Pattern Recognition in a High Pressure Time Projection Chamber prototype with a Micromegas readout for the 136Xe double beta decay

The objective of this study has been to analyse the pattern recognition potential for background discrimination in a high pressure Time Projection Chamber (TPC) equipped with Micromegas detectors looking for the 136Xe neutrinoless double beta decay (ββ0ν). In addition the commissioning of a medium size prototype equipped with pixelized Micromegas allows to do first recognition of tracks in long drift distances (38 cm) and to study the performance of these detectors on it. Results show good pattern recognition capabilities and energy resolutions, proven the operability of these detectors for a ββ0ν experiment. The study of the background rejection potential in a 100kg TPC operating with Xe gas at 10 bar and equipped with Micromegas to study the ββ0ν have been done with MonteCarlo simulations. After the application of discrimination algorithms based on pattern recognition a rejection power of six orders of magnitude was obtained while the signal efficiency is 40%

Desarrollo de software de análisis y reconstrucción de sucesos en Cámaras de Proyección Temporal

En este trabajo se ha presentado el área de estudio conocido como Búsqueda de Sucesos Raros, así como un conjunto de fenómenos de interés que podrían mostrar nueva física y que se encuentran dentro de esta categoría. Se han mostrado descrito las Cámaras de Proyección Temporal así como sus posibles aplicaciones a este campo y proyectos que las emplean junto a la electrónica T2K en la Universidad de Zaragoza. Este tipo de detectores están caracterizados por poder ofrecer una buena resolución espacial y en energía de los eventos. En el marco de este trabajo se han elaborado un conjunto de herramientas de software, con la intención de resultar lo más transversal posible y poder se aplicado a los distintos experimentos que empleen cámaras TPC y electrónica T2K. Este software introduce una metodología mediante la cual pasa de la descripción de los eventos producida por la electrónica como 512 muestras temporales por canal a una representación del evento dada por un conjunto de N gaussianas. Este software se ha empleado en un conjunto de medidas elaboradas por el prototipo NEXT-MM. Los resultados han permitido mostrar el éxito de las herramientas en su aplicación a eventos casi puntuales, sin observar problemas de convergencia en los eventos de fondo con trazas largas. Mediante las medidas se ha caracterizado una mezcla de Xe-TMA, donde se obtenía por primera vez los coeficientes de difusión longitudinal y transversa. Los resultados han mostrado que la mezcla permite, con concentraciones muy pequeñas de TMA, una mejoría en la resolución espacial. Además se ha probado la capacidad del prototipo para ser empleado en la caracterización de gases

Modelo de fondo para IAXO-D0, prototipo del experimento IAXO (International Axion Observatory)

Nuestras teorías físicas actuales sugieren que en torno a un 27% de nuestro Universo está compuesto por materia oscura, aunque esta aún no se ha detectado. Actualmente se cree que esta se compone de nuevas partículas más allá del modelo estándar, siendo los principales candidatos los WIMPs y los axiones. Existen distintos tipos de experimentos para tratar de detectar estas partículas. De entre ellos, este trabajo se centra en IAXO (International AXion Observatory), un helioscopio de axiones de cuarta generación actualmente en desarrollo. Se espera que IAXO alcance una alta sensibilidad a la débil señal de los axiones, para lo que se requiere que sea un detector de ultra bajo fondo. El objetivo de este trabajo es realizar un modelo del fondo radiactivo del prototipo IAXO-D0 para evaluar si cumple los objetivos establecidos así como encontrar posibles estrategias de reducción de fondo más allá de las ya aplicadas. Para ello se realizan una serie de simulaciones Monte Carlo que permiten realizar un primer estudio de cómo las contaminaciones radiactivas de los materiales contribuyen al fondo del detector. Se ha hallado el fondo producido por las diferentes contaminaciones de cada material del montaje de IAXO-D0: componentes de cobre (Micromegas, tubería, raqueta, cámara, patrón de araña de la ventana), recubrimiento de teflón de la vasija y la tubería, ventana de mylar, lámina de Cu-kapton-Cu de la Micromegas y blindaje de plomo. El resultado es que el fondo b = (4.31±0.915) × 10−8 c keV−1 cm−2 s−1 cuando se utiliza argón como gas activo y b = (1.09±0.0948) × 10−8 c keV−1 cm−2 s−1 para el xenón. Sólo disponemos de cotas superiores de actividad, por lo que no se puede dar una estimación de fondo con mayor precisión que la determinada por estas mediciones. Además, debido al compromiso entre tiempo de computación y estadísticas obtenidas, éstas han sido bajas en algunos casos. A pesar de esto, los resultados aquí descritos favorecen el uso de Xe+1% isobutano como gas activo y sugieren que los componentes más contaminantes son el blindaje de plomo, la Micromegas y probablemente la ventana de mylar. Los espectros de energía depositada en el gas obtenidos muestran el pico de fluorescencia del cobre (8 keV). En el caso del xenón el resto del espectro es relativamente plano en la región de interés, mientras que en el caso de argón está dominado por la contaminación procedente del 39Ar presente en el gas. Los niveles de fondo estimados demuestran que IAXO-D0 es capaz de cumplir sus objetivos

