczesnej fizyki. Poszukiwania tych procesów są jednak bardzo trudne ze względu na fakt, iż oczekiwany sygnał jest niezwykle słaby. Masy czynne pracujących obecnie detektorów są rzędu kilku do kilkudziesięciu kilogramów i zasadniczo do tej pory w żadnym z nich nie zarejestrowano bezspornie pozytywnego sygnału. W przygotowywanych eksperymentach nowej generacji masy czynne będą na poziomie ton. Jednakże, aby znacząco poprawić ich czułość, równocześnie ze zwiększeniem masy, obniżone musi zostać tło detektorów. Tło, czyli sygnał generowany prze sam detektor, pochodzi głównie od rozpadów wszechobecnych naturalnych radioizotopów zawartych np. w materiale tarczy. Rozpady te są ponad miliard razy częstsze niż procesy, których się poszukuje, dlatego też minimalizacja i identyfikacja zdarzeń tła jest jednym z najtrudniejszych zadań. Rejestracja niezwykle rzadkich procesów wymaga ponadto zastosowania wyrafinowanych technik analizy danych, które pozwalają na wyeliminowanie zaburzających pomiar sygnałów pochodzących od promieniowania kosmicznego czy też od lokalnego otoczenia. Jeżeli rzeczywisty poziom zanieczyszczeń detektora izotopami promieniotwórczymi nie jest znany, zwłaszcza dla elementów tarczy lub w jej pobliżu, nie jest możliwe dokładne wyznaczenie tła. Zazwyczaj oszacować można wtedy tylko jego górną granicę, co powoduje znaczne obniżenie czułości detektora. Dlatego też, niezbędne jest opracowanie aparatury oraz technik pomiarowych, pozwalających na pomiary aktywności izotopów promieniotwórczych poniżej poziomu μbq. Budowa odpowiednich urządzeń, przygotowanie procedur oraz znaczenie uzyskanych wyników dla eksperymentów BOREXINO (detekcja nisko-energetycznych neutrin słonecznych), GERDA (poszukiwania podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta izotopu 76 Ge), DARKSIDE (poszukiwanie bezpośrednich oddziaływań cząstek ciemnej zimnej materii) oraz NEXT (poszukiwania podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta izotopu 136 Xe) przedstawione zostały w niniejszym podsumowaniu. Badania niskich aktywności mają także szerokie zastosowania w naukach stosowanych. Ultraczułe systemy detekcji śladowych ilości radioizotopów mogą być wykorzystane do badań próbek środowiskowych, biologicznych czy medycznych (zapewniając duża dokładność i wydajność pomiarową). Dla gazów, cieczy oraz ciał stałych prowadzić można pomiary poziomu zanieczyszczeń oraz testy różnych metod oczyszczania, co prowadzi do opracowania procesów wytwarzania ultra-czystych materiałów. Są one niezwykle ważne w wielu gałęziach badań i zastosowaniach praktycznych, związanych np. z nanotechnologiami czy też elektroniką. Pomiary niskich aktywności są także niezwykle ważne z punktu widzenia możliwości monitoringu instalacji nuklearnych, odpadów promieniotwórczych, zapobiegania rozprzestrzenianiu materiałów rozszczepialnych oraz wykrywania testów broni jądrowej (np. poprzez regularne pomiary aktywności niektórych radioizotopów w powietrzu). Moje zainteresowania naukowe dotyczą głównie najnowszych badań z pogranicza fizyki jądrowej, astrofizyki i fizyki cząstek elementarnych. Mają one na celu dogłębne poznanie procesów spoza Modelu Standardowego (w przypadku ich rejestracji), takich jak niezachowanie liczby leptonowej (występowanie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta) czy też istnienia cząstek ciemnej materii (poszukiwanie ich bezpośrednich oddziaływań). Mój udział w tego typu projektach związany jest z opracowywaniem oraz implementacją nowatorskich technik eksperymentalnych, prowadzących do redukcji tła o szereg rzędów wielkości, do poziomu pojedynczych rozpadów na rok. Tylko tak niski bieg własny gwarantuje bowiem powodzenie wspomnianych projektów, głównie ze względu na oczekiwany sygnał, który jest na podobnym poziomie (lub słabszy). W 1998 r przystąpiłem do eksperymentu BOREXINO, który realizowany jest w laboratorium podziemnym w Gran Sasso (LNGS) we Włoszech i od roku 2007 rejestruje w czasie rzeczywistym niskoenergetyczne neutrina słoneczne [Nature 512 (2014) 383]. W ramach BOREXINO zajmowałem się najważniejszymi problemami tła, odkrywając m.in. bardzo silną zależność współczynnika dyfuzji radonu w foliach polimerowych od ich zawartości wody [NIMA 524 (2004) 355]. Wykorzystałem ten fakt do opracowania 2

