ROSEBUD Informe final 1 ROSEBUD Informe final Noviembre 2014 _______________________________________________ ROSEBUD (acrónimo en inglés de Rare Objects SEarch with Bolometers UndergrounD) es una colaboración entre el Instituto de Astrofísica Espacial (Francia) y la Universidad de Zaragoza (España), que comenzó en 1998. Se ha dedicado al desarrollo, optimización y caracterización de bolómetos centelleadores para su aplicación en experimentos de física nuclear y de astropartículas. Desde el 2006, ambas instituciones forman parte también de la colaboración EURECA, un gran proyecto europeo para la búsqueda de materia oscura, cuyo principal objetivo es combinar diferentes técnicas criogénicas de detección y diferentes blancos en un único montaje experimental de ultrabajo fondo radiactivo, extensible hasta 1 tonelada de masa. ROSEBUD ha realizado medidas experimentales en el LAB2500 del LSC desde 1999 hasta 2007. Posteriormente el dispositivo experimental se trasladó al Hall B del LAB2400 donde continúo su actividad, completando su programa experimental en 2012. El dispositivo experimental ha sido desmontado en 2013. En este informe, describimos brevemente la colaboración, la técnica de detección, el montaje experimental que se instaló en el LSC, los objetivos científicos y los resultados más importantes obtenidos. También incluye un listado de la producción científica de ROSEBUD (publicaciones en revistas internacionales, presentaciones en congresos, pósteres y tesis doctorales). Para información más detallada de la colaboración véase http://www.unizar.es/lfnae/rosebud/ _______________________________________________ La colaboración …………………………….………………………………….. 2 La técnica de detección ……………………………………………………… 2 El montaje experimental en el LSC ……………………………………… 4 Objetivos científicos y principales resultados ………………….…. 5 Publicacioness …….……………………………………………………………… 7 Presentaciones en conferencias …………………………………………. 10 Pósteres …………………………………………………………………………….. 13 Tesis doctorales …………………………………………………………………. 13
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ROSEBUD Informe final 1
ROSEBUD Informe final Noviembre 2014
_______________________________________________
ROSEBUD (acrónimo en inglés de Rare Objects SEarch with Bolometers UndergrounD) es una
colaboración entre el Instituto de Astrofísica Espacial (Francia) y la Universidad de Zaragoza
(España), que comenzó en 1998. Se ha dedicado al desarrollo, optimización y caracterización de
bolómetos centelleadores para su aplicación en experimentos de física nuclear y de
astropartículas. Desde el 2006, ambas instituciones forman parte también de la colaboración
EURECA, un gran proyecto europeo para la búsqueda de materia oscura, cuyo principal objetivo
es combinar diferentes técnicas criogénicas de detección y diferentes blancos en un único
montaje experimental de ultrabajo fondo radiactivo, extensible hasta 1 tonelada de masa.
ROSEBUD ha realizado medidas experimentales en el LAB2500 del LSC desde 1999 hasta 2007.
Posteriormente el dispositivo experimental se trasladó al Hall B del LAB2400 donde continúo su
actividad, completando su programa experimental en 2012. El dispositivo experimental ha sido
desmontado en 2013.
En este informe, describimos brevemente la colaboración, la técnica de detección, el montaje
experimental que se instaló en el LSC, los objetivos científicos y los resultados más importantes
obtenidos. También incluye un listado de la producción científica de ROSEBUD (publicaciones en
revistas internacionales, presentaciones en congresos, pósteres y tesis doctorales).
Para información más detallada de la colaboración véase http://www.unizar.es/lfnae/rosebud/
_______________________________________________
La colaboración …………………………….………………………………….. 2
La técnica de detección ……………………………………………………… 2
El montaje experimental en el LSC ……………………………………… 4
Objetivos científicos y principales resultados ………………….…. 5
Publicacioness …….……………………………………………………………… 7
Presentaciones en conferencias …………………………………………. 10
Pósteres …………………………………………………………………………….. 13
Tesis doctorales …………………………………………………………………. 13
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La colaboración
Participantes
Grupo de Espectrometría Térmica para la Astrofísica y la Física (STAP)
Grupo de Investigación en Física Nuclear y Astropartículas (GIFNA)
Universidad de Zaragoza (UNIZAR)
C/Pedro Cerbuna 12, 50009 Zaragoza, España
Dimensión de la colaboración (en 2012): 2 instituciones, 13 investigadores.
4 investigadores del Instituto de Astrofísica Espacial (IAS; Orsay, Francia).
9 investigadores de la Universidad de Zaragoza (UNIZAR, España).
El personal del LSC ha colaborado en la instalación de las estructuras metálicas, de la caja de
Faraday y del sistema de vacío, y ha dado apoyo logístico para el traslado desde el LAB2500 al
Hall B del LAB2400.
