Nucleus

Detector LUCID-2: El luminómetro ATLAS

Abstract After the long shut-down, the LHC Run2 has started with new running conditions with respect to Run1: in particular the centre of mass energy has reached 13 TeV and the bunch-spacing is now 25 ns. In order to cope with these changes, the ATLAS luminosity monitor LUCID and its electronics have been completely rebuilt. This note describes the new detector and electronics, the new luminosity algorithms and the new calibration systems, with a brief review of the first results about the stability of the measurement and evaluation of systematic uncertainties for the 2015 data.

Resumen Después de una larga parada, el LHC Run2 comenzó con nuevas condiciones de funcionamiento con respecto al Run1: en particular, el centro de masa energía ha alcanzado los 13 TeV y el espaciamiento entre los grupos es de 25 ns. Para hacer frente a estos cambios, el monitor de luminosidad ATLAS LUCID y su electrónica se han reconstruido por completo. Esta nota describe el nuevo detector y la electrónica, los nuevos algoritmos de luminosidad y los nuevos sistemas de calibración, con una breve revisión de los primeros resultados sobre la estabilidad de la medición y evaluación de incertidumbres sistemáticas para la toma de datos de 2015.

Análisis de los efectos de la radiación en algunas propiedades de sensores de GaAs:Cr y Si expuestos a un haz de electrones de 22 MeV.

Abstract Nowadays, the experiments related to High Energy Physics and others fields demand the use of detectors with greater radiation resistance, and the novel material GaAs:Cr has demonstrated excellent radiation hardness compared with other semiconductors. On the basis of evidence obtained in the JINR experiment with the use of 22 MeV electrons beam generated by the LINAC-800 accelerator, an analysis of electron radiation effects on GaAs:Cr and Si detectors is presented. The measured I-V characteristics showed a dark current increase with dose, and an asymmetry between the two branches of behaviors for all detectors. Analyzing the MIP spectra and CCE dose dependence measurements a deterioration process of detectors collection capacity with dose increase was found, although behaviors are somewhat different according to the detector type. The detailed explanation of these effects from the microscopic point of view appears in the text, and are generally linked to the generation of atomic displacement, vacancies and other radiation defects, modifying the energy levels structure of the target material. These changes affect the lifetime and concentration of the charge carriers, and other characteristics of the target material.

Resumen Actualmente, los experimentos relacionados con la física de altas energías y otros campos, demandan el uso de detectores con mayor resistencia a las radiaciones y el novedoso material GaAs:Cr ha demostrado poseer una excelente fortaleza comparado con otros semiconductores. En base a las evidencias obtenidas en el experimento del IUIN con el uso de un haz de electrones de 22 MeV generado por el acelerador LINAC-800, se presenta un análisis de los efectos de la radiación en detectores de Si y GaAs:Cr. Las características I-V medidas mostraron un incremento de la corriente de fuga con la dosis y una asimetría entre las dos ramas de estos comportamientos para todos los detectores. Analizando las mediciones de los espectros MIP y la dependencia de la CCE con la dosis, fue encontrado un proceso de deterioro de la capacidad de detección de los detectores con el aumento de la dosis, sin embargo, los comportamientos son diferentes de acuerdo al tipo de detector. La explicación detallada de estos efectos desde el punto de vista microscópico aparece en el texto, los cuales están relacionados generalmente con la generación de desplazamientos atómicos, vacancias y otros defectos producto de la radiación, modificando la estructura de los niveles energéticos en el material sensor. Estos cambios afectan el tiempo de vida y la concentración de los portadores de carga, así como otras características del material.

Caracterización de la producción de hadrones en interacciones fotonucleares γ−A de colisiones ultraperiféricas

Abstract A methodology for the simulation of ultra-peripheral collisions, specifically ultra-relativistic heavy ion 197Au-197Au and p-208Pb collisions, is developed. First, the fluxes of virtual photons as a function of the photon energy and the impact parameter are obtained using the Method of Weizsäcker-Williams. Then, the processes induced by photons in photon-hadron collisions γ+Au, γ+p and γ+Pb are simulated, neglecting the photon-photon contribution. The model is implemented in the code CRISP (Collaboration Rio-Sao Paulo), specifically designed for simulations of the nuclear environment. Cross-section, differential cross-section, multiplicity, invariant mass spectrum, angular distribution and p T distribution in 197Au-197Au and p-208Pb collisions are obtained, and a comparison with experimental data is accomplished in order to validate the model.

