DarkSide
L'obiettivo scientifico dell'esperimento DarkSide-20k presso il Laboratorio INFN del Gran Sasso è quello di scoprire la materia oscura osservando i segnali generati dallo scattering sui nuclei in condizioni di background sperimentale nullo. In queste condizioni qualsiasi evento diventa una potenziale scoperta di materia oscura.
Il design di DarkSide-20k si basa sull'esperienza di successo di un esperimento precedente, DS-50. L'argon liquido è il materiale scelto come bersaglio per la materia oscura a causa di diverse caratteristiche interessanti. L'argon liquido emette un segnale di luce di scintillazione (S1) ogni volta che un'interazione vi deposita energia, invece gli elettroni di ionizzazione prodotti nell'interazione possono essere rivelati a molti metri di distanza sotto l'influenza di un campo elettrico. L'intensità del segnale luminoso S1 è proporzionale all'energia depositata nell'interazione e, caratteristica unica dell'argon, l’evoluzione temporale del segnale S1 può essere usata per distinguere un'interazione con gli elettroni nell'atomo di argon - tipicamente dovute al background - e un'interazione con un nucleo di argon - un possibile segnale di materia oscura.
La mobilità degli elettroni è sfruttata applicando un campo elettrico per portare gli elettroni di ionizzazione nella regione del gas sopra il liquido, dove possono generare un secondo segnale luminoso tramite elettroluminescenza (S2). Il ritardo tra il segnale rapido (S1) e il segnale ritardato (S2) dipende dalla localizzazione dell'interazione nel liquido, mentre la distribuzione del segnale S2 sul piano di lettura superiore fornisce la posizione trasversale degli elettroni che emergono dal liquido, identificando così in 3D la posizione esatta dell'interazione. Questa capacità permette di identificare sia gli eventi provenienti da background dovuti alla contaminazione delle superfici esterne del rivelatore sia il background di neutroni che produce tipicamente interazioni multiple.
L'argon naturale che si trova nell'atmosfera terrestre soffre del fatto di essere intrinsecamente radioattivo ad un tasso di 1Bq/kg (1 conteggio al secondo per ogni kg di argon liquido), e lo sfruttamento delle caratteristiche di cui sopra è possibile solo grazie alla scoperta fatta con DS-50 di argon a bassa radioattività nei pozzi sotterranei di CO2 con un'attività 1400 volte inferiore a quella atmosferica originariamente utilizzata in DS-50.
Il rivelatore consiste di due elementi - internamente una camera a doppia fase a proiezione temporale, TPC, contenente circa 50 t di argon a bassa radioattività, il "bersaglio" della materia oscura, esternamente un rivelatore Veto per identificare e rimuovere il fondo indotto dalla radioattività residua naturale dei materiali del rivelatore, tutti immersi in un grande criostato a membrana contenente 700 t di argon liquido naturale usato per schermare il rivelatore dalla radiazione esterna. La TPC ottagonale avrà un'altezza di 350 cm e sarà dotata di un nuovo tipo di fotosensore, array di SiPM, disposti in gruppi chiamati photodetector module (PDM). Ogni PDM ha un'area di 25 cm2 con la TPC dotata di 8280 PDMs che coprono un'area totale di 21 m2. I SiPM promettono una maggiore efficienza quantica effettiva, una maggiore affidabilità alla temperatura del LAr (87 K) e una radiopurezza molto maggiore rispetto ai PMT. Tutte queste proprietà sono cruciali per DarkSide-20k, poiché la capacità di discriminazione della forma degli impulsi dipende in modo critico dalla resa luminosa, mentre il maggiore tasso di radioattività dei PMT constituirebbe un fattore limitante per i background indotti da neutroni e gamma.
A differenza di DS-50, dove si è utilizzata una completa digitalizzazione e registrazione della forma d'onda di ogni PMT, si sta sviluppando uno schema per il campionamento dei SiPM di DarkSide-20k che sono in numero di due ordini di grandezza superiore. La DAQ è progettata per eseguire il processamento digitale online degli impulsi al fine di identificare il minuscolo segnale generato da un solo fotone che colpisce i fotosensori ed eseguire la ricostruzione online degli eventi utilizzando anche le tecniche di machine learning per una prestazione ottimale.
Il gruppo di Roma DarkSide è principalmente concentrato sulla progettazione e costruzione del grande criostato a membrana, sul sistema DAQ e la relativa ricostruzione software e nella calibrazione di precisione a bassa energia della risposta dell’argon liquido.
Siti web:
Opportunità di Tesi:
- Titolo tesi: Development of the trigger and data acquisition systems of Darkside-20 experiment, implementing advanced digital signal processing for the 1 Ton prototype at CERN
Descrizione: Il/la laureando/a collaborerà con il gruppo responsabile della costruzione e messa in funzione al CERN di una serie di prototipi di grandezza crescente, fino al rivelatore ton-scale che validerà in maniera completa il progetto di Darkside-20k. In dettaglio, il/la laureando/a parteciperà allo sviluppo dei sistemi di trigger e DAQ, che richiedono un sistema di processing digitale dei dati, per una ricostruzione ottimale dei minuscoli segnali di scintillazione e ionizzazione prodotti dalla Materia Oscura. Saranno possibili applicazioni con algoritmi di online machine learning.
Proponenti: Andrea Messina e Marco Rescigno. - Titolo tesi: Low-energy nuclear recoil calibration in a Liquid Argon dual phase TPC using neutron beams, and optimization of the Darkside detector for the low-mass dark matter in the mass range 1-10 GeV
Descrizione: Il/la laureando/a collaborerà al design e alla messa in funzione di ReD, un setup sperimentale che usa fasci di neutroni da sorgenti radioattive e fasci di ioni di bassa energia dall'acceleratore TANDEM presso i Laboratori Nazionali del Sud di Catania (LNS). Il/la laureando/a parteciperà all'analisi dati e alle campagne di misura presso i LNS e altrove usando una piccola TPC ad argon liquido e rivelatori di neutroni, allo scopo di aumentare la precisione della calibrazione dei rinculi nucleari, che a sua volta migliorerà gli attuali limiti sull'esistenza della materia oscura nell'intervallo di massa 1-10 GeV.
Proponente: Marco Rescigno. - Titolo tesi: Reconstruction of scintillation and ionization signals with the 1 Ton prototype of Darkside-20k, and characterisation of the performance of a Liquid Argon TPC with novel SiPM photosensors
Descrizione: Il/la laureando/a collaborerà con il gruppo responsabile della costruzione e messa in funzione al CERN di una serie di prototipi di grandezza crescente, fino al rivelatore ton-scale che validerà in maniera completa il progetto di Darkside-20k. In dettaglio, il/la laureando/a parteciperà allo sviluppo e implementazione di algoritmi per la ricostruzione online e offline dei segnali di scintillazione e ionizzazione. Verranno sviluppati nuovi algoritmi di machine learning per la ricostruzione spaziale e per la discriminazione dei rinculi elettronici e verranno confrontati con gli algoritmi standard.
Proponente: Valerio Ippolito.
Responsabile
Sandro De Cecco| Nome | Cognome | Ruolo | Qualifica |
|---|---|---|---|
| Valerio | Bocci | Dipendente | Primo Tecnologo |
| Sandro | De Cecco | Associato | Prof. Associato |
| Carlo | Dionisi | Associato | Prof. Emerito |
| Valerio | Ippolito | Dipendente | Ricercatore |
| Andrea | Messina | Associato | Prof. Associato |
| Stefano | Piacentini | Associato | Dottorando |
| Marco | Rescigno | Dipendente | Primo Ricercatore |