Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004...
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Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004
Software di analisi Software di analisi dati dello dati dello
spettrometro spettrometro magnetico di PAMELAmagnetico di PAMELA
Massimo Bongi
Esame di passaggio al terzo anno del
Dottorato in Fisica, XVIII ciclo
Sesto Fiorentino, 16/12/2004
Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004
Raggi cosmiciRaggi cosmici
• Spettro che si estende su più di 13 ordini
di grandezza
• Massimo tra 100 MeV/n and 1 GeV/n
• Sopra il massimo, legge di potenza:
E –2.7 fino al “ginocchio” (~ 1015 eV/n)
E –3.0 fino alla “caviglia” (~ 1019 eV/n)
• Composizione: 98% nuclei, 2% elettroni,
tracce di altre componenti
• Specie nucleari: 87% H, 12% He, 1% Z > 2
• Modulazione solare sotto circa 1 GeV/n
1 particella / (m2×secondo)
Ginocchio 1 particella / (m2×anno)
Palloni e satelliti
Caviglia 1 particella / (km2×anno)
Sciamiatmosferici
1 particella / (m2×secolo)
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Antimateria nei raggi cosmiciAntimateria nei raggi cosmici
Frazione di positroniFlusso di antiprotoni ANTINUCLEI
ANTIPROTONI e POSITRONI
possibile indicazione dell’esistenza di antimateria su larga scala nell’Universo(antigalassie)
origine secondaria
possibile indicazione dell’esistenza di sorgenti esotiche :
annichilazione di particelle supersimmetriche
evaporazione di buchi neri primordiali
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STUDIO DELL’ANTIMATERIA NEI RAGGI COSMICI
Misura dello spettro di protoniprotoni e antiprotoniantiprotoni
Misura dello spettro di elettronielettroni e positronipositroni
Misura dello spettro dei nuclei con Z<7nuclei con Z<7 e ricerca di antinucleiantinuclei
OBIETTIVI SECONDARI
•Studio della modulazione dei GCR nell’Eliosfera
•Studio delle Particelle Solari Energetiche (SEP)
•Studio della magnetosfera terrestre
Obiettivi dell’esperimento PAMELAObiettivi dell’esperimento PAMELA
Particella Numero in 3 anniIntervallo di energia
Protoni 3•10880 MeV – 700 GeV
Antiprotoni > 3•104 80 MeV – 190 GeV
Elettroni 6•106 50 MeV – 2 TeV
Positroni > 3•105 50 MeV – 270 GeV
Limite He/He 7•10-880 MeV/n – 30 GeV/n
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La missione spaziale PAMELALa missione spaziale PAMELA
posizione durante il lancio
e le manovre orbitali
Massa totale per l’esperimento:
440 kg
Potenza disponibile:
350 W
PAMELA verrà installato a bordo del satellite russo
ResursDK1 che sarà portato in orbita con un razzo
Soyuz lanciato dal cosmodromo di Baikonur.
posizione durante la presa
dati
Orbita ellittica (altitudine
minima 350 km, massima 600
km)
quasi polare (inclinazione
70,4°)
con periodo di circa 93 minuti.
