Studio delle prestazioni di prototipi di MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber) con un telescopio per raggi cosmici

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BOLOGNA FACOLTÀ DI SCIENZE MATEMATICHE FISICHE E NATURALI CORSO DI LAUREA IN FISICA Studio delle prestazioni di prototipi di MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber) con un telescopio per raggi cosmici Tesi di Laurea di: Roberto Preghenella Relatore: Chiar.ma Prof.ssa Luisa Cifarelli Anno Accademico 2002/2003 Sessione II

2 Con questa tesi di laurea mi propongo di studiare le prestazioni in efficienza e risoluzione di alcuni prototipi di rivelatori MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber), cuore del sistema TOF di ALICE. Il lavoro sperimentale é stato effettuato nei laboratori dell INFN di Bologna in v.le Berti Pichat con la collaborazione del personale dell INFN di Bologna. I capitoli sono organizzati in modo tale da introdurre il lettore ai principi e agli scopi dell esperimento ALICE per poi concentrarsi sempre piú sul sistema TOF per la misura dei tempi di volo delle particelle e infine soffermarsi sulla descrizione del rivelatore innovativo, ideato e realizzato a tale scopo. Lo studio delle prestazioni del rivelatore viene effettuato tramite un telescopio a raggi cosmici e costituisce la parte centrale del lavoro svolto per questa tesi di laurea. Per quanto riguada lo sviluppo sperimentale, l analisi dati e la stesura della tesi devo ringraziare le seguenti persone: prof.ssa Luisa Cifarelli dott. Rosario Nania dott. Eugenio Scapparone dott. Andrea Alici dott.ssa Gilda Scioli dott. Anselmo Margotti dott. Pietro Antonioli Roberto Preghenella 2

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5 Indice 1 ALICE a LHC Esperimenti a LHC La fisica di ALICE Alta densitá e alta temperatura Simmetria chirale Diagramma di fase QCD Osservare il QGP Aumento della stranezza Soppressione degli stati cc legati Canali elettromagnetici Il rivelatore di ALICE I componenti del rivelatore Il magnete ITS TPC PID PHOS Spettrometro per muoni Il sistema TOF Identificare le particelle La tecnica del tempo di volo Il TOF di ALICE R&D Descrizione generale I moduli Il gas nel TOF Research & Development, ossia ricerca e sviluppo. 5

6 INDICE 3 Camere a piani paralleli resisitivi Camere a elettrodi conduttivi Camere a elettrodi resistivi Planar Spark Chamber (PSC) Resistive Plate Chamber (RPC) La fisica delle RPC Energia persa da una particella carica Valanga e scintilla Il gas Il segnale La scelta di una RPC a molti gap (MRPC) Le MRPC di ALICE TOF Descrizione di una MRPC I materiali utilizzati Double-Stack MRPC Sviluppo di MRPC double-stack Design proposto per ALICE TOF Costruire una MRPC STRIP Telescopio per raggi cosmici Descrizione del setup Le schede di front-end Il gas Acquisizione dei dati Il trigger Analisi dei dati Tagli sulla molteplicitá Tagli sui TDC e sugli ADC Ricostruzione della traiettoria Falsi double-hit Efficienza delle STRIP Efficienza di una pad Risultati Risoluzione temporale Analisi dei dati Time-Slewing Risultati

7 INDICE 6 Altre misure sulle MRPC STRIP Misure sui vetri resistivi I vetri resistivi Misurare la resistivitá Risultati delle misure Spostamento dei vetri interni Operazioni di misura Risultati e conclusioni Conclusione 151 7

8 8 INDICE

9 Capitolo 1 ALICE a LHC Negli ultimi decenni la fisica delle alte energie ha riconosciuto una teoria delle particelle elementari e delle interazioni fondamentali, anche se ancora incompleta o non pienamente soddisfacente: il Modello Standard (MS). Lo scopo della fisica degli ioni pesanti ultra-relativistici é quello di applicare la fisica del MS a sistemi complessi di dimensione finita e in evoluzione dinamica, studiando e comprendendo come le proprietá macroscopiche della materia nucleare, che coinvolge molti gradi di libertá, emergano dalle leggi delle particelle elementari. Il caso piú affascinante di fenomeno collettivo aspettato é un eventuale transizione di fase della materia adronica che avverrebbe a determinate densitá di energia. Questo fenomeno é di estrema importanza sia per la comprensione del MS a basse energie, sia per quella dell evoluzione dell Universo fin dai suoi primi istanti. Infatti le teorie di Big-Bang affermano che l Universo si sia evoluto, da uno stato iniziale di estrema densitá di energia allo stato attuale, attraverso un rapido raffreddamento che ha portato la materia ad attraversare una serie di transizioni di fase (Figura 1.1). Inoltre l apparire di una transizione di fase, nel quadro del MS, é intrinsecamente connesso con la rottura di alcune simmetrie fondamentali e con l origine della massa dei sistemi adronici. Alcuni calcoli di QCD (Quantum Chromo Dynamics) prevedono che a una temperatura critica T c Λ QCD 200MeV, corrispondente a una densitá di energia ɛ c 1GeV/fm 3, la materia nucleare subisca questa transizione di fase passando a uno stato deconfinato di quark e gluoni, il Quark-Gluon Plasma (QGP), e che, inoltre, la simmetria chirale sia approssimativamente ristabilita e le masse dei quark si riducano alle loro masse nude. In una collisione di ioni pesanti ultra-relativistici ci si aspetta di ottenere delle densitá di energia tali da eccedere la densitá critica e quindi di poter esplorare il diagramma di fase della materia adronica per studiare la transizione di fase QCD e il QGP. 9

10 ALICE a LHC Figura 1.1: L evoluzione dell Universo. 1.1 Esperimenti a LHC Il problema centrale a cui dovranno dare risposta gli esperimenti a LHC (Large Hadron Collider), il collisionatore in costruzione presso i laboratori del CERN 1 a Ginevra, é la connessione fra la transizione di fase che coinvolge le particelle elementari, le simmetrie della natura e l origine della massa. Dai risultati di LEP (Large Electron-Positron collider) e dai calcoli teorici di QCD vi sono indicazioni che attorno alle energie del TeV possano essere trovate le risposte ai piú profondi interrogativi riguardanti la fisica delle particelle elementari e la cosmologia. LHC potrebbe scoprire una nuova fisica e dare risposte chiare alle questioni piú oscure del nostro tempo. Gli obiettivi principali del nuovo collisionatore sono essenzialmente tre: la ricerca del bosone scalare di Higgs, ritenuto responsabile nel Modello Stan- 1 European Center for Nuclear Research. 10

