Il calorimetro dell'esperimento PAMELA

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1 Il calorimetro dell'esperimento PAMELA Daniele Trocino INFN and University of Torino Torino, 7 novembre 2008 Esame Calorimetry in Particle Physics experiments

2 Indice L'esperimento PAMELA ed i suoi obiettivi Il detector PAMELA Il calorimetro a imaging di PAMELA Test del calorimetro Prestazioni del calorimetro e misure fisiche 2

3 Premesse ed obiettivi Ricerca di antimateria nella radiazione cosmica primaria balloon flights: 1993 (TS93): elettroni e positroni di alta energia 1994 (CAPRICE 94): antiprotoni nel range GeV 1998 (CAPRICE 98): antiprotoni ad energie maggiori di CAPRICE 94 naturale evoluzione: esperimenti su satellite! A Payload for Antimatter Matter Exploration and Light nuclei Astrophysics PAMELA Obiettivi: Range energie Studio delle antiparticelle nei raggi cosmici Ricerca di antimateria Ricerca di dark matter Studio della propagazione dei raggi cosmici Studi di Fisica Solare antiprotoni positroni elettroni protoni elettr+positr nuclei leggeri # in 3 anni 80 MeV 190 GeV 50 MeV 270 GeV < 400 GeV < 700 GeV < 2 TeV (calorimetro!) < 200 GeV/n (Be) Studio dello spettro di elettroni 3 O(104) O(105) O(106) O(108) O(104)

4 Il satellite Resurs DK1 Massa: 6.7 tonn Altezza: 7.4 m Area pannelli: 36 m2 In funzione Durante il lancio e le manovre in orbita Pamela: Scopo: osservazione della superficie terrestre Costruito da TsSKB Progress (Samara Russia) Lancio: 15 giugno 2006 Durata prevista: ~ 3 anni km Satellite Resurs DK1: Ospitato in una capsula pressurizzata Temperatura: 5 40 C Resistenza alle vibrazioni del lancio! Resistenza alle radiazioni ~ 25 krad = 250 Gy 4

5 Il detector PAMELA (I) Accettanza: 21.5 cm2sr Time of flight system Massa: 470 kg Potenza: ~ 360 W Dimensioni: m3 Transition Radiation Detector Anticoincidence system Silicon Tracker EM Calorimeter Permanent magnet 5

6 Il detector PAMELA (II) Accettanza: 21.5 cm2sr TRD A soglia: segnale da e±, non da p, Time of flight L1 trigger reiezione albedo particle ID (< 1 GeV) de/dx 9 piani di tubi con Xe/CO2 (4 mm) + fibre di carbonio tracking Scintillat. plastico + PMT (3 piani) Separazione e p (insieme al calo) Risoluzione temporale ~ 100 ps Anticoincidence system Si Tracker + magnete Reiezione di particelle interagenti con l'apparato Misura la rigiditità Definisce l'accettanza del tracker Magneti in Nd B Fe (0.43 T) Scintillatore plastico + PMT 6 piani di microstrip di Si Efficienza (MIP) > 99.9% risoluzione (piano di curvatura): ~ 3 m Shower tail catcher (S4) Neutron Detector 36 contatori 3He discriminazione e/h ad alte energie Singolo scintillatore plastico Scopo principale: trigger del ND Calorimetro a imaging in Si W 6

7 Il calorimetro di PAMELA Scopi principali: discriminazione leptone/adrone misura dell'energia totale di e ± ricostruzione dello sviluppo spaziale (longitudinale e trasversale) dello sciame misura della distribuzione di energia lungo lo sciame Caratteristiche: 22 piani di W (2.6 mm / 0.74 X ) 0 44 piani di strip di Si (X Y coord.), spessore 380 µm Profondità totale: 16.3 X / I 4224 canali Possibilità di self triggering (> 300 GeV; accettanza ~ 600 cm2sr) Massa: 110 kg Potenza consumata: 48 W Prestazioni: efficienza per anti p, e + ~ 90% reiezione di p ~ 105 reiezione di e > 104 risoluzione in energia ~ 200 GeV 7

8 I moduli del calorimetro 44 piani di Si strip (22 X and 22 Y) Detector da 8 8 cm2 organizzati in matrici strip/detector, passo 2.4 mm Le strip di una stessa riga (colonna) sono connesse (ladder) strip da 24 cm Ogni ladder (32 canali) è letto tramite 2 front end chip CR1.4P 6 front end chip/piano In totale: 396 detector a Si 264 chip CR1.4P 4224 canali 8

