The FARCOS project : femtoscopy and correlation studies in intermediate energy heavy-ion collisions

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1 The FARCOS project : femtoscopy and correlation studies in intermediate energy heavy-ion collisions T. Minniti 1,2, L. Acosta 2, E.V. Pagano 2,4, G. Verde 3, P. Danielewicz 5, FARCOS-EXOCHIM Collaboration, LASSA Collaboration 5 1 Dipartimento di Fisica, Università di Messina Messina, Italy 2 INFN-Laboratori Nazionali del Sud, Catania, Italy 3 INFN-Sezione di Catania, Catania, Italy. 4 Dipartimento di Fisica, Università di Catania, Catania, Italy 5 NSCL MSU, East Lansing, MI, USA

2 outlines 1) Introduction 2) Study of two particle correlation function in AMeV with LASSA detector at NSCL 3) The FARCOS project at INFN and LNS in Catania 4) Conclusions

3 Reaction at intermediate energy (Fermi energy) Different steps exploring the system during an intermediate energy reaction ρ>ρ 0 ρ<ρ 0 Space-time properties of the emitting source Correlation functions

4 50 AMeV Beam intensity 10 8 pps Au target = 3 mg/cm 3 Li Be B C N O LASSA (Large Area Silicon Strip Array) 9 telescopes covered 12 θ 62 e 24 φ MiniBall/miniWall

5 Proton energy as a function of the theta angle in the laboratory frame normalized to the number of pixels. Number of pixels covered in that solid angle region WPCF - Sept 2012 Frankfurt am Main, Germany. T. Minniti for FARCOS/EXOCHIM

6 forward angles 13 θ θ 60 QPS NECK QTS

7 Two sources : participant/neck and quasi-projectile /nucleon /nucleon E MeV

8 Best compromize between statistics and centrality : Mult tot > /nucleon

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10 Mult Tot >25 P Tot >300 MeV/c Different contributions: quasi-projectile source and participant/neck source Fast and slow process (IMF, quasi-projectile deexcitation)

11 1+R(q) from fast source 1+R(q) S(r) slow +S(r) fast S(r) slow 1+R(q) from slow S(r) fast S(r) = S(r) fast + S(r) slow

12 1+R(q) r 0 source radius λ fraction of fast component r 0 =2.5 fm r 0 =3.0 fm q (MeV/c)

13 There isn t a relationship between the height of the peak and the size of the source

14 r 0 =6.3 fm λ=1 r 0 =5.6 fm λ=0.48 χ 2 =7.45 Χ 2 =0.96 The source is smaller if the fast sources are about the 50% of the proton pairs

15 Imaging analysis R 1/2 =FWHM of S(r) R 1/2 = 4.4(±0.3)fm λ fast =0.18

16 S(r) with Gaussian density profile S(r) with Imaging

17 The FARCOS project ( Femtoscopy ARray for Correlations and Spectroscopy ) Crucial requirements: - High angular resolution - Coupling to 4pi detectors (example: LNS) Farcos Chimera

18 Farcos physics 1. Dynamics in heavy-ion collision (low and intermediate energies, stable beams and RIB) Space-time probes of particle and fragment emission Multi-particle correlation spectroscopy (MPCS) 2. Spectroscopy (with exotic fragmentation LNS) Multi-particle decay correlation spectroscopy (MPCS) Direct reactions

19 Farcos telescope Based on (62x64x64 mm 3 ) clusters 4 60x32x32 cm 3 CsI(Tl) 1 (1.5x62x62 mm 3 ) DSSSD strips 1 (0.3x62x62 mm 3 ) DSSSD strips

20 Features planned for FARCOS array Multiples stages of Silicon ΔE detection + CsI Pulse-shape capabilities: Low identification thresholds for low energy Digitalization of detector signals High resolution Energy and angle (q,f) Wide dynamic range MeV to GeV Modularity Flexibility Geometry: coupling to 4π, MagSpec, n-det, γ-det Electronics: integrated, reconfigurable Portability Updates possible Due to its modularity FARCOS will be able to grow in size and telescope configurations, neutron detection capabilities under study

21 Tests at the INFN Gruppo di Messina laboratory Considering the well known resolution of DSSSD, the energy resolution of FARCOS is limited by the quality of the energy light response and resolution of CsI(Tl) crystals. Energy resolution is also determined by a dependence of the light output of a CsI(Tl) crystal on the entrance position of incoming particles. First step: alpha source test, to be started at INFN Group on Messina (in progress). New FARCOS CsI(Tl) crystals MeV alpha source scanning and 240 MeV 4 He particles pixel by pixel scanning Vacuum chamber at INFN-Gruppo Coll. di Messina Remote control motion mechanical table

22 Test and caracterizations: first step test of the surface light responce of the CsI(Tl) crystals (TL)1200 e 1500 ppm Alpha sours of 241 Am with intensity of 150 nci and energy E α = MeV. 1) Hight of the peak 2) FWHM 3) Number of the hits FWHM/CH picco 2%.