11 1.1 Esperimenti a LHC Figura 1.2: Ubicazione dei siti degli esperimenti a LHC dard della massa delle particelle fondamentali; la ricerca sperimentale dell esistenza del Quark-Gluon Plasma (QGP) come nuovo stato della materia; la ricerca di particelle supersimmetriche. Questi sono gli intenti programmatici di LHC assegnati ai 4 esperimenti che opereranno durante la fase di funzionamento di LHC (Figura 1.2): CMS; ATLAS; ALICE; LHC-b. I rivelatori di CMS e ATLAS sono progettati per la ricerca della (o delle) particella di Higgs risultante dalla rottura spontanea della simmetria di gauge SU(2) L SU(1) Y delle interazioni elettrodeboli, responsabile della massa dei bosoni di gauge mediatori delle interazioni elettrodeboli e della massa dei fermioni fondamentali. Inoltre si 11

12 ALICE a LHC ricercheranno anche delle particelle supersimmetriche, manifestazione della rottura della simmetria tra fermioni e bosoni (SUSY). LHC-b si concentrerá su misure di precisione con il quark pesante b (beauty) e studierá processi che violano la simmetria di CP. ALICE 2 [1][2][3] studierá il ruolo della simmetria chirale nella generazione della massa per gli adroni, investigherá gli stati di equilibrio e di non-equilibrio della materia adronica in condizioni di estrema densitá di energia con lo scopo di esplorare il diagramma di fase QCD e le proprietá dello stato di fase detto Quark-Gluon Plasma (QGP). Tutti questi esperimenti, oltre ad avere conseguenze di estrema importanza per quanto riguarda la fisica del MS, avranno un impatto su svariati campi della cosmologia e dell astrofisica: sia per quanto riguarda lo studio e la comprensione dei primi istanti di vita dell Universo sia per quanto riguarda lo studio e la comprensione di sistemi a molti corpi in cui la densitá della materia nucleare é elevata, quali le stelle a neutroni (la cui fisica dipende dalle equazioni di stato nucleari a tali estreme densitá). 1.2 La fisica di ALICE Alta densitá e alta temperatura Come giá detto lo scopo principale di ALICE é quello di studiare il QGP. É pertanto necessario raggiungere delle condizioni estreme di densitá di energia della materia adronica. LHC é progettato in modo tale da far collidere degli ioni pesanti a un energia nel centro di massa s = 5.5T ev/coppia di nucleoni in modo tale da raggiungere, in collisioni P b P b (Figura 1.3), le temperature e le densitá di energia sufficienti a produrre un nuovo stato della materia, il QGP, la cui esistenza é stata teoricamente studiata anche mediante calcoli di QCD su reticolo. Il QGP é uno stato in cui i quark non si trovano piú confinati negli adroni, ma appaiono sotto forma di un gas ideale asintoticamente libero. Non é difficile immaginare tale stato della materia se immaginiamo di comprimere la materia adronica in modo tale che la distanza media fra gli adroni sia confrontabile con la loro stessa dimensione. In questa condizione perde completamente di significato il concetto di confinamento dei quark negli adroni (in particolare nei nucleoni), la simmetria chirale viene approssimativamente ristabilita e le masse dei quark ridotte alle loro masse nude. 2 A Large Ion Collider Experiment. 12

13 1.2 La fisica di ALICE Figura 1.3: Lo scontro di due ioni di piombo che porterebbe alla formazione del QGP Simmetria chirale Ad alte temperature e per un potenziale chimico 3 trascurabile, gli aspetti qualitativi della transizione al QGP sono controllati dalla simmetria chirale della Lagrangiana di QCD [6]. L approssimato ristabilirsi della simmetria chirale dei quark é profondamente connesso con il comportamento del vuoto di QCD. In QED la creazione di una coppia di particelle cariche dal vuoto (e + e ) a una distanza r tra di loro necessita sempre di un energia positiva (E pair ) e pertanto, quando appare una coppia e + e, questa é instabile e si annichila, seguendo la relazione di incertezza, in un tempo t 1 E pair. (1.1) 3 Definito come la derivata dell energia libera rispetto al numero di particelle, tenendo costante la temperatura. 13

14 ALICE a LHC La coppia e + e é detta virtuale. In QCD il diverso comportamento dell accoppiamento α s in funzione della distanza (o dell energia), rispetto a quello dell accoppiamento α in QED, rispecchia un comportamento ben diverso del vuoto. Infatti nel vuoto di QCD le coppie cariche (di colore) ad una distanza r non hanno sempre un energia positiva, ma questa diminuisce fino ad un minimo dell energia, con energia negativa, per r 1fm, per poi aumentare a valori maggiori di r. Il vuoto di QCD é dunque riempito di coppie gg (gluone-gluone) e q q (quark-antiquark) reali, con importanti conseguenze. La Lagrangiana di QCD, che descrive le interazioni tra i quark e i gluoni, possiede delle simmetrie, simmetrie che sono esatte in due casi limite, determinati dalla massa dei quark: m q : teoria di gauge pura SU(3) senza quark dinamici, con simmetria Z 3 ; m q 0: quark dinamici con simmetria chirale. Queste simmetrie si riflettono sulla transizione di fase della materia adronica. Consideriamo il limite m q : a basse temperature, il sistema costituito da un vuoto gluonico e da una carica campione ha tempo sufficiente per risistemarsi e pertanto tale carica risulta totalmente schermata. A temperature piú elevate, al di sopra di un certo valore critico T c, non vi é tempo sufficiente affinché il vuoto permetta la risistemazione e la carica di colore risulta visibile. Ci aspettiamo una transizione tra una fase confinata ed una deconfinata, dovuta alla rottura della simmetria Z 3, che avviene, a differenza della rottura spontanea nelle teorie elettrodeboli, ad energie piú elevate. Considerando l altro limite, m q 0, vale la simmetria chirale SU(3) L SU(3) R e l elicitá dei quark diventa un buon numero quantico. Poiché l elicitá deve essere conservata, un quark-left (sinistrorso) deve accoppiarsi con un antiquark-left, ma essendo il vuoto riempito di coppie q q reali (che devono essere singoletti di colore e di spin) in opposto stato di elicitá, un quark-left campione posto nel vuoto si annichilerá con un antiquark-left liberando un quark-right (destrorso). All apparenza il quark-left si é trasformato in un quark-right nel vuoto. Quindi a basse temperature un quark non puó muoversi alla velocitá della luce, deve acquistare una massa dinamica e la simmetria chirale é rotta. Se alziamo la temperatura in modo che il minimo dell energia nella coppia sia positivo, le coppie cariche nel vuoto non sono piú reali, bensí virtuali, quindi i quark non possono cambiare la loro elicitá. La simmetria chirale é ristabilita e la massa dei quark rimane nulla. 14

