C.Agodi_NUMEN_CSN3-MARZO_2015_10

NUMEN:
From the pilot experiment towards the
“hot cases”
!
LNS
Clementina Agodi, CSN3 Roma 31-03-2015
LNS
Table of Content
1
INTRODUCTION
2
3
THE PHASES OF NUMEN PROJECT
ESTIMATED COSTS
4
STRENGHS AND WEAKNESSES
OPPORTUNITIES AND THREATS
Experimental limits
LNS
Determination of nuclear matrix elements seems to be at our reach… BUT :
1. one order of magnitude more yield is necessary,for most favorable cases ;
2. (18O,18Ne) is of β+β+ kind while most of the research on 0νββ is on the opposite side;
3. Some reactions of β-β- kind have a smaller B(GT): a reduction of the yield is foreseen ;
4. Gas target will be necessary;
5. Sometimes energy resolution of ≈ half MeV is not enough to separate the g. s. form
excited states in the final nucleus: coincident detection of -rays is necessary;
6. A strong fragmentation of the double GT strength is known in the nuclei of interest .
Upgraded set-up to work with two orders of magnitude more current than the present
Substantial change in the technologies used in CS and in the MAGNEX detecor
Experimental limits
Mid Term
1-2 APRILE 2015
“Credo non sia facile fare fisica molto innovativa se questa
non è sorretta da tecnologie altrettanto innovative”
LNS
The four phases of NUMEN project
LNS
Phase1: the experiment feasibility
40Ca(18O,18Ne)40Ar
@ 270 MeV already done: the results demostrate the technique feasibility.
Phase2: toward “hot” cases optimizing experimental conditions and getting first result
Upgrading of CS and MAGNEX, preserving the access to the present facility. Tests will be crucial.
 Phase3: the facility upgrade
Disassembling of the old set-up and re-assembling of the new ones will start: about 18-24 months
Phase4: the experimental campaign
High beam intensities (some pA) and long experimental runs to reach integrated charge of hundreds of mC
up to C, for the experiments in coincidences, for all the variety of isotopes for 0ββ decay.
PRELIMINARY TIME TABLE
year
Phase1
Phase2
Phase3
Phase4
2013 2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
NUMEN Phase2
1
EXPERIMENTAL CAMPAIGN
2
3
LNS
DETECTOR UPGRADE
THEORETICAL MODELS DEVELOPMENTS
Phase2: Experimental campaign
Few experiments to investigate the best working conditions
The complete net of reactions involving the multi-step transfer processes with the
same initial and final nuclei will be studied
LNS
The present day experimental set-up
Plane view of the MAGNEX magnetic layout
Schematic view of the focal plane region
Focal Plane
Detector
Dipole
Quadrupole
LNS
MAGNEX Upgrade
1
substitution of the present Focal Plane Detector (FPD) gas
tracker with a GEM – like tracker system;
2
substitution of the wall of silicon pad stopping detectors
with a wall of telescopes based on SiC-CsI detectors;
3
introduction of an array of detectors for
measuring the coincident -rays;
4
enhancement of the maximum magnetic rigidity.
LNS
MAGNEX Focal Plane Detector
LNS
 Gas-filled hybrid detector
Drift chamber 1400mm x200mmx100mm
Pure isobutane pressure range: 5-100mbar; 600-800 Volt,wires 20 micron
57 Silicon Detectors
→ Eres
Ion identification
5 Proportional Wires
→ ΔE
4 Induction Strip
→ X1,X2,X3,X4
→ Xfoc,θfoc
4 Drift Chamber (DC)
→ Y1,Y2,Y3,Y4
→ Yfoc,φfoc
Ray-reconstruction
 Wall SI 500 μm
20 columns, 3 rows
FPD criticity @ high rates
1
2
TRACKER : Space charge limits to few hundreds Hz / cm
Silicon detector damaging : 10 detetectors broken/12days
beam in 3.6 mC total integrated charge
LNS
R&D: a new gas tracker
LNS
FPD gas vs. GEM – like tracker
From
Multiwire gas tracker
limited to about 1 kHz
To
GEM – like gas tracker
to go to 100 kHz
 R&D key issue : GEM-based tracker at low pressure and wide dynamic range
 Collaboration with LNF and CERN
R&D: Ion identification
LNS
High rates : standard technologies ( Si) vs. new ones ( SiC crystals)
Silicon detectors
 double hits (high segmentation-high costs)
 radiation hardness at 00 rate limit 108 ions/cm2 Si death in few days
 Rate limit
SiC crystals
 Preserves good Si properties
 Much harder to radiations
 double hits (high segmentation-high costs)
Irradiations tests: around 1013 ions 12C @ 62 AMeV at LNS in collaboration with CNR
 Rate limit
R&D: to built a realiable number of epitaxial SiC, in order to built a telescopes wall of
epitaxial SiC (100 μm and surface of 1cm2 ) for energy loss + CsI (1 cm) for residual energy;
decupling tracking from ion identification.
R&D : exclusive measurements
LNS
SCINTILLATORS ARRAY
Detecting γ-rays in coincidende with MAGNEX to:
 improve energy resolution from the present limit of ≈ 1 MeV for 50 MeV/u heavy ions
(1/1000 of 1 GeV 18Ne), mandatory for DCE reactions.
 Work with an intense flux of γ-rays and neutrons to optimize signal-to-noise ratio and
reduce spurious coincidences.
 Work done on HPGe and LaBr3 by other collaborations that can be used for this purpose;
CsI or NaI seems more promising for high rates applications.
 Members of the Italian-Brasilian (INFN-IFUSP-IFUFF collaboration MoU) collaboration are
interested to collaborate on this topics with possible in-kind contribution in the future
development of NUMEN.
R&D: increase the magnetic rigidity
Present day
magnetic rigidity :
1.8 Tm i.e. 50 MeV/u 18Ne10+ and ≈ 30 MeV/u 20 O8+
To extend the dynamical conditions
magnetic rigidity :
 2.8 Tm requires superconducting magnets with present MAGNEX optical layout
 Power supply upgrade to obtain 2.1-2.2 Tm i.e. 70 MeV/u 18Ne10+ and ≈ 42 MeV/u 20O 8+
LNS
R&D : front -end and read – out electronics
ELECTRONICS PROTOTYPES
(coll. Sez, Ct)
1) ASIC front – end chip:
for FPD chip VMM2 in collaboration with Prof.G.De Geronimo ( Head of
Microelectronics-Instrumentation Division of Brookhaven National Laboratory (NY,USA);
for PM and PM-like signal chip DRS3 commercial delivered by PSI.
2) Read – out : new generation of FPGA and System On Module (SOM)
LNS
Preliminary time table for NUMEN R&D activities
LNS
17
R&D Phase2: estimated costs 2015
LNS
1) Misure di reazioni come da prospetto mostrato nella Tabella.
Attività condotta con le facility dei LNS (CS, MAGNEX, linee di trasporto) nelle condizioni attuali, quindi non è
previsto R&D al riguardo,sono previste due campagne di misura. Ciò comporta la necessità di un adeguato
approvvigionamento di materiale di consumo per lo svolgimento dei suddetti esperimenti.
In dettaglio, tenendo conto dell’esperienza maturata sulle reazioni di Doppio Scambio di Carica (DCE) a zero gradi
con MAGNEX, riteniamo essenziale una fornitura minima di:
•
•
•
•
•
•
n.80 rivelatori al Si di 50x70x1mm il cui costo è stimato di 256k€ (fornitura per i tre anni ) v.All.1.
4 bombole di gas isobutano da 20 lt, del costo di 8.3K€, vedi All.2.
Isotopi per bersagli del costo di circa 14k€ .,vedi All.3 .
Tre rotoli di mylar di spessore 1,5, 2,5 e 3,5 micron, per un totale di 4.5k€, All.4.
1 switch Gbit per acquisizione dati dal costo di 3k€
1 PC di acquisizione di 1k€, vedi All.5.
R&D Phase2: estimated costs 2015
LNS
2) Costruzione e messa in opera di prototipi di tracciatore a gas, moduli di identificazione e rivelatori gamma.
2a) Tracciatore a gas
• Prototipi del tracciatore a gas. Tali prototipi verranno testati su banco.
Le dimensioni dei prototipi sono state scelte in modo da adattarsi allo standard 10x10cm2 dei moltiplicatori di
elettroni basati sulle tecnologie GEM, THGEM, MICROMEGA. Il costo stimato per ciascuno di tali elementi è
riassunto nella seguente tabella, vedi All.6 e All.7.
R&D Phase2: estimated costs 2015
LNS
2) Costruzione e messa in opera di prototipi di tracciatore a gas, moduli di identificazione e rivelatori gamma.
2a) Tracciatore a gas
• Prototipi di due anodi segmentati (obliquo e retto) per la raccolta degli elettroni secondari iniettati su un
piano resistivo e la formazione del segnale elementare: costo di circa 6 k( (vedi All.8) (presenza di fori interrati,
simile densità di piste, simile spessore etc.) .