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24 Test and caracterizations: second step July 2012 we tested the inner responce of the crystals with different beams at LNS Beam: 62 AMeV, 4 62 AMeV AMeV WPCF - Sept 2012 Frankfurt am Main, Germany. T. Minniti for FARCOS/EXOCHIM

25 Conclusions Study of proton-proton correlation functions in Size of proton-proton emitting source in semi-central collisions (r 0 =4.4 fm) Fraction of protons came from fast emissions 20% Introduction of the FARCOS project

26 FARCOS-EXOCHIM collaboration PARTICIPANTS L. Acosta 1, T. Minniti 2,3, G. Verde 4, G. Cardella 4, F. Amorini 1, A. Anzalone 1, L. Auditore 2,3, M. Buscemi 1,5, A. Chbihi 6, E. De Filippo 4, L. Francalanza 1,5, E. Geraci 4,5, C. Guazzoni 7,8, E. La Guidara 4,9, G. Lanzalone 1,10, I. Lombardo 1,5, S. Lo Nigro 4,5, D. Loria 2,3, C. Maiolino 1, I. Martel 11, E.V. Pagano 1,5, A. Pagano 4, M. Papa 4, S. Pirrone 4, G. Politi 4,5, F. Porto 1,5, F. Rizzo 1,5, P. Russotto 1,5, A.M. Sánchez- Benítez 11, J.A. Dueñas 11, R. Berjillos 11, S. Santoro 2,3, A. Trifirò 2,3, M. Trimarchi 2,3, M. Venhart 12, M. Veselsky 12, M. Vigilante 13,14. INSTITUTIONS 1 INFN-LNS; 2 INFN- Gruppo Collegato di Messina; 3 Dip. Fis. Univ. Messina; 4 INFN- Sez. Catania; 5 Dip. Fis. e Astr. Univ. Catania; 6 GANIL, CEA-IN2P3-CNRS, Caen, France; 7 INFN- Sez. Milano; 8 Dip. Fis. Univ. Milano; 9 CSFNSM, Catania; 10 Univ. KORE, Enna, Italy; 11 Univ. de Huelva, Spain; 12 Slovak Academy of Sciences, Bratislava, Slovakia; 13 INFN- Sez. Napoli; 14 Dip. Fis. Univ. Napoli. THANK YOU FOR YOUR ATTENTION!!! 26

27 RESERVE WPCF - Sept 2012 Frankfurt am Main, Germany. T. Minniti for FARCOS/EXOCHIM

28 Current status of FARCOS Demonstrator under construction: 3 clusters 12 CsI(Tl) crystals delivered (INFN-Gruppo Collegato di Messina). Standard electronics for them is ready at LNS (currently testing). First test beam at LNS in February 2012: CsI(Tl) position response function 3 BTU Tandem (p), 6 BTU Cyclotron (4He (3), 12C (3)) 28

29 WPCF - Sept 2012 Frankfurt am Main, Germany. T. Minniti for FARCOS/EXOCHIM Funzioni di correlazione tra due particelle P tot =p 1 +p 2 q=μ(p 1 /m 1 p 2 /m 2 ) Y 12 resa delle particelle 1,2 rivelate in coincidenza Y 1 e Y 2 rese delle particelle 1 e 2 rivelate in singola C 12 costante determinata imponendo R(q,P Tot )=0 ( MeV/c in p-p) θ qp =arccos(q*p tot /qp Tot ) angolo tra P Tot e q a) Directional correlation functions b) angle-averaged correlation functions. Tagli in P tot Y 1 *Y 2 = Y 12 Unc event-mixing

30 WPCF - Sept 2012 Frankfurt am Main, Germany. T. Minniti for FARCOS/EXOCHIM Kernel K(r,q) dell equazione integrale di koonin-pratt Data l equazione integrale di koonin-pratt in essa vi è il kernel K(r,q) che è una funzione nota nel caso della funzione di correlazione protone-protone: Il Kernel può essere calcolato come segue: Dove la Ψ q ( r) e la funzione d onda relativa di scattering protone-protone corrispondente ad un determinato valore di impulso relativo, q. Il Kernel, grazie alla presenza di Ψ q ( r), contiene tutte le informazioni circa l anti-simmetrizzazione della funzione d onda protone protone dovuta alla loro natura fermionica e le mutue interazioni Coulombiana e di stato finale nucleare.