15 1.2 La fisica di ALICE Diagramma di fase QCD La moderna formulazione di QCD come teoria asintoticamente libera, ha suggerito che tale comportamento sia connesso con una transizione di fase [5][7], la cui possibile esistenza é stata dimostrata, ad alte temperature, mediante calcoli con il metodo del reticolo 4. La forma generica del diagramma di fase QCD é illustrata in Figura 1.4. Una stima della temperatura di transizione per densitá barioniche nulle, puó essere ottenuta confrontando due approssimazioni: un gas adronico (HG) ideale, non interagente, costituito da pioni privi di massa; un gas ideale (QGP) di gluoni privi di massa e di quark di due sapori. Questi due diversi stati posseggono un diverso numero di gradi di libertá che compaiono nel cosiddetto fattore di degenarazione: g = n b + (1 12 ) 3 n f (1.2) dove n b e n f sono, rispettivamente, i numeri di gradi di libertá bosonici e fermionici. Consideriamo i gradi di libertá nei due diversi stati: per HG: abbiamo 3 gradi di libertá bosonici (n b = 3), i tre stati di isospin del pione. Non abbiamo nessun fermione; per QGP: abbiamo 16 gradi di libertá bosonici (8 gluoni 2 stati di spin), n b = 16, e 24 gradi di libertá fermionici (2 sapori 3; colori 2 stati di spin 2; stati di particella/antiparticella), n f = 24. Il comportamento della pressione in funzione della temperatura é differente nei due diversi stati. A basse temperature, a partire da T = 0, il gas HG possiede una maggiore pressione. Salendo con la temperatura le pressioni dei due stati dapprima si uguagliano, poi la pressione QGP diventa maggiore di quella HG, come conseguenza del maggior numero di gradi di libertá. Poiché la fase con pressione piú elevata é quella piú stabile 5, a basse temperature la materia si presenta nella fase HG, come un gas di 4 Per studiare la fisica di QCD abbiamo bisogno di un approccio matematico che sia in grado di estrarre risultati non perturbativi della teoria delle interazioni forti. La QCD su reticolo permette un primo approccio che consente di studiare gli aspetti a grande distanza, non perturbativi, di QCD. Il reticolo di spazio-tempo discretizzato introdotto da questa formulazione di QCD consente di affrontare i calcoli mediante metodi numerici. 5 Per il criterio di Gibbs. 15

16 ALICE a LHC Figura 1.4: Diagramma di fase QCD adroni non interagenti, mentre ad alte temperature regnerá la fase QGP. La temperatura di transizione tra le due fasi é calcolata in QCD con il metodo del reticolo (considerando che la transizione possa essere del primo o del secondo ordine 6 ). La temperatura critica T c varia in base al numero di sapori dei quark coinvolti e in base alle loro masse. Nel limite chirale con due sapori, la temperatura critica calcolata é T c 170MeV, e basandosi su questo valore, si puó stimare la densitá di energia critica, ɛ c ( )GeV/fm Osservare il QGP Se vogliamo studiare il QGP dobbiamo disporre di diverse sonde sperimentali. Ne sono state proposte molte, che sostanzialmente possono essere divise in due gruppi relativamente a: 6 In una transizione di primo ordine, il sistema passa da uno stato all altro bruscamente e la derivata prima del potenziale chimico é discontinua, mentre in una transizione del secondo ordine la derivata prima é continua. 16

17 1.3 Osservare il QGP Figura 1.5: Lo scontro di due ioni P b P b ad alta energia causa una grossa produzione di particelle da rivelare. canali adronici; canali elettromagnetici, a seconda dello stato finale prodotto. Le piú facili da rivelare nell esperimento sono le sonde derivanti dai canali adronici, per via della loro maggiore sezione d urto, nonostante il fatto che a causa delle interazioni con le altre particelle prodotte, tali sonde subiscano una certa evoluzione dal momento in cui vengono create a quando vengono rivelate. Infatti il QGP si adronizza in risonanze e in particelle, le quali, prima che la densitá adronica diminuisca, interagiscono fra di loro, in modo che la distribuzione finale degli impulsi delle particelle puó aver risentito di tali interazioni. Dall altro punto di vista, le sonde elettromagnetiche sono piú dirette per lo studio dello stato primordiale del QGP, in quanto le loro sezioni d urto per interazioni con la materia adronica sono trascurabili. Il fatto che la loro sezione d urto di produzione sia molto piccola rende tuttavia difficile rivelare tali sonde in mezzo al mare di particelle prodotte nelle collisioni tra ioni pesanti. 17