Resumen Una metodología para la simulación de colisiones ultraperiféricas, específicamente colisiones ultrarelativistas de iones pesados 197Au-197Au y p-208Pb es desarrollada. Primero, los flujos de fotones virtuales como función de la energía del fotón y el parámetro de impacto son obtenidos, usando el Método de Weizsäcker-Williams. Luego, los procesos inducidos por fotones en colisiones fotón-hadrón γ+Au, γ+p y γ+Pb son simulados, despreciando la contribución fotón-fotón. El modelo es implementado en el código CRISP (Colaboración Rio-Sao Paulo), específicamente diseñado para simulaciones del ambiente nuclear. La sección eficaz, sección eficaz diferencial, multiplicidad, espectro de masa invariante y distribución de p T son obtenidas, y se realiza una comparación con resultados experimentales, con el objetivo de validar el modelo.

XPS de nanoestructuras de carbono obtenidas por descarga de arco de electrodos de grafito sumergidos en agua

Abstract Carbon nanostructures, obtained by underwater arc discharge of graphite electrodes, were studied by X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). It was observed that the spectra of the samples taken from the floating part of the synthesis products, composed basically by Carbon nano-onions (CNO), present differences with those obtained from the precipitate, which contains a mixture of CNOs and multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNT). These differences are related with the presence of atoms of carbon located in orbitals with different degree of hybridization (sp2-sp3), which in turn is related to the diverse grade of curvature of the planes of carbon in the nanostructures present in the samples. The obtained results indicate that XPS can be an important element in the characterization of the products obtained by the above-mentioned method of synthesis.

Resumen Se utilizó la Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X (XPS) para estudiar nanoestructuras de carbono obtenidas por descarga de arco de electrodos de grafito sumergidos en agua. Se observó que los espectros de las muestras tomadas de la fracción flotante de los productos de la síntesis, compuestas básicamente por nano-cebollas de carbono (CNO), presentan diferencias con los de las muestras obtenidas del precipitado, que contiene una mezcla de CNOs y nano-tubos de carbono de capas múltiples (MWCNT). Estas diferencias están asociadas con la presencia de átomos de carbono localizados en orbitales con diferente grado de hibridación (sp2-sp3), lo que a su vez se relaciona con las diferentes curvaturas de los planos de carbono en las nanoestructuras presentes en la muestras. Los resultados obtenidos indican que XPS puede ser un elemento importante en la caracterización de los productos obtenidos por el citado método de síntesis.

Simulación por Monte Carlo del transporte de las radiaciones en detectores dearseniuro de galio compensado con cromo

Abstract Some results obtained with the use of Monte Carlo mathematical simulation of radiation transport in Timepix hybrid detectors based on chromium compensated gallium arsenide are presented in this contribution. The MCNPX, GEANT4, SRIM and MCCM code systems were used for this purpose. The in-depth profiles of the deposited energy by the incident photons within the sensor active volume, the shapes and dimensions of the generated charge carriers clouds for different incident energies and specific geometrical conditions were obtained and presented. The 22Ne ions ranges in the target material for two different energies and the contributions of each energy loss channel were also determined. Finally, for a selected detector irradiated with photons of different energies, the displacement cross sections for each chemical element in the active material, as well as the number of displacements per atoms produced for each atomic species were calculated.

Resumen En este trabajo se presentan algunos de los resultados obtenidos con el uso de la modelación matemática por Monte Carlo del transporte de radiación en detectores híbridos Timepix basados en el arseniuro de galio compensado con cromo. Se emplearon para este propósito los sistemas de códigos MCNPX, GEANT4, SRIM y MCCM. Fueron obtenidos los perfiles en profundidad de la energía depositada por la radiación incidente dentro del volumen activo del sensor, las formas y dimensiones de las nubes de portadores de cargas generados por fotones incidentes de diferentes energías y condiciones geométricas específicas. También se determinaron los alcances de los iones de 22Ne de dos energías diferentes en el material blanco y las contribuciones de cada canal de pérdida de energía. Finalmente, para un detector seleccionado irradiado con fotones de diferentes energías se calcularon las secciones eficaces de desplazamiento para cada elemento químico en el material activo, así como el número de desplazamientos por átomos producidos para cada especie atómica.

Calibración energética de un detector Timepix basado en GaAs:Cr con partículas alfa

Abstract The advanced GaAs:Cr material for radiation detection is in the scope of many scientific and technological institutions in the world, as a result of its proved superior properties and economic advantages. The energy calibration of a hybrid GaAs:Cr-based Timepix detector with alpha particles performed in the Dzhelepov Laboratory of Nuclear Problems at Joint Institute for Nuclear Research confirms that the device is able to register these particles in energy range from 3140 to 7687 keV. The mathematical simulation was used to calculate the transmitted energy, making possible the experimental calibration with the use of Mylar as absorbent. By calibrating the detector with characteristic X rays of some target materials and using a two steps fitting procedure was determined the relationship between the photon energies and the registered by the detector TOT counts. The energy calibration with alpha particles was performed according to a linear function and verified with the measurement of the 218Po line of radon in air.

Resumen El GaAs:Cr como material de avanzada para la detección de las radiaciones se encuentra en la mira de muchas instituciones científicas y tecnológicas en el mundo, como consecuencia de sus superiores propiedades y ventajas económicas. Los experimentos hechos en el Laboratorio de Problemas Nucleares Dzhelepov del Instituto Unificado de Investigaciones Nucleares para la calibración energética de un detector hibrido Timepix basado en GaAs:Cr con partículas alfa confirma que este dispositivo es capaz de registrar partículas en el rango energético de 3410 a 7687 keV. Se utilizó la simulación matemática para calcular la energía transmitida, haciendo posible la calibración experimental con el uso de Mylar como absorbente. Utilizando la calibración del detector hecha con los rayos X característicos de algunos materiales blanco y empleando un procedimiento de ajuste en dos pasos fue determinada la relación entre la energía de los fotones y los conteos TOT registrados por el detector. Se realizó la calibración energética con partículas alfa de acuerdo con una función lineal y se verificó con la medición de la línea del 218Po del radón en aire.

Estudio del efecto de compartición de cargas y la resolución energética del detector híbrido Timepix de arseniuro de galio compensado con cromo

Abstract Among the latest ionizing radiation detectors, those based on chromium compensated gallium arsenide (GaAs:Cr) are ones of the most competitive for many applications due to their high Z and strong resistance to radiation damage. They have been used in high energy physics research, medical visualization and spatial technologies, geological prospecting, among other advanced fields. The object of this work is a 900 µm GaAs:Cr detector with Timepix readout technology. Some detector characteristics for three experimental conditions were measured and studied by using the X-rays from a synchrotron and an X-ray tube provided with different materials for obtaining the corresponding fluorescence photons. A complex function was used to decompose the differential spectra into the most important contributions involved. As an additional tool for the research, the mathematical modeling of the mobility of charge carriers generated by radiation within the active volume of the detector was used. The results of these charge sharing effect studies showed a noticeable prevalence in the detector of this effect, changing its contribution according to the experiment characteristics. The detector was calibrated for the planned experiments and the energy resolution was determined. From the analysis of all the obtained results and their comparison with those reported in literature, it was confirmed that the detector has a marked charge-sharing effect between neighboring pixels, being its performance more impaired as the energy of incident photons increases.

Resumen Entre los últimos detectores de radiación ionizante, los basados en arseniuro de galio compensado con cromo (GaAs: Cr) son de los más competitivos para muchas aplicaciones debido a su alto Z y fuerte resistencia al daño de la radiación. Se han utilizado en investigación de física de alta energía, visualización médica y tecnologías espaciales, prospección geológica, entre otros campos avanzados. El objeto de este trabajo es un detector de GaAs: Cr de 900 µm con tecnología de lectura Timepix. Algunas características del detector para tres condiciones experimentales se midieron y estudiaron utilizando rayos X de un sincrotrón y un tubo de rayos X provisto de diferentes materiales para obtener los fotones de fluorescencia correspondientes. Se utilizó una función compleja para descomponer los espectros diferenciales en las contribuciones más importantes involucradas. Como herramienta adicional para la investigación, se utilizó el modelado matemático de la movilidad de los portadores de carga generados por la radiación dentro del volumen activo del detector. Los resultados de estos estudios de efecto de carga compartida mostraron una prevalencia notable en el detector de este efecto, cambiando su contribución según las características del experimento. El detector se calibró para los experimentos planificados y se determinó la resolución de energía. A partir del análisis de todos los resultados obtenidos y su comparación con los reportados en la literatura, se confirmó que el detector tiene un marcado efecto de reparto de carga entre píxeles vecinos, y su rendimiento se ve más afectado a medida que aumenta la energía de los fotones incidentes.