3 oryginalnej, i ciągle najczulszej, metody pomiaru zawartości 226 Ra w cienkich foliach [NIMA 498 (2003) 240]. Jako jedyna pozwala ona na rozróżnienie pomiędzy zanieczyszczeniami powierzchniowymi (które mogą zostać usunięte), a wewnętrznymi (tzw. bulk), co było niezwykle ważne dla detektora BOREXINO. Z wykorzystaniem opracowanej techniki pomiarowej przeprowadziłem szereg pomiarów mających na celu wyselekcjonowanie najczystszego materiału do budowy nylonowego zbiornika ciekłego scyntylatora krytycznego elementu detektora. Uzyskane wyniki pozwoliły na wybór najczystszej folii oraz pokazały jednoznacznie nierównowagę pomiędzy 226 Ra a 238 U ( 238 U badano metodami spektroskopii masowej ICP-MS). Odkrycie nierównowagi promieniotwórczej pomiędzy Ra i U było krokiem milowym jeżeli chodzi o poprawną interpretację danych uzyskanych różnymi metodami pomiarowymi (spektroskopia gamma, spektroskopia masowa ICP-MS, emanacja radonu) i ich zastosowaniem w symulacjach Monte Carlo biegu własnego detektorów niskotłowych. We współpracy z dr Simgenem opracowaliśmy także metody uzyskiwania ultra-czystego gazowego azotu [AIP Conf. Proc. 897 (2007) 45; Int. J. Mod. Phys. A 29 (2014) ]. Jest to jak do tej pory najczystszy gaz (ze względu na zawartość śladowych ilości gazowych izotopów promieniotwórczych, np. 39 Ar, 85 Kr, 222 Rn) dostępny w laboratoriach. Dzięki jego wykorzystaniu w procesie oczyszczania ciekłego scyntylatora, w detektorze BOREXINO udało się uzyskać niezwykle niskie tło (w żadnym innym detektorze nie udało się uzyskać podobnego poziomu). Niektóre, z opracowanych technik pomiarowych wykorzystane zostały przez inne zespoły, np. KamLAND (badania dyfuzji radonu, oczyszczanie gazów). Więcej szczegółów na temat wspomnianych technik eksperymentalnych znaleźć można w publikacjach zespołu BOREXINO [np. Astrop. Phys. 18 (2002) 1]. W 2004 r brałem udział w formowaniu zespołu GERDA. Głównym celem tego eksperymentu, zlokalizowanego w LNGS, jest rejestracja podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta izotopu 76 Ge. Wykorzystujemy do tego celu detektory germanowe wysokiej czystości (HPGe) wzbogacone w 76 Ge do około 86% i zanurzone w ciekłym argonie (LAr) [Phys. Rev. Lett. 111 (2013) ]. W ramach zespołu GERDA jestem członkiem Project Management Group, Editorial Board i koordynuję prace zespołu odpowiedzialnego za badania i redukcję tła (Task Group 11). W ramach eksperymentu GERDA opracowałem oryginalną metodę pomiaru emanacji śladowych ilości 222 Rn z dużych objętości (kriostat GERDY o pojemności 65 m 3 ) oraz zmierzyłem po raz pierwszy zawartość 222 Rn w argonie o różnych klasach czystości. Przeprowadziłem także pierwsze testy metod usuwania radonu z gazowego i ciekłego argonu [Appl. Rad. Isot. 67 (2009) 922]. Zainicjowałem również prace związane z opracowaniem metod usuwania długożyciowych pochodnych radonu z powierzchni stali nierdzewnej, miedzi oraz germanu normalnej i wysokiej czystości [NIM A 676 (2012) 140; NIM A 676 (2012) 149]. W 2006 r część zespołu GERDA rozpoczęła prace nad projektem LArGe. LArGe był detektorem opartym o 1 m 3 (~1.4 tony) ciekłego argonu znajdującego się w niskotłowym kriostacie (wykonany z miedzi) i obserwowanego przez 9 fotopowielaczy. W LAr zanurzyć można było detektory germanowe. Celem tego projektu było badanie możliwości redukcji tła detektora HPGe z wykorzystaniem veta argonowego. W ramach LArGe byłem współkoordynatorem i współprojektantem całego systemu, odpowiedzialnym bezpośrednio za projekt i budowę podzespołów próżniowych (termoizolacja kriostatu, śluza) i kriogenicznych (system napełniania LAr, aktywne chłodzenie kriostatu ciekłym azotem). LArGe, pracując pomiędzy 2009 i 2015, był największym na świecie niskotłowym