Advanced

Developing a test procedure for neutron detection/non detection using a Small TPC Prototype

Mauritzsson, Nicholai LU (2016) FYSK02 20152
Department of Physics
Particle Physics
Abstract
This work relates to the proposed n-nbar experiment at ESS and covers a procedure with which future neutron research can be made using a small TPC prototype. Settings for the GEM amplification voltage supply and main drift field across the chamber have been established using minimum ionizing cosmic muons as a reference. To be able to reconstruct tracks in three dimensions and measure the deposited energy of a particle, a track-finding and plotting software was also designed as part of this work. From measurements with an AmBe source a preliminary detection efficiency for gammas and thermal neutrons has been established. Future improvements regarding work with the small TPC prototype are suggested in terms of the pad size and geometry,... (More)
This work relates to the proposed n-nbar experiment at ESS and covers a procedure with which future neutron research can be made using a small TPC prototype. Settings for the GEM amplification voltage supply and main drift field across the chamber have been established using minimum ionizing cosmic muons as a reference. To be able to reconstruct tracks in three dimensions and measure the deposited energy of a particle, a track-finding and plotting software was also designed as part of this work. From measurements with an AmBe source a preliminary detection efficiency for gammas and thermal neutrons has been established. Future improvements regarding work with the small TPC prototype are suggested in terms of the pad size and geometry, improving the efficiency measurements and track-finding. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Under "The Big Bang" så bildades den materia som idag utgör vårt universum. Enligt den teoretiska så kallade "Standardmodellen" i partikel fysik så skulle det i detta skede bildats lika mycket materia som antimateria. Men observationer idag visar sig att i princip all antimateria är på något vis bortkommet. Denna motsägelse av en annars väl bevisad teoretisk modell är något som man inom fysiken måste kunna förklara. Alternativa teorier har etablerats som kulle kunna förklara denna olikheten, men det är först nu som det finns möjlighet att experimentellt sätta dessa på prov bl.a. med experiment vid den högsta energin vi kan skapa, nämligen vid LHC (Large Hadron Collider) på CERN. En annan plan är att bygga ett experiment vid ESS för att... (More)
Under "The Big Bang" så bildades den materia som idag utgör vårt universum. Enligt den teoretiska så kallade "Standardmodellen" i partikel fysik så skulle det i detta skede bildats lika mycket materia som antimateria. Men observationer idag visar sig att i princip all antimateria är på något vis bortkommet. Denna motsägelse av en annars väl bevisad teoretisk modell är något som man inom fysiken måste kunna förklara. Alternativa teorier har etablerats som kulle kunna förklara denna olikheten, men det är först nu som det finns möjlighet att experimentellt sätta dessa på prov bl.a. med experiment vid den högsta energin vi kan skapa, nämligen vid LHC (Large Hadron Collider) på CERN. En annan plan är att bygga ett experiment vid ESS för att undersöka hur Standardmodellens symmetri mellan materia och antimateria skulle kunna brytas.

Den planerade anläggningen European Spallation Source (ESS) i Lund Sverige (planerat att vara i bruk år 2019) kommer att förse forskare med världens mest kraftfulla neutron källa. Bestrålning med neutroner möjliggör att illuminera olika egenskaper hos material såsom dess atomära och magnetiska uppbyggnad. Forskning inom bland annat, men inte begränsat till, kemi, biologi, material vetenskap och medicin förväntas att göras vid ESS.

En av teorierna bakom varför vi inte ser någon antimateria idag skulle kunna förklaras av en mekanism som på samma sätt skulle kunna omvandla en neutron till dess antipartikel, anti-neutronen. Denna omvandling vore oerhört sällsynt så ESS med dess höga intensitet av neutroner utgör en stark kandidat för just detta experiment. Man planerar att detektera denna process i slutet på en 200 meter lång och 2 meter bred vaccum tunnel där neutronerna får flyga igenom. Om en omvandling sker på vägen så kommer det att synas tydlig när den är framme vid detektorn.

Problemet är att man letar efter en händelse som är, som sagt, väldigt sällsynt. Det är viktigt att detektorn inte "ser" något annat än just bara händelsen då en neutron omvandlas till en anti-neutron, vilket är lättare sagt än gjort. Alla dessa neutroner utgör en möjlig källa för störande signaler i systemet. Normalt vill man tillverka en detektor för att detektera alla partiklar med så hög effektivitet som möjligt. Med avseende på neutron-anti-neutron experiment så är det i princip tvärt om. Man vill inte se alla dessa överflödiga neutroner utan endast dom som omvandlats till anti-neutroner.

Den planerade detektorn till neutron-anti-neutron experimentet är en så kallad Time Projection Chamber (TPC). En TPC är en gasfylld detektor som inte bara mäter energin på en partikel utan ger även möjligheten att rekonstruera ett spår i tre dimensioner. Detta ger möjlighet att följa partikelns väg genom detektorn så att man kan se varifrån den kom. Forskning kring hur neutroner verkar med en TPC är centralt för att att designa ett system som inte störs av den enorma mängden neutroner som kommer att finns vid ESS. Rapporten som följer nedan utgör ett första steg i just denna riktning genom att titta på hur en prototyp av en TPC reagerar vid bestrålning av neutroner från ett radioaktivt preparat. Rapporten har som mål att vara ett förarbete vilket framtida forksning kring just denna fråga kan byggas på. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Mauritzsson, Nicholai LU
supervisor
organization
course
FYSK02 20152
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
Time Projection Chamber, TPC, neutron, anti-neutron, Gas Electron Multiplier, ALTRO, Readout electronics
language
English
id
8564065
date added to LUP
2016-01-21 20:35:59
date last changed
2016-01-22 12:33:06
@misc{8564065,
  abstract     = {This work relates to the proposed n-nbar experiment at ESS and covers a procedure with which future neutron research can be made using a small TPC prototype. Settings for the GEM amplification voltage supply and main drift field across the chamber have been established using minimum ionizing cosmic muons as a reference. To be able to reconstruct tracks in three dimensions and measure the deposited energy of a particle, a track-finding and plotting software was also designed as part of this work. From measurements with an AmBe source a preliminary detection efficiency for gammas and thermal neutrons has been established. Future improvements regarding work with the small TPC prototype are suggested in terms of the pad size and geometry, improving the efficiency measurements and track-finding.},
  author       = {Mauritzsson, Nicholai},
  keyword      = {Time Projection Chamber,TPC,neutron,anti-neutron,Gas Electron Multiplier,ALTRO,Readout electronics},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Developing a test procedure for neutron detection/non detection using a Small TPC Prototype},
  year         = {2016},
}