Diseño de un sistema de blindaje para el experimento OSCURA

Abstract

OSCURA es un experimento basado en Aparatos de Carga Acoplada (Charge Couple Devices (CCDs), con un amplificador de lectura que permite obtener una resolución por debajo de un electrón, esencial para la búsqueda de partículas candidatas a materia oscura de baja masa. Este experimento tendrá una sensibilidad sin precedentes a masas por debajo del GeV, tanto en la interacción con los electrones (dispersión (scattering) o absorción) como con el núcleo. Este experimento es una colaboración internacional liderada por el laboratorio de EEUU, Fermi National Accelerator Laboratory, localizado en Batavia, Illinois. Este experimento está en fase de investigación y desarrollo ahora mismo y va a entrar en la fase de construcción después para estar instalado entorno al 2026. Las especificaciones de este detector son muy exigentes ya que se trata de unos 24000 canales de lectura, con un ruido de lectura por debajo del electrón, y con un ruido de fondo total de 0.01 cuentas/kg/Kev/día (dru). Para tener este ruido de fondo tan pequeño tanto el diseño del detector como el control sobre los materiales que se usan en el diseño, el trato y control previo de los mismos en relación a la cantidad de exposición a la radiación que reciben de estos materiales es esencial. Además se necesita construir un sistema de blindaje que bloqueen la llegada de partículas de radiación externas e internas a las CCDs, que simulan la señal buscada. En este TGF se ha tratado de definir los materiales necesarios, y el grosor de materiales que hay que usar para bloquear estas partículas de radiación. Para ello se tiene que calcular cuánto fondo se espera proveniente de estos materiales. Estos cálculos son esenciales para el diseño final del detector y estimar el coste aproximado del mismo ya que los materiales usados son muy caros. Se ha usado el programa Geant4 [1] para la simulación del detector y del paso de radiación materia y también se ha usado el programa Root [2] para el cálculo de los fondos.

OSCURA is an experiment based on Charge Couple Devices (CCDs), with an amplifier readout which allows sub-electron resolution for searching low-mass dark matter candidate particles. This experiment will tend to an unprecedented sensitivity to masses below 1 GeV, both in the interaction with the electrons (scattering or absorption) and with the nucleus. This experiment is an international collaboration which is led by the US laboratory, Fermi National Accelerator Laboratory, located in Batavia, Illinois. This experiment is in the research and development phase right now and then it will enter the contruction phase in order to be installed around 2026. The technical goals of this detector are very demanding since there are around 24,000 readout channels, with a noise below the electron, and with an expectation of a total background from other sources of 0.01 counts/Kg/keV/day (dru). In order to have this very small background, the detector design, the control and the treatment of the materials used are essential to avoid radiation. In addition, a shielding system needs to be built around the sensors to block the arrival of external and internal particles of radiation to the CCDs. In this TFG an attempt has been made to define the materials, and thicknesses to use to block those radiation particles. For that, the calculation of the expected amount of background coming from gammas from lead is done. These calculations are essential for the design of the detector and for the estimation of its approximate cost since the materials used are very expensive. The Geant4 program has been used for the simulation of the detector and the step matter radiation and the Root program has also been used to calculate the background.