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Tesi di dottorato: Verifica delle sistematiche della calibrazione in energia dell’esperimento LVD

Tesi di dottorato: Verifica delle sistematiche della calibrazione in energia dell’esperimento LVD. Candidata: dr. A. Porta Relatori: prof. P. Galeotti, dr. W. Fulgione Tutore: prof. M Gallio. Supernovae, neutrini e l’esperimento LVD L’attuale sistema di calibrazione dell’esperimento

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Tesi di dottorato: Verifica delle sistematiche della calibrazione in energia dell’esperimento LVD

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Presentation Transcript

  1. Tesi di dottorato: Verifica delle sistematiche della calibrazione in energia dell’esperimento LVD Candidata: dr. A. Porta Relatori: prof. P. Galeotti, dr. W. Fulgione Tutore: prof. M Gallio A. Porta, università e INFN, Torino

  2. Supernovae, neutrini e l’esperimento LVD L’attuale sistema di calibrazione dell’esperimento Verifica dell’attuale sistema di calibrazione Nuovo assetto dell’elettronica, nuova tecnica di calibrazione Verifica degli errori sistematici a bassa energia Conclusioni e prospettive Indice: A. Porta, università e INFN, Torino

  3. A. Porta, università e INFN, Torino

  4. Neutrini da collasso gravitazionale stellare Burrows et al. Phys. Rev. D45, 3361 (1992) • Energia di legame tipica circa • 3 x 1053 erg di cui: • ~ 99% in neutrini • ~ 1% in energia cinetica • ~ 0.01% in fotoni • Fasi di emissione di : • early neutrino emission (neutronizzazione, shock breakout) • thermal phase (accrezione di massa, annichilazione di coppie) A. Porta, università e INFN, Torino

  5. L’esperimento LVD LVD e` situato nella sala A dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sormontato da 1400 m di roccia calcarea (circa 3800 m w e). E` attivo dal 1992 ed ha raggiunto la configurazione attuale nel 2001. Attualmente ha una massa di circa 1000 tonnellate. Il duty cycle medio di questi 12 anni e` dell’87%, ed e del 98% negli ultimi tre anni. A. Porta, università e INFN, Torino

  6. il rivelatore (1) 840 contatori (detti tank) di 1 x 1 x 1.5 m3 raggruppati in tre torri formate ciascuna da 35 portatank (gruppo di 8 tank). Ciascuna tank contiene 1.2 ton di scintillatore liquido ed e` osservata da 3 PM (2520 PM) • Il sistema di tracking: • contatori ad L contenenti 2 strati di tubi streamer lunghi 6.3 m. • lettura bidimensionale: strip di 4 cm poste parallele e perpendicolari ai tubi • risoluzione superiore a 4 mrad. A. Porta, università e INFN, Torino LVD Coll., Nuovo Cimento A105 (1992) 1793

  7. il rivelatore (2) Suddiviso in contatori esterni (circa 430 tonnellate)… …ed interni (circa 570 tonnellate). A. Porta, università e INFN, Torino

  8. Lo scintillatore e i neutrini • Ciascun contatore contiene 1.2 ton di scintillatore con le seguenti caratteristiche: • CnH2n+2 con <n> = 9.6 • 0.03 mg/l di POPOP • 1 mg/l di PPO • r= 0.78 g/cm3 • Reazioni tra neutrini e scintillatore liquido: • ne+ p  n + e+ (c.c.) n + p  g + D • ni ( ni )+ e- ni ( ni )+ e- (c.n., c.c.) • ne+ 12C  12N + e- (c.c.)12N  12C + e+ +ne • ne+ 12C  12B + e+ (c.c.)12B  12C + e- +ne • ni ( ni )+ 12C  ni ( ni ) + g +12C (c.n.) A. Porta, università e INFN, Torino

  9. L’elettronica di acquisizione Coincidenza tripla (250 ns) Canale 1  canale 1  canale 2  canale 3  canale 4  canale 5  canale 6  canale 7  canale 8 Soglia alta: 7 MeV tk esterne, 4 MeV tk interne  a  b  c out S  Soglia bassa: 0.8 MeV per 1 ms PMT1 EHT Canale 2 ELT  a  b  c out S PMT2 1 ms • Risoluzione TDC: 12.5 ns • Risoluzione ADC: 0.25 x 2n-1pC/ch PMT3 Canale 3  a  b  c out S DAQ FIFO C176 …………… Canale 8 C175 A. Porta, università e INFN, Torino

