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%

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