Università degli Studi di Milano Bicocca. Report di ne anno II Attività di dottorato svolte. Dipartimento di Fisica G.Occhialini

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1 Università degli Studi di Milano Bicocca Dipartimento di Fisica G.Occhialini Report di ne anno II Attività di dottorato svolte Marco Toliman Lucchini Ciclo di dottorato XXVII ( ) Matricola n Tutor: Marco Paganoni External supervisor (CERN): Etiennette Auray 21 th September 2013

2 1 Attività di ricerca svolte 2 1 Attività di ricerca svolte Studi di longevità per il calorimetro ECAL di CMS Nei prossimi anni il Large Hadron Collider (LHC) raggiungerà livelli di luminosità molto elevati ( p/cm 2 for η = in 2020, p/cm 2 for η = in 2030) e il danno da radiazione subito dai cristalli di PbWO 4 del calorimetro elettromagnetico di CMS (ECAL) diventerà cruciale per le prestazioni del rivelatore. Molti sforzi sono stati spesi negli ultimi anni per indagare i meccanismi di danneggiamento e recovery di cristalli soggetti ad alte dosi di radiazione elettromagnetica e adronica al ne di prevedere attraverso simulazioni quale saranno le future prestazioni di ECAL. All'interno di questo progetto una serie di test su fascio sono stati avviati per studiare la risposta di matrici di cristalli altamente danneggiati da protoni. Il programma sperimentale nel 2012 ha incluso la caratterizzazione di una matrice di 25 cristalli non irraggiati da utilizzare come campione di referenza (Maggio 2012). Successivamente, 12 cristalli di questa matrice sono stati tolti e inviati al Proto-Sincrotone per essere irraggiati con protoni. Lo spazio lasciato libero da questi cristalli è stato riempito con 12 cristalli irraggiati precedentemente (nel ) e parzialmente recuperati con diverso coeciente di assorbimento indotto (µ ind = m 1 ). Questa nuova matrice di cristalli prevalentemente irraggiati è stata caratterizzata con fasci di elettroni (Giugno 2012) e un confronto tra le due matrici, non irraggiata (Maggio) e irraggiata (Giugno) è stato eettuato. Durante Ottobre e Novembre 2012, ulteriori test su fascio sono stati eettuati per valutare il danno da irraggiamento sui 12 cristalli irraggiati in Giugno (a dosi simili a quelle che LHC dovrà arontare nei prossimi anni) aventi coecienti di assorbimento indotti tra 6 e 21 m 1. In questo modo à stato possibile confrontare le prestazioni di cluster di cristalli prima e dopo l'irraggiamento usando esattamente gli stessi cristalli (stessi difetti intrinseci alla produzione, stessa resa di luce iniziale, stesso assorbimento iniziale,...). Lo studio delle matrici è stato svolto usando fasci di elettroni di energia tra i 10 e i 150 GeV. L'analisi e il confronto tra le matrici di cristalli ha incluso: l'evoluzione dell'impulso generato dai fotoni ottici; un confronto della resa di luce dei cristalli ad un fascio di elettroni di una determinata energia; lo studio della non linearità in energia per cristalli irraggiati e il degradarsi della risoluzione energetica. Tutti i dati raccolti in esperimenti su cristalli danneggiati con protoni tra il 2009 e il 2012 sono stati analizzati e confrontati coerentemente in modo da ottenere un quadro completo degli eetti del danno da radiazione adronica su cristalli di PbWO 4. I risultati ottenuti sono stati confrontati con simulazioni ottenute con Geant4 (per simulare la deposizione di energia nei cristalli) e SLitrani (per simulare la raccolta dei fotoni ottici all'interno del cristallo).