9 Elettronica di front end Schema di un canale di CR1.4P Front end CR1.4P ASIC (progettato appositamente): 16 canali/chip struttura canale: CSA, shaper, T/H, out. mux. circuito di calibrazione integrato circuito di self trigger integrato shaping time = 1 µs sensibilità = 5 mv/mip largo range din.: 7.1 pc = 1400 MIP (1 MIP = 4.9 fc) ENC 2700 e rms + 5 e /pf ADC: 1 ADC a 16 bit/piano 44 ADC (AD977A) tempo totale di process. del calorimetro ~ 700 µs Readout: Calorimetro diviso in 4 sezioni: Odd_X, Odd_Y, Even_X, Even_Y 1 DSP/sezione (ADSP2187) 4 DSP calibrazione on line data compression 1 FPGA/sezione (A54SX72) 4 FPGA 9

10 Modalità self triggering Obiettivo: rivelare elettroni/positroni di altissima energia (300 GeV 1 TeV) Eventi rari rispetto al rate normale di eventi in PAMELA essenziale aumentare l'accettanza geometrica per raggiungere una statistica sufficiente Il calorimetro stand alone può estendere l'accettanza geometrica di PAMELA da 21 cm2sr a ~ 600 cm2sr il chip CR1.4P è dotato di un'opzione self trigger 10

11 Test del calorimetro Misure e test sui singoli moduli e della loro elettronica in vari siti (capacità, leakage current, S/N con sorgenti radioattive, front end) Test d'integrazione, elettronica, DAQ Test su un calorimetro di prova (20 layers) al CERN PS, SPS (2000) validazione delle simulazioni delle performance del calorimetro Beam test del calorimetro al CERN SPS (2004) calibrazione dei singoli canali con MIP usati fasci di adroni senza strati di tungsteno (meno spread rispetto al fascio di muoni) data run con adroni da 150 GeV muoni da 150 GeV elettroni da GeV trigger casuali durante i run per il monitoring del pedestallo. 11

12 Test beam calibrazione (I) S/N ~ 5.2 Eventi di trigger casuali (pedestallo) Shower profile Canale 12

13 Test beam calibrazione (II) Eventi di trigger casuali (pedestallo) Risposta del calorimetro a fasci di e di diversa energia 13

14 ADC (riferiti al pedestallo) / 640 Test beam calibrazione (III) In orbita, la calibrazione viene effettuata ogni ~95 minuti Fit lineare 1 GeV ADC Risposta lineare, no saturazione Energia del fascio di e [GeV] 14

15 Test beam risoluzione energetica E / E [%] Fit alla funzione P1 E ½ + P2 2 / dof P1 P / ± 0.94 ( 0.74 ± 0.93) 10 1 Simulazioni con con Geant4 che tengono conto solo dello shower leakage danno 18% / E ½ Qui in più: canali difettosi, incertezza sulla calibrazione e larghezza del fascio valore costante ~ 3% (~ 5% da stime più recenti) Energia del fascio di e [GeV] 15

16 Calibrazione e risoluzione in self trigger mode E / E [%] Energia ricostruita [GeV] Simulazione Energia del fascio di e [GeV] Energia del fascio di e [GeV] Energia ricostruita dal layer con il massimo deposito + le 3 successive I cerchi neri rappresentano una correzione per il materiale attraversato 16

17 Principio di funzionamento [γ ] [Momento] [Ee / ID] BOTTOM SCINTILLATOR (S4) Neutron detector 17

18 Non interacting anti p (18 GeV) Flight data 18

19 Interacting anti p (11.6 GeV) Flight data 19

20 Positron (32.3 GeV) Flight data 20

21 Separazione p e con il calorimetro Dati da SPS Test Beam: p & e (200 GeV/c) Buona separazione. Variabili discriminanti: frazione di energia rilasciata lungo la traccia nel calorim. matching tra energia e momento punto d'inizio dello sciame profilo longitudinale 21

22 Selezione di e+ con il calorimetro Variabili usate: e frazione di energia p (non int) p (int) + matching energia momento p (non int) p (int) e + + p.to inizio sciame, profilo longit. 22

23 Selezione di e+ con il calorimetro Variabili usate: e frazione di energia + matching energia momento e+ p + p.to inizio sciame, profilo longit. 23

24 Selezione di e+ con il calorimetro e Variabili usate: frazione di energia + e+ p matching energia momento + p.to inizio sciame, profilo longit. 24

25 Rapporto e+ / e 25

26 Rapporto e+ / e 26

27 Identificazione con il calorimetro Media troncata delle misure di de/dx in diversi piani di Silicio 27

28 Conclusioni PAMELA è in orbita e raccoglie dati da più di 2 anni Il calorimetro ha finora operato secondo le aspettative funzionamento di base (elettronica, rumore, ecc.) funziona secondo le aspettative ed è stabile prestazioni (risoluzione, particle ID, ecc.) secondo le previsioni da simulazioni + Test Beam il calorimetro si è dimostrato all'altezza degli obiettivi scientifici dell'esperimento PAMELA è il primo esperimento nello spazio che misura gli spettri di antiprotoni e positroni ad alte energie (> 150 GeV) 28