  10. Il numero di interazioni previste con neutrini provenienti da un collasso gravitazionale Smirnov& Dighe, hep-ph/9907423. Lunardini @ n 2002, Munich • Parametri utilizzati: • Dm2sol = 5x10-5 eV2 Ue22 = 0.33 (LMA)Dm2atm= 2.5x103 eV2 • |Ue3|2= 10-2nel caso adiabatico, |Ue3|2= 10-6nel caso non adiabatico • M = 1 Kton • d = 10 Kpc • Eb = 2.5x10-53erg • Ebni = 1/6, i=e,m,t • Tnx =1.5 Tne, x=m,t ni, 12C c.n. M. Aglietta et al. ,Nucl. Phys. Proc.Suppl.110 (2002),410 ne(ne),12C c.c. • Per T = 3.5 MeV: • Nev~ 250, d=10Kpc • Nev ~60, d=20 Kpc ne, p A. Porta, università e INFN, Torino

  11. L’attuale calibrazione in energia Conteggi Contatore 1114 ADC Channel Viene utilizzato il picco dovuto ai muoni cosmici: • i m vengono selezionati come eventi presenti in almeno due tank diverse e vicine in coincidenza temporale entro 250 ns. • conoscendo le distribuzioni angolare ed energetica dei muoni nella Hall A dei L.N.G.S. e l’efficienza geometrica del rivelatore e’ stata effetuata una simulazione che ha fissato a 185 MeV il picco dei m atteso nei dati di LVD. • La calibrazione viene aggiornata usando i dati di ogni contatore registrati negli ultimi tre mesi. Entries 185 ± 5 MeV CH ADC lin A. Porta, università e INFN, Torino

  12. La simulazione dell’esperimento 1) Simulazione dell’interazione particella-rivelatore: Particella con impulso e direzione estratti dallo spettro in energia e dalla distribuzione angolare dei m GEANT 3: interazioni tra particella e un contatore di LVD (geometria del contatore e composizione chimica scintillatore) Distribuzione dell’energia rilasciata nel contatore 2) Simulazione del funzionamento del rivelatore: Simulazione della collezione di luce sui fototubi del contatore, del funzionamento dei fototubi e dell’elettronica di acquisizione Energia rilasciata nel contatore trasformata in luce diffusa nel contatore Distribuzione in canali ADC A. Porta, università e INFN, Torino

  13. La simulazione dei muoni cosmici che interagiscono con un contatore di LVD Distribuzione in energia Astropart. Phys. : 2 (1994) , pp.103-116 10000 m.w.e. 3000 m.w.e. Distribuzione angolare Astropart.Phys.7:357-368,1997 A. Porta, università e INFN, Torino

  14. Distribuzione dell’energia rilasciata in un contatore Picco a 186 ± 3 MeV A. Porta, università e INFN, Torino

  15. La costante K (1) • Cos’è: per ciascun contatore dell’esperimento esistono un serie di parametri caratteristici che rendono lo spettro in energia rilasciata proporzionale allo spettro in canali ADC. Questi parametri sono: • il numero di fotoni prodotti per MeV di energia rilasciata, • il coefficiente di attenuazione della luce nello scintillatore, • il coefficiente di riflessione, • l’efficienza di rivelazione, • l’efficienza del fotocatodo, • il guadagno dei dinodi dei fototubi, • il guadagno dell’amplificatore. • Gli stessi parametri, col loro valore teorico, sono stati inseriti nella simulazione e vengono adattati alla realtà di ciascun contatore attraverso la costante K. A. Porta, università e INFN, Torino

  16. La costante K (2) Come si calcola: minimizzando, in funzione di K, la differenza tra la distribuzione in canali ADC simulata e la stessa distribuzione sperimentale. A questo scopo si è usato il metodo dei minimi quadrati: 2=Si____________ [ei + ti(K)]2 ei Dove: i e` il bin i-esimo delle distribuzioni, ei e`ilvalore dell’ordinata della distribuzione sperimentale, ti(K) e` il valore dell’ordinata della distribuzione simulata in funzione di K. K=3.12 ± 0.02 Tank 1222 Simulazione Dati sper. A. Porta, università e INFN, Torino

  17. Nuovo assetto dell’elettronica: il segnale da singolo fototubo (1) Perché: lo scopo di questo lavoro e` poter abbassare la soglia alta dell’esperimento. A causa di effetti di geometria l’abbassamento delle soglie causa un aumento degli eventi di coda della distribuzione di soglia alta. PMT1 e- da 10 MeV e- da 5 MeV Rmax = Nphe(PMmax)/Nphe(SPMi) > 0.53 30 PMT2 40 50 g da 2.2 MeV g da 15.11 MeV PMT3 C. Vigorito, tesi di laurea, Universita` di torino, 1993 A. Porta, università e INFN, Torino

  18. Nuovo assetto dell’elettronica: il segnale da singolo fototubo(2) Come: Canale 1  canale 1  canale 2  canale 3  canale 4  canale 5  canale 6  canale 7  canale 8  a  b  c out S  PMT1 Canale 2  a  b  c out S PMT2 PMT3 Canale 3  a  b  c out S DAQ FIFO C176 …………… Canale 8 C175 A. Porta, università e INFN, Torino

  19. Calibrazione del singolo fototubo (metodo 1) Simulazione Dati sperimentali A causa di effetti geometrