Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear...

34
Calibration Calibration of of gamma gamma - - ray ray instruments instruments for for Nuclear Nuclear Astrophysics Astrophysics José Manuel Alvarez (IEEC-CSIC, Barcelona) Margarita Hernanz (IEEC-CSIC, Barcelona) Peter von Ballmoos (CESR, Toulouse)

Transcript of Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear...

Page 1: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

CalibrationCalibration ofof gammagamma--rayrayinstrumentsinstruments forfor Nuclear Nuclear

AstrophysicsAstrophysics

José Manuel Alvarez (IEEC-CSIC, Barcelona)Margarita Hernanz (IEEC-CSIC, Barcelona)Peter von Ballmoos (CESR, Toulouse)

Page 2: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

OutlineOutline

• Gamma-rays in astrophysics

• Detection of gamma-rays

• How to focus γ-rays?

• Steps towards a γ�rays lens for nuclear astrophysics� CLAIRE: a focusing γ����� lens � The MAX mission

• Experimental proposals for the GRL

Page 3: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

RadioactiveRadioactive isotopesisotopes relevantrelevant forfor γγ--ray ray line astronomyline astronomy

Isotope Decay chain Lifetime Line energy (keV)

56Ni 56Ni 56Co 8.8 d 158, 812, 750, 480

56Co 56Co 56Fe 111 d 847, 1238

57Ni 57Ni 57Co 57Fe (52 h) 390 d 122

44Ti 44Ti 44Sc 44Ca 89 y (5.4 h) 78, 68, 1157

26Al 26Al 26Mg 1.0 x 106 y 1809

60Fe 60Fe 60Co 60Ni 2.0 x 106 y (7.6 y) 1173, 1332

7Be 7Be 7Li 77d 478

22Na 22Na 22Ne 3.8 y 1275

� �� ����������������������β β�

Sup

e rn o

vae

mai

n ly

Nov

a em

ain l

y

Page 4: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

γγ--rayray emission from galactic radioactivityemission from galactic radioactivity

� Relevant radioactive nuclei for galactic γ-ray line emission:� how and where they are synthesized:

� nucleosynthesis (hydrostatic and explosive), in stars� interaction with cosmic rays, in the interstellar medium

� Electron-positron annihilation emission (line and continuum): � e+ from β+- unstable nuclei � BUT other sources of e+ (≠ radioactivity) exist

Page 5: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

SitesSites ofof explosiveexplosive nucleosynthesisnucleosynthesis relevantrelevantforfor γγ--ray line astronomyray line astronomy

• SUPERNOVAE:� Thermonuclear supernovae (SN Ia): exploding whitedwarfs in binary systems (no remnant)� Core collapse supernovae (SN II, SN Ib/c): explodingmassive stars (M ≥ 10 M

�) (neutron star or black hole

remnant)

v ∼ 104 km/s, E ∼ 1051 erg, Mej ∼ M�

• CLASSICAL NOVAE:Explosion of the external H-rich accreted shells of a whitedwarf in a binary system

v ∼ 102 - 103 km/s, E ∼ 1045 erg, Mej ∼ 10-4 - 10-5 M�

Page 6: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

������������� �����

Compton GammaCompton Gamma--Ray Observatory: Ray Observatory: COMPTEL map of the 1.8 MeV line of COMPTEL map of the 1.8 MeV line of 2626AlAl

������

Page 7: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

γγ--ray detectionray detection

Page 8: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

How to focus How to focus γγ--rays?rays?•Diffraction: Bragg condition

•Crystal plane spacing:

•(h,k,l: Miller indices of crystal planes)

•d smaller for outer rings

����� == λθ�� �

��� ���

��

++=

��

λθ ≈= ��� ��

Page 9: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

HowHow toto focusfocus γγ--rays?rays?