misura della parte di bassa energia
dello spettro (taglio geomagnetico)
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CERN 2000CERN 2000
La missione spaziale PAMELALa missione spaziale PAMELA
CERN CERN 20022002ROMA ROMA 20032003
CERN 2003CERN 2003
CERN CERN 20032003
ROMA ROMA 20042004
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La struttura del rivelatoreLa struttura del rivelatore
CALORIMETRO ELETTROMAGNETICO
SPETTROMETRO MAGNETICOSISTEMA DI
ANTICOINCIDENZA
SCINTILLATORE INFERIORE
SISTEMA DI MISURA DEL
TEMPO DI VOLO
RIVELATORE DI RADIAZIONE DI TRANSIZIONE
RIVELATORE DI NEUTRONI
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AC
Neutron detectorBottomscintillator
Principio di funzionamento del Principio di funzionamento del rivelatorerivelatore
• misura del tempo di volo e
trigger
• misura di
• misura dell’impulso e
del segno della carica
• identificazione della particella e
misura dell’energia per leptoni
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Spettrometro magneticoSpettrometro magneticoSistema tracciante di rivelatori al silicio nel campo Sistema tracciante di rivelatori al silicio nel campo magnetico prodotto da un magnete permanentemagnetico prodotto da un magnete permanente
• 5 moduli magnetici di lega sinterizzata Nd-Fe-B alloggiati in una struttura di alluminio
• cavità (132 x 162 x 445) mm3
• fattore geometrico 20.5 cm2sr
• campo medio B = 0.4 T
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Spettrometro magneticoSpettrometro magnetico
• 6 piani di rivelatori al silicio di 300 m di spessore
• 6 sensori a microstrisce di silicio per ogni piano
• ogni sensore ha doppia faccia e doppia metallizzazione
• passo di lettura: 51 m sulla vista X (direzione di
curvatura) e 67 m sulla vista Y
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BB
Principio di funzionamento dello Principio di funzionamento dello spettrometrospettrometro
ee++
• impulso p = qBr (r = raggio di curvatora) nel caso di B p e B uniforme
• rigidità R = p/q = Br
• deflessione = 1/R = q/p
• ∆p/p = ∆R/R = ∆/ = R∆ (∆ = constante risoluzione spaziale)
• massima rigidità misurabile:
• il sistema magneticoil sistema magnetico– produce una regione di intenso campo magnetico in cui
le particelle cariche seguono traiettore curve
• il sistema traccianteil sistema tracciante– misura le coordinate di sei punti nella cavità magnetica,
permettendo di ricostruire la traiettoria, e da lì l’impulso e il segno della carica
1R
ΔRRMDR
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Schema dell’analisiSchema dell’analisi
calibrationdata subset:alignment
RAW DATA
LEVEL 0:RAW DATA
LEVEL 2:TRACKS
READRAW
REDUCTION
ANALYSIS
RU
NIN
FO
CALIBRATIONPARAMETERS
ALIGNMENT PARAMETERS
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
CORRECTION
HISTOGRAMS
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
LEVEL 1:CLUSTERS
calibrationdata subset: and charge
PREANALYSIS
ALIGNMENT
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READRAW: estrazione dei datiREADRAW: estrazione dei dati
• verifica della qualità della trasmissione
• estrazione del flusso dati dal protocollo di trasmissione
• conversione del flusso dati in file:
RAW DATA
YODA
READRAW• estrazione del pacchetto dati dello
spettrometro
• verifica della qualità dei dati
• interpretazione dell’header (parametri di
acquisizione, parametri di compressione,
numero dell’evento, etc...)
»se dati: immagazzinamento in Ntupla
HBOOK
»se calibrazione: immagazzinamento
valori dei piedistalli, del rumore e delle
strisce bad
PEDESTALS, SIGMAS
AND
BAD STRIPS MAPS
LEVEL 0:RAW DATA
...
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Segnale, piedistallo, rumoreSegnale, piedistallo, rumore
CN-PED-ADCS
Il valore di un canale ADC è:
il valore di base di quel canale (piedistallo, PED) che fluttua con un
rumore intrinseco , a cui si somma
una fluttuazione variabile da evento a evento ma uguale per tutti i canali di una certa sezione del rivelatore (rumore di modo comune, CN), e
l’eventuale segnale S dovuto alla ionizzazione di una particella.
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Compressione dei datiCompressione dei dati
L’algoritmo è irreversibile, ma
assicura un fattore di
compressione circa del 94%
senza perdita di risoluzione e di
efficienza.
La trasmissione dei dati da satellite impone una compressione dei dati dello spettrometro
Zero Order Predictor (ZOP):
∆ = ADC - PED - CN
• Il primo valore è sempre trasmesso; i seguenti se si discostano più di 4 volte il loro rumore dall’ultimo trasmesso.
• Insieme al valore si trasmette anche l’indirizzo di una striscia, a meno che la precedente non sia stata trasmessa.
Lo ZOP è corredato di un algoritmo cerca picchi che, nel caso un valore superi 7
, impone la trasmissione di 2 strisce prima e dopo il massimo.