detektorem (uzyskany poziom tła był porównywalny z tym, otrzymanym dla detektora GERDA) opartym o ciekły argon. Uzyskane wyniki [EPJC 75 (2015) 506] pozwoliły na pomyślną implementację veta argonowego w fazie II eksperymentu GERDA. W 2011 otrzymałem zaproszenie do udziału w eksperymencie DARKSIDE, którego celem jest rejestracja bezpośrednich oddziaływań cząstek ciemnej zimnej materii w LAr. DARKSIDE, zlokalizowany w LNGS, opiera się na innowacyjnej idei komory czasowo-projekcyjnej (TPC Time Projection Chamber) napełnionej ciekłym argonem zubożonym w izotop 39 Ar. Aktualnie w LNGS pracuje detektor DARKSIDE-50, (50 kg zubożonego LAr jako aktywna tarcza) [Phys. Lett. B 743 (2015) 456; Phys. Rev. D 93 (2016) ]. W budowie jest detektor z masą czynną równą 26 ton: DARKSIDE-20k. Moja aktywność w ramach programu DARKSIDE związana jest z badaniem i redukcją tła. W 2016 otrzymałem propozycję koordynacji prac zespołu zajmującego się redukcją tła w eksperymencie NEXT. Jego celem jest poszukiwanie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta izotopu 136 Xe. Konstrukcja detektora oparta jest o wysokociśnieniową komorę TPC napełnioną Xe wzbogaconym w 136 Xe. Aktualnie, w ramach współpracy z zespołem NEXT, zajmuję się pomiarami emanacji radonu z rożnych podzespołów TPC, oraz badaniem możliwości redukcji tła pochodzącego od 222 Rn (główne źródło) w detektorze NEXT. W listopadzie 2016, w Atlancie w USA, brałem udział w formowaniu nowego zespołu LEGEND (Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless ββ Decay). Jego celem jest budowa detektora nowej generacji, opartego o detektory HPGe, w celu poszukiwania podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta izotopu 76 Ge dla czasów połowicznego zaniku T 1/2 (0 ) > lat. Zakłada się, że projekt ten realizowany będzie etapami, gdzie w pierwszym, wykorzystamy około ~200 kg wzbogaconego germanu pochodzącego z projektów GERDA i Majorana. W pierwszym etapie wykorzystamy technologię i infrastrukturę eksperymentu GERDA (kryształy HPGE zanurzone w LAr). W drugim etapie masa germanu ( 76 Ge) zwiększona zostanie do około 500 kg, a w ostatnim do ~1 tony. Lokalizacja detektora zawierającego 1 tonę 3

4 76 Ge oraz jego technologia, określona zostanie na podstawie wyników z dwóch pierwszych faz. Na podstawie oszacowań wywnioskować można, iż badania masy efektywnej neutrina m na poziomie ~0.02 ev (dolny obszar pasa odwróconej hierarchii mas) wymagają ekspozycji na poziomie kg rok dla indeksu tła równego ~10-5 cts/(kev kg y). Jest to niezwykle ambitny cel, jednak jak pokazują dane z eksperymentu GERDA (faza II), możliwy do realizacji. W ramach eksperymentu LEGEND będę koordynować prace zespołu odpowiedzialnego za analizę i redukcję tła. W 2001 r, w trakcie studiów doktoranckich, rozpocząłem pracę w Instytucie Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka w Heidelbergu (MPIK-HD), gdzie przeprowadziłem część z opisanych poniżej badań oraz większość pomiarów w ramach eksperymentów BOREXINO i GERDA. W MPIK-HD pracowałem do końca 2009 r spędzając znaczną część czasu w LNGS, gdzie realizowane są projekty BOREXINO i GERDA. Współpracowałem także z grupą prof. Wójcika z Instytutu Fizyki (IF) UJ. Wspólnie realizowaliśmy szereg projektów finansowanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz z funduszy strukturalnych (programy IDEA, TARI). Po powrocie do Krakowa, w grudniu 2009 r, zostałem adiunktem w IF UJ tworząc własną grupę badawczą na bazie grantów uzyskanych z NCN-u (Harmonia, Sonata-bis, Opus), NCBiR-u (ERA-NET ASPERA II) i FNP (Exterius, TEAM). Poniżej przedstawiam krótką listę najważniejszych osiągnięć naukowych, w których, poprzez prowadzone przez siebie badania, miałem znaczący udział: - Pierwszy bezpośredni pomiar strumienia neutrin słonecznych typu pp przeprowadzony w czasie rzeczywistym, co jest równoważne wykazaniu, iż ponad 99% energii słonecznej produkowane jest w cyklu proton proton [Nature 512 (2014) 383]. - Uzyskanie najsilniejszego ograniczenia na czas