Experimento E36 en J-PARC

Summary The E36 experiment has been carried out at J-PARC to search for Lepton Universality violation in the kaon two body decays K l2 . A precise value of the decay width ratio R K = Γ ( K e 2 ) = Γ ( K μ 2 ) will be extracted and compared with the standard model (SM) value. Any sizable difference would suggest new physics beyond the SM. Simultaneously, E36 is sensitive to light U(1) gauge bosons which could be associated with dark matter or explain established muon-related anomalies (g-2). The experiment as well as the status of the analysis will be presented.

Resumen El experimento E36 se ha llevado a cabo en J-PARC para buscar anomalías a la universalidad leptónica en las desintegraciones en dos leptones del kaón K l2 . Se extraerá un valor preciso de la fracción de anchos de desintegración R K = Γ ( K e 2 ) = Γ ( K μ 2 ) y se comparará con el valor del modelo estándar (SM). Cualquier diferencia considerable sugeriría una nueva física más allá del SM. Simultáneamente, E36 es sensible a los bosones de gauge ligeros U(1) que podrían estar asociados con la materia oscura o explicar anomalías relacionadas con el muón (g-2). El experimento y el estado del análisis serán presentados.

Explorando las posibilidades de la radiografía en modo de emisión a altas energías: Cómo optimizar la visualización de la estructura interna en pinturas

Summary We demonstrated in previous investigations that the internal structure of paintings can be visualized with conventional radiography in transmission mode when paintings have the proper stratigraphy. Unfortunately, there are many paintings that do not result in useful images. This problem can be solved by using radiography in emission mode. With this technique, the painting is irradiated with high energetic X-rays originating from an X-ray tube operating at 100 keV - 320 keV while inside the painting low energetic signals such as photoelectrons or characteristic photons are being generated. These signals escape from the top 10 µm of the painting and are able to illuminate the imaging plate. However, this technique has also some disadvantages. One of them is that it is not able to visualize underlying paintings. In this study, we explored the possibility to enhance the information depth by increasing the energy of the photon source from 100 keV up to 1.3325 MeV (i.e., 60Co source). At the same time, we also studied how the contrast between pigments is generated in emission mode. For this, we used mathematical simulation of particle transport in matter to understand the relation between input particle (particle type such as photon, electron or positron and the energy of the particle), the material being irradiated (element from which it is composed, thickness and density) and the output signal (generated particle types and energy). Finally, we will show that it is possible to image paintings using a 192Ir and even a 60Co source.

Resumen En investigaciones previas se ha demostrado que la estructura interna de las pinturas se puede visualizar satisfactoriamente con la radiografía convencional en modo de transmisión, siempre y cuando dichas pinturas tengan la estratigrafía adecuada. Desafortunadamente, hay muchos casos en los que la aplicación de este método no resultan en imágenes útiles. Este problema puede ser resuelto usando la radiografía en modo de emisión. Con esta técnica, la pintura se irradia con rayos X de alta energía originados en un tubo de rayos X trabajando entre 100 keV y 320 keV. Esto genera señales de baja energía (fotoelectrones o fotones característicos) en el interior de la pintura que, al escapar de las 10 μm superiores, pueden iluminar una placa de imágenes. No obstante, su aplicación también implica ciertas desventajas. Una de ellas es la incapacidad de visualizar las pinturas subyacentes. En este estudio, exploramos la posibilidad de incrementar la información obtenida a mayores profundidades aumentando la energía de la fuente de fotones desde 100 keV hasta 1.3325 MeV (fuente de 60Co). También estudiamos el impacto de esta energía en el contraste obtenido entre los pigmentos. Para esto, utilizamos la simulación matemática del transporte de partículas en la materia para comprender la relación entre partículas de entrada (fotones, electrones o positrones y la energía de las partículas), el material que se irradia (elemento del que está compuesto, espesor) y la señal de salida (tipos de partículas generados y energía). Finalmente, mostraremos que es posible crear imágenes de pinturas usando una fuente 60Co.

