Candidata: Irene Nutini Relatore: Dr.Flavio Cavanna, Correlatore: Dr.Oscar Adriani

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1 Studio dei processi di interazione di particelle cariche in Ar nella regione di energia GeV attraverso l'informazione combinata della carica di ionizzazione e della luce di scintillazione. Candidata: Irene Nutini Relatore: Dr.Flavio Cavanna, Correlatore: Dr.Oscar Adriani Tesi di Laurea Magistrale in Scienze Fisiche e Astrosiche Curriculum: Fisica nucleare e Subnucleare 21 Luglio 2015 Irene Nutini 21 Luglio / 31

2 Sommario 1 LArTPC per Fisica dei Neutrini 2 Esperimento LArIAT 3 Prima parte del lavoro di tesi: Interazioni di π ± in LAr 4 Seconda parte del lavoro di tesi: Sviluppo di SiPM per la rivelazione della luce di scintillazione di LAr 5 Conclusioni Irene Nutini 21 Luglio / 31

3 LArTPC per Fisica dei Neutrini Fisica dei Neutrini: Fermioni leggeri neutri interagiscono raramente con la materia via interazione debole (es. σ(νn) [1 GeV] cm 2 ) Domande aperte: 1 Oscillazione di avor dei neutrini violazione di CP, neutrino mass hierarchy 2 Neutrino di Dirac o di Majorana 3 Esistenza dei neutrini sterili Interazioni di neutrini, si rivelano le particelle cariche prodotte nell'interazione tra neutrino e mezzo attivo: Raccolta di carica di ionizzazione (bubble chambers, time projection chambers, calorimetri a sampling...) Rivelazione di luce di scintillazione o luce Cherenkov Irene Nutini 21 Luglio / 31

4 LArTPC per Fisica dei Neutrini Raccolta di carica di ionizzazone in una LArTPC Tecnologia LArTPC (Liquid Argon Time Projection Chamber): Principio operativo di una LArTPC Imaging: Ricostruzione eventi 3-D Readout elettronico non distruttivo Misure calorimetriche ad alta risoluzione Particle IDentication In Argon Liquido non avviene moltiplicazione di carica cold electronics a basso rumore, sensibile alla carica di ionizzazione primaria Irene Nutini 21 Luglio / 31

5 LArTPC per Fisica dei Neutrini Raccolta di carica di ionizzazone in una LArTPC LArTPC: Perchè l'argon Liquido? Elementi nobili liquidi (LAr, LXe, LKr): inerti e proprietà dielettriche (trasporto di e senza assorbimento nel mezzo) Necessari alti livelli di purezza Condizioni criogeniche per la liquefazione: TLAr = 90 K Alta concentrazione di centri di scattering per interazione di neutrino: ρlar = 1.4 g cm3 Alta e cienza di scintillazione: γ MeV LYLAr = Argon: relativamente economico, facile da ottenere (Ar atmosferico) e puri cabile ad alti livelli di purezza Irene Nutini 21 Luglio / 31

6 LArTPC per Fisica dei Neutrini Rivelazione della luce di scintillazione in LAr Processo di scintillazione di LAr λ LAr = 128 nm (VUV) Wavelength shifting: TPB λ LAr+TPB 428 nm(blu) Raccolta della luce di scintillazione prodotta al passaggio di particelle cariche in LAr: Tempo assoluto dell'interazione nella TPC (t 0 ) e self-trigger Informazione su energia persa da particella incidente Irene Nutini 21 Luglio / 31

7 Esperimento LArIAT LArIAT: Liquid Argon (TPC) In A Testbeam Parte del programma internazionale di Fisica dei Neutrini con LArTPCs a Fermilab. Studio e caratterizzazione nella TPC di dierenti particelle cariche prodotte nelle interazioni (ν,ar), per E ν qualche GeV (Programmi SBN e LBN). Il Testbeam costituisce un ambiente controllato in cui si possono produrre e selezionare particelle cariche di determinate specie e carica (π ±, p, µ ±, e ±, K ±...) e impulso ( GeV/c range). Sviluppo di tecniche e ottimizzazione del software di analisi per PID, misure calorimetriche e ricostruzione 2-D e 3-D degli eventi per la tecnologia dei rivelatori a LAr. LArIAT First Run: dal 30 Aprile 2015 al 4 Luglio Irene Nutini 21 Luglio / 31

8 Esperimento LArIAT Testbeam Linea di Testbeam e rivelatori ausiliari Composizione del fascio Irene Nutini 21 Luglio / 31