18 ALICE a LHC Aumento della stranezza Un osservabile tipico del QGP nei canali adronici é l aumento della produzione globale di stranezza. Questo avviene principalmente perché ci troviamo in uno stato ad alta temperatura e alta densitá di energia. Sappiamo che a basse temperature la produzione del quark strange (s) é soppressa a causa dell elevata ( 500M ev ) massa dinamica. Quando la simmetria chirale é restaurata, le masse dinamiche dei quark vanno sostituite con le masse effettive (m s 150MeV ) e si puó osservare un aumento globale della stranezza a causa della variazione del fattore di soppressione γ 7 s. Inoltre in presenza di materia adronica deconfinata ad alta densitá, i quark leggeri u e d occupano il volume centrale, e di conseguenza la loro produzione é soppressa dal principio di esclusione di Pauli. Alle energie del SPS 8 si registra un aumento della produzione di stranezza di un fattore Poiché tale aumento é maggiore per particelle con un numero di quark s maggiore di uno, come nel caso del mesone φ e dei barioni Ξ e Ω, ci aspettiamo che se questi vengono prodotti dalla ricombinazione dei quark nel QGP, la loro produzione aumenti ulteriormente. Durante la collisione di ioni pesanti, inoltre, il gas di adroni prodotti ha tempo sufficiente per interagire. Le collisioni inelastiche π 0 + p K + + Λ π 0 + Λ K + + Ξ π + + Ξ K + + Ω portano a un ulteriore aumento della stranezza. L osservazione dell aumento di un ordine di grandezza della produzione di barioni multi-strange é dunque una prova significativa della creazione del QGP. 7 Il fattore di soppressione, rispetto alla produzione di quark up (u) e down (d), é approssimativamente dato da γ s 1 exp ů 2 exp h (M 2 s +T 2 ) 1/2 T (M 2 q +T 2 ) 1/2 T i ÿ (1.3) dove T é la temperatura, M s e M q sono, rispettivamente, le masse dinamiche del quark strange e del quark (up o down) piú leggero. 8 Super Proto-Sincrotrone, acceleratore del CERN. Al SPS si realizzano collisioni di ioni di Piombo su bersaglio fisso con un energia nel centro di massa per coppia di nucleoni di 17.8GeV 18

19 1.3 Osservare il QGP Soppressione degli stati cc legati Quando due ioni pesanti interagiscono in una collisione di altissima energia, i quark charm possono essere prodotti nelle collisioni hard (ad alti impulsi trasferiti) dei partoni, che costituiscono i nucleoni. Questi quark charm sono prodotti fintantoché la temperatura é sufficiente a superare la soglia di produzione della coppia c c. Nel QGP, una coppia c c prodotta dalla collisione di partoni, puó dare origine a uno stato legato c c solo se la dimensione di questo stato é inferiore al raggio di schermatura 9. Quindi se il mezzo ha una densitá sufficientemente elevata, prima che i quark c e c formino delle risonanze, fra di loro si creano ulteriori coppie di quark e quindi i quark c (e c) possono frammentarsi in stati con charm manifesto (stati open charm). Aumentando la temperatura della materia deconfinata aumenta la densitá delle cariche di colore e cominciano a sparire gli stati con le dimensioni maggiori. Quando si raggiungono le condizioni di densitá e temperatura per avere un QGP si dovrebbe registrare una leggera soppressione degli stati J/ψ fino ad arrivare alla completa scomparsa per temperature e densitá maggiori. D altra parte quando la J/ψ interagisce con pioni e nucleoni vi é una grande probabilitá che scompaia. Vi é anche una maggiore probabilitá che la J/ψ venga assorbita poiché prima di formare il mesone la coppia c c puó trovarsi in uno stato di ottetto di colore, e a causa della sua maggiore carica, tale stato ha una sezione d urto maggiore. Quindi un indizio della formazione del QGP é dato dall osservazione di una soppressione anomala degli stati J/ψ in collisioni di ioni pesanti Canali elettromagnetici Per quanto riguarda la produzione di fotoni termici nel QGP, esistono diverse predizioni, nonostante questo segnale sia molto poco intenso rispetto al fondo atteso. Lo spettro dei fotoni diretti, prodotti in prossimitá della temperatura critica T c dall interazione gq γq, é simile sia nella forma sia nell intensitá allo spettro dei fotoni prodotti in un gas adronico dalla reazione πρ γρ. Osservare tale segnale é molto complesso non solo per il grande fondo di particelle che si ha come prodotto della collisione, ma anche perché ci si aspetta che un chiaro 9 Il potenziale fra due cariche distanti r, in un mezzo denso, a causa dell effetto di schermatura é dato da E pot (r) = σr 1 exp( r/rs) r/r s (1.4) dove r s é il raggio di schermatura, calcolato con il modello del reticolo, pari a circa fm, e σ é una costante di proporzionalitá. 19

20 ALICE a LHC segnale dei fotoni diretti, provenienti dal QGP, possa essere ottenuto soltanto a temperature piú elevate di T c e a impulsi trasversi relativamente alti (p t > 2GeV/c). 1.4 Il rivelatore di ALICE L esperimento ALICE [1][2][3] mira dunque ad esplorare il QGP, nuovo stato della materia, prodotto nelle collisioni nucleari a LHC, ricercando variazioni qualitative e quantitative negli stati finali. Per fare ció é necessario studiare una serie di segnali specifici assieme alle informazioni globali degli eventi P b P b. In relazione a quanto brevemente introdotto nel paragrafo 1.3, il rivelatore di ALICE permetterá di accedere, in particolare, ai seguenti segnali per osservare un eventuale produzione del QGP: rapporti di produzione delle particelle adroniche; spettri dell impulso trasverso delle particelle (temperatura e fluttuazioni dinamiche, flusso collettivo); interferometria delle particelle (dinamica dell espansione); fluttuazioni della molteplicitá delle particelle; struttura degli eventi; fotoni diretti (radiazione termica); decadimento dei bosoni vettori (ρ, ω, φ, J/ψ, Υ) in coppie di leptoni; produzione di stati con sapore pesante (charm o beauty) manifesto; decadimento della φ K + K (variazione dei parametri a causa della simmetria chirale) I componenti del rivelatore In Figura 1.6 possiamo osservare una rappresentazione generale del rivelatore di ALICE. La parte centrale é racchiusa in un magnete a campo solenoidale debole e ricopre la regione di angolo polare θ π < 45 ( η < 0.9) 10. Questa é costituita dai seguenti sistemi di rivelazione, a partire dal punto di interazione: 10 η = ln ą tan θ 2 ć é la pseudorapiditá, dove θ é l angolo polare rispetto alla direzione dei fasci. 20