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Schema dell’analisiSchema dell’analisi
calibrationdata subset:alignment
RAW DATA
LEVEL 0:RAW DATA
LEVEL 2:TRACKS
READRAW
REDUCTION
ANALYSIS
RU
NIN
FO
CALIBRATIONPARAMETERS
ALIGNMENT PARAMETERS
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
CORRECTION
HISTOGRAMS
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
LEVEL 1:CLUSTERS
calibrationdata subset: and charge
PREANALYSIS
ALIGNMENT
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• decompressione dei dati:
• calcolo del segnale di ogni striscia:
• identificazione dei cluster di particella:con Ccl=7
con Cincl=4
• calcolo del segnale totale del cluster:
REDUCTION: ricerca dei cluster REDUCTION: ricerca dei cluster
1-i 1-i i i PED-ADCPEDADC PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
LEVEL 0:RAW DATA
REDUCTION
LEVEL 1:CLUSTERS
CN-PED-ADCS
128
128PED-ADC
CN
evN
evNCN-ADC
PED
evN
σ 2
ev
CN)-PED-(ADC1-N
1
2zdxdE
σ inclCS
σ clCS
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Schema dell’analisiSchema dell’analisi
calibrationdata subset:alignment
RAW DATA
LEVEL 0:RAW DATA
LEVEL 2:TRACKS
READRAW
REDUCTION
ANALYSIS
RU
NIN
FO
CALIBRATIONPARAMETERS
ALIGNMENT PARAMETERS
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
CORRECTION
HISTOGRAMS
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
LEVEL 1:CLUSTERS
calibrationdata subset: and charge
PREANALYSIS
ALIGNMENT
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PREANALYSIS: calibrazione PREANALYSIS: calibrazione
A ogni cluster di carica deve essere associato un
punto di impatto della particella. Il metodo scelto
è l’algoritmo .
Selezione di un sottoinsieme di dati per la calibrazione:
• un solo cluster per vista
• striscia del massimo del cluster e prime vicine
non bad
• molteplicità minore di 5
Calcolo della distribuzione della variabile ai diversi
angoli:
CORRECTION
HISTOGRAMS
LEVEL 1:CLUSTERS
calibrationdata subset: and charge
PREANALYSIS
LR
RLlin SS
Sη con , ηPxx
1
0
η
0
Lη
ηdηd
dN
ηdηd
dN
Pxx
210
213 SSS
S2Sη
3210
3214 SSSS
S3S2Sη
10
1
SSS
η
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PREANALYSIS: calibrazione correlazione di PREANALYSIS: calibrazione correlazione di caricacarica
LEVEL 1:CLUSTERS
calibrationdata subset: and charge
PREANALYSISCHARGE
CORRELATION
HISTOGRAMS
Se per un certo evento su un piano sono presenti più clusters, l’associazione x-y
non è univoca.
Analizzando la correlazione fra la carica totale dei cluster sulle viste x e y di uno
stesso sensore si ricava un criterio che aiuta ad associare i cluster a formare una
coppia di coordinate.
Due cluster proveninenti dalla stessa particella avranno carica simile
(lacune+elettroni):
• selezione di un campione di tracce “pulite”
• calcolo della distribuzione delle distanze dalla retta Sy = k Sx
• scelta del taglio: 4
X
y
clM
1iicl SS
• un solo cluster per vista
• striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad
• molteplicità minore di 5
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Schema dell’analisiSchema dell’analisi
calibrationdata subset:alignment
RAW DATA
LEVEL 0:RAW DATA
LEVEL 2:TRACKS
READRAW
REDUCTION
ANALYSIS
RU
NIN
FO
CALIBRATIONPARAMETERS
ALIGNMENT PARAMETERS
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
CORRECTION
HISTOGRAMS
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
LEVEL 1:CLUSTERS
calibrationdata subset: and charge
PREANALYSIS
ALIGNMENT
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L’analisi svolta fino a questo momento riguarda un singolo sensore:
carica rilasciata → cluster → coordinate del punto di impatto sul sensore
Per mettere in relazione le coordinate sui diversi sensori è necessario conoscere le loro posizioni reciproche.
La posizioni dei sensori sono note dal progetto meccanico, ma...
precisioni meccaniche tolleranze nell’assemblaggio spostamenti durante la fase di lancio del satellite spostamenti durante le manovre orbitali
procedura per correggere il procedura per correggere il
disallineamento in volodisallineamento in volo
La presenza del magnete permanente implica che l’algoritmo di allineamento faccia uso di tracce curve.