Sistema de adquisición de datos en tiempo real para un detector modular de neutrones en los experimentos con el RIBRAS

Resumen Con la finalidad de maximizar las posibilidades experimentales en el estudio de los núcleos exóticos utilizando el haz del sistema “Radioactive Ion Beams in Brasil” (RIBRAS), fue desarrollado un sistema modular de detectores centelleantes orgánicos con buena eficiencia y amplio ángulo sólido, conocido como Pared de Neutrones. La detección de los neutrones emitidos en coincidencia con los fragmentos de reacción incrementa las posibilidades experimentales y constituye una de las técnicas más usadas en el campo de la Astrofísica Nuclear. El obsoleto sistema de adquisición de datos de la Pared de Neutrones debe ser remplazado por un sistema basado en módulos del patrón Versa Module Euro Card (VME). El nuevo esquema será definido para incluir el arreglo de detectores de bandas para partículas cargadas y la Pared de Neutrones con el máximo de eficiencia de adquisición, sin tiempo muerto, con selección de datos y sincronización de eventos. Los módulos digitalizadores garantizan tareas como la supresión de ceros y la saturación en la lectura de la señal. Adicionando tarjetas FPGA (field programmable gate array) a la adquisición de datos se garantiza el procesamiento pre y post-algorítmico de los datos.

Abstract In order to potentiate the experiments for studying the exotic nuclei with Brazil Radioactive Ion Beam (RIBRAS), a modular organic scintillation detector (Neutron Wall), with good efficiency and extended solid angle was developed. The detection of neutrons emitted in coincidence with the reaction fragments increases the experimental possibilities and represents one of the most popular techniques in the Nuclear Astrophysics field. The data acquisition system used for the Neutron Wall is obsolete and should be replaced by Versa Module Euro Card Data Acquisition modules. The new scheme will be designed to include the Strip Array and Neutron Wall detectors with maximum readout efficiency, no dead time, data selection and event synchronization. The digitizer modules provide features like zero suppressed readout and overflow suppression. Zero suppression, once enabled, prevents conversion of value, which is lower than user defined threshold. Adding FPGA (field programmable gate array) cards to data acquisition provides pre- and post-algorithmic processing on data.

Origen y tiempo de residencia del agua en el acuífero de Lima

Abstract Lima, the capital of Peru, and Callao form one of the largest urban centers in South America, with a total population of 10.9 million as of 2017. Three rivers supply water to Lima; however, water for municipal use is mainly taken from the Rimac and Chillon Rivers. Correlating the historic of Rimac flow with the static level of a well in Miraflores, 1 km from Pacific Ocean, was estimated that the residence time, this is the time passing after water infiltrates the ground during a rainfall event until it reaches the Miraflores well, is three years, which agrees with the permeability of the valley, which is in the order of 10-4 ms-1. The average age of water from Lima wells is 6 years, which is consistent with the hypothesis that wells have water from several soil shells. In other hand, the relative abundance of 2H and 18O in wells in the Lima aquifer are in agreement with the hypothesis that the aquifer is recharged with water from rainfall events that occur in the highlands between 3000 and 5000 m above sea level (a.s.l). The contents of 2H,18O, Ca and SO4 of the Graton tunnel sample suggest that it corresponds to water coming from altitudes of 4500 m a.s.l.

Resumen Lima, la capital de Perú, y Callao forman uno de los centros urbanos más grandes de América del Sur, con una población total de 10.9 millones en 2017. Tres ríos abastecen de agua a Lima; sin embargo, el agua para los municipios se toma principalmente de los ríos Rímac y Chillón. Correlacionando el flujo histórico del Rímac con el nivel estático de un pozo en Miraflores, a 1 km del océano Pacífico, se calculó que el tiempo de residencia, esto es el tiempo que transcurre después de que el agua se infiltra en el suelo durante un evento de lluvia, hasta que llega a dicho pozo, es de tres años, lo que está de acuerdo con la permeabilidad del valle, que es del orden de 10-4ms-1. La edad promedio del agua de los pozos de Lima es de 6 años, lo que es consistente con la hipótesis de que los pozos tienen agua de varias capas de suelo. Por otro lado, la abundancia relativa de 2H y 18O en los pozos del acuífero de Lima está de acuerdo con la hipótesis de que el acuífero se recarga con agua de los eventos de lluvia que ocurren en las tierras altas entre 3000 y 5000 m. sobre el nivel del mar (s.n.m). El contenido de 2H, 18O, Ca y SO4 de la muestra del túnel Graton (3100 m.s.n.m.) sugiere que corresponde al agua proveniente de altitudes de 4500 m.s.n.m.