Studio dello scattering 18O + 48Ti a 275 MeV, simulazioni Monte Carlo e caratterizzazione sperimentale del rivelatore di piano focale di MAGNEX per il progetto NUMEN

In the last years neutrinoless double beta (0νββ) decay has attracted much interest from the scientific community since its observation would represent the first experimental evidence of physics beyond the Standard Model. The NUMEN project proposed at the Laboratori Nazionali del Sud of the Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN-LNS) an innovative method to deduce data-driven information on the nuclear matrix elements involved in the half-life of 0νββ decay. Such a method is based on the measurement of heavy-ion induced Double Charge Exchange (DCE) nuclear reaction cross-sections, which are typically very low (few tens of nb). In the perspective of a systematic study of all the isotopes relevant for 0νββ, an upgrade of the K800 Superconducting Cyclotron and of the MAGNEX magnetic spectrometer is foreseen to increase the maximum beam intensity of two orders of magnitude. The upgrade of MAGNEX involves the construction of a new Focal Plane Detector (FPD), constituted by a M-THGEM-based gas tracker and a wall of ΔE-E telescope detectors, based on the SiC-CsI(Tl) technology, for the Particle IDentification (PID). In this context, an intense R&D activity was performed, that has required the realization of extensive tests and simulations of the detectors. The purpose of this Thesis is twofold. First of all, it contributes to the development of the multi-channel approach proposed by NUMEN for the analysis of the reaction mechanism and nuclear structure details of the network of nuclear reactions involving nuclei relevant for 0νββ decay. In this context, the study of the elastic and inelastic scattering channels plays a central role since it gives access to the initial state interaction. The analysis of such channels in the case of the 18O + 48Ti collision at 275 MeV incident energy is here presented for the first time. The data reduction procedure and the theoretical analysis performed in the PhD period are described. The second pillar of this Thesis consists in the study of the future MAGNEX FPD. One of the most important results obtained in the PhD activity is the realization of a Monte Carlo simulation tool capable of describing the response of the future FPD to the events of interest. In this work, such a tool was used to optimize the rotation angle of the towers of telescopes constituting the PID wall and to test a proposal of a PID strategy. Furthermore, the characterization tests, performed during the PhD period, on the tracker prototype based on M-THGEM are discussed. Two kinds of M-THGEM, differing for the holes pattern, were tested. The detector was characterized by measuring the currents flowing through the electrodes, varying the applied voltages, the gas pressure, and the rate of incident particles. Important quantities such as the gas gain and the ion backflow were determined.

Negli ultimi anni il doppio decadimento beta senza neutrini (0νββ) ha attirato molto interesse da parte della comunità scientifica dal momento che la sua osservazione rappresenterebbe la prima evidenza sperimentale di fisica oltre il Modello Standard. Il progetto NUMEN ha proposto ai Laboratori Nazionali del Sud dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN-LNS) un metodo innovativo per dedurre informazioni, basate sui dati sperimentali, sugli elementi di matrice nucleare presenti nel tempo di dimezzamento del decadimento 0νββ. Tale metodo è basato sulla misura di sezioni d’urto di reazioni nucleari di doppio scambio di carica (Double Charge Exchange, DCE) indotte da ioni pesanti. Tali sezioni d’urto sono tipicamente molto basse (poche decine di nb). Nella prospettiva di uno studio sistematico di tutti gli isotopi rilevanti per il 0νββ, è stato previsto un upgrade del Ciclotrone Superconduttore K800 e dello spettrometro magnetico MAGNEX, al fine di aumentare la massima intensità del fascio di ioni di due ordini di grandezza. L’upgrade di MAGNEX comprende la costruzione di un nuovo rivelatore di piano focale (Focal Plane Detector, FPD), costituito da un tracciatore a gas basato sulle M-THGEM e da un muro di rivelatori a telescopio ΔE-E, basato sulla tecnologia SiC-CsI(Tl), per l’identificazione delle particelle (Particle IDentification, PID). In questo contesto, è stata svolta un’intensa attività di ricerca e sviluppo, che ha richiesto la realizzazione di dettagliati test e simulazioni dei rivelatori. Lo scopo di questa Tesi è duplice. In primo luogo, contribuisce allo sviluppo dell’approccio multicanale proposto da NUMEN per l’analisi del meccanismo di reazione e dei dettagli di struttura nucleare del sistema di reazioni nucleari che coinvolgono nuclei rilevanti per il decadimento 0νββ . In questo contesto, lo studio dei canali di scattering elastico e inelastico gioca un ruolo centrale poiché dà accesso all’interazione di stato iniziale. L’analisi di tali canali nel caso della collisione 18O + 48Ti a 275 MeV di energia incidente è qui presentata per la prima volta. Sono descritte la procedura di riduzione dei dati e l’analisi teorica svolte durante il periodo del Dottorato di Ricerca. Il secondo pilastro di questa Tesi consiste nello studio del futuro FPD di MAGNEX. Uno dei risultati più importanti ottenuti durante l’attività del Dottorato di Ricerca è la realizzazione di un tool di simulazioni Monte Carlo capace di descrivere la risposta del futuro FPD agli eventi di interesse. In questo lavoro, tale tool è stato utilizzato per ottimizzare l’angolo di rotazione delle torri di telescopi che costituiscono il muro per la PID e per testare una proposta di strategia di PID. Inoltre, sono discussi i test di caratterizzazione sul prototipo di tracciatore a gas, basato sulle M-THGEM, svolti durante gli anni del Dottorato di Ricerca. Sono state testate due tipologie di M-THGEM, caratterizzate da differenti disposizioni dei fori. Il rivelatore è stato caratterizzato misurando le correnti attraverso gli elettrodi, variando le tensioni applicate, la pressione del gas e il rate di particelle incidenti. Sono state determinate importanti quantità, quali il fattore di guadagno e l’ion backflow.