Estudio de fuentes radiactivas para la calibración de un detector de Materia Oscura

Un estudio sobre la viabilidad de implantación de nuevas fuentes de calibración para el detector de materia oscura TREX-DM en el LSC. Como posibles fuentes de calibración, trabajo se centra concretamente en el estudio del isotopo Kr-83m y en las fuentes de neutrones de AmBe y Cf-252. Para ello se ha hecho una recopilación de sus propiedades más relevantes y se han realizado simulaciones computacionales que ayudarán a la comprensión de la toma de datos reales

Estudio de fondos de un detector gaseoso esférico para la búsqueda de materia oscura

En la actualidad, nuestro universo está constituido aproximadamente por un 5% de materia visible, un 23% de materia oscura y un 72% de energía oscura. El 95% del universo no se conoce: de hecho la naturaleza de la materia oscura es bastante incierta, y la energía oscura es un completo misterio. La evidencia de la existencia de materia oscura es abrumadora, principalmente debido a sus efectos gravitatorios. Hoy en día hay muchos experimentos intentando descubrir cual es exactamente su naturaleza. Todos los detectores para su búsqueda directa apuntan a observar retrocesos nucleares producidos por las colisiones elásticas de partículas de materia oscura con núcleos blanco de materia ordinaria. Los retrocesos nucleares que se deben observar están en el rango de energías de 1 a 100 keV. Por lo tanto, es vital la utilización de detectores masivos con bajos umbrales de detección de energía y gran capacidad de discriminación de fondos. En este marco, los detectores de gases nobles son dispositivos prometedores para búsquedas de materia oscura. Este trabajo está dirigido a entender las señales debidas a las diferentes fuentes de sucesos de fondo: muones, neutrones y radiación gamma en un detector esférico gaseoso de argón de 1 m de diámetro, así como la señal esperada para neutrones de diferentes energías. Para ello se utilizarán herramientas de MonteCarlo basadas en el programa GEANT4 donde se definirá la geometría del detector, se implementarán las diferentes fuentes de fondo, se simularán las interacciones con núcleos de gas y se recogerán los datos de posición y energía depositada por estos núcleos en retroceso. Finalmente se analizarán los resultados utilizando el código basado en el programa ROOT para determinar el nivel de fondo irreducible de nuestro experimento

Diseño de un detector de neutrones cósmicos

El experimento IAXO es un futuro helioscopio solar que persigue la detección del axión, una partícula hipotética motivada por el problema CP fuerte, que además se postula como un sólido candidato a Materia Oscura. Estudios del modelo de fondo realizados en el marco de este proyecto han concluido que los neutrones cósmicos suponen la contribución dominante al fondo, incluso por encima del nivel asociado a muones cósmicos, ya que los sucesos causados por estos últimos pueden ser vetados fácilmente, no así en el caso de los eventos causados por neutrones. Dada la falta de recursos disponibles en el mercado para la detección de neutrones de alta energía, el objetivo de este trabajo es el diseño desde cero de un detector de neutrones cósmicos con herramientas y tecnologías en las que el grupo de investigación es experto. Con este dispositivo se pretende medir con exactitud el flujo de estas partículas que alcanza el experimento, lo que permitirá estimar con mayor precisión la eficiencia del sistema de vetos actual. El análisis de una serie de configuraciones básicas ha permitido guiar y conformar el diseño de un detector, que ha acabado fijándose atendiendo a restricciones ingenieriles y económicas. El grueso de este trabajo se ha dirigido a la concepción de una estructura de blindaje que optimice la estadística de neutrones y que minimice la inherente presencia de un fondo gamma, ambos provenientes de los rayos cósmicos. Comenzando desde el exterior al centro del conjunto, se proponen 5 cm de plomo, a continuación, 10 cm de polietileno y, más adelante, 5 cm de plomo rodeando por completo la vasija cilíndrica. Los resultados obtenidos se consideran competitivos y cumplen las expectativas fijadas al inicio del trabajo: (3793 ± 22) sucesos/hora debidos a neutrones cósmicos y un valor de GARRn de 0,305 ± 0,003. Estas prestaciones justifican la construcción del detector por parte del grupo en el futuro más próximo. El dispositivo concebido tiene el potencial de instaurarse en DESY (Alemania), emplazamiento del proyecto IAXO, bajo el propósito de aumentar la capacidad de rechazo del experimento a señales debidas a este fondo. <br /

