Calibrazione dei cristalli del prototipo del calorimetro di Gamma400 con fasci di ioni

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1 Calibrazione dei cristalli del prototipo del calorimetro di Gamma400 con fasci di ioni Miriam Olmi 30 Aprile 2013

2 Raggi cosmici Il flusso si attenua di oltre 30 ordini di grandezza al variare dell'energia su 14 ordini di grandezza Le energie dei raggi cosmici più energetici raggiungono valori circa 40 milioni di volte superiori rispetto alle energie raggiunte con l'acceleratore LHC

3 Rivelazione di raggi cosmici Misure dirette: Palloni nella stratosfera Satelliti Misure indirette: Telescopi Cherenkov Rivelatori di EAS (Extended Air Shower) Rivelatori di luce di fluorescenza

4 Rivelazione di raggi cosmici Misure dirette: Palloni nella stratosfera Satelliti Difficoltose per energie superiori a 10^15 ev a causa del basso flusso Misure indirette: Telescopi Cherenkov Rivelatori di EAS (Extended Air Shower) Rivelatori di luce di fluorescenza Difficile risalire all'energia e alla natura della particella originaria

5 Il progetto Gamma400 Ha per obiettivi la rivelazione di: Raggi gamma di energie comprese tra 30MeV e qualche TeV Elettroni e positroni di energie fino a 10 TeV Protoni e nuclei di energie oltre 10^15 ev Il miglioramento che si vuole ottenere è basato su: Convertitore/tracciatore ad alta risoluzione spaziale Calorimetro molto profondo

6 Calorimetri e misura energetica Si assorbe la particella incidente per misurarne l'energia. Omogenei Il materiale assorbitore coincide con quello attivo Eterogenei Vengono alternati strati di materiale attivo e passivo Particelle incidenti abbastanza energetiche, quando interagiscono col materiale assorbitore, generano degli sciami

7 Calorimetri e misura energetica Sciami elettromagnetici Sciami adronici Bremsstralhung e creazione coppie Interazioni dovute alla forza forte Perdita di energia per radiazione definita da Dimensione longitudinale dello sciame determinata dalla lunghezza di interazione nucleare media de dx E = X0 rad ( ) X 0 = lunghezza di radiazione caratteristica del materiale Distribuzione trasversale molto stretta dominata da scattering multipli e caratterizzata dal raggio di Molière: 21 MeV 2 RM = X 0 ( g / cm ) Ec In cui E c è l'energia a cui si interrompono i meccanismi di moltiplicazione dello sciame λ I 35 g / cm2 A1/3 Per la maggior parte dei materiali attivi è molto più grande della lunghezza di radiazione Per il CsI: X 0=8.39 g cm 2 λ I =171.5 g cm 2

8 Calocube Obiettivi: Massimizzare l'accettanza per la rivelazione di protoni e nuclei di origine cosmica rivelando particelle incidenti su tutti i lati del calorimetro Buona risoluzione energetica per la rivelazione di elettroni e raggi gamma Adeguato potere di discriminazione tra particelle adroniche ed elettromagnetiche Omogeneo Isotropo Finemente segmentato nelle 3 direzioni spaziali

9 Calocube Risultato delle simulazioni: La scelta del CsI rispetto al BGO è dovuta a due fattori principali: Densità minore a parità di massa si ottiene un calorimetro più grande X 0 maggiore è necessaria una segmentazione minore È il raggio di Molière del CsI Tra i vari cristalli c'è uno spessore aggiuntivo di 3 mm di materiale passivo per aumentare il fattore geomterico Permette comunque un discreto contenimento degli sciami adronici Permette un ottimo contenimento di sciami elettromagnetici di energia molto elevata

10 Prototipo e prova su fascio 126 cubi di CsI(Tl) di 3.6 cm di lato disposti su 14 piani Un piano con 9 cristalli disposti a formare un quadrato Fotodiodi usati per prelevare il segnale di ogni cristallo Kapton per leggere i segnali

11 Prototipo e prova su fascio 126 cubi di CsI(Tl) di 3.6 cm di lato disposti su 14 piani Un piano con 9 cristalli disposti a formare un quadrato Fotodiodi usati per prelevare il segnale di ogni cristallo Fasci utilizzati: Ioni con A/Z = 2 Due rigidità differenti: 30 GV/c e 12.8 GV/c Kapton per leggere i segnali È stato puntato solo sul cristallo centrale per confrontare la risposta dei cristalli ad energie differenti Per la calibrazione di tutti i cristalli è stato puntato su tutti i cristalli del primo piano