Allineamento del sistema traccianteAllineamento del sistema tracciante
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Principio alla base della procedura di Principio alla base della procedura di allineamentoallineamento
nel caso di tracce drittenel caso di tracce dritte
Un fit rettilineo permette di ricavare le correzioni alle posizioni dei piani.
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Principio alla base della procedura di Principio alla base della procedura di allineamentoallineamento
nel caso di tracce curvenel caso di tracce curve
Gli scostamenti dei sensori rispetto alle posizioni previste vengono determinati confrontando le coordinate misurate dei punti di passaggio con quelle attese in
base alla conoscenza dell’impulso.
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Algoritmo di allineamentoAlgoritmo di allineamento selezione di un campione di tracce a impulso noto + fit
rettilineo:
• un solo cluster per vista
• striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad
• molteplicità minore di 5
+ taglio sul 2 del fit per escludere tracce affette da scattering multiplo
calcolo dei punti di impatto usando l’algoritmo
a seconda dell’angolo
ricostruzione della traccia nel campo
magnetico non uniforme, noto l’impulso:
calcolo della somma dei quadrati degli scarti fra le
coordinate misurate corrette per il disallineamento
e quelle ricostruite:
con i=indice del piano, j=indice dell’evento
Bdt
rdq
dt
rdm
2
2
ALIGNMENT
ALIGNMENT PARAMETERS
CORRECTION
HISTOGRAMS
LEVEL 1:CLUSTERS
calibrationdata subset:alignment
ev
ii
N
j i y
ijij
x
ijij
σ
AyAy
σ
AxAxAχ
1
6
1
22
2~~
iiijiijiij
iijijiij
iijiijij
zzyxz
yyxy
xyxx
iiiiii zyxA ,,,,,
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Risultato dell’allineamentoRisultato dell’allineamentoUsando le tracce di protoni acquisiti durante la prova su fascio del 2003 al CERN, sono stati ricavati i parametri di allineamento delle sei colonne di sensori.
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Parametri di allineamentoParametri di allineamentosensor 1 sensor 2 sensor 3 sensor 4 sensor 5 sensor 6
value error value error value error value error value error value error1_omega 1406 20 1425 21 260 18 406 18 80 17 126 171_beta 3030 720 6200 770 2100 700 6490 760 3860 620 7770 6701_gamma 2500 1300 5200 1300 4350 830 4440 660 -2800 2300 -4400 23001_dx -240,19 0,30 -316,71 0,28 -274,82 0,27 -262,94 0,27 -271,83 0,29 -253,07 0,301_dy -1895,70 0,85 -1878,50 0,83 -1844,20 0,82 -1846,20 0,88 -1864,70 0,90 -1866,30 0,821_dz 708 11 593 11 428 13 423,1 7,4 583 35 673 342_omega 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed2_beta 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed2_gamma 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed2_dx 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed2_dy 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed2_dz 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed3_omega 252 29 211 32 -163 23 -17 23 433 23 498 233_beta 200 1100 400 1200 1040 890 -810 760 4800 970 3030 9603_gamma 1370 990 -90 950 -900 760 520 680 -3400 1700 -1100 17003_dx 19,09 0,26 -20,94 0,27 -28,54 0,21 -51,33 0,22 29,10 0,23 -26,40 0,223_dy -581,73 0,60 -577,75 0,57 -565,08 0,61 -569,29 0,60 -529,70 0,62 -529,02 0,643_dz 65 10 46 10 -25,5 6,7 26,6 6,6 17 15 61 144_omega 110 36 -26 41 -294 32 -134 32 71 34 243 354_beta -1000 1100 240 1200 280 920 -1390 880 -200 1100 200 11004_gamma 3100 750 2460 770 1060 580 940 590 100 1400 1600 13004_dx 160,33 0,22 100,00 0,22 140,28 0,19 95,40 0,20 139,60 0,24 