Prezentacja. Zakładu Doświadczalnej Fizyki Komputerowej

Prezentacja Zakładu Doświadczalnej Fizyki Komputerowej Instytut Fizyki UJ, 19/04/2012

Pracownicy ZDFK Mgr Nikodem Frodyma Dr Anna Jany Prof. Stanisław Micek Dr Marcin Misiaszek Dr Zenon Nieckarz Mgr Krzysztof Pelczar Prof. Marcin Wójcik Dr Grzegorz Zuzel doktorant asystent naukowy (grant) profesor emerytowany asystent naukowy (grant) prac. naukowo-techniczny doktorant (MSD) profesor/kierownik zakładu adiunkt Dr Michał Tarka post-doc (NCN) Dr Chris O'Shaughnessy asystent naukowy (grant)

Pracownicy ZDFK zajęcia 2011/2012 Mgr Krzysztof Pelczar - I pracownia fizyczna (Chemia) - Systemy pomiarowo-kontrolne, ćw. (IS) Prof. Marcin Wójcik - Pracownia specjalistyczna (Fizyka med.) - Pracownia specjalistyczna (Biotechnologia) - Astrofizyka, wyk., sem. (Astrofizyka) - Pracownia elektroniczna (IS) Dr Grzegorz Zuzel - I pracownia fizyczna (Chemia) - Systemy pomiarowo-kontrolne, wyk. (IS) - Pracownia elektroniczna (Fizyka, ZMiN, SMP, IS) Fizyka/ZMiN/SMP: 26 % Informatyka: 48 % Inne: 26 % SPK możliwość rozszerzenia tematyki ćwiczeń o zagadnienia dot. interfejsów cyfrowych

Badania prowadzone w ZDFK Astronomia neutrinowa (GALLEX/GNO, BOREXINO) - neutrina słoneczne - geo-neutrina Podwójny bezneutrinowy rozpad beta (GERDA) Poszukiwania ciemnej zimnej materii (DARKSIDE) Zastosowanie systemów pomiarowo-kontrolnych w badaniach biofizycznych i medycznych Rejestracja pól magnetycznych o niskich częstotliwościach w atmosferze (LTR-LAB)

Współpraca międzynarodowa GALLEX/GNO, BOREXINO, GERDA, DARKSIDE Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (INFN-LNGS) Max-Planck-Institut für Krernphysik, Heidelberg (MPI-K) Technische Universität München (TUM) Princeton University JRC Institute for Reference Materials and Measurements, Geel (JRC-IRMM) Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig (PTB) MoU: 2 (+1)

INFN LNGS 3 hale: A, B i C (100 x 20 x 20 m) Hala A: GERDA Hala C: BX, DARKSIDE OPREA

Pracownicy ZDFK granty (2007-2012) FP7 TARI (2007-2008) MNiSW LTR-LAB (2006-2008) MNiSW GERDA (2007-2010) MNiSW BOREXINO (2007-2010) FNP EXTERIUS: GERDA (2011) ERA-NET ASPERA-2: SILENT (2011-2014) ERA-NET ASPERA-2: ISOTTA (2011-2014) NCN OPUS: LTR-LAB (2011-2012) NCN HARMONIA: GERDA (2011-2014) NCN MAESTRO: DARKSIDE NCN OPUS: BOREXINO FNiTP APARATURA/SUNLAB

Dorobek naukowy ZDFK (2008-2012) Publikacje (ISI WoS): 49 Phys. Rev. Lett., Phys. Lett. B, Phys. Rev. D, Phys. Rev. C, Astrop. Phys., NIM A Cytowania (ISI WoS): 1015 Wystąpienia konferencyjne: 12 w tym na zaproszenie: 4 Seminaria/odczyty: 19 Komunikaty naukowe/raporty: 15 Patenty: 1 Wyróżnienia/nagrody: - nagroda Rektora UJ: 2008, 2011 - nagroda Prezesa Rady Ministrów RP: 2009