31 WPCF - Sept 2012 Frankfurt am Main, Germany. T. Minniti for FARCOS/EXOCHIM Data la funzione di correlazione: Event-mixing Consiste nell approssimare il prodotto delle rese di particella singola Y 1 *Y 2 con un Y 12 unc. Tale spettro è costruito prendendo particelle da eventi diversi ma appartenenti alla medesima classe di eventi (stessa centralità, piano di reazione, ecc..) dello spettro Y 12 di rese di particelle in coincidenza che appartengono allo stesso evento.

32 WPCF - Sept 2012 Frankfurt am Main, Germany. T. Minniti for FARCOS/EXOCHIM Imaging La tecnica consiste in un inversione numerica dell equazione di Koonin-Pratt partendo direttamente dalla funzione di correlazione misurata sperimentalmente. La sorgente estratta può avere qualunque forma funzionale e non necessariamente quella Gaussiana. La sorgente S(r) viene decomposta in una sovrapposizione di N funzioni di base, B i (r) aventi una forma funzionale elementare nota: Le funzioni B i (r) che vengono comunemente adoperate sono i polinomi B-splines del 3 ordine. Ciascuno di tali polinomi si estende su un range di r [r j,r j+1 ] e non su tutto lo spazio r [ 0, ]. Essendo le B i (r) funzioni note, il problema di determinare S(r) si tramuta in una ricerca dei valori delle costanti moltiplicative S j che consentano di riprodurre la funzione di correlazione sperimentale. Per ogni valore di impulso relativo, q i, misurato sperimentalmente (con i=1,2,...n exp ed N exp numero totale di punti sperimentali), si puo calcolare la funzione di correlazione, R i, da una versione discretizzata dell equazione di Koonin- Pratt: Mentre K ij si ottiene discretizzando il kernel: dove l integrale in dq e esteso alla larghezza del bin in impulso relativo sperimentale, Δq. L integrale in dr e ovviamente effettuato fino ad un valore limite Rmax opportunamente scelto sufficientemente grande e rappresenta il limite massimo oltre il quale possiamo effettuare l Imaging della sorgente S(r). L inversione dell equazione di Koonin-Pratt si riduce alla soluzione dell equazione discretizzata di Koonin-Pratt rispetto alle N incognite S j. Questo viene fatto sostanzialmente calcolando il χ2 tra dati sperimentali, R i exp, e i valori R i calcolati con dell equazione discretizzata di Koonin-Pratt imponendo la condizione di minimizzazione di χ2 rispetto alle variabili S j che vengono poi estratte risolvendo il sistema di equazioni risultanti. In ultimo sulle risultanti S j si impone anche che siano positive, questo perché rappresentando probabilità, eventuali funzioni di sorgente negative non avrebbero senso fisico.

33 WPCF - Sept 2012 Frankfurt am Main, Germany. T. Minniti for FARCOS/EXOCHIM Funzione di Sorgente da Imaging S(r) decomposizione della funzionedi sorgente nelle funzioni di base S True (r) S( r) M j 1 S j B j ( r) S True )(r) S(r B (r) j Splines 0 th -order 1 st -order 2 nd -order Continuità della Funzione di Sorgente S(r) Con Imaging si determinano un set di che minimizzano il c 2 la la funzione di correlazione calcolata e quella sperimentale R i M j 1 S j exp R( q ) K S e i S(r)Ottimizzata e discretizzata nello spazio r ij j R i r

34 WPCF - Sept 2012 Frankfurt am Main, Germany. T. Minniti for FARCOS/EXOCHIM Sima della componente λ fast da Imaging Come già detto la costante λ fast rappresenta la frazione di coppie prodotte dalle emissioni dinamiche (ad esempio di pre equilibrio) a breve vita media. Avendo stimato la funzione di sorgente tramite la tecnica di Imaging è possibile calcolarla dalla seguente relazione: Nel nostro caso λ fast 0.2 Il che vuol dire che circa il 20% delle coppie protone-protone provengono da una sorgente fast (pre-equilibrio τ fm/c)