połowicznego zaniku poprzez podwójny bezneutrinowy rozpad beta dla izotopu 76 Ge [Phys. Rev. Lett. 111 (2013) ; Nature (2017) w druku], oraz wykluczenie doniesienia o obserwacji tego procesu z czasem połowicznego zaniku na poziomie lat [Phys. Lett. B 586 (2004) 198]. - Pierwszy beztłowy pomiar mający na celu rejestrację cząstek ciemnej zimnej materii w zubożonym argonie (DARKSIDE-50) [Phys. Rev. D 93 (2016) ], oraz pierwszy beztłowy pomiar mający na celu rejestrację podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta izotopu 76 Ge (GERDA, faza II) [Nature (2017) w druku]. Lista wybranych osiągnięć zawartych w monografii: - Wykonanie projektu i budowa unikalnego system komór emanacyjnych, pozwalających na badania 220 Rn i 222 Rn na poziomie pojedynczych atomów. We współpracy z firmą PREVAC zaprojektowałem i zbudowałem system komór emanacyjnych (dwie komory o objętości 50 l i 250 l), pracujących w standardzie wysokiej próżni, które pozwalają na badania radonu produkowanego przez różnego rodzaju próbki do poziomu pojedynczych atomów. System ten został niedawno uruchomiony i aktualnie z jego wykorzystaniem prowadzone są badania podzespołów detektora NEXT. Oryginalne rozwiązania konstrukcyjne pozwoliły na osiągnięcie niezwykle niskiego biegu własnego komór (najniższego na świecie). Zastosowanie autorskiego detektora kriogenicznego radonu umożliwiło z kolei rejestrację nie tylko izotopu 222 Rn, który był przez mnie intensywnie studiowany z wykorzystaniem innej aparatury [Appl. Rad. Isot. 67 (2009) 889], ale także krótko-życiowego 220 Rn, co nie było do tej pory możliwe w żadnym innym systemie detekcyjnym. Komory wyposażone są w zintegrowany system pompujący oparty o dużą pompę turbomolekularną (możliwość uzyskania próżni do poziomu 10-9 mbar), oraz w system grzewczy (niezależny dla każdej komory), umożliwiający badanie emanacji radonu w funkcji temperatury do 150 o C (stabilizacja temperatury z dokładnością do 1 o C). Skonstruowany system pozwoli na prowadzenie unikalnych w skali światowej badań radonu (główne źródło tła) w eksperymentach DARKSIDE, LEGEND oraz NEXT. - Wykonanie projektu i budowa detektora LArGe (pod-projekt eksperymentu GERDA). LArGe (LAr and Germanium) był stanowiskiem testowym eksperymentu GERDA, gdzie detektory germanowe mogły pracować zanurzone w LAr (1 m 3 LAr z dedykowanymi fotopowielaczami rejestrującymi scyntylacje argonu), w środowisku ultraniskotłowym. LArGe został zbudowany w celu przeprowadzenia badań nad możliwością wykorzystania scyntylacji LAr do redukcji tła detektorów HPGe w nim zanurzonych. Studiowaliśmy wydajność veta argonowego w połączeniu z analizą kształtu impulsu z detektorów germanowych [Eur. Phys. J. C 75 (2015) 506] dla izotopów będących głównym źródłem tła w detektorze GERDA ( 60 Co, 226 Ra, 228 Th). Uzyskane współczynniki redukcji tła wahały się od ~3900 (dla 60 Co) do ~5200 (dla 228 Th), umożliwiając osiągnięcie poziomu analogicznego do tego, uzyskanego w detektorze GERDA w fazie I eksperymentu (( ) 10 2 cts/(kev kg y) dla LArGe vs cts/(kev kg y) GERDA faza I). Osiągnięte wyniki pozwoliły na udaną implementację veta argonowego w fazie II eksperymentu GERDA. Detektor LArGe był także wykorzystywany do innych badań, jak np. pierwszego pomiaru 4

5 aktywności właściwej izotopu 42 Ar w Ar: (65.6 ± 3.7 stat ± 13.5 sys ) µbq/kg. W ramach programu LArGe byłem odpowiedzialny za projekt i wykonanie systemów próżniowych i kriogenicznych detektora (pracując w MPIK-HD). W późniejszym czasie, wykorzystując środki pozyskane w ramach grantu Harmonia (NCN) moja grupa uczestniczyła bardzo aktywnie w pracach prowadzonych z wykorzystaniem detektora LArGe, studiując np. zachowanie się radioaktywnych jonów w LAr. - Badania radioczystości powierzchni miedzi, stali oraz germanu. Problem radioczystości powierzchni materiałów stosowanych w systemach niskotłowych jest jednym z najtrudniejszych do rozwiązania. Intensywnie poszukuje się metod redukcji aktywności powierzchniowych długożyciowych pochodnych 