ZDFK dodatkowe informacje http://bryza.if.uj.edu.pl/zdfk/

DARKSIDE

Istnienie ciemnej materii WMAP

DARKSIDE Rejestracja oddziaływań cząstek ciemnej zimnej materii (WIMPs) z jądrami tarczy (detektora) Przekaz energii rzędu kilku kev Przekrój czynny na poziomie 10-44 cm 2 Zastosowanie LAr zubożonego w 39 Ar Pierwszy pomiar DARKSIDE-50 Docelowo masa detektora O(5 t)

DARKSIDE zespół U.S.A. Augustana College Black Hills State University Fermi National Accelerator Laboratory Princeton University Temple University University of Arcansas University of California at Los Angeles University of Hawaii University of Houston University of Massachusetts at Amherst Virginia Tech CHINA IHEP Beijing ITALY INFN Univesita degli Studi di Genova INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso INFN Univesita degli Studi di Milano INFN Univesita degli Studi di Napoli INFN Univesita degli Studi di Perugia POLAND Jagiellonian University RUSSIA JINR Dubna Lomonosov State University Moscow RRC Kurchatov Institute St. Petersburg Nuclear Physics Institute

DARKSIDE koncepcja detektora WIMPs

DARKSIDE komponenty detektora

DARKSIDE TPC

DARKSIDE sygnał scyntylacyjny

DARKSIDE dryf elektronów

DARKSIDE elektroluminescencja Ar

DARKSIDE BX Counting Test Facility

DARKSIDE konstrukcja detektora

DARKSIDE tytanowy dewar - Zubożony (w 39 Ar) LAr dysponujemy 85 kg - 0.5 % 39 Ar w porównaniu z Ar atmosferycznym -T 1/2 = 269 y, E max = 565 kev - QUPIDs Quartz Photon Intensyfying Detector (100 x mniejsza aktywność niż najlepszego PM) 2x19 szt, FI = 7.5 cm - Aktywna osłona neutronowa LS

DARKSIDE dwufazowa komora TPC

DARKSIDE QUPID Photo Cathode (-6 kv) Quartz Photo Cathode (-6 kv) Al coating APD (0 V) Quartz APD Avalanche Photo-Diode

R8520 1 inch DARKSIDE QUPIDs R8778 2 inch QUPID 3 inch XENON10 XENON100 XMASS DarkSide XENON1T

DARKSIDE 50 Dewar w osłonie antykoincydencyjnej CTF - wodny detektor Čerenkowa

Czułość DARKSIDE 50 W ciągu 3 lat zbierania Danych 10 zdarzeń wywołanych przez WIMP strong evidence for a discovery of WIMP scattering

DARKSIDE 50

Podwójny rozpad beta 2 0 (A,Z) (A, Z+2) + 2e - + 2 e L = 0 T 1/2 ~ 10 18 10 20 y (A,Z) (A, Z+2) + 2e - L = 2 T 1/2 ~ 10 26 10 27 y T exp 1/2 > 10 25 y

Podwójny rozpad beta

Podwójny bezneutrinowy rozpad beta Konsekwencje obserwacji rozpadu: Neutrino jest cząstką Majorany (swoją własną antycząstką) Liczba leptonowa nie jest zachowywana Mamy do czynienia z fizyką spoza Modelu Standardowego Określenie efektywnej masy neutrina (jedyna metoda pozwalająca mierzyć masy rzędu mev) Określenie hierarhii mas neutrin Próbę rozwiązania problemu łamania symetrii CP w sektorze leptonowym

GERDA założenia GERDA GERmanium Detector Array Detektor GERDA zaprojektowano do poszukiwań procesu 0 dla izotopu 76 Ge (Q = 2039 kev) - Wysoka (radio-)czystość monokryształów Ge - Bardzo dobra energetyczna zdolność rozdzielcza - Detektor = źródło ( ~ 1) - Wymagane jest wzbogacanie (7.4 % 86 %) Tło: 10 100 razy niższe niż w dotychczas prowadzonych eksperymentach (HdM, IGEX)