�������� ��������������������������

Page 10: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

Mosaic crystalsMosaic crystals�������������������������� ������ ������������ ��������������� ����������������������������� �� ���������� ������� ���������� ��� ��� ��� �!��������� ��������������������� �������������������������

"������������������������� ��������������������� �� ���������� ��������������������#��������������������������� ������!��������

$%&'� ���������������������

"���(����� ���������������� �������

)��������������

)����������������∆)������(���������� ������������������� �������∆θ!������������ �������������������������������������� ��

��θθ∆=∆

����� == λθ�� �

∆θ∆θ∆θ∆θ

Page 11: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

L E N S L E N S A gammaA gamma--ray lens for nuclear astrophysicsray lens for nuclear astrophysics

�������� ��������������������������

Page 12: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

CLAIRE: a CLAIRE: a γγ--ray lens prototyperay lens prototype8 rings - 576 Ge crystals – 45 cm diameter – 511 cm2 area

� ��

����

�������� �

��� ��

�����

��������

�������

��������������

��� ������

���

�������

����� ����

������

�����

� ����

�!"#���$

! !!! %& !#���!# '(# #())*

% %%# +% !#���!# '(% !(#&*

' '!! +) !#���!# ,() !(%"*, ,## "% !#���!# ,(% !(+%*

+ ''! &# !#���" +(! !()"*

) ,%% && !#���!# +(# !(&"*

" ''' -) !#���" )(% !(--*

& ,,# !#, !#���!# +() %(!"*

�������� ��������������������������

Page 13: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

The gammaThe gamma--ray bench at CESRray bench at CESR

���� ���������

�������

γγγγ��� ����

��������

γγγγ��� ������������

Page 14: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

Does it work? Testing the lens in the labDoes it work? Testing the lens in the lab

����(���������������*++,�

Page 15: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

Does it work? What’s expected for sources at infinity?Does it work? What’s expected for sources at infinity?

����(���������������*++,�

Page 16: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

Is the lens performing as expected for sources at quasiIs the lens performing as expected for sources at quasi--infinity?infinity?

����(���������������*++,�

Page 17: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

CLAIRE TGD: CLAIRE TGD: atat 200m200m

Page 18: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

Is the lens performing as expected for sources at infinity?Is the lens performing as expected for sources at infinity?

����(���������������*++,�

Page 19: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

CLAIRE:balloonCLAIRE:balloon--borne borne γγ--raysrays lens telescopelens telescope

��������

� '�'������

� ���� ����� .�

!(+/!(+/,���

���������

� 0�1

� �.2

γγγγ��� ����� +)'��������

� 3�4�!"#���$

� 5��6�7�'���$

����

�������� ��������������������������

Page 20: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

Is the lens performing as expected for sources at infinity?Is the lens performing as expected for sources at infinity?

����(���������������*++,�

Page 21: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

From CLAIRE to MAXFrom CLAIRE to MAX (space (space mission)mission)

888(���(�97�:�96;<9

Page 22: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

V2.2 V2.2 -- baselinebaseline ��

!� � ����=��

�������������� '#>����������

��"�# � ���

�����# � ���

8������=� !,#���

$���������$����=

$����������� %���

���� ?�)#@###���A�������

��������

&)��

888(���(�97�:�96;<9

Page 23: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

888(���(�97�:�96;<9

Page 24: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

33σσ narrow line sensitivitynarrow line sensitivity���� ������ ������� ������ ���

�������� ������������� �����

��������������������������

�� ����∆∆∆∆∆∆∆∆�� ����������

�� �������� ���������� ��������

�� ����������

�� ���� � �������� � ����

��

��������������

�!�������������� ����������!�������������� ���������

"�"� #���������$#���������$

�!������������ �!������������

%&'�����%&'�����"�("�(

3 �������$�

&## &%# &,# &)# &&# -##

�3;2'

2BB3

BC1�

���

��

��

3 �������$�

,)# ,"# ,&# ,-# +## +!# +%# +'#!#�"

!#�)

!#�+

!#�,�3;2'

2BB3

BC1�

'� σ� ��8��� ���� ����:����������

�%���!�

���

��

��

���� ����������'-.