222 Rn: 210 Pb, 210 Bi i 210 Po, które mogą być jednym z głównych źródeł tła (brak równowagi promieniotwórczej z 222 Rn/ 226 Ra). Ponieważ z chemicznego punktu widzenia, mamy do czynienia z różnymi pierwiastkami, każdy z powyższych izotopów musi być badany oddzielnie. Analizę utrudnia także fakt, iż chemia polonu nie jest dobrze znana (ze względu na wysoką aktywność właściwą, brak jest makroskopowych ilości polonu). W ramach grantu uzyskanego z NCN-u (program Harmonia) zainicjowałem i przeprowadziłem badania nad metodami (trawienie, elektropolerowanie) usuwania 210 Pb, 210 Bi i 210 Po z powierzchni miedzi, stali nierdzewnej oraz germanu o standardowej oraz wysokiej czystości [Nucl. Instr. Meth. A 676 (2012) 142; Nucl. Instr. Meth. A 676 (2012) 149]. Były one prowadzone przy częściowej współpracy z firmą Canberra (Canberra-France, Lingolsheim), gdzie trawione były próbki germanu wysokiej czystości. Testy te miały ogromne znaczenie dla eksperymentu GERDA ponieważ firma Canberra była producentem wzbogaconych detektorów germanowych i niezwykle ważne było opracowanie procedury pozwalającej na eliminację z ich powierzchni izotopu 210 Pb i 210 Po. Wynikiem przeprowadzonych badań było ustanowienie procedur, które pozwalały na najefektywniejsze usuwanie ołowiu, bizmutu oraz polonu z różnych powierzchni metalowych. Rekomendowana procedura dla HPGe została zastosowana przez Canberrę w trakcie produkcji wzbogaconych detektorów dla fazy II eksperymentu GERDA. - Podziemna spektroskopia alfa. Prowadząc pomiary grubych źródeł alfa na powierzchni oraz w laboratorium podziemnym w Gran Sasso, pokazaliśmy, iż w tym drugim przypadku uzyskuje się znacznie lepsze czułości na skutek częściowej redukcji komponentu tła pochodzącego od promieniowania kosmicznego (w zakresie niskich energii). Pozwala to na obniżenie energetycznego progu detekcji, a co za tym idzie na zwiększenie wydajności rejestracji cząstek alfa (generowanych w grubym źródle). Dla próbki ołowianej zaobserwowaliśmy także dyfuzję 210 Po z materiału w kierunku powierzchni. Po raz pierwszy wyznaczyliśmy głębokość z jakiej polon dyfunduje, która w temperaturze pokojowej wynosi ~3 m [Appl. Rad. Isot. 81 (2013) 146]. - Opracowanie metod oczyszczania ciekłego i gazowego argonu z 222 Rn. W ramach eksperymentu GERDA przeprowadziłem pierwsze pomiary zawartości 222 Rn w argonie [Appl. Rad. Isot. 67 (2009) 922]. Okazało się, iż mierzone koncentracje są o trzy rzędy wielkości większe niż te, uzyskiwane dla azotu o podobnej czystości. Ma to ogromne znaczenie, ponieważ wiele detektorów, z pomocą których poszukuje się rzadkich procesów jądrowych, opartych jest o LAr. Z tego też powodu przeprowadziłem pierwsze badania metod usuwania radonu z gazowego i ciekłego argonu z zastosowaniem niskotemperaturowej adsorpcji na węglu aktywowanym [Appl. Rad. Isot. 67 (2009) 922]. Opracowana metoda została wykorzystana do oczyszczania LAr w detektorze GERDA i LArGe. - Opracowanie metod uzyskiwania ultra-czystych gazów dla eksperymentu BOREXINO. BOREXINO ustanowił nowe, nieosiągalne dla innych detektorów, standardy radio-czystości. Było to możliwe wyłącznie dzięki rozbudowanemu programowi badań, prowadzonych w czasie budowy detektora, nad redukcją jego tła [Int. J Mod. Phys. 29 (2014) ]. W ramach eksperymentu opracowaliśmy m.in. metody otrzymywania ultra-czystego (ze względu na zawartość 222 Rn) azotu, oraz syntetycznego powietrza. Przy współpracy z firmą SOL (Włochy) opracowałem także metody dostarczania azotu o niezwykle niskiej koncentracji radonu, argonu i kryptonu do laboratorium podziemnego w Gran Sasso. W eksperymencie BOREXINO azot ma szereg zastosowań, wykorzystywany był także w ostatnim etapie oczyszczania ciekłego scyntylatora, dlatego też wymagania co do jego radio-czystości były bardzo wygórowane. Azot praktycznie wolny od 222 Rn (ale nie od 39 Ar i 85 Kr), tzw. High Purity (HPN 2 ) uzyskujemy poprzez oczyszczanie ciekłego gazu metodami adsorpcji niskotemperaturowej. Mierzone dla tego gazu górne