21 1.4 Il rivelatore di ALICE Figura 1.6: Il rivelatore ALICE. 21

22 ALICE a LHC ITS: un sistema di tracciamento interno, costituito da sei piani di rivelatori al silicio ad alta risoluzione [8]; TPC: una Time Projection Chamber cilindrica [9]; TRD: un rivelatore a radiazione di transizione; PID: una vasta serie di Particle Identification Detector, ossia di rivelatori per l identificazione delle particelle: TOF: Time-Of-Flight system (sistema di tempo di volo), per particelle a impulso basso/intermedio ; HMPID: contatori ottimizzati per l identificazione di particelle ad alto impulso [11]; PHOS: calorimetro elettromagnetico [10]. All esterno del magnete di ALICE rimangono: uno spettrometro per muoni, con accettanza di 2 10 in θ (η = 2.5 4), formato da una serie di assorbitori, un grande magnete a campo dipolare e dieci stazioni di tracciamento e di trigger 11 [12]; una serie di calorimetri a zero gradi (ZDCs), a grande distanza dalla struttura principale [14]; un rivelatore di molteplicitá in avanti (FMD) [13]. Vediamo ora i componenti del rivelatore singolarmente Il magnete Per l esperimento ALICE si é scelto di usare un campo magnetico solenoidale debole e uniforme. L intensitá del campo magnetico, come compromesso tra la risoluzione in impulso e l efficienza nella ricostruzione della traccia, é di T, il che permette la ricostruzione della traccia di una particella con un impulso trasverso p t 120MeV/c. Per le particelle con impulsi inferiori si fa affidamento all ITS, il sistema interno di tracciamento. Il magnete deve essere, inoltre, sufficientemente grande da contenere un calorimetro elettromagnetico posto a distanza di 4.6m dal vertice d interazione degli ioni. Il magnete scelto per ALICE é lo stesso utilizzato per il precedente esperimento L3 a LEP. 11 Selezione veloce. 22

23 1.4 Il rivelatore di ALICE ITS Il sistema interno di tracciamento é utilizzato per svolgere i seguenti compiti: ricostruire il vertice primario e i vertici secondari dei decadimenti di K 0 s, degli iperoni e delle particelle con charm; ricostruire le traiettorie di particelle a basso impulso; (perdita di energia per ioniz- identificare le particelle tramite misure di de dx zazione) nei piani di silicio; migliorare la risoluzione in impulso e in angolo, che vengono misurati dalla TPC TPC Questo rivelatore é incaricato della ricostruzione delle tracce delle particelle che, in collisioni di ioni pesanti, si presentano in densitá estremamente elevate. Solo un dispositivo di questo tipo puó garantire prestazioni affidabili nonostante l alto tasso di produzione degli eventi. La geometria della camera é la seguente: il raggio interno é r min = 85cm, come suggerito dalla massima densitá di punti di impatto per particelle prodotte al punto d interazione; il raggio esterno, r max = 250cm, é tale da permettere una sufficiente lunghezza della traccia per ottenere una risoluzione migliore del 10% nella misura di de/dx ai fini dell identificazione delle particelle a basso impulso. La ricostruzione delle tracce comincia dai piani piú esterni, meno influenzati dalla limitata risoluzione spaziale se due tracce sono vicine. Le tracce della TPC sono poi accoppiate all ITS PID Per l identificazione degli adroni carichi, ALICE ha inoltre due rivelatori che sono esclusivamente dedicati a questo scopo, su larga parte dello spazio delle fasi: il TOF, un sistema di misura dei tempi di volo delle particelle, dotato di grande accettanza e ottimizzato per impulsi fino a qualche GeV/c; l HMPID, un sistema molto piú piccolo e per impulsi piú elevati, basato sulla rivelazione della radiazione Cherenkov delle particelle. 23

24 ALICE a LHC L identificazione delle particelle prodotte in un evento é di fondamentale importanza perché permette di misurare per un singolo evento la distribuzione degli impulsi trasversi di π, K, p; il loro impulso trasverso medio (e quindi la loro temperatura); i rapporti di produzione K/π/p PHOS La misura dei fotoni diretti (con p t > 2GeV/c) é molto importante poiché, come giá detto, nel QGP la loro produzione dovrebbe risultare maggiore. La produzione di un fotone dall interazione gluone-quark assomiglia alla diffusione Compton, il tasso di produzione e la distribuzione degli impulsi dei fotoni dipendono dalla distribuzione dei gluoni e dei quark. Quindi lo spettro dei fotoni diretti ci é utile perché: fornisce informazioni sullo stato termodinamico del sistema; fornisce informazioni dirette sui partoni nelle fasi iniziali dell interazione (radiazione termica del QGP). Lo spettrometro per fotoni PHOS é un calorimetro elettromagnetico con elevato potere di separazione elettrone/fotone, in grado di rivelare fotoni diretti dal fondo dei fotoni dovuti al decadimento degli adroni. La sensibilitá attesa é di 5% Spettrometro per muoni Per studiare la soppressione nella produzione di risonanze con quark pesanti, quali J/ψ, ψ, Υ, Υ, Υ, dobbiamo rivelarle, e lo si fa sfruttando il loro decadimento in µ + µ. Lo spettrometro per muoni é diviso in una parte interna ed una esterna, e copre un intervallo di η = (2 θ 9 ). La prima parte é costituita da un assorbitore conico di carbonio ricoperto di tungsteno, lungo 3.5m, ad una distanza di 900mm dal punto di collisione e ricopre l intera accettanza angolare del rivelatore. La seconda parte é costituita ancora da un assorbitore conico, lungo 18.1m, di materiale ad alto Z per schermare il resto del rilevatore dalle particelle prodotte a bassissimi angoli. Inoltre cosituiscono lo spettrometro per muoni: un dipolo magnetico con un campo magnetico di 3T m; 24

25 1.4 Il rivelatore di ALICE un assorbitore finale di ferro di 2m di spessore. Per il tracciamento dei muoni il dispositivo comprende dieci camere a fili cosí disposte: 4 tra il primo assorbitore e il magnete; 2 dentro al magnete; 4 tra il magnete e l assorbitore finale. 25