• Approvvigionamento di fili e minuteria elettronica per la costruzione della sezione a deriva (catodo, partitore di
tensione etc.) per un totale stimato di circa 0.5 k€.
• Cameretta di contenimento del gas, con finestra, flange e passanti per i segnali ed il gas. (All. 9) 11 k€.
• Sistema di flussaggio gas, sarà necessario realizzarne uno nuovo, visto che quello attualmente in uso sarà
impegnato per l’attività sperimentale. Si allega un’offerta (All.10 e All.11) che comprende un’unità di controllo,
un misuratore di pressione differenziale, un’unità di read-out a 4 canali e due flussimetri: totale 13 k€.
R&D Phase2: estimated costs 2015
LNS
2b) Moduli di identificazione.
• Telescopi (DE-E) basati su rivelatori epitassiali al SiC da circa 100 micron seguiti da scintillatori CsI di circa 1cm
di spessore.
Messa a punto delle tecniche per sviluppare in larga scala spessori epitassiali dell’ordine di 100 micron necessari
per l’identificazione degli ioni prodotti nelle reazioni d’interesse. Da contatti con ditte attive nel settore abbiamo
assicurazioni sulla fattibilità tecnica di wafer e di rivelatori con tali caratteristiche.
• Sviluppo di 5 wafer dimostratori dello spessore di 100 micron e diverse superfici e geometrie, 240 k€ (vedi
All.12), in gran parte necessari per la progettazione e lo sviluppo dei processi.
• Costo per 80 wafer, necessari per l’intero lotto dei rivelatori di NUMEN, è di 310 k€ a cui bisogna aggiungere i
costi di fonderia (vedi All.13) di circa 320 k€.
L’acquisto degli 80 wafer con le relative spese di fonderia è previsto nel 2017, mentre quello dei dimostratori per i
test e la realizzazione del prototipo di telescopio finale, andrà effettuato nel 2015.
I costi previsti potranno essere parzialmente rivalutati in fase di gara.
R&D Phase2: estimated costs 2015
LNS
R&D Phase2: Total estimated costs
LNS
The NUMEN goals
LNS
3
Compare sensitivity
Sensitivity of different half-life
experiments
2
1
NUMEN Holy Graal
Studying if the unit cross
section a predictable and a
smooth function of Ep and A
Calculations
constraints
A new generation of DCE
constrained for 0 NME
theoretical calculations
can emerge
NUMEN SWOT Analysis
LNS
Strengths
S
O
•
Physics case 0νββ
•
MAGNEX
•
CS
•
> 30 years of Heavy- Ion Nuclear
Physics @ LNS
•
3 goals
•
Search of Physics beyond the SM
•
Different communities involved
•
International Collaborations
Opportunities
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Physics case 0νββ
MAGNEX R&D
CS R&D
INFN WHAT NEXT
Budget extra CSN3
New Challenges
New technologies
New theories involved
Collaborations (Nat.+Int.)
Weaknesses
LOW RISKS
HIGH
BENEFITS!
•
•
•
•
•
•
•
•
•
New technologies
Manpower
Budget
National Collaborations
Tight time schedule
Threats
Budget
Tight Time schedule
New technologies
New theories involved
W
T
SlideModel.com
26
Electronic scheme
SlideModel.com
27
MAGNEX Focal Plane Detector
Induction pads
Entrance window
DC wires (750V)
φfoc
Ion trajectory
Frisch grid (0V)
57 Silicon Detectors
→ Eres
Silicon detectors
5 Proportional Wires
→ ΔE
+
Cathode (950V)
Section view
4 Induction Strip
→ X1,X2,X3,X4
→ Xfoc,θfoc
Ion
identification
Rayreconstruction
4 Drift Chamber (DC)
→ Y1,Y2,Y3,Y4
C.Boiano et al., IEEE 55 (2008) 3563
→ Yfoc,φfoc
M.Cavallaro et al. EPJ A 48: 59 (2012)
D.Carbone et al. EPJ A 48: 60 (2012)
LNS
Measured Resolution:
Energy E/E 1/1000
Angle Δθ 0.3°
Mass Δm/m 1/160
Optical characteristics
Actual values
Maximum magnetic rigidity (Tm)
1.8
Solid angle (msr)
50
Momentum acceptance (cm/%)
-14%, +10%
Momentum dispersion
3.68
First order momentum resolution
5400
F. Cappuzzello et al., MAGNEX: an innovative large acceptance spectrometer for nuclear reaction studies, in Magnets: Types, Uses and Safety (Nova Publisher Inc., NY, 2011)
pp. 1–63.