New challenges in the spectral reconstruction of terrestrial gamma rays and reactor antineutrinos

In questa tesi è affrontata la ricostruzione spettrale dei raggi gamma provenienti dalla Terra e degli antineutrini prodotti dai reattori nucleari, intesi come background nelle misure di geoneutrini. La natura multiforme delle manifestazioni della radioattività popola un caleidoscopio di forme spettrali decodificabili come sovrapposizioni di forme fondamentali. Così come nella spettroscopia gamma l’intervallo di energie vicino al MeV è il teatro in cui si esibiscono 40K, 238U e 232Th, nelle misure di antineutrini di tipo elettronico lo stesso range di energie ospita gli antineutrini prodotti dai reattori nucleari unitamente ai geoneutrini. I contenuti di questa tesi sono inclusi in 8 pubblicazioni, sia su riviste indicizzate che come proceedings di conferenze. Ho collaborato con un’ampia comunità di scienziati afferenti a diverse discipline e istituti di ricerca internazionali. Ho presentato i risultati delle mie ricerche come speaker a 4 congressi internazionali (JPGU nel 2014 e Neutrino Geoscience, TAUP e AAP nel 2015). Per studiare cosa avviene sulla superficie e all’interno della Terra è necessaria sia per quanto riguarda i raggi gamma che per i geoneutrini una conoscenza raffinata delle diverse componenti spettrali. Ho elaborato un modello su scala globale per la stima dei segnali e degli spettri degli antineutrini da reattore, fondamentale per estrapolare dal segnale misurato gli eventi prodotti dai geoneutrini. Ho affrontato il problema della propagazione delle incertezze e, adottando i dati pubblicati alla pagina www.fe.infn.it/antineutrino, ho condotto un’analisi su un lasso di tempo di 10 anni del segnale atteso a KamLAND (Giappone), Borexino (Italia) e SNO+ (Canada). Ho stimato la variabilità dello spettro da reattore per l’esperimento SNO+, che è causata dall’evoluzione temporale delle frazioni di fissione ed è legata alla scarsa conoscenza del funzionamento dei reattori CANDU, responsabili del ~55% del segnale a SNO+. Con l’obiettivo di raffinare la caratterizzazione geochimica del reservoir geologico Huronian Supergroup, principale sorgente di incertezza nella stima del segnale locale di geoneutrino a SNO+, ho condotto misure di spettroscopia gamma in laboratorio su campioni di roccia e modellato le distribuzioni statistiche che descrivono le abbondanze di U e Th del reservoir. Raffinate misure di radioattività sono state realizzate con il rivelatore HPGe la cui calibrazione in efficienza ha previsto l’impiego di materiali certificati e la stima di fattori di correzione da applicare alle attività misurate. Ciò ha permesso di quantificare per le principali linee gamma il peso che ogni quantità di input ha sull’incertezza complessiva. L’affidabilità delle misure condotte con il rivelatore HPGe è il fondamento su cui poggia la calibrazione in efficienza di rivelatori a scintillazione. La Full Spectrum Analysis con vincolo di non negatività è stata applicata alla calibrazione di rivelatori NaI(Tl) destinati a misure di radioattività in-situ e airborne, la quale restituisce gli spettri fondamentali di 40K, 238U, 232Th e 137Cs. Questi studi hanno evidenziato l’importanza di calibrazioni dedicate, in cui è spesso necessario confrontare misure aventi diverse sorgenti di incertezza e campi di visione. Sono stati realizzati voli di calibrazione sul mare in un ampio range di quote per stimare le componenti spettrali di background nelle misure airborne. Ciò ha permesso di separare il contributo originato dalla radioattività dei materiali dal contributo dovuto alla radioattività cosmica. Le misure airborne sono affette dalla presenza di 222Rn in atmosfera. Ho studiato la possibilità di quantificare il 222Rn atmosferico grazie a un’analisi statistica basata sulla modellazione del rate di conteggio nella regione energetica associata al fotopicco del 214Bi. Questi studi riflettono l’interazione di discipline vicine, campo in cui indirizzerò le mie future attività di ricerca.

This thesis faces the spectral reconstruction of gamma-rays coming from the Earth and antineutrinos produced by nuclear reactors, interpreted as fundamental background in geoneutrino measurements. The multiform nature of radioactivity manifestations populates a kaleidoscope of spectral structures that can be deciphered as a superposition of fundamental shapes. As in gamma-ray spectroscopy the ∼1 MeV energy range is the theater where the ensemble of 40K, 238U and 232Th rehearse, in electron antineutrino measurements the same energy range is inhabited by reactor antineutrinos and geoneutrinos. The contents of this thesis are included in 8 publications, both peer-reviewed papers and conference proceedings. I took an active part in a wide community of scientists from different disciplines and international institutions. I presented the results of these studies as invited speaker to 4 international conferences (JPGU in 2014 and Neutrino Geoscience, TAUP and AAP in 2015). Getting insights into the Earth’s surface and interior requires to provide for gamma-ray and geoneutrino measurements an adequate understanding of different spectral components. A worldwide reference model for predicting reactor antineutrino signals and spectra was elaborated, which is fundamental for inferring the geoneutrino component from measured inverse beta decay events. I addressed the problem of the uncertainty propagation and I performed a reactor signal analysis over 10 years for the KamLAND (Japan), Borexino (Italy) and SNO+ (Canada) detectors by using reactor data collected in a comprehensive database published at www.fe.infn.it/antineutrino. I estimated the variability of the SNO+ reactor spectral shape caused by the temporal evolution of the reactor fissile inventory, related to the poor knowledge on the functioning of CANDU reactors, responsible for ∼55% of the SNO+ signal. The Huronian Supergroup geological reservoir is the major source of uncertainty in the prediction of the local contribution to the SNO+ geoneutrino signal. In the light of better constraining the geochemical model of this reservoir, I took care of HPGe spectroscopy measurements on collected rock samples and I defined the statistical distributions describing the U and Th content of the reservoir. For this scope, having refined measurements of natural radionuclides abundances was mandatory, which required an accurate instrumental calibration for the different spectral components. The full efficiency calibration of the HPGe detector was performed using certified reference materials and estimating correction factors, which allowed to quantify for the main gamma lines the individual contribution each input quantity has on the uncertainty budget. The reliability of the HPGe performances is fundamental for facing the challenges of scintillation detectors calibration. The Full Spectrum Analysis with Non Negative Least Square constraint was applied to the sensitivity calibration of in-situ and airborne NaI detectors to determine the 40K, 238U, 232Th and 137Cs fundamental spectra. These studies highlighted the importance of performing dedicated instrumental calibrations, which involve experimental measurements characterized by different sources of uncertainty and different fields of view. The modeling of background spectral components of airborne gamma-ray measurements required dedicated calibration flights at different heights above the sea, which allowed to assess the contributions originating from the radioactivity of the aircraft materials and from cosmic rays. Airborne gamma-ray measurements suffer also for the presence of a phantom source in the atmosphere, 222Rn. I studied the feasibility of quantifying the presence of 222Rn in the atmosphere by applying a refined statistical analysis describing the expected count rate in the 214Bi energy window. These studies reflect the melting of close disciplines in which my research activities will point in the next years.