Page 25: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

Diffraction efficiencies test with the APS at Diffraction efficiencies test with the APS at Argonne National LabArgonne National Lab

/ "���-���� ���0������1��� ��2-013���� �����������-�������4��������5����������������������������������� �������������6#�7�������������������"��� ���� �������������89�:;�7�

/ -������������������������������������������������

-��;����� ������!4<'!899=

$����������� ���� ���������������������� ����������� ��������

��� ����������������������������������������������������� ��

Page 26: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

APS beam test of a APS beam test of a GeGe crystalcrystal

-��;����� ������!4<'!899=

������ ��������� ��� �

>��������������������� ���������������� ��������

"��������������������������������������������������� ����������� ��� �� �������5-<>)?����������� �

)��������� ������������ ����

Page 27: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

Experimental proposals for the gammaExperimental proposals for the gamma--ray line beamray line beam

(��� ������������������*��� �� ��+�,� ������������-�+.+$!/�"�+#�+%�+0

@888A@888A

@888A@888A

'������'������

���� ������� ���

,B+,B+��:**�:**�

;�7;�78�:�8�:�88�:�8�:�8

� �CC*+�*+�;�7;�7C+�C+��� �� �� �� #�#�

=*:=*:��98+�98+�

;�7;�78�:�8�:�88�:�8�:�8

� �CC6+�6+�;�7;�7B+�B+��� �� �� �� ����

)�����)�����1� �1� �∆∆))'���� ���'���� �������������������

Measurement of diffraction efficiencies in mosaic crystalsMeasurement of diffraction efficiencies in mosaic crystals

8� -�������������� ������������������������������������������������ ���������������!��������������������� ���������������� ��� ������������ �������������������������� ��������� ��

*� �������� ��������������� ��������� ��� �������������� �������

C� )��� ���������� ���������������������� ��������� ��� ��

Page 28: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

MAX project: what do we need from GRL?MAX project: what do we need from GRL?

�3���"�������γγ�������������������������+�*�*'�7� $)5�������

��������������������������

������������� ������������������� ������

����������������

0����� �����0����� �����

8+8+BB��8+8+==

���+�8D�����+�8D����+�+*��������+�+*�������� 8 �8 �**+�*+�*��*�*�'�7'�7

$���$���-��������� ��-��������� ��

2 ������!����2 ������!����

*:�3�*:�3�(������ �(������ �)�����������)�����������

E������

�3 $������� ����������������������������+�*�*'�72���� ��������������������������������� ����������� ��������3

�E* �����

Page 29: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

Other concepts for Other concepts for γγ--ray telescopesray telescopes

Page 30: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

')#-�'������)������#���������-���������2+�,�:+'�73

Telescope components :• Tracker (layers of Si strip detectors)• Calorimeter (CsI or CdTe)• Shielding (plastic scintillator)

Detection Principle:• Compton (< 10 MeV)• Pair creation (> 10 MeV)• Electron tracking• Polarimeter

Parameters :• energy range : 400 keV - 50 MeV• spectral resolution : 3-4 % (FWHM) • field of view : 120° (FWHM)• angular resolution : 2-4° (FWHM)• effective surface : 100 cm2

• sensitivity : > 10 × COMPTEL• new science: polarimetry

Mega Mega γγ--ray telescoperay telescope

;���� �!��������4��->2*++,3

Page 31: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

Mega prototype Mega prototype

8+���������������������������� ������������� �����8=�8=� �*, +�:������� �

%������B�B� �*

��������������<

;���� � �������2*++,3

Page 32: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

MegaMega--Prototype measurements at HIGSPrototype measurements at HIGS

"���&����<���������#���������1��� ��2&<#13���������F����������

-������ ����>!��������2*++C3

Page 33: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

MegaMega--Prototype measurements at HIGSPrototype measurements at HIGS

'��������)������������-�������28:�:�8+B ����������������3

-������ ����>!��������4��-> ,=�2*++,3

(��������������,9�'�7

(�����������+G��� ���� �

Page 34: Calibration of gamma -ray instruments for Nuclear Astrophysicsific.uv.es/gamma/aurora/margarida.pdf60 Fe 60 Fe 60 Co 60 Ni 2.0 x 10 6 y (7.6 y) 1173, 1332 7Be 7Be 7Li 77d 478 22 Na

ACT optionsACT options

�� "<#>)"<#>) ')#-')#- #�#���-�"-�" 5�H����.)5�H����.)

�� F��>��������F��>�������� '0)!�F4&'0)!�F4& F��(�������F��(������� ����������������