26 26 ALICE a LHC

27 Capitolo 2 Il sistema TOF Le collisioni degli ioni pesanti a LHC portano alla produzione, come prodotti finali, di un gran numero di particelle (tale numero aumenta via via che le collisioni diventano piú centrali, ossia meno periferiche). Quindi, per poter studiare eventuali effetti legati alla formazione del QGP e alla evoluzione dinamica del sistema, é necessario che l intero apparato di rivelazione di ALICE permetta l identificazione del maggior numero possibile di particelle. Una particella puó essere identificata una volta che se ne conosce la carica e la massa. Per misurare la massa di una particella stabile bisogna dedurla dalle misure indipendenti di due diverse variabili cinematiche, tra le quali almeno una dipendente dalla massa. Per esempio, é possibile misurare la velocitá di una particella (e quindi il suo fattore di Lorentz), come fanno i rivelatori RICH (Ring Imaging Cherenkov Counter), misurando l angolo di emissione della radiazione Cherenkov. Tale angolo (θ) é legato alla velocitá della particella dalla relazione: cos θ = 1 nβ (2.1) dove n é l indice di rifrazione del mezzo attraversato dalla particella. Con i rivelatori RICH, variando l indice di rifrazione, é possibile identificare particelle nell intervallo di impulsi che va da 1GeV/c a 30 40GeV/c, ma per quanto riguarda le particelle a basso impulso il funzionamento dei RICH é limitato dal fatto che la radiazione viene emessa soltanto se β > 1 n. Nelle collisioni P b P b di LHC il 99% delle particelle prodotte hanno basso impulso, inferiore a 1 1.5GeV/c, e sono difficilmente rivelabili tramite la loro radiazione Cherenkov. Il metodo del Time-Of-Flight (TOF) si presta invece molto bene allo scopo, in quan- 27

28 Il sistema TOF to, con rivelatori dotati di ottime risoluzioni temporali (come le MRPC 1 ), permette un accurata misura dei tempi di volo delle particelle, e quindi consente una piú precisa conoscenza delle loro velocitá. Nell apparato ALICE la velocitá di una particella misurata con il rivelatore TOF, accoppiata alla determinazione del suo impulso fatta dalla TPC e dall ITS in presenza di campo magnetico, assicurano una precisa identificazione della particella stessa. 2.1 Identificare le particelle Nel paragrafo abbiamo detto che per ALICE é un importante sfida quella di identificare le particelle, prodotte dalle collisioni di LHC, su larga scala nello spazio delle fasi. L identificazione di π, K e p, la misura della loro temperatura, dei loro rapporti di produzione, nonché delle eventuali fluttuazioni evento per evento di tali grandezze consentirá di ricavare informazioni sulla transizione di fase al QGP e sulla dinamica dell espansione. Identificare i kaoni é inoltre fondamentale per misurare la densitá di quark strange, che dovrebbe essere alta dopo la restaurazione della simmetria chirale. I K servono inoltre per identificare i decadimenti open-charm (per esempio: D 0 K π +, D + K π + π + ). Poiché il quark charm puó essere prodotto solo negli istanti iniziali della collisione, vista l elevata massa, e poiché ha una bassa probabilitá di annichilazione, questo si presenta negli stati finali nella configurazione di adroni open-charm. Quindi la rivelazione degli open-charm permette una visione sui primi istanti della collisione dei partoni. 2.2 La tecnica del tempo di volo Misurando il tempo di volo (t) di una particella, il rivelatore TOF determina la velocitá della particella che lo attraversa, conoscendo la distanza percorsa (L). Se é noto anche l impulso della particella (p), é possibile misurare la massa (m) e quindi identificare la particella per mezzo della relazione c m = p 2 t 2 L 2 1 (2.2) con una risoluzione dm m = dp p + γ2 ( dt t + dl ). (2.3) L 1 Multigap Resistive Plate Chambers, camere a molti strati con piani paralleli resistivi. 28

29 2.3 Il TOF di ALICE Se conosciamo con precisione l impulso della particella e la lunghezza su cui misuriamo il tempo di volo, la risoluzione con cui identifichiamo la particella é determinata principalmente dalla risoluzione temporale del rivelatore, che é moltiplicata per il fattore gamma al quadrato. La differenza dei tempi di volo tra due particelle con lo stesso impulso (per p m) é c t = L(m2 1 m2 2 ) 2p 2, (2.4) dove c é la velocitá della luce nel vuoto. Quando gli impulsi aumentano la differenza tra i due tempi diventa confrontabile con la risoluzione del rivelatore. Quindi possiamo definire l abilitá di un sistema TOF di distinguere due particelle come n dt = L(m2 1 m2 2 ) 2p 2 dt (2.5) espressa in numero deviazioni standard (σ t = dt). 2.3 Il TOF di ALICE R&D 2 In questi ultimi anni il programma di ricerca e sviluppo per il sistema TOF di ALICE ha spinto gli studi per ottenere una configurazione ottimale del rivelatore, che rispondesse alle richieste di mantenere relativamente bassi i costi; progettare una camera di semplice costruzione; ottenere ottime prestazioni. I sistemi utilizzati in passato per ottenere buone prestazioni, quali scintillatori dotati di fototubi, hanno dei costi elevatissimi se utilizzati per costruire un sistema delle dimensioni del TOF. I migliori candidati per ricoprire un area di 176m 2, come richiesto per l esperimento ALICE (si veda il paragrafo 2.3.2), sono risultati i rivelatori a gas, di cui ne sono stati proposti tre tipi diversi: la camera di Pestov [15][16], la camera a piani paralleli (PPC) [17][18][19][20] e la camera a piani paralleli resistivi [21] 2 Research & Development, ossia ricerca e sviluppo. 29

