Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004...

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


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)


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


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


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)


CERN 2000CERN 2000

La missione spaziale PAMELALa missione spaziale PAMELA

CERN CERN 20022002ROMA ROMA 20032003

CERN 2003CERN 2003

CERN CERN 20032003

ROMA ROMA 20042004


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


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


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


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


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


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


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

...


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.


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.




RAW DATA

LEVEL 0:RAW DATA

LEVEL 2:TRACKS

READRAW

REDUCTION

ANALYSIS

RU

NIN

FO




BAD STRIPS MAPS

CORRECTION

HISTOGRAMS

CHARGE CORRELATION

HISTOGRAMS

LEVEL 1:CLUSTERS


PREANALYSIS

ALIGNMENT


• 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




RAW DATA

LEVEL 0:RAW DATA

LEVEL 2:TRACKS

READRAW

REDUCTION

ANALYSIS

RU

NIN

FO




BAD STRIPS MAPS

CORRECTION

HISTOGRAMS

CHARGE CORRELATION

HISTOGRAMS

LEVEL 1:CLUSTERS


PREANALYSIS

ALIGNMENT


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


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


PREANALYSIS: calibrazione correlazione di PREANALYSIS: calibrazione correlazione di caricacarica

LEVEL 1:CLUSTERS


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


• striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad





RAW DATA

LEVEL 0:RAW DATA

LEVEL 2:TRACKS

READRAW

REDUCTION

ANALYSIS

RU

NIN

FO




BAD STRIPS MAPS

CORRECTION

HISTOGRAMS

CHARGE CORRELATION

HISTOGRAMS

LEVEL 1:CLUSTERS


PREANALYSIS

ALIGNMENT


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


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.


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.


Algoritmo di allineamentoAlgoritmo di allineamento selezione di un campione di tracce a impulso noto + fit

rettilineo:


• striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad


+ 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


CORRECTION

HISTOGRAMS

LEVEL 1:CLUSTERS


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 ,,,,,


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.


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




RAW DATA

LEVEL 0:RAW DATA

LEVEL 2:TRACKS

READRAW

REDUCTION

ANALYSIS

RU

NIN

FO




BAD STRIPS MAPS

CORRECTION

HISTOGRAMS

CHARGE CORRELATION

HISTOGRAMS

LEVEL 1:CLUSTERS


PREANALYSIS

ALIGNMENT


ANALYSIS: ricostruzione della tracciaANALYSIS: ricostruzione della tracciaLEVEL 1:

CLUSTERS

ANALYSIS

LEVEL 2:TRACKS


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


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...

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