9 Esperimento LArIAT Componenti dell'esperimento che operano in LAr: LArIAT TPC prima di essere inserita nel criostato Rivelatore LArTPC e cold electronics di lettura Sistema ottico di raccolta di luce di scintillazione di LAr Criostato per l'argon Liquido e sistema criogenico di ra reddamento e puri cazione Flangia del criostato su cui è montato il sistema ottico Irene Nutini 21 Luglio / 31

10 Esperimento LArIAT TPC per la raccolta della carica di ionizzazione Rappresentazione schematica della TPC in LArIAT Caratteristiche e valori nominali della TPC Irene Nutini 21 Luglio / 31

11 Esperimento LArIAT Sistema di rivelazione della luce di scintillazione Sistema di raccolta di luce di scintillazione di LAr 2 PMTs criogenici ad alta QE: Hamamatsu (diametro 7.6 cm) e ETL (diametro 5.1 cm) 3 SiPMs (Silicon PhotoMultipliers): 2 Hamamatsu 4x4 SiPM array (1.2x1.2 cm 2 ) e 1 SensL MicroFB SiPM (6x6 mm 2 ), con dierenti congurazioni di preamplicazione e readout a freddo. Superci della TPC ricoperte da rivestimento trattato con TPB, wavelenght shifter. Irene Nutini 21 Luglio / 31

12 Interazioni di π ± in LAr Prima parte del lavoro di tesi (software oriented): 1 Studio delle interazioni dei pioni carichi π ± in Ar 2 Previsione MC della sezione d'urto totale per interazione adronica (π ±, Ar) 3 Sviluppo di un metodo di analisi per la ricostruzione della sezione d'urto da applicare ai dati sperimentali acquisiti con LArIAT (Sliced TPC) Perchè i pioni carichi π ±? π ± costituiscono una parte cospicua delle particelle prodotte delle interazioni di ν in Ar per E ν dell'ordine del GeV una delle componenti prioritarie del fascio di TestBeam per l'esperimento LArIAT. Irene Nutini 21 Luglio / 31

13 Interazioni di π ± in LAr Topologia delle interazioni Interazioni adroniche di pioni carichi π ± con i nuclei di Ar: Interazioni forti di π ± su Ar in range di energia 100 MeV - 2 GeV: Scattering elastico Canali di reazione: charge exchange, assorbimento, scattering inelastico, produzione di pioni Sezione d'urto totale: σ tot = σ el + σ reac σ reac = σ inel + σ abs + σ chex + σ πprod Regione della (1232)-resonance (80 MeV < Eπ kin 400 MeV) incremento della sezione d'urto di interazione. Irene Nutini 21 Luglio / 31

14 Interazioni di π ± in LAr Topologia delle interazioni Irene Nutini 21 Luglio / 31

15 Interazioni di π ± in LAr Topologia delle interazioni Irene Nutini 21 Luglio / 31

16 Misura della sezione d'urto totale di interazione (π ±, Ar) Misura sperimentale della sezione d'urto totale Approssimazione di target sottile: Per N inc pioni che colpiscono il target, dalla rate di interazioni si può calcolare σ tot (cm 2 ), in funzione dell'energia del π. N surv (x, E) = N inc e σtot(e)nx x è lo spessore del target (cm) lungo la direzione del π incidente, N è la densità di centri di scattering (nucleoni) nel target (cm 3 ), N= ρn A A. σ tot = ln( N inc N surv ) 1 Nx centinaia di mb per π in Ar Irene Nutini 21 Luglio / 31

17 Misura della sezione d'urto totale di interazione (π ±, Ar) Predizioni MC della sezione d'urto totale di interazione (π ±, Ar) Simulazioni MC di interazioni di π ± su Target sottili e calcolo di σ tot MC framework: Geant4 Bertini Cascade model (e Genie ha model) Diversi materiali: C, Fe, Ca, Li, Be, Al, Pb... e Ar, per validare i modelli con i dati sperimentali disponibili e avere una predizione per la σ tot dei π in Ar in funzione dell'energia (Non ci sono dati sperimentali di σ tot di π in Ar). Irene Nutini 21 Luglio / 31

18 Misura della sezione d'urto totale di interazione (π ±, Ar) Predizioni MC della sezione d'urto totale di interazione (π ±, Ar) Il volume di Argon liquido della TPC di LArIAT costituisce un target spesso per le interazioni dei pioni carichi π ±. Perdita di energia de dx nell'attraversamento del mezzo π ± Interazioni multiple: λ int (E) = 1 Nσ(E) cm (E = 50 MeV - 2 GeV), minore di TPC depth = 90 cm Decadimento di π ± (in volo e da fermi, τ π = 2.6 x 10 8 s ): λ dec 4 m (200 MeV π) Cattura da fermi per i π a ne range su nuclei di Ar. E' necessario sviluppare un nuovo metodo di analisi sugli eventi nella TPC per la misura di σ tot, per rincondurci all'approssimazione di target sottile. Irene Nutini 21 Luglio / 31