3 1 Attività di ricerca svolte 3 Il confronto ha dato buoni risultati e rappresenta un risultato fondamentale sul quale si baseranno future decisioni riguardanti l'upgrade del calorimetro di CMS. Progetto di R&D per calorimetri di prossima generazione In vista di un possible upgrade del calorimetro di CMS, al ne di mantenere buone prestazione nelle condizioni di alta luminosità in cui si troverà ad operare, si stanno considerando una serie di nuovi materiali e nuove congurazioni. Questo studio si colloca più in generale all'interno di un progetto di ricerca e sviluppo per i calorimetri di prossima generazione che saranno necessari per soddisfare le esigenze dei futuri collisori di particelle (CLIC, ILC,...). All'interno di questo contesto ho lavorato allo studio del danno di radiazioni su cristalli inorganici scintillanti, quali LYSO, YSO e LuAG dopati con Cerio, che possono rappresentare valide opzioni per future applicazioni nella sica delle alte energie grazie alla loro alta resa in luce e alla veloce risposta temporale. In particolare, la possibilità di produrre industrialmente un gran numero di queste bre di LuAG (Lu 3 Al 12 O 5 ) dopate con Cerio e la loro caratteristica di essere in grado di emettere sia luce di scintillazione sia luce Cherenkov le rende potenziali candidate per lo sviluppo di un calorimetro ad alta granularità per la regione in avanti del rivelatore di CMS. Alcuni campioni di bre sono stati studiati e nuovi campioni continuano ad essere caraterizzati in laboratorio, in particolare è stata misurata: la trasparenza delle bre a diverse lunghezze d'onda ( nm); la loro resa in luce; i loro spettri di emissione e assorbimento e la resistenza alla radiazione elettromagnetica e adronica (protoni) [5], [4]. Per studiare invece la risposta delle bre a particelle di alta energia e investigare la possibilità di realizzare un calorimetro basato sull'utilizzo di questi cristalli è stato avviato un programma di test su fascio che utilizza fasci di elettroni di energia compresa tra i 10 e i 150 GeV prodotti dal Proto- Sincrotone (PS) del CERN. Una matrice di 9 bre di LuAG ricoperte con strati di Teon è stata inserita all'interno di un assorbitore di bronzo delle dimensioni 2x2x22 cm. La risposta di questo mini-prototipo di calorimetro a campionamento è stata studiata con fasci di elettroni a PS (CERN) e ha condotto a risultati promettenti. Le bre di cristallo hanno dimostrato di avere una buona resa in luce e che è possibile ricostruire il segnale e la forma della cascata elettromagnetica usando le informazioni provenienti da tutta la matrice [6]. Lo studio delle potenzialità di un calorimetro altamente segmentato lungo il piano trasverso (matrice di bre) sono in corso di studio. I primi risultati ottenuti sperimentalmente hanno permesso di validare una simulazione che permette di studiare congurazioni in cui le bre di cristallo riempiano

4 2 Conferenze frequentate o previste 4 un volume sucientemente grande (2 2 2 m 3 ) per rivelare particelle elettromagnetiche e adroniche. Futuri test su fascio con un nuovo prototipo di calorimetro basato su un numero maggiore di bre sono pianicati per il Conferenze frequentate o previste SCINT 2013: 12th International Conference on Inorganic Scintillators and Their Applications Partecipazione alla conferenza SCINT 2013 con presentazione di un talk sui risultati ottenuti da uno studio dell'interazione di neutroni di energie tra i 3 e i 15 MeV con diversi cristalli inorganici quali LYSO, CeF 3, BGO, LuAG e PbWO 4. [1] E' stato inoltre presentato un poster riguardante gli eetti del danno da radiazione adronica sulla fosforescenza di cristalli di LYSO dopati con Cerio [2]. (15-19 Aprile 2013) IEEE 2013: Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, and Room-Temperature Semiconductor X-Ray and Gamma-Ray Detectors workshop Partecipazione alla conferenza IEEE 2013 con presentazione di un talk sui risultati ottenuti dallo studio del danno di radiazione nei cristalli di PbWO 4 con lo scopo di valutare le prestazioni future del calorimetro elettromagnetico di CMS (ECAL) [3]. 3 Scuole frequentate (27 Ottobre - 2 Novembre 2013) IX Seminar on Software for Nuclear, Subnuclear and Applied Physics. Technology Transfer Workshop Il seminario è stato organizzato in unità didattiche riguardanti software sviluppati e utilizzati in ambiti di sica fondamentale, applicata, teorica e sperimentale. Gli argomenti trattati hanno incluso: simulazione dell'interazione di particelle con la materia: Geant4 e Fluka; accelerazione del plasma; fasci di elettroni ad alta luminosità; trasporto di fascio di ioni; applicazioni mediche di fasci di ioni. Durante il Technology Transfer Workshop gli studenti hanno partecipato a esercitazioni pratiche, incontri con esperti di tecnologie specicamente selezionate a discusso con questi di applicazioni industriali della sica nucleare e delle particelle. (28 Maggio - 1 Giugno 2012)