granice koncentracji radonu wynosiły 0.5 µbq/m 3 (mniej niż Rn atom w 4 m 3 gazu). Syntetyczne powietrze wykorzystywane było do rozwinięcia/napełnienia nylonowych zbiorników scyntylatora. Było ono wytwarzane poprzez mieszanie wolnego od radonu azotu (HPN 2 ) z tlenem pobieranym z butli, wyselekcjonowanych pod kątem minimalnej emanacji 222 Rn. Uzyskaliśmy w ten sposób powietrze o zawartości 222 Rn na poziomie 0.1 mbq/m 3 (powietrze o najniższej koncentracji 222 Rn w historii, aktywność właściwa radonu w powietrzu w laboratorium podziemnym wynosi ok mbq/m 3 ). Rozwinięcie zbiornika scyntylatora powietrzem praktycznie wolnym od radonu zapobiegło osadzaniu na jego powierzchni długożyciowych pochodnych 222 Rn. 5

6 W celu uzyskania azotu wolnego od radonu, 39 Ar i 85 Kr (Low Argon and Krypton Nitrogen LAKN 2 ) przeprowadziłem dodatkowe badania usuwania Kr z azotu metodami adsorpcji niskotemperaturowej. Jednocześnie wśród europejskich producentów gazów (Linde, MESSER, AirLiquide, SOL, Westfalen AG) poszukiwaliśmy źródła odpowiednio czystego azotu. Zawartości Ar i Kr mierzone były z wykorzystaniem ultra-czułego spektrometru masowego gazów szlachetnych [Appl. Rad. Isot. 61 (2004) 197]. Okazało się, iż większość producentów była w stanie uzyskać gaz o wymaganej czystości w standardowym procesie destylacji powietrza, jednak największym problemem było jego dostarczenie do hali eksperymentalnej bez zanieczyszczenia. Przy współpracy z firmą SOL opracowaliśmy odpowiednie procedury przetaczania, transportu i składowania tego gazu (z wykorzystaniem dedykowanej cysterny oraz budową specjalistycznego zbiornika o bardzo małej emanacji radonu do przechowywania azotu w laboratorium podziemnym w Gran Sasso). Dopuszczalne koncentracje 222 Rn, Ar i Kr były odpowiednio na poziomie 6 µbq/m 3, 0.1 ppm (Ar) i 0.1 ppt (Kr). Dzięki opracowanym nowatorskim procedurom pomiarowym, oraz procedurom logistycznym (transport i transfer ciekłego gazu z miejsca produkcji do zbiornika w LNGS) osiągnięto rekordową czystość dla LAKN 2 : zawartość 222 Rn poniżej 5 µbq/m 3, Ar poniżej 1 ppb a Kr poniżej 0.01 ppt. Jest to ciągle najczystszy na świecie (pod kątem zawartości radioizotopów) gaz dostępny w laboratorium. Jego wykorzystanie do oczyszczania ciekłego scyntylatora w eksperymencie BOREXINO zapewniło osiągnięcie rekordowo niskiego tła tego detektora, a co za tym idzie przyczyniło się do sukcesu tego projektu. - Badania adsorpcji 226 Ra na folii nylonowej użytej do konstrukcji zbiornika scyntylatora w detektorze BOREXINO. Nylonowy zbiornik ciekłego scyntylatora, po rozwinięciu z użyciem syntetycznego powietrza, ze względów technicznych i bezpieczeństwa, został najpierw napełniony specjalnie oczyszczoną wodą zawierającą niewielkie ilości 226 Ra (nie więcej niż 1 mbq/m 3 ), jednak ciągle znacznie wyższe, niż zawartość radu w ciekłym scyntylatorze (praktycznie wolny od 226 Ra). Zachodziło więc niebezpieczeństwo, iż część radu obecnego w wodzie (całkowita aktywność ~300 mbq) może osadzić się na powierzchni folii podnosząc tło radonowe detektora ( 222 Rn jest pochodną 226 Ra i jako gaz szlachetny może się łatwo dostać do objętości czynnej detektora). W celu oszacowania aktywności 226 Ra, która mogła zostać przeniesiona z wody na folię, przeprowadziłem szereg pomiarów oraz opracowałem model tła detektora [J. Rad. Nucl. Chem. 296 (2013) 639]. Biorąc pod uwagę uzyskane wyniki i rozpatrując różne scenariusze zachowania się radonu w ciekłym scyntylatorze (równomierny rozkład, dyfuzja w kierunku objętości czynnej), można było dojść do wniosku, iż po stopniowym wyparciu wody przez ciekły scyntylator, skażenie nylonu 226 Ra nie spowoduje istotnego wzrostu tła detektora BOREXINO. Konkluzje te zostały ponadto zweryfikowany biorąc pod uwagę wyniki pomiarów wykonanych prototypem detektora BOREXINO, tzw. Counting Test Facility (CTF). Pozwoliło to ostatecznie na opracowanie odpowiedniej procedury napełniania detektora. - Opracowanie i budowa kriogenicznego detektora radonu. Detektor