Diseño de un detector de neutrones ambientales

Actualmente en el mercado podemos encontrar detectores de neutrones de todas las formas y tamaños, hechos con materiales completamente distintos y para diversos rangos de energías, fundamentalmente para bajas energías y flujos moderados o altos. Estas casas comerciales no ofrecen demasiada información sobre sus especificaciones hasta que los tenemos en nuestro laboratorio.En este trabajo se intenta solventar ese problema haciendo un estudio bajo simulaciones con el entorno REST de tres detectores que podemos encontrar actualmente en el mercado. El objetivo es estudiar si en algún caso se pueden considerar para medir neutrones ambientales, caracterizados por su alta energía y bajo flujo. También se habla de las posibles mejoras a realizar en los detectores para su uso en distintos rangos de energías.<br /

Diseño de un detector de contaminación superficial de alfas de alta sensibilidad

La detección de eventos poco probables, tales como la desintegración doble beta sin neutrinos o partículas más allá del Modelo Estándar candidatas a materia oscura como los WIMPs, requiere el uso de detectores de bajo fondo. Con el objetivo de reducir la presencia del fondo causado por los rayos cósmicos y la radiación superficial, los experimentos que buscan detectar este tipo de eventos raros suelen situarse en laboratorios subterráneos. No obstante, incluso a cientos de metros de profundidad existe una fuente de radiación difícil de eliminar: el radón (Rn). La contaminación producida por este elemento, tanto ambiental como superficial, supone un reto para la mejora de la sensibilidad alcanzable en experimentos de bajo fondo.El objetivo de este trabajo es diseñar un detector de partículas alfa de alta sensibilidad que permita identificar la presencia de Rn y su progenie depositados sobre superficies de materiales. Por un lado, nos centraremos en el estudio del comportamiento que tendría un prototipo inicial del detector utilizando el entorno de simulación REST. Por el otro, seguiremos el proceso de puesta a punto del detector en el laboratorio y valoraremos los primeros resultados experimentales. Finalmente, abordaremos las posibles futuras modificaciones y analizaremos las conclusiones extraíbles de las pruebas realizadas.<br /

RAYOS CÓSMICOS SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRE

La Tierra se ve continuamente bombardeada por partículas provenientes del Sol, de nuestra Galaxia, e incluso de fuera de esta. Dichas partículas reciben el nombre de Rayos Cósmicos, y es importante monitorizar su flujo ya que pueden causar problemas en dispositivos electrónicos e incluso en la salud, entre otros. El objetivo de este trabajo será realizar un estudio del ritmo de rayos cósmicos que reciben algunas estaciones de medida situadas alrededor del globo terrestre (utilizando la base de datos NMDB) y comprobar la dependencia que tiene con la actividad solar, la altitud y la latitud/rigidez. Además, se realizarán varias simulaciones en GEANT4, en las que se lanzarán neutrones cósmicos sobre una geometría que simula los detectores NM64 utilizados en las estaciones de medida de la NMDB. Estas simulaciones permitirán una mejor comprensión del funcionamiento de los detectores de neutrones y de las interacciones que se dan entre los neutrones y los distintos elementos de dichos detectores. Se mostrará cómo la intensidad de rayos cósmicos detectados en la superficie terrestre se ve modulada por el ciclo de 11 años de actividad solar, siendo menor cuando el número de manchas solares es mayor y viceversa. Además, cuanto mayores sean la altitud y la latitud a la que se encuentre el detector de neutrones, recibirá una mayor intensidad de rayos cósmicos.<br /

Rayos cósmicos. Activación en materiales debida a neutrones cósmicos.

Muchos experimentos para la búsqueda de sucesos extraños en física de partículas (como la búsqueda de materia oscura o desintegraciones doble beta sin neutrinos) requieren un nivel de fondo en la detección muy bajo. En este trabajo se estudian los fenómenos de activación por parte de rayos cósmicos del material usado como detector o de materiales que habitualmente se utilizan en los blindajes, y que pueden perjudicar la medida de estos experimentos. Se han comparado los resultados de dos tipos de códigos de simulación de la activación: ACTIVIA y Geant4