79,52 0,254_dy 525,47 0,62 533,00 0,60 565,50 0,59 555,82 0,64 578,32 0,65 586,20 0,664_dz 139,4 8,9 103,0 9,0 42,7 6,2 24,3 7,6 -68 10 -44,7 9,55_omega -2370 44 -2333 44 -2325 42 -2252 43 -2243 47 -2196 495_beta 600 1300 -3300 1300 50 930 -700 1100 1300 1300 1700 13005_gamma -1760 840 -5270 860 90 450 320 470 4800 1200 1500 11005_dx 161,30 0,25 245,88 0,24 166,21 0,21 235,37 0,24 155,56 0,31 236,98 0,305_dy 682,71 0,70 670,80 0,68 613,64 0,63 611,25 0,65 562,83 0,70 560,74 0,705_dz -57 14 -84 14 -51,5 6,3 14,7 9,2 -165 10 -79 106_omega -1436 38 -1581 38 -1726 40 -1608 40 -1415 45 -1364 456_beta 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed6_gamma 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed6_dx 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed6_dy 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed6_dz 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed 0 fixed
3
4
5
6
plane parameter
1
2
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Schema dell’analisiSchema dell’analisi
calibrationdata subset:alignment
RAW DATA
LEVEL 0:RAW DATA
LEVEL 2:TRACKS
READRAW
REDUCTION
ANALYSIS
RU
NIN
FO
CALIBRATIONPARAMETERS
ALIGNMENT PARAMETERS
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
CORRECTION
HISTOGRAMS
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
LEVEL 1:CLUSTERS
calibrationdata subset: and charge
PREANALYSIS
ALIGNMENT
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ANALYSIS: ricostruzione della tracciaANALYSIS: ricostruzione della tracciaLEVEL 1:
CLUSTERS
ANALYSIS
LEVEL 2:TRACKS
ALIGNMENT PARAMETERS
CORRECTION
HISTOGRAMS
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
• calcolo dei punti di impatto usando l’algoritmo per i differenti angoli
• correzione delle coordinate per il disallineamento dei piani
• nel caso di più cluster per piano, associazione dei cluster x e y, sfruttando anche
l’informazione sulla correlazione di carica...
• ricostruzione della traccia nel campo magnetico non uniforme
impulso e carica della particellaimpulso e carica della particella
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Allineamento complessivo dello Allineamento complessivo dello spettrometrospettrometro
Strip 950 Strip 500 Strip 50 Strip 950 Strip 500 Strip 50 Strip 950 Strip 500 Strip 50
x -136,2813 -136,2797 -136,2736 -136,2707 -136,2666 -136,2666 -136,2747 -136,2850 -136,2982
y -76,9510 -53,9957 -31,0453 -22,9363 0,0170 22,9658 31,1105 54,0604 77,0073
z -0,4242 -0,4504 -0,4256 -0,4506 -0,4433 -0,4050 -0,3815 -0,4142 -0,4457
x -70,0273 -70,0264 -70,0194 -70,0155 -70,0093 -70,0102 -70,0178 -70,0296 -70,0435
y -76,9657 -54,0102 -31,0620 -22,9430 0,0103 22,9591 31,1398 54,0902 77,0384
z -0,2155 -0,2387 -0,2113 -0,2853 -0,3025 -0,2556 -0,2321 -0,3016 -0,3012
x -66,2709 -66,2635 -66,2610 -66,2566 -66,2564 -66,2548 -66,2634 -66,2762 -66,2885
y -76,9693 -54,0183 -31,0666 -22,9501 -0,0013 22,9485 31,1427 54,0935 77,0415
z -0,2129 -0,2386 -0,2232 -0,2873 -0,3084 -0,2895 -0,2236 -0,3030 -0,3147
x -0,0165 -0,0141 -0,0076 -0,0022 0,0000 0,0006 -0,0074 -0,0217 -0,0351
y -76,9851 -54,0316 -31,0814 -22,9518 0,0000 22,9497 31,1775 54,1273 77,0765
z 0,1350 0,0893 0,0222 -0,0204 0,0000 -0,0616 -0,0297 -0,0556 -0,0797
Sensor 4 Sensor 5 Sensor 6
PLANE 1
Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
determinare come variano i parametri di
allineamento dei sensori di ogni colonna in
funzione dei parametri presi come
riferimento...
allineare tutti i sensori rispetto a una
coppia...
uso delle misure delle posizioni reciproche
dei sensori di ogni piano...