5 4 Esami sostenuti o previsti 5 PicoSEC training on Crystal Growth, Scintillation Mechanisms and Scintillator Applications Picosec è un progetto di formazione Europeo Marie Curie. Ha lo scopo di far incontrare e collaborare giovani ricercatori ed esperti colleghi provenienti da tutta Europa all'interno di un progetto di formazione strutturato e multidisciplinare nalizzato al progetto di Ricerca e Sviluppo indirizzato alla realizzazione di rivelatori di fotoni ultra-veloci per applicazioni mediche e nella sica delle alte energie. Questo primo incontro di informazione ha trattato in maniera didattica e completa i seguenti argomenti: chimica dello stato solido e tecniche di accrescimento di cristalli; meccanismi di scintillazione; fattori che inuenzano le caratteristiche temporali di un rivelatore; applicazioni degli scintilaltori per diagnostica medica e sica delle alte energie. (12-14 Settembre 2012) 13th Hellenic School and Workshop on the Standard Model and Beyond La scuola, organizzata dal Corfu Summer Institute, è stata strutturata in unità didattiche su argomenti di sica delle particelle. Gli argomenti trattati hanno incluso: upgrade di LHC e SLHC, stato attuale delle ricerche sperimentali di LHC (CMS, Atlas, LHCb), QCD, teoria delle interazioni elettrodeboli, stato attuale delle ricerche sulla sica dell'higgs, introduzione alla supergravità e alla teoria delle stringhe, introduzione alla cosmologia e astroparticelle, CLIC e ILC. 4 Esami sostenuti o previsti Corso di Fisica Medica (31 Agosto - 11 Settembre 2013) Sostenuto col docente Marco Paganoni, Università di Milano-Bicocca (Ottobre 2012). Corso di Statistica Bayesiana Da sostenere col docente Edoardo Milotti, Università di Trieste (11 Ottobre 2013). Riferimenti bibliograci [1] M. Lucchini, K. Pauwels, M. Pizzichemi, R. Chipaux, F. Jacquot, H. Mazué, H. Wol, P. Lecoq and E. Auray, Response of Inorganic

6 4 Esami sostenuti o previsti 6 Scintillators to Neutrons of 3 and 15 MeV Energy, IEEE Transactions on Nuclear Science (2013), in press. [2] M. Lucchini, E. Auray, A. Fedorov, M. Korjik, V. Mechinski, N. Naumenko, A. Voitovich, UV- and γ-induced Phosphorescence in Lu 2 SiO 5 :Ce and Y 2 SiO 5 :Ce crystals after 24 GeV proton irradiation, SCINT [3] M. Lucchini on behalf of the CMS Collaboration, Evolution of the Response of the CMS ECAL, R&D Studies on New Scintillators, and Possible Design Options for Electromagnetic Calorimetry at the HL- LHC, session=n32. [4] M.V. Derdzyan and K.L. Ovanesyan and A.G. Petrosyan and A. Belsky and C. Dujardin and C. Pedrini and E. Auray and P. Lecoq and M. Lucchini and K. Pauwels, Radiation hardness of LuAG:Ce and LuAG:Pr scintillator crystals, Journal of Crystal Growth, 2012 (361) pp , pii/s [5] K. Pauwels, E. Auray, S. Gundacker, K. Lebbou, M. Lucchini, F. Moretti, A. Petrosyan, X. Xu and P. Lecoq, Single crystalline LuAG bers for homogeneous dual-readout calorimeters, Journal of Instrumentation, 2013, in press. [6] M. Lucchini, T. Medvedeva, K. Pauwels, C. Tully, A. Heering, C. Dujardin, K. Lebbou, P. Lecoq and E. Auray, Test beam results with LuAG ber for next-generation calorimeters, Journal of Instrumentation, 2013, to be published.