12 Risposta di un cristallo Il range della risposta di un cristallo arriva fino a canali ADC!!!!

13 Risposta di un cristallo Fluttuazioni di rumore ~ 40 canali ADC S =7.5 N Picco dei nuclei di deuterio non interagenti Picco dei nuclei di elio non interagenti Il range della risposta di un cristallo arriva fino a canali ADC!!!!

14 Necessità dell'equalizzazione Le posizioni dei picchi variano da cristallo a cristallo i cristalli hanno guadagni differenti è necessario equalizzare la risposta di tutti i cristalli Negli ultimi piani del calorimetro i picchi sono attenuati in fondo al calorimetro è più probabile che siano avvenute interazioni è necessario ripulire i dati selezionando solo particelle non interagenti

15 Selezione di eventi non interagenti Evento non interagente con probabili raggi delta Evento interagente in profondità nel calorimetro Evento non interagente Evento interagente appena prima del calorimetro Distribuzione del numero di cristalli che evento per evento raccolgono un segnale di particella

16 Risultato della selezione

17 Stima della posizione dei picchi La teoria suggerisce l'uso di una doppia gaussiana per eseguire il fit di questo istogramma Code di Landau Spallazione dell'elio Coda non gaussiana Code di Landau

18 Stima della posizione dei picchi La teoria suggerisce l'uso di una doppia gaussiana per eseguire il fit di questo istogramma Code di Landau Spallazione dell'elio Coda non gaussiana Code di Landau Non si può stimare la posizione dei picchi mediante una doppia gaussiana!

19 Stima della posizione dei picchi Soluzione: usare il modello gaussiano ristretto agli intorni dei picchi Accorgimenti: Intervalli asimmetrici per la stima dei singoli picchi Eseguire il fit più volte aggiornando iterativamente i parametri

20 Stima della posizione dei picchi Soluzione: usare il modello gaussiano ristretto agli intorni dei picchi Accorgimenti: Intervalli asimmetrici per la stima dei singoli picchi Eseguire il fit più volte aggiornando iterativamente i parametri

21 Stima della posizione dei picchi Soluzione: usare il modello gaussiano ristretto agli intorni dei picchi Accorgimenti: Intervalli asimmetrici per la stima dei singoli picchi Eseguire il fit più volte aggiornando iterativamente i parametri Guadagni dei cristalli per il deuterio Guadagni dei cristalli per l'elio

22 Osservazioni Distribuzione dei rapporti tra le posizioni dei picchi di elio e di deuterio: In media il rapporto tra i picchi vale 4.5

23 Osservazioni Distribuzione dei rapporti tra le posizioni dei picchi di elio e di deuterio: In media il rapporto tra i picchi vale 4.5 A causa della differenza di massa tra il nucleo di deuterio e quello di elio Variazione dell'energia depositata trascurabile

24 Osservazioni Distribuzione dei rapporti tra le posizioni dei picchi di elio e di deuterio: In media il rapporto tra i picchi vale 4.5 A causa della differenza di massa tra il nucleo di deuterio e quello di elio A causa della ionizzazione diretta della zona di svuotamento dei fotodiodi Variazione dell'energia depositata trascurabile Comporta un aumento del segnale di ~ 40%, consistente con i dati sperimentali

25 Osservazioni Distribuzione dei rapporti tra le posizioni dei picchi di elio e di deuterio: In media il rapporto tra i picchi vale 4.5 A causa della differenza di massa tra il nucleo di deuterio e quello di elio A causa della ionizzazione diretta della zona di svuotamento dei fotodiodi Variazione dell'energia depositata trascurabile Comporta un aumento del segnale di ~ 40%, consistente con i dati sperimentali Ipotesi plausibile ma ancora da verificare!

26 Effetto della normalizzazione Normalizzazione rispetto al deuterio

27 Conclusioni Confrontando i guadagni dei cristalli si vede che la loro dispersione in percentuale è circa del 14% con una differenza massima di guadagno che arriva a ~ 50%