GERDA fazy realizacji - Faza I: 17.5 kg (8 detektorów) wzbogaconego Ge z projektów HdM & IGEX 15 kg y, T 1/2 ~ 3 10 25 y, m ee = <0.2 0.4 > ev - Faza II: dodanie nowych detektorów typu BEGe 37.5 kg wzbogaconego materiału jest dostępne, 100 kg y, T 1/2 ~ 1.4 10 26 y, m ee = <140 260> mev - Faza III: duża kolaboracja, O(500 kg) 76 Ge, 1000 kg y, T 1/2 ~ 2 10 27 y, m ee ~ 50 mev

GERDA zespół 95 fizyków z 17 instytutów z Niemiec, Włoch, Rosji, Polski, Szwajcari, Belgi i Chin

GERDA budowa detektora Heidelberg - Moscow GeMPI

GERDA budowa detektora Clean room Śluza Laboratorium Kriostat Pokój kontrolny Detektor Rn Zbiornik wody + veto

GERDA budowa detektora 6.03.2008

GERDA budowa detektora 19.05.2008 Zbiornik wody: Ø 10 m h = 9.5 m V = 650 m 3

GERDA status

GERDA status widmo detektorów wzbogaconych w 76 Ge widmo detektorów niewzbogaconych

GERDA status 39 Ar: 1.01 Bq/kg from WARP NIM A 574:83-88,2007 76 Ge: 1.74 10 21 y from HdM ref. NIM A 522,371-406, 2004 42 Ar spectrum normalized to peak assuming homogeneous distribution

GERDA status 14.04.2012

GERDA status

GERDA status Listopad 2010 inauguracja eksperymentu (LNGS) 1. listopad 2011 rozpoczęcie fazy I (14.6 kg 76 Ge) 14.04.2012 Ekspozycja = 3.801 kg y Tło zgodne z założoną wartością 10-2 cts/(kev kg y) 7 nowych detektorów (BEGe) dla fazy II gotowych, kolejne w produkcji Neutrino 2012 (Kyoto) dane dot. tła i 2 76 Ge Koniec 2012 publikacja danych dot. 0 76 Ge

GERDA status Jedyny projekt mogący w krótkim czasie zbadać naturę neutrina Ultra-niskie tło z potencjałem dalszej redukcji (scyntylacje LAr, detektory typu BEGe) Możliwość pomiaru efektywnej masy neutrina do mev GERDA europejskim projektem strategicznym (CERN Council) www.mpi-hd.mpg.de/gerda

GERDA w mediach

GERDA a ASPERA

GERDA video

BOREXINO

BOREXINO Detektor BOREXINO: Uruchomiony w maju 2007 Niskotłowy niskoenergetyczny spektrometr neutrinowy 300 ton ciekłego scyntylatora 2214 fotopowielaczy Główne cele badawcze: Neutrina słoneczne (Be/B/pep) Geo-neutrina Egzotyczne oddziaływania

BOREXINO budowa detektora e -

BOREXINO napełnianie

BOREXINO

BOREXINO exceptional research

BOREXINO pomiar v Precyzyjny pomiar prędkości neutrin: System pomiaru czasu o dokładności 3 ns Aparatura współfinansowana przez UJ Nowa wiązka neutrin w maju 2012 BOREXINO projektem stowarzyszonym z CERN ( CERN Recognized experiment, code RE26 ) Grant na dalszy udział naszej grupy w projekcie rozpatrywany w NCN