19 Misura della sezione d'urto totale di interazione (π ±, Ar) Predizioni MC della sezione d'urto totale di interazione Approccio di Sliced TPC per il volume della LArTPC Granularità ne e alta risoluzione (spaziale e calorimetrica) della LArTPC LArTPC 240 slices sottili di LAr adiacenti di spessore 4 mm inclinate di 60. Appare naturale suddividere il volume della TPC in 240 slices di spessore x 5 mm (target sottile) Irene Nutini 21 Luglio / 31

20 Misura della sezione d'urto totale di interazione (π ±, Ar) Predizioni MC della sezione d'urto totale di interazione Simulazione MC di interazioni di π ± su LArTPC target (target spesso) Simulazione di volume di Ar nella TPC in Geant4 + approccio Sliced TPC Simulazione MC a particle level Energie dei π ± incidenti secondo distribuzione di energia dei π dal fascio di Testbeam Considerati solo errori statistici; i sistematici devono essere valutati Limiti del modello di Geant4 per lo scattering elastico Irene Nutini 21 Luglio / 31

21 Misura della sezione d'urto totale di interazione (π ±, Ar) Predizioni MC della sezione d'urto totale di interazione Confronto a livello di simulazioni tra i risultati di σ tot (π ±, Ar) in target sottile e in target spesso Accordo tra i risultati di σ tot in target sottile e in target spesso trattato con l'approccio Sliced TPC Sliced TPC: misura di alta accuratezza e precisione statistica (( σtot σ tot ) stat 10 %, con step di energia di 50 MeV, con la statistica collezionata nel run) Le predizioni MC per la misura di σ tot per π ± in Ar costituiscono un valore di aspettazione per i risultati sperimentali di σ tot dai dati di LArIAT. Irene Nutini 21 Luglio / 31

22 Misura della sezione d'urto totale di interazione (π ±, Ar) Stato della ricostruzione degli eventi in LArIAT Ricostruzione di eventi nella TPC di LArIAT Run 5835 sp.46 trig.3: π + (ToF = 33 ns), Einc kin 250 MeV Scattering elastico, Eint kin 87 MeV (calcolata con BB formula) Irene Nutini 21 Luglio / 31

23 Misura della sezione d'urto totale di interazione (π ±, Ar) Stato della ricostruzione degli eventi in LArIAT Run 5798 sp.7 trig.1: π + (ToF = 32 ns), Einc kin 500 MeV Scattering elastico, Eint kin 351 MeV (calcolata con BB formula) Irene Nutini 21 Luglio / 31

24 Misura della sezione d'urto totale di interazione (π ±, Ar) Stato della ricostruzione degli eventi in LArIAT Variabili necessarie per applicare l'approccio Sliced TPC ad ogni traccia ricostruita di π ± ed ottenere una stima sperimentale preliminare di σ tot in funzione dell'energia: Discriminazione di π ± ToF e Aerogel Counters, Muon Range Stack Direzione e momento del π incidente Wire Chambers Traccia 3-D e punto di interazione nella TPC Deposito di energia lungo la traccia nella TPC, E associato ad ogni punto/gruppi di punti Il metodo Sliced TPC da me sviluppato verrà utilizzato sul campione di dati del primo run, dopo essere stati sottoposti ad un primo step di ricostruzione, per il calcolo di σ tot di π ± in Ar. Irene Nutini 21 Luglio / 31

25 Sviluppo di SiPM per la rivelazione della luce di scintillazione in LAr Seconda parte del lavoro di tesi (hardware oriented): Oltre alla raccolta della carica di ionizzazione dalla TPC, anche la rivelazione della luce di scintillazione prodotta in Argon liquido è argomento di interesse. Sviluppo e test di elettronica di front-end a freddo dedicata per la lettura dei segnali dei SiPM Progettazione e realizzazione di readout boards per i SiPM con uno stadio di preamplicazione-integrazione a freddo Tests delle boards a T amb = 300 K e in azoto liquido T LN2 = 77 K Caratterizzazione preliminare dei segnali di luce di scintillazione collezionati dai SiPM immersi in Ar liquido nel rivelatore LArIAT nel caso del run di acquisizione dati, con e senza lo stadio di preamplicazione Irene Nutini 21 Luglio / 31