30 Il sistema TOF multigap (MRPC) [22]. Tutti e tre possiedono una geometria a piani paralleli e in ognuno é presente un forte campo elettrico che spinge sugli elettrodi di raccolta gli elettroni prodotti dal processo di ionizzazione e di moltiplicazione a valanga quando una particella attraversa il rivelatore. Dalle analisi sperimentali condotte in passato, la MRPC é risultata la piú adeguata allo scopo, vista la sua semplicitá di costruzione e le sue ottime prestazioni che soddisfano pienamente le esigenze necessarie al sistema TOF Descrizione generale Il rivelatore TOF di ALICE circonda la regione centrale di interazione, coprendo una superficie cilindrica, con un accettanza polare θ 90 < 45 e una completa copertura sull angolo azimutale. Il raggio interno del cilindro é di 3.70m. Il sistema é costituito da 90 moduli (contenenti i rivelatori MRPC) che sono attaccati allo space-frame (scheletro metallico) di ALICE. L intero sistema é suddiviso in 18 settori azimutali di cui ognuno é composto di 5 moduli disposti parallelamente alla direzione dei fasci (Figura 2.2). Le dimensioni del rivelatore completo e dei vari moduli sono definite in modo tale che le aree di giunzione dei moduli siano allineate con le aree morte dello space-frame e in modo da disturbare al minimo gli altri rivelatori. In fondo ad ogni modulo sono poste le componenti dell elettronica detta di front-end, per il read-out (lettura e acquisizione) dei segnali. Quindi ogni modulo é costituito da due parti: una piú interna contenente del gas e le MRPC, cuore del sistema TOF, ed una piú esterna contenente le schede dell elettronica di front-end (FEA Front-End Analogue cards) per il read-out. Le MRPC nei moduli sono disposte trasversalmente rispetto alla direzione dei fasci e orientate in modo appropriato affinché risultino normali alle traiettorie delle particelle proiettate in un piano longitudinale contenente l asse dei fasci (Figura 2.3). Questo per minimizzare gli angoli di attraversamento e quindi ridurre il numero delle traiettorie molto oblique attraverso le MRPC. In tal modo si minimizza la possibilitá di condivisione del segnale tra pad 3 adiacenti che aumenta l occupancy del rivelatore (il numero dei pad che danno segnale) e il time-jitter (fluttuazione temporale) dei segnali rivelati. Per fare ció le MRPC STRIP 4 sono montate nei moduli con differenti angolazioni, che aumentano da 0 nella parte centrale del rivelatore, fino a 45 nelle estremitá dei moduli esterni. Per ridurre al minimo le aree morte del rivelatore, all interno dei moduli, le STRIP 3 Gli elettrodi di read-out dei segnali, ossia di raccolta degli elettroni della valanga prodotta dalla ionizzazione della particella che ha attraversato il rivelatore. 4 Le chiameremo anche STRIP data la forma a striscia (strip) di ogni rivelatore MRPC. 30

31 2.3 Il TOF di ALICE sono leggermente sovrapposte, in modo che il bordo dell area attiva di una coincida con il bordo dell area attiva dell altra (Figura 2.1). I moduli che compongono un settore del TOF sono di 3 tipi diversi, hanno dimensioni diverse e contengono un numero di MRPC STRIP diverso I moduli Poiché ogni modulo del TOF é separato in due regioni, una contenente il gas e le STRIP, e una, separata dal gas, contenente le schede di elettronica, la parte che ospita le STRIP deve essere a prova di gas. Tale parte é dunque separata dall elettronica da una superficie di alluminio/honeycomb 5 su cui sono posti i Printed Circuit Board (PCB) a cui ogni STRIP é connessa internamente per portare i segnali alle schede di elettronica di front-end, poste alle estremitá del rivelatore stesso. I 3 diversi tipi di moduli del TOF, a seconda della posizione nello space-frame, sono: centrale, lungo 1.14m, con 15 STRIP; intermedio, lungo 1.47m, con 19 STRIP; esterno, lungo 1.782m, con 20 STRIP. Come giá menzionato, la disposizione delle STRIP all interno dei moduli é tale da minimizzare l area morta e tale da mantenere quanto piú possibile il piano delle STRIP normale al raggio interno del rivelatore (nelle due viste, trasversale e longitudinale), in modo da minimizzare le traiettorie oblique nel rivelatore. Inoltre speciali accorgimenti sono stati presi per minimizzare l area morta nelle regioni di sovrapposizione di due moduli. Ogni modulo contiene: le MRPC STRIP; le schede di elettronica; i cavi di I/O (input/output) dei segnali; un sistema di raffreddamento, é chiuso da un coperchio e posto nello space-frame di ALICE (Figure 2.2 e 2.4). 5 Materiale composito con struttura a nido d ape. 31

32 Il sistema TOF Figura 2.1: Uno spaccato del modulo centrale in cui si puó notare il posizionamento delle STRIP. Vediamo anche come si sovrappongono due moduli. 32

33 2.3 Il TOF di ALICE Figura 2.2: Una visione dei moduli del TOF Il gas nel TOF I 90 moduli del sistema TOF contengono un volume di gas complessivo di 16m 3. Risultati sperimentali indicano che il rivelatore puó operare con una mistura di gas non infiammabile composta al 90% di freon (C 2 H 2 F 4 ), al 5% di isobutano (C 4 H 10 ) e al 5% di esafluoruro di zolfo (SF 6 ). Nonostante il volume totale del gas necessario non sia elevato, gli alti costi della mistura di gas obbligano a scegliere un sistema di gas a circolazione chiusa. Il flusso dei vari componenti gassosi é controllato da dei flussimetri di massa, a loro volta continuamente controllati tramite un calcolatore che eventualmente aggiusta la percentuale della mistura. Il flusso dell isobutano, in particolare, é accuratamente controllato in modo da mantenere la mistura non infiammabile per motivi di sicurezza. Il flusso di circolazione nel TOF é previsto essere pari a 2, 7m 3 /h, con l introduzione del 5% di gas nuovo, che ricambia l intero volume del gas, ogni 4-5 giorni. 33

34 Il sistema TOF ALIC TOF Detector (Strips) 5/ 3/ 3 Figura 2.3: Una visione delle MRPC STRIP nel TOF. 34

35 2.3 Il TOF di ALICE Figura 2.4: I moduli del TOF montati nello space-frame di ALICE. 35

36 36 Il sistema TOF

37 Capitolo 3 Camere a piani paralleli resisitivi Alla base di tutti i sistemi di rivelazione a gas vi é il processo fisico per il quale il gas viene ionizzato dalla particella che si vuole rivelare. Il passaggio di una particella carica attraverso il gas produce delle coppie primarie ione-elettrone le quali, accelerate dal campo elettrico in cui é posto il gas, urtano altri atomi del gas ed innescano nuovamente il processo di ionizzazione, se l energia acquistata é sufficiente. Con una continua ionizzazione vi é una moltiplicazione del numero di elettroni liberi e la distribuzione delle cariche prodotte assume la tipica forma a valanga. Possono essere prodotte anche delle valanghe secondarie, dovute ai fotoni che vengono emessi nei processi di ricombinazione. Se il campo elettrico é sufficientemente intenso, le valanghe possono continuare a originare valanghe fino alla formazione dello streamer e infine fino allo sviluppo della scintilla quando gli elettroni connettono i due elettrodi. Il comportamento di un rivelatore a gas é caratterizzato dalla quantitá di carica prodotta al suo interno, e quindi dalla tensione applicata. Sono stati progettati e utilizzati rivelatori di varie geometrie e vari modelli, e in maniera particolare sono state sviluppate camere a piani paralleli, come anticipato nel capitolo 2, rivelatori a gas con geometria piana ed elettrodi piani e paralleli, in cui il campo elettrico é uniforme. Visti i vantaggi e i successi sperimentali, ma non solo, considerando che le MRPC utilizzate per il TOF di ALICE sono rivelatori dotati di questa geometria e funzionano in base agli stessi principi fisici, ripercorriamo brevemente lo sviluppo di tale tipo di camere per arrivare a descrivere il funzionamento delle MRPC. 37

