Contaminazioni superficiali indotte da Radon in esperimenti volti

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI MILANO-BICOCCA
DIPARTIMENTO DI FISICA G. OCCHIALINI
UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1
INSTITUT DE PHYSIQUE NUCLEARIRE DE LYON
A THESIS SUBMITTED FOR THE DEGREE OF
Dottore di Ricerca in Fisica e Astronomia
Docteur dans le domaine de la Physique
Contaminazioni superficiali indotte da Radon in
esperimenti volti alla ricerca del decadimento
doppio beta senza emissione di neutrini e della
materia oscura
Luca PATTAVINA
Advisor
Prof. C. Augier
Prof. E. Previtali
Negli esperimenti che ricercano eventi rari come il decadimento doppio beta senza
emissione di neutrini (DBD) e la materia oscura (DM), uno dei principali problemi che
limitano il potenziale di scoperta di questi è la selezione e la produzione di materiali ultrapuri impiegati per la costruzione del rivelatore, con lo scopo ultimo di minimizzare il
fondo dell’esperimento.
Gli attuali limiti raggiunti nella selezione dei materiali ha fatto nascere delle discussioni
riguardanti l’ultimo contributo che queste componenti possono dare al fondo dell’esperimento. Infatti non solo la radiopurezza del volume dei materiali prescelti limita la sensibilità sperimentale, ma nel momento in cui questa è minimizzata il contributo proveniente
dalle superfici non è pi trascurabile.
Le componenti sensibili dei rivelatori per la ricerca di eventi rari sono realizzate con
contaminazioni radioattive intrinseche minime e, grande attenzione è volta soprattutto al
trattamento delle superfici; infatti un controllo non accurato della pulizia delle superfici
può indurre ad una contaminazione superficiale comparabile con quella presente nel volume.
Molte tecniche e procedure sono state sviluppate per ridurre o eventualmente eliminare
la presenza di contaminanti sulle superfici dei rivelatori; una strategia di successo consiste
nell’identificazione di tutti i possibili meccanismi che possono condurre alla contaminazione
di una superficie, in seguito è necessario applicare specifiche tecniche di pulizia per eliminare i contaminanti e preservare le superfici da un’eventuale ricontaminazione.
Affinch la pulizia delle superfici sia efficace è necessario che la costruzione del detector
avvenga in ambienti controllati, infatti la presenza in aria e in altri gas di elementi radioattivi può portare ad una ricontaminazione dei materiali se questi si impiantano sulla
superfici, rendendo cos vana ogni pulizia precedentemente applicata.
Come ben noto in aria è sempre presente e misurabile una contaminazione di 222 Rn,
un isotopo prodotto dalla catena di decadimento dell’238 U. Il radon è un gas nobile e può
essere emanato da qualsiasi materiale che contenga una contaminazione di 238 U e quindi
diffondere in aria.
La concentrazione di 222 Rn in aria è fortemente legata a fattori atmosferici come la temperatura e la pressione, ma anche al tipo di infrastrutture nelle aree di interesse (e.g. ventilazione e proprietà dei materiali utilizzati per la costruzione dell’infrastruttura). Tutte
queste variabili rendono lo studio delle dinamiche di diffusione di questo elemento particolarmente critiche.
Per minimizzare i processi che possono condurre ad una ricontaminazione di Rn di materiali ultrapuri è necessario immagazzinate in ambienti radio-puliti tutte le componenti
sensibili del rivelatore. In tali ambienti la concentrazione di 222 Rn in aria è minimizzata il
3
più possibile, cosı̀ da ridurre la probabilità che un isotopo radioattivo si impianti su una
superficie.
Le contaminazioni indotte da Rn risultano essere particolarmente pericolose a causa di
uno dei prodotti di decadimenti di questo elemento: il 210 Pb; questo elemento ha una
vita media di 22.4 anni, e una sua eventuale deposizione sul rivelatore rimarrà invariata
durante tutta la durata del esperimento, producendo cosı̀ una sorgente di fondo costantemente presente nell’esperimento. Affinché questa situazione non si verifichi, o che il 210 Pb
non sia una delle sorgenti principali del fondo sperimentale è richiesta un’approfondita
conoscenza dei meccanismi che portano ad un intrappolamento di nuclei di 210 Pb sulle
superfici del rivelatore.
I rivelatori di particelle criogenici degli esperimenti CUORE (DBD) e EDELWEISS
(DM) sono molto sensibili alle contaminazioni superficiali, infatti essendo privi di uno
strato morto superficiale sono attivi sull’intero volume e quindi sono sensibili anche alle
contaminazioni superficiali dei materiali che si affacciano al rivelatore e del rivelatore stesso. In questa particolare configurazione risulta d’obbligo un controllo e una riduzione di
tutti i possibili isotopi radioattivi presenti sulle superfici.
Quindi, per poter effettuare un’accurata analisi del fondo radioattivo di esperimenti che
ricercano eventi rari risulta d’obbligo un’analisi delle contaminazioni superficiali. Più in
dettaglio è necessario studiare il fondo indotto dalla presenza di 222 Rn (e suoi figli) in aria.
La comprensione dei meccanismi di impiantazione dei vari elementi della catena del radon
su diversi materiali permetterà anche un abbattimento diretto della presenza di questi sul
rivelatore.
Per poter condurre questi studi è stato ricreato un ambiente con un’elevata concentrazione di Rn, in modo tale da esporre campioni di vari materiali che verranno utilizzati
per l’assemblaggio del rivelatore di CUORE in ambiente controllato e successivamente
verranno studiate le contaminazioni prodotte in seguito all’esposizione. La possibilità di
esporre vari campioni di diversi materiali ha permesso allo stesso tempo di individuare
quale fossero i materiali più critici e quale fossero i diversi contributi apportati al fondo di
CUORE dai diversi materiali.
Identificare le correlazioni fra contaminazioni e tempo di esposizioone dei campioni
al Rn, permetterebbe di determinare quale sia il contributo al fondo di CUORE causato
da un’esposizione delle componenti del rivelatore al Rn. Inoltre attraverso questo tipo di
analisi è possibile definire i parametri (e.g. concentrazione di Rn nell’aria) secondo cui la
camera pulita (dove verrà assemblato il detector) dovrà essere costruita. In questo modo
sarà possibile ridurre il contributo al fondo dato dall’esposizione al Radon.
Molti esperimenti al fine di ridurre il contributo prodotto da contaminazioni superficiali
hanno sviluppato delle tecniche di discriminazione di particella. La collaborazione EDEL-
WEISS, esperimento volto alla ricerca diretta della materia oscura, utilizza bolometri di
germanio con doppia lettura di segnale: calore e ionizzazione. Attraverso questi due canali
è possibile distinguere il tipo di interazione di particella che avviene sul rivelatore: alfa,
elettrone/fotone e neutrone. Questa peculiarità permette di studiare in maniera più approfondita le contaminazioni prodotte dal Rn, principalmente alfa, identificando e riducendo
il fondo prodotto da altri decadimenti radioattivi.
Il confronto diretto fra gli spettri energetici acquisiti da EDELWEISS e CUORE offre
la possibilità di determinare in maniera univoca i vari meccanismi che generano le contaminazioni superficiali partendo da una concentrazione di Rn nell’aria, inoltre è possibile
determinare quantitativamente il contributo dato dal Rn nel fondo di esperimenti volti
alla ricerca di eventi rari.