Calibrazione dei cristalli del prototipo del calorimetro di...
Transcript of Calibrazione dei cristalli del prototipo del calorimetro di...
-
Calibrazione dei cristalli del prototipo del calorimetro di Gamma400
con fasci di ioni
Miriam Olmi
30 Aprile 2013
-
Raggi cosmici
● Il flusso si attenua di oltre 30 ordini di grandezza al variare dell'energia su 14 ordini di grandezza
● Le energie dei raggi cosmici più energetici raggiungono valori circa 40 milioni di volte superiori rispetto alle energie raggiunte con l'acceleratore LHC
-
Rivelazione di raggi cosmici
Misure dirette: Palloni nella stratosfera
Satelliti
Misure indirette: Telescopi Cherenkov
Rivelatori di EAS (Extended Air Shower)
Rivelatori di luce di fluorescenza
-
Rivelazione di raggi cosmici
Misure dirette: Palloni nella stratosfera
Satelliti
Difficoltose per energie superiori a 10^15 eV a causa del basso flusso
Difficile risalire all'energia e alla natura della particella originaria
Misure indirette: Telescopi Cherenkov
Rivelatori di EAS (Extended Air Shower)
Rivelatori di luce di fluorescenza
-
Il progetto Gamma400Ha per obiettivi la rivelazione di:● Raggi gamma di energie
comprese tra 30MeV e qualche TeV
● Elettroni e positroni di energie fino a 10 TeV
● Protoni e nuclei di energie oltre 10^15 eV
Il miglioramento che si vuole ottenere è basato su:● Convertitore/tracciatore ad
alta risoluzione spaziale● Calorimetro molto profondo
-
Calorimetri e misura energetica
Particelle incidenti abbastanza energetiche, quando interagiscono col materiale assorbitore, generano degli
Si assorbe la particella incidente per misurarne l'energia. ● Omogenei ● Eterogenei
Il materiale assorbitore coincide con quello attivo
Vengono alternati strati di materiale attivo e passivo
sciami
-
Calorimetri e misura energeticaSciami elettromagnetici
Bremsstralhung e creazione coppie
Perdita di energia per radiazione definita da
Sciami adronici
Interazioni dovute alla forza forte
Dimensione longitudinale dello sciame determinata dalla lunghezza di interazione nucleare media−( dEdx )rad=
EX 0
X 0
RM=21MeVEc
⋅X 0 (g /cm2 )
λ I≈35 g /cm2⋅A1/3
Per il CsI: X 0=8.39 g cm−2
= lunghezza di radiazione caratteristica del materialeDistribuzione trasversale molto stretta dominata da scattering multipli e caratterizzata dal raggio di Molière:
Per la maggior parte dei materiali attivi è molto più grande della lunghezza di radiazione
λ I=171.5 g cm−2
In cui è l'energia a cui si interrompono i meccanismi di moltiplicazione dello sciame
Ec
-
Calocube
● Omogeneo● Isotropo● Finemente segmentato
nelle 3 direzioni spaziali
Obiettivi: ● Massimizzare l'accettanza per la rivelazione di protoni e nuclei di origine
cosmica rivelando particelle incidenti su tutti i lati del calorimetro● Buona risoluzione energetica per la rivelazione di elettroni e raggi
gamma● Adeguato potere di discriminazione tra particelle adroniche ed
elettromagnetiche
-
Calocube
È il raggio di Molière del CsI
Tra i vari cristalli c'è uno spessore aggiuntivo di 3 mm di materiale passivo per aumentare il fattore geomterico
Permette un ottimo contenimento di sciami elettromagnetici di energia molto elevata
Permette comunque un discreto contenimento degli sciami adronici
Risultato delle simulazioni:
La scelta del CsI rispetto al BGO è dovuta a due fattori principali:● Densità minore a parità di massa si ottiene un calorimetro più grande● maggiore è necessaria una segmentazione minoreX 0
-
Prototipo e prova su fascio
126 cubi di CsI(Tl) di 3.6 cm di lato disposti su 14 pianiUn piano con 9 cristalli disposti a formare un quadrato
Kapton per leggere i segnali
Fotodiodi usati per prelevare il segnale di ogni cristallo
-
Prototipo e prova su fascio
126 cubi di CsI(Tl) di 3.6 cm di lato disposti su 14 pianiUn piano con 9 cristalli disposti a formare un quadrato
Kapton per leggere i segnali
Fotodiodi usati per prelevare il segnale di ogni cristallo
Fasci utilizzati:● Ioni con A/Z = 2● Due rigidità differenti: 30 GV/c
e 12.8 GV/c
Per la calibrazione di tutti i cristalli è stato puntato su tutti i cristalli del primo piano
È stato puntato solo sul cristallo centrale per confrontare la risposta dei cristalli ad energie differenti
-
Risposta di un cristallo
Il range della risposta di un cristallo arriva fino a 600 ∙ 103 canali ADC!!!!