kriogeniczny oparty został na nowatorskiej idei wymrażania radonu połączonej z rejestracją jego (i jego pochodnych) rozpadów alfa za pomocą niskotłowego detektora półprzewodnikowego [J. Radioanal. Nucl. Chem 227 (2008) 199]. Zbudowany prototyp oferował objętość czynną równą 65 l, w której umieścić można badaną próbkę. Krótki czas adsorpcji/wymrażania izotopów radonu otworzył możliwość detekcji krótko-życiowego izotopu 220 Rn. Bazując na doświadczeniu zdobytym w pracach nad prototypem, zbudowany został detektor o małej objętości, który charakteryzuje się niezwykle niskim tłem oraz może współpracować z opisanymi wcześniej komorami emanacyjnymi. Został on także wykorzystany m.in. do pomiarów emanacji radonu z kriostatu detektora DARKSIDE-50, oraz z kriostatu z zamontowaną komorą TPC. Dla 222 Rn uzyskano odpowiednio następujące aktywności: ( ) mbq i ( ) mbq. Emanacja na poziomie 13.5 mbq byłaby zdecydowanie za wysoka (oznaczałaby koncentrację radonu na poziomie 88 Bq/kg LAr), jednak należy pamiętać, iż pomiary przeprowadzono w temperaturze pokojowej i uzyskana wartość powinna być znacząco mniejsza w temperaturze LAr (w jakiej pracuje detektor). Zostało to potwierdzone poprzez analizę danych uzyskanych z detektora DARKSIDE-50, gdzie udało się wyznaczyć tylko górną granicę aktywności właściwej 222 Rn w LAr na poziomie 2 Bq/kg. - Projekt i budowa ultra-czułego monitora zawartości 222 Rn w gazach. W ramach eksperymentu DARKSIDE zaprojektowałem i skonstruowałem ultraczuły detektor 222 Rn, który pozwala na pomiar koncentracji w gazach w czasie rzeczywistym (monitoring) z czułością na poziomie 1 mbq/m 3. Umożliwia on więc pomiary aktywności właściwych o 5 rzędów wielkości niższych, niż te rejestrowane dla normalnego powietrza. Powietrze zawierające tylko kilka mbq/m Rn wytwarzane jest na potrzeby eksperymentu DARKSIDE przez specjalny system. Zasila ono clean-laby, w których przygotowywane (Clean Room 1 CR1) i montowane (Clean Room Hanoi CRH) są podzespoły komory TPC, co zapobiega osadzaniu się na ich powierzchniach długożyciowych pochodnych 222 Rn. W atmosferze CRH, podczas budowy detektora DARKSIDE-50, rejestrowaliśmy około 10 mbq/m Rn (pomiary są prowadzone w trybie ciągłym). W analogicznym czasie, dla znacznie większego CR1 zmierzono około 200 mbq/m 3. Tym samym są to pierwsze laboratoria o atmosferze praktycznie wolnej od 222 Rn (w normalnym powietrzu w LNGS 6

7 mierzy się średnio mbq/m 3 ), co bezspornie przyczyniło się do sukcesu projektu DARKSIDE-50, którego detektor jako jedyny spośród detektorów ciemnej materii, charakteryzuje się zerowym biegiem własnym [Phys. Rev. D 93 (2016) ]. - Badania nad metodami usuwania Kr z azotu. Jak już wspomniano wcześniej, w eksperymencie BOREXINO do oczyszczania ciekłego scyntylatora wykorzystuje się ultra-czysty azot LAKN 2, praktycznie wolny od izotopów 222 Rn, 39 Ar i 85 Kr. Gaz ten jest produkowany przez firmę SOL (Włochy) i dostarczany do LNGS zgodnie z opracowaną procedurą, pozwalającą zachować jego wysoką czystość. Równolegle do opisanych wyżej prac zajmowałem się badaniem możliwości oczyszczania azotu z Kr metodami adsorpcji niskotemperaturowej (rozwiązanie zapasowe, gdyby nie udało się znaleźć/dostarczyć do LNGS gazu o odpowiedniej czystości). Przebadane zostały różne adsorbenty (węgiel aktywowany, sita molekularne) o różnych rozkładach wielkości porów i w różnych temperaturach. Uzyskane wyniki potwierdziły przewidywania opracowanego modelu teoretycznego adsorpcji, który wskazywał, iż najwydajniejszy będzie proces zachodzący w fazie gazowej z zastosowaniem niepolarnego adsorbenta o wielkości porów równej około 7 Å. Zgodnie z uzyskanymi wynikami, dwa z przebadanych materiałów, Skeleton oraz Carbosieve SIII, można byłoby wykorzystać do budowy systemu oczyszczania azotu. Na podstawie wykonanego projektu, by on oparty o dwie kolumny chromatograficzne połączone równolegle, z których każda zawierała około 10 kg adsorbenta. Biorąc pod uwagę zapotrzebowanie na gaz (ciągły pobór, strumień ~30 m 3 /h), pojedyncza kolumna mogłaby pracować przez 4 dni, w tym czasie druga byłaby regenerowana. Wykorzystując dwie kolumny naprzemiennie, można zapewnić ciągłą pracę systemu, który redukowałby koncentrację Kr w gazowym azocie o dwa rzędy wielkości. 