35 THINGS DONE AND THINGS TO DO... Test of the position dependence of the light outputs with beam 9 BTU approved by LNS-PAC (June 2012) To be performed after January 2012 at CHIMERA chamber 10, 15, 20 AMeV, 4 40, 80 AMeV and 12 40, 60 MeV Two crystals: 110 MeV M.J. van Goethem et al., NIM. A 526, 455 (2004) 35 Diferences between large (c) and small (d) non-uniformities Diverse corrections for light output non-uniformity

36 THINGS DONE AND THINGS TO DO... If so... CsI(Tl) energy calibration (a) Energy-light response is not linear (b) Energy-light response depends on Z and A For heavy particles with Z 3, the mass dependence of the light respond function of the CsI crystals can not neglected A. Wagner et al., NIM A 456, 290 (2001) Need calibration points for all particle species (b) and at many kinetic energies (a) 36

37 Multi-Particle Correlation Spectroscopy (MPCS) Not only EoS 10 C α p Expansion p α Several unbound species in just one single experiment! HIC and correlations as a spectroscopic tool More exotic species can be accessed with protonrich or neutron-rich beams

38 1st. Stage: exploring different identification techniques 38

39 THINGS DONE AND THINGS TO DO... Test of the electronics compatibility Differential signal+ct- INFN chip Test of current 16ch spectroscopy amplifier and PSD N1568B (CAEN) + 32 ch preamplifier MPR-32 (MESYTEC). Using a similar DSSSD (Micron Semiconductor). Necessary a special chip (prototype performed by Electronics lab from INFN-CT) to conseve the differential signal from PA to A. LEMO-cable Resolution conserved (once we compared the signal obtained with that from a LEMO output MESYTEC preamp) and low-noize achieved Better to use differential module 39

40 THINGS DONE AND THINGS TO DO... Setup proposed Top view 3-clusters configuration BEAM θ (scattering angle) -3 clusters configuration -Distance to the target fixed (out of CHIMERA sphere) -Motion on θ (also on φ if it s necessary) cluster without silicon TARGET 3-D view -Central cluster as monitor -Left cluster without silicon detectors -Just one stage of silicon (300μm) 40

41 Primi test e caratterizzazioni test della risposta in luce superficiale dei cristalli di CsI(Tl) 1200 e 1500 ppm condizioni di vuoto ( 10-2 mbar) Sorgente intensità 150 nci di 241 Am, E α = MeV. WPCF - Sept 2012 Frankfurt am Main, Germany. T. Minniti for FARCOS/EXOCHIM 1) Altezza del picco 2) la FWHM 3) il numero di conteggi FWHM/CH picco 2%.

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43 WPCF - Sept 2012 Frankfurt am Main, Germany. T. Minniti for FARCOS/EXOCHIM

44 10 Be Exotic LNS (pres. By L. Acosta) 18 O primary beam 15 B 12 Be 9 Li 6 He Yields normalized to 100 W beam Khz 15 B B Be 2 11 Be Li Li 2 6 He 4.7 Very good intensities available 18 O primary beam T (ns) Primary beam 100W (4.4x10 11 p/s) beam hz 14 Be 11 Li 6 He 8 He 14 Be 6 11 Li 27 9 Li 55 8 He He Be + p n + 12B* p+11be α + 6Li.. 44

45 THE FARCOS ARRAY Diverse geometrical configurations Cross geometry centered on the beam axis (10 clusters) Wall geometry placed at 45 from beam axis (9 clusters) It can changes depending on the kind of experiment!! 45 45

46 THE FARCOS ARRAY Detectors chosen for FARCOS Double-Sided Silicon Strip Detectors performed by Micron Semiconductor. (300 and 1000 micron) Capton cable and 2x32pin connectors Minimum PCB frame-area (4 mm) 3.5 and 6.5 mm PCB thick respectively Hightly homogenious CsI(Tl) crystals performed by SCIONIX. Wrapped with 0.12 mm thick white reflector +50 micron aluminized mylar. 2 μ thick aluminized mylar window at the entrance (0.29 g/cm 2 ). 46