-
Risposta di un cristallo
Il range della risposta di un cristallo arriva fino a 600 ∙ 103 canali ADC!!!!
Fluttuazioni di rumore ~ 40 canali ADC
Picco dei nuclei di elio non interagenti
SN =7.5
Picco dei nuclei di deuterio non interagenti
-
Necessità dell'equalizzazione
● Le posizioni dei picchi variano da cristallo a cristalloi cristalli hanno guadagni differenti
è necessario equalizzare la risposta di tutti i cristalli
● Negli ultimi piani del calorimetro i picchi sono attenuatiin fondo al calorimetro è più probabile che siano avvenute interazioni
è necessario ripulire i dati selezionando solo particelle non interagenti
-
Selezione di eventi non interagenti
Distribuzione del numero di cristalli che evento per evento raccolgono un segnale di particella
Evento non interagente
Evento non interagente con probabili raggi delta
Evento interagente in profondità nel calorimetro
Evento interagente appena prima del calorimetro
-
Risultato della selezione
-
Stima della posizione dei picchiLa teoria suggerisce l'uso di una doppia gaussiana per eseguire il fit di questo istogramma
● Code di Landau● Spallazione dell'elio ● Code di Landau● Coda non gaussiana
-
Stima della posizione dei picchiLa teoria suggerisce l'uso di una doppia gaussiana per eseguire il fit di questo istogramma
● Code di Landau● Spallazione dell'elio ● Code di Landau● Coda non gaussiana
Non si può stimare la posizione dei picchi mediante una doppia gaussiana!
-
Stima della posizione dei picchiSoluzione: usare il modello gaussiano ristretto agli intorni dei picchi
● Intervalli asimmetrici per la stima dei singoli picchi● Eseguire il fit più volte aggiornando iterativamente i parametri
Accorgimenti:
-
Stima della posizione dei picchiSoluzione: usare il modello gaussiano ristretto agli intorni dei picchi
● Intervalli asimmetrici per la stima dei singoli picchi● Eseguire il fit più volte aggiornando iterativamente i parametri
Accorgimenti:
-
Stima della posizione dei picchiSoluzione: usare il modello gaussiano ristretto agli intorni dei picchi
● Intervalli asimmetrici per la stima dei singoli picchi● Eseguire il fit più volte aggiornando iterativamente i parametri
Accorgimenti:
Guadagni dei cristalli per il deuterio Guadagni dei cristalli per l'elio
-
Osservazioni
Distribuzione dei rapporti tra le posizioni dei picchi di elio e di deuterio:
In media il rapporto tra i picchi vale 4.5
-
Osservazioni
Distribuzione dei rapporti tra le posizioni dei picchi di elio e di deuterio:
In media il rapporto tra i picchi vale 4.5
A causa della differenza di massa tra il nucleo di deuterio e quello di elio
Variazione dell'energia depositata trascurabile
-
Osservazioni
Distribuzione dei rapporti tra le posizioni dei picchi di elio e di deuterio:
In media il rapporto tra i picchi vale 4.5
A causa della differenza di massa tra il nucleo di deuterio e quello di elio
Variazione dell'energia depositata trascurabile
A causa della ionizzazione diretta della zona di svuotamento dei fotodiodi
Comporta un aumento del segnale di ~ 40%, consistente con i dati sperimentali
-
Osservazioni
Distribuzione dei rapporti tra le posizioni dei picchi di elio e di deuterio:
In media il rapporto tra i picchi vale 4.5
A causa della differenza di massa tra il nucleo di deuterio e quello di elio
Variazione dell'energia depositata trascurabile
A causa della ionizzazione diretta della zona di svuotamento dei fotodiodi
Comporta un aumento del segnale di ~ 40%, consistente con i dati sperimentali
Ipotesi plausibile ma ancora da verificare!
-
Effetto della normalizzazioneNormalizzazione rispetto al deuterio
-
Conclusioni
● Confrontando i guadagni dei cristalli si vede che la loro dispersione in percentuale è circa del 14% con una differenza massima di guadagno che arriva a ~ 50%
Pagina 1Pagina 2Pagina 5Pagina 6Pagina 9Pagina 11Pagina 14Pagina 15Pagina 16Pagina 17Pagina 18Pagina 20Pagina 23Pagina 24Pagina 25Pagina 26Pagina 28Pagina 29Pagina 32Pagina 33Pagina 34Pagina 38Pagina 39Pagina 40Pagina 41Pagina 42Pagina 44