5. Pozostałe osiągnięcia, nie będące przedmiotem habilitacji: - Bezrezystorowy przedwzmacniacz ładunkowy. W ramach kierowanego przeze mnie projektu pt. Techniques and tools for next generation experiments looking for rare nuclear processes (NCN, Sonata-bis) opracowany został nowy typ przedwzmacniacza ładunkowego. Można go zastosować np. w eksperymentach opartych o detektory germanowe (HPGe), w których poszukuje się podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta (GERDA) lub oddziaływań cząstek ciemnej zimnej materii. W drugim przypadku oczekuje się rzadkich impulsów (wymagana wysoka radio-czystość w celu minimalizacji tła) o niskich energiach (poniżej kev), co wymaga bardzo niskiego szumu. Na podstawie zebranych doświadczeń oraz analiz różnego typu układów, doszliśmy do wniosku, że założone cele można będzie osiągnąć poprzez budowę nowatorskiego dwustopniowego wzmacniacza pracującego bez rezystora w układzie sprzężenia zwrotnego [NIM A 835 (2016) 142]. Rezystory te charakteryzujące się opornością rzędu gigaomów wykonywane są najczęściej na podłożu ceramicznym, zawierającym szereg izotopów promieniotwórczych i są np. jednym z głównych źródeł tła w eksperymencie GERDA. Testy zbudowanego prototypu przedwzmacniacza przeprowadzono w konfiguracji z niedużym detektorem germanowym (wydajność względna 10%) o geometrii koaksjalnej. Uzyskana zdolność rozdzielcza dla piku 1.33 MeV ( 60 Co) wynosi 2.3 kev, co jest wartością typową dla tego typu detektora. Analogiczną wartość uzyskano rejestrując dane z wykorzystaniem szybkiej karty FADC zapisującej kształty impulsów, z późniejszą cyfrową rekonstrukcją ich energii. Uzyskane wyniki wskazują na niski poziom szumu wzmacniacza (gładkie impulsy z przedwzmacniacza, bardzo dobra energetyczna zdolność rozdzielcza). Ze względu na oryginalne rozwiązanie, zaproponowany przedwzmacniacz został zgłoszony do opatentowania (patent PCT/PL2015/050036), rozważana jest też możliwość jego wykorzystania w eksperymencie GERDA/LEGEND. - Opracowanie metod analizy kształtu impulsu dla eksperymentu GERDA. Nowatorska metoda analizy kształtu impulsów z detektorów HPGe została opracowana w ramach kierowanego przeze mnie projektu Search for neutrino-less double beta decay of 76 Ge in the GERDA experiment. Data analysis and investigations of new background reduction techniques using liquid argon scintillation in the LArGe project (NCN, Harmonia). Jest ona oparta o rozróżnianie zdarzeń tła od sygnału z wykorzystaniem sieci neuronowych, które poddawane są procesowi uczenia się na odpowiednio przygotowanych danych kalibracyjnych. Opracowana przez naszą grupę technika pozwoliła na dwukrotne obniżenie tła w fazie I eksperymentu GERDA, co pozwoliło osiągnąć zamierzony poziom biegu własnego i wymaganą czułość detektora [Eur. Phys. J. C 73 (2013) 2583]. W ramach projektu Techniques and tools for next generation experiments looking for rare nuclear processes (NCN, Sonata-bis) opracowaliśmy także pakiet pozwalający na symulacje impulsów generowanych w detektorach germanowych o różnych geometriach. Pozwoli to na dogłębne zrozumienie procesu oraz zaprojektowanie detektora HPGe o dużej masie, ale zoptymalizowanego pod kątem analizy kształtu impulsu (odpowiednia geometria elektrod). 7

8 Podsumowanie W ramach prowadzonych badań zaprojektowałem i wdrożyłem szereg nowatorskich urządzeń oraz technik eksperymentalnych (umożliwiających w wielu przypadkach prowadzenie unikalnych w skali światowej pomiarów), które znacząco przyczyniły się do realizacji dużych projektów z pogranicza fizyki jądrowej, astrofizyki i fizyki cząstek elementarnych. W eksperymentach tych poszukuje się procesów spoza Modelu Standardowego, które w przypadku odkrycia, zmieniłyby oblicze współczesnej fizyki. 8