BOREXINO publikacje Publikacje: 2008: First real time detection of 7 Be solar neutrinos by BOREXINO Physics Letters B Volume 658, Issue 4, 3 January 2008, Pages 101-108 2008: Direct Measurement of the 7 Be Solar Neutrino Flux with 192 Days of BOREXINO Data Phys. Rev. Lett. 101, 091302 (2008) 2008: Search for solar axions emitted in the M1-transition of 7 Li* with BOREXINO CTF EPJ C Particles and Fields, Volume 54, Number 1 / March, 2008 2009: The Borexino detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso NIM A, Volume 600, Issue 3, 11 March 2009, Pages 568-593 2010: New experimental limits on the Pauli-forbidden transitions in C-12 nuclei obtained with 485 days BOREXINO Phys. Rev. C 81, 034317 (2010) 2010: Measurement of the solar 8 B neutrino rate with a liquid scintillator target and 3 MeV energy threshold in the BOREXINO detector Phys. Rev. D 82, 033006 (2010) 2010: Observation of geo-neutrinos Physics Letters B, Volume 687, Issues 4-5, 19 April 2010, Pages 299-304 2011: Study of solar and other unknown anti-neutrino fluxes with BOREXINO at LNGS Physics Letters B, Volume 696, Issue 3, 31 January 2011, Pages 191-196 2011: Precision Measurement of the 7 Be Solar Neutrino Interaction Rate in BOREXINO Phys. Rev. Lett. 107, 141302 (2011) 2012: First evidence of pep solar neutrinos by direct detection in BOREXINO Phys. Rev. Lett. 108, 051302 (2012)

BI = 10-3 cts/(kev kg y) Tło: GERDA vs BOREXINO BI = 10-6 cts/(kev kg y)! GERDA BOREXINO

LArGe LArGe Liquid Argon and Germanium Ultra-niskotłowy system do badań nowych technik redukcji tła w eksperymencie GERDA V LAr = 1.2 m 3 9 PMTs (8 ETL) Kriostat Cu, superizolacja, aktywne chłodzenie LN 2 Osłony Cu (15 cm), Pb (11 cm), stal (24 cm) i PU (20 cm) Lokalizacja w LNGS/GDL

LArGe kriostat Kompensator Miedziana pokrywa z przepustami N 2 Flansza pokrywy Kompensator Fotopowielacze Część stalowa z układem aktywnego chłodzenia LN 2 Spaw Cu/stal Płyta Cu z fotopowielaczami LAr Część miedziana Z superizolacją Aktywne chłodzenie: przechładzanie powierzchnii LAr o 1-2 o C Zerowe straty LAr stabilny system

LArGe kriogenika P1 Teflon filter V14 V18 V19 LN 2 KV1 SV1 KV7 KV9 V25 KV8 KV10 V15 KV11 BS4 P12 KV12 LAr P LAr V20 P V17 V16 120 L 240 L Barrack wall VEM1 SV5 T3 V7 P8 V12 V11 P9 V27 P13 V10 SP1 V1 SH1 P11 V2 P5 SV4 V3 V8 P7 V7A BS3 V7B TP3 V26 Ar 6.0 LV1 V9 MS TP2 Cal. gas V13 TP4 P2 TP1 BS2 P6 V21 P10 V4 KV2 BS1 KV3 SV2A V24 RV1 SV2 KV4 P3 V22 SV6 Flow V5 V6 KV5 KV6 SV3A Cryostat LN 2 400 L 355 kg SV3 V23 RV2 P4 Cu Shield T1 T2 P C1 C2 LAr LN 2 120 L Heater controller 100 L

LArGe Slow Control

LArGe budowa systemu

LArGe scyntylacje LAr

LArGe scyntylacje LAr L.Y. 1800 p.e./mev E/E 17 % ( E = 238 kev)

LArGe redukcja tła 228 Th Q : R ~ 10 4, BI ~ 10-2 cts/(kev kg y)

LArGe możliwości Badania nad redukcją tła zewnętrznego z wykorzystaniem scyntylacji LAr i różnych detektorów Ge lub ich konfiguracji: - studia nad detektorem LAr - identyfikacja promieniowania,,, n (kształt impulsu) - analiza koincydencji czasowych (Bi-Po, czystość Ar) Stanowisko testowe detektorów i zimnej elektroniki fazy II/III GERDy. Optymalizacja pod względem maksymalnego obniżenia tła systemu (skompletowanie osłon). Optymalizacja pod kątem maksymalnego obniżenia progu detekcji (rejestracja ciemnej zimnej materii). Badania tła generowanego przez miony w LAr (dodanie paneli scyntylacyjnych) duże znaczenie dla eksperymentów opartych o gazy kriogeniczne. Badania/testy nowych typów fotopowielaczy niskotemperaturowych.

KONIEC dziękujemy za uwagę!