Financiación
CNRS/INSU (proyectos MANOLIA y BOLERO), Francia
Programa Nacional de Cosmología (PNC), Francia
Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (MEC, MINECO), España
Gobierno de Aragón (Grupo GIFNA), España
Proyecto europeo: EU Project ILIAS Contract No. RII3‐CT‐2004‐506222, proyecto P2007‐08‐LSC
LSC: installación de la caseta que contenía la caja de Faraday
The detection technique
ROSEBUD emplea los denominados calorímetros criogénicos o bolómetros, que son detectores
de partículas basados en las propiedades de algunos materiales a temperaturas próximas al cero
absoluto. La colaboración ha sido pionera en el desarrollo de bolómetros centelleadores (una
técnica de detección criogénica híbrida con una excelente capacidad de discriminar diferentes
partículas).
El bolómetro
Un bolómetro es un detector de partículas que consiste en un cristal (absorbente), acoplado a
un baño térmico, y con un sensor térmico pegado sobre él (véase figura 1‐izqda). El sensor mide
la energía ΔE depositada por la interacción de una partícula en el absorbente gracias al
incremento de temperatura T que se produce. Este T es tan pequeño que sólo es medible a
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temperaturas extremadamente bajas (próximas al cero absoluto). Por ello se requiere un
sistema criogénico muy complejo: un refrigerador de dilución (RD) que es un dispositivo que,
utilizando unas propiedades termodinámicas especiales de una mezcla de 3He and 4He (véase
figura 1‐dcha), alcanza temperaturas tan bajas como 10‐20 mK.
Fig. 1. Izqda: Diagrama de la técnica de detección bolométrica. Dcha: Diagrama de un
refrigerador de dilución (un sistema criogénico que enfría a temperaturas cercanas al cero
absoluto) y su principio de operación.
Los bolómetros tienen muchas aplicaciones como detectores de partículas porque esta técnica
de detección, además de ofrecer excelentes prestaciones (buena resolución y muy bajo umbral
en energía), presenta una muy amplia oferta de posibles materiales absorbentes.
El bolómetro centelleador
Los absorbentes centelleadores se montan en una configuración de doble bolómetro (véase
figura 2) que permite medir simultáneamente el calor y la luz producidos por la interacción de
una partícula. El segundo bolómetro es un disco de Ge (decenas de micras de espesor) con su
correspondiente sensor térmico. Los fotones de centelleo son absorbidos en dicho disco.
Fig. 2. Diagrama (izqda) y fotografía (dcha) de un bolómetro centelleador. Se basa en una
configuración de doble bolómetro en la cual la luz producida en el cristal centelleador es
absorbida en el disco de Ge.
Como la producción de luz depende enormemente del tipo de partícula, esta medida simultánea
de luz y calor permite discriminar entre partículas (véase figura 3) lo que incrementa la
sensibilidad del detector para la señal buscada en cada experimento.
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Fig. 3. Diagrama luz‐calor de un bolómetro centelleador que muestra su capacidad para
distinguir partículas / de partículas (izqda) y de retrocesos nucleares (dcha).
El montaje experimental
Los detectores (bolómetros centelleadores) son desarrollados en el IAS y montados en una
estructura de cobre acoplada térmicamente a la cámara de mezclas del RD (véase figura 4‐
izqda). Las primeras pruebas se realizan en el IAS. Aquellos detectores con mejores prestaciones
son caracterizados en un entorno de ultrabajo fondo radiactivo en el Hall B del LSC. La parte
externa consiste en una jaula de Faraday de 3x3x4.8 m3 (con aislamiento acústico y vibracional)
que protege de interferencias electromagnéticas (véase figura 4‐centro), y el equipo de vacío y
circulación de gases del RD (véase figura 4‐dcha).
Fig. 4. Izqda: Tres bolómetros centelleadores montados en una estructura de cobre
acoplada al RD. Ctro: Jaula de Faraday. Dcha: Equipos de vacío y circulación de gases del RD.
El RD se instala dentro de la jaula de Faraday y se rodea de un blindaje (véase figura 5) que, de
dentro a fuera, consiste en 25 cm de Pb, una lámina de 1 mm de ‐metal, una caja de PVC
sellada por cuyo interior circula vapor de LN2 para eliminar el radón presente en el aire, y 40 cm
de polietileno como blindaje contra neutrones.
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Fig. 5. Fotografías del RD dentro de la jaula de Faraday con el blindaje parcialmente
instalado.
Nota: Hasta 2007 las medidas se realizaron en el LAB2500 usando un montaje
experimental muy parecido, aunque con una caja de Faraday algo más pequeña.
Objetivos científicos y principales resultados
Los bolómetros centelleadores tienen muchas aplicaciones en física nuclear y de astropartículas.
A continuación resumimos los principales temas de investigación seguidos por ROSEBUD y los
resultados más relevantes obtenidos por la colaboración.
El problema de la materia oscura
Uno de los desafíos más importantes para la cosmología y la física de partículas y astropartículas
del siglo XXI es descubrir la naturaleza del ~85% de la materia del universo que no emite ningún
tipo de radiación: la denominada materia oscura. Los bolómetros centelleadores se emplean en
experimentos de detección directa de la materia oscura, aprovechando la amplia elección de
blancos y su capacidad de discriminar tipos de partículas.