26 SiPM readout boards in LArIAT SiPM readout boards prodotte: SensL MicroFB single channel SiPM con OPA656 opamp, Hamamatsu S M 4x4 SiPM array con ADA4891 opamp, Hamamatsu S M 4x4 SiPM array con OPA656 opamp Primo test: Accoppiamento ottico SiPM + BC408 e risposta del SiPM ai fotoni di scintillazione prodotti da CR (µ) che attraversano lo scintillatore. Test a temperatura ambiente (300 K). Analisi preliminare della forma dei segnali preamplicati. Irene Nutini 21 Luglio / 31

27 SiPM readout boards in LArIAT Cold tests: SiPM boards immerse in Azoto liquido LN 2 Secondo test: SiPM boards immerse in LN 2 (77 K) e illuminate da LED blu impulsato. Test della risposta dei SiPM e dell'elettronica in criogenia. Caratterizzazione della risposta della SensL SiPM board in LN 2 : V bk (T = 300 K)= 24.5 V V bk (T = 77K) = 20 V Acquisizione di forme d'onda preamplicate e single photoelectron nding per ottenere SER plot Single pe charge (nc): ( ± ) V bias = - 26 V, ( ± ) V bias = - 27 V Gain: 2.6 x 10 7 (- 26 V), 3.2 x 10 7 (- 27 V) Irene Nutini 21 Luglio / 31

28 SiPM readout boards in LArIAT Cold tests: SiPM boards immerse in Argon liquido LAr LArIAT First Run: Osservazione e caratterizzazione (preliminare) dei segnali dalle SiPM boards immerse in LAr. Caratterizzazione della risposta della SensL SiPM board in LArIAT: Risposta della SensL board a fotoni di scintillazioni prodotti da CR (µ MIP) che attraversano il volume della LArTPC 1) Segnale diretto: V out N (t) (i ext (t)r L ) N (t) = G(t, σ LC ) N (t) i ext(t) Risposta impulsiva del SiPM N'(t) Distrib. dei fotoni di scintillazione in Ar G(t, σ LC ) Distrib.gaussiana della raccolta di luce Irene Nutini 21 Luglio / 31

29 SiPM readout boards in LArIAT Cold tests: SiPM boards immerse in Argon liquido LAr 2) Segnale preamplicato (SensL SiPM + OPA 656): Single photoelectron nding su forme d'onda preamplicate per ottenere SER plot Single pe charge (nc): ( ± ) V bias = - 27 V Gain estimation: 3.2 x 10 7 (- 27 V) Irene Nutini 21 Luglio / 31

30 SiPM readout boards in LArIAT Cold tests: SiPM boards immerse in Argon liquido LAr Quantità di luce di scintillazione raccolta dai fotorivelatori nella LArTPC: Ecienza del TPB Frazione di area coperta dai fotorivelatori Ecienze intrinseche di SiPM (e PMT) SiPM SensL Light Yield nella LArTPC: Area di Forma d'onda media dei segnali di cosmici preamplicati convertita in numero di pe, dai risultati del SER plot. Crossing muon in LArTPC ( E 200 MeV) 25 pe sul SensL LY SensL = 0.12 pe/mev Irene Nutini 21 Luglio / 31

31 Conclusioni Conclusioni del lavoro di tesi: Studio delle interazioni di π ± in Ar: simulazione MC di interazioni di π in Ar e sviluppo di una routine di analisi per il calcolo della sezione d'urto totale di interazione σ tot (π ±,Ar) sui dati sperimentali in LArIAT. Misura di σ tot (π ±, Ar) in LArIAT Sviluppo e test di cold front-end electronics per SiPM, per la raccolta di luce di scintillazione in LArIAT. Calibrazione in LAr delle SiPM boards e Sviluppo e tests di boards di readout di matrici di SiPMs Irene Nutini 21 Luglio / 31

34 Conclusioni Conclusioni del lavoro di tesi: Studio delle interazioni di π ± in Ar: simulazione MC di interazioni di π in Ar e sviluppo di una routine di analisi per il calcolo della sezione d'urto totale di interazione σ tot (π ±,Ar) sui dati sperimentali in LArIAT. Misura di σ tot (π ±, Ar) in LArIAT Sviluppo e test di cold front-end electronics per SiPM, per la raccolta di luce di scintillazione in LArIAT. Calibrazione in LAr delle SiPM boards e Sviluppo e tests di boards di readout di matrici di SiPMs Grazie per l'attenzione Irene Nutini 21 Luglio / 31