38 Camere a piani paralleli resisitivi 3.1 Camere a elettrodi conduttivi Una delle prime camere a elettrodi paralleli costruite sono le Parallel Plate Chamber (PPC), realizzate intorno agli anni 50. Le PPC hanno gli elettrodi paralleli e costituiti di materiale conduttivo, essenzialmente due dischi di rame di 25cm 2 distanti 2.5mm ai quali viene applicata una differenza di potenziale di 1 3KV. Il gas utilizzato per la ionizzazione é una miscela di Argon e Xilene mantenuta alla pressione di 500mbar. Poiché la scintilla, prodotta dal processo di moltiplicazione a valanga tra due elettrodi non si spegne da sola, essendo gli elettrodi conduttivi, l apparato deve possedere un circuito esterno di spegnimento con il compito di bloccare la tensione applicata per un certo intervallo di tempo. É chiaro che un dispositivo del genere ha un limite operativo in quanto durante il tempo morto in cui viene rimossa la tensione, la camera non é piú attiva. Uno dei limiti é quindi la possibilitá di rivelare un flusso di particelle elevato. Inoltre risultano molto delicate e con una breve durata di vita poiché é possibile che la scintilla si formi sempre sullo stesso punto degli elettrodi. 3.2 Camere a elettrodi resistivi Verso la fine degli anni 70 vennero sostituiti i piani paralleli conduttivi delle PPC con degli elettrodi resistivi. In questo modo il tempo di ricarica degli elettrodi ( 1ms), legato alla loro resistivitá, é maggiore della durata tipica della scarica ( 1ns). La moltiplicazione dei portatori di carica viene interrotta quando la tensione raggiunge un valore minimo e viene cosí eliminata la necessitá di ricorrere a un circuito esterno di spegnimento. I primi rivelatori progettati che sfruttavano la geometria planare e gli elettrodi resistivi sono stati: la Planar Spark Chamber (PSC); la Resistive Plate Chamber (RPC) Planar Spark Chamber (PSC) La Planar Spark Chamber fu progettata e realizzata da Pestov ed ha le seguenti caratteristiche: due elettrodi piani e paralleli a una distanza compresa tra i 100µm e 1mm, ai quali é applicata una tensione di 20000V ; 38

39 3.3 La fisica delle RPC materiali diversi per i due elettrodi: il catodo é di vetro comune ricoperto da uno strato di rame (3µm), mentre l anodo é costituito da vetro semiconduttore (ρ Ω/cm); una serie di elettrodi di lettura del segnale; una miscela di gas contenente Argon, Neon e gas organici, che assicura un alto coefficiente di assorbimento dei fotoni Resistive Plate Chamber (RPC) Furono inventate da Santonico e sono costituite da: due elettrodi piani e paralleli di Bachelite, con una resistivitá ρ = Ω/cm. Agli elettrodi é applicata una differenza di potenziale tale da creare un campo elettrico uniforme, tipicamente di 4KeV/mm, nella zona attiva; distanziatori cilindrici (2mm di spessore) che assicurano uniformitá nella separazione tra gli elettrodi; uno strato di grafite sulla superficie esterna degli elettrodi (ρ KΩ/ ); una serie di strisce metalliche equidistanti per la lettura del segnale. Negli ultimi anni sono stati fatti numerosi studi sulle prestazioni delle RPC, variando alcuni dei parametri, come la resistivitá degli elettrodi, lo spessore della zona attiva, la composizione del gas e il numero delle intercapedini (gap) contenenti il gas. Dal punto di vista teorico non vi é una spiegazione esaustiva dell influenza dei vari parametri sulle prestazioni del rivelatore, ma dal punto di vista sperimentale si possono ottimizzare i parametri in funzione delle prestazioni richieste. 3.3 La fisica delle RPC Il funzionamento di una RPC si basa sullo stesso processo fisico su cui si basano i rivelatori a gas a piani paralleli. Il processo principe attraverso cui opera il rivelatore é quello della ionizzazione prodotta da una particella carica che lo attraversa, e il suo comportamento si basa sulla deriva degli elettroni e degli ioni positivi verso gli elettrodi di raccolta. 39

40 Camere a piani paralleli resisitivi Energia persa da una particella carica Il calcolo quanto-meccanico corretto dell energia ceduta da una particella carica fu effettuato da Bethe e Block, e altri. Nel calcolo l energia persa é parametrizzata in termini dell impulso trasferito, che é un parametro misurabile. La perdita di energia da parte di una particella carica quando attraversa un mezzo gassoso, dovuta alle interazioni con le molecole, per unitá di lunghezza é espressa dalla formula originale di Bethe-Block alla quale vengono aggiunte due correzioni: dove: de dx = 2πN arem 2 e c 2 ρ Z A z 2 β 2 [ ln N a : é il numero di Avogadro; r e : é il raggio classico dell elettrone; m e : é la massa a riposo dell elettrone; c: é la velocitá della luce nel vuoto; ρ: é la densitá del mezzo assorbente; ( 2me γ 2 v 2 W max Z: é il numero atomico del mezzo assorbente; A: é il peso atomico del mezzo assorbente; z: é il numero atomico della particella ionizzante; I 2 ) 2β 2 δ 2 C Z W max : é l energia cinetica trasferita in una singola collisione; I: é il potenziale medio di eccitazione del mezzo assorbente; ] (3.1) δ: é una density correction, termine di correzione che tiene conto degli effetti di polarizzazione del mezzo; C: é una shell correction, termine di correzione che tiene conto degli effetti di schermatura dovuti aegli elettroni interni degli atomi del mezzo; v (β, γ): é la velocitá della particella. A energie non relativistiche la perdita di energia é dominata dal fattore 1/β 2 e diminuisce man mano che aumenta la velocitá, fino a raggiungere un minimo per β Le particelle in questo punto producono la minima ionizzazione e sono dette Minimum Ionizing Particle. 40