En el LSC, usando un bolómetro centelleador de CaWO4, ROSEBUD realizó la primera
búsqueda subterránea de materia oscura con medida simultánea de luz y calor.
Hemos desarrollado y caracterizado en el LSC prototipos de detectores de Al2O3 y BGO
obteniendo excelentes prestaciones. Estos materiales podrían incorporarse como
blancos en el futuro experimento EURECA.
Hemos medido en diversos materiales las respuestas en luz y calor a retrocesos
nucleares.
Detección de neutrones
Los neutrones constituyen una contribución relevante al fondo radiactivo en física de sucesos
raros.
Hemos desarrollado y probado bolómetros centelleadores de LiF and 6LiF que podrían
ser utilizados para monitorizar el flujo de neutrones en el interior del blindaje de un
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experimento criogénico de búsqueda de materia oscura, como EURECA, usando la
resonancia de la reacción nuclear 6Li(n,) (véase figura 6).
Fig. 6. Izqda: Diagrama luz‐calor de un bolómetro centelleador de LiF irradiado con
neutrones de una fuente de 252Cf situada fuera del blindaje de plomo. Dcha: Espectro
experimental y simulado de los neutrones rápidos absorbidos en el LiF.
Con el uso simultáneo de bolómetros centelleadores de LiF and a Al2O3, hemos medido
el flujo de neutrones (E>0.1 MeV) en el interior del blindaje de plomo para neutrones
provenientes de una fuente externa de 252Cf obteniendo un valor de 0.2 n s−1 cm−2.
Física nuclear y fundamental
Los bolómetros centelleadores pueden utilizarse en experimentos de física nuclear y
multidisciplinar. Por ejemplo, en ROSEBUD:
Hemos diseñado y construido una instalación criogénica de ultrabajo fondo radiactivo.
Con un CaWO4 hemos mejorado los límites a la radiactividad natural del tungsteno. Hemos medido la producción de luz y calor para diferentes partículas en numerosos
materiales.
Con un BGO hemos medido el cociente L/K de la captura electrónica del 207Bi.
Hemos estudiado y medido en diversos materiales el reparto energético entre calor, luz
y trampas que produce la interacción de la radiación con la materia.
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ExperimentalModel + Monte Carlo
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Publicaciones
2014
Neutron spectrometry with scintillating bolometers of LiF and sapphire.
N. Coron et al. Enviado al IEEE Transactions on Nuclear Science.
Response of parylene‐coated NaI(Tl) scintillators at low temperature.
N. Coron et al., en "Proceedings of the RPSCINT 2013 – International Workshop on
Radiopure Scintillators", The European Physical Journal (EPJ): EPJ WEB of Conferences
65:02001 (2014).
2013
Development of scintillating bolometers for dark matter searches.
M. Martínez et al., en "Proceedings of the 3rd Galileo‐Xu Guangqi Meeting",
International Journal of Modern Physics: Conference Series 23 (2013) 324.
Light Relative Efficiency Factors for ions in BGO and Al2O3 at 20 mK.
Y. Ortigoza et al., Astroparticle Physics 50‐52 (2013) 11.
Study of parylene‐coated NaI(Tl) at low temperatures for bolometric applications.
N. Coron et al., Astroparticle Physics 47 (2013) 31.
2012
Measurement of the differential neutron flux inside a lead shielding in a cryogenic
experiment.
N. Coron et al., Journal of Physics: Conference Series 375 (2012) 012018.
Measurement of the L/K electron capture ratio of the 207Bi decay to the 1633 keV
level of 207Pb with a BGO scintillating bolometer.
N. Coron et al., The European Physical Journal A 48:89 (2012).
Characterization of a SrF2 Scintillating Bolometer.
C. Ginestra et al., en el volumen titulado "Low Temperature Detectors (LTD‐14): Part II"
del Journal of Low Temperature Physics 167 (2012) 973.
2011
Energy partition in sapphire and BGO scintillating bolometers.
Y. Ortigoza et al., Astroparticle Physics 34 (2011) 603.
2010 update on the ROSEBUD project.
N. Coron et al., en los proceedings de "Identification of Dark Matter 2010",
PoS(IDM2010)054.
2010
BGO scintillating bolometer: Its application in dark matter experiments.
N. Coron et al., en los proceedings de "Topics in Astroparticle and Underground
Physics (TAUP2009)", Journal of Physics: Conference Series 203 (2010) 012038.
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Detection of fast neutrons with LiF and Al2O3 scintillating bolometers.
N. Coron et al., en los proceedings de "Topics in Astroparticle and Underground
Physics (TAUP2009)", Journal of Physics: Conference Series 203 (2010) 012139.
2009
Neutron spectroscopy with 6LiF bolometers.
J. Gironnet et al., en los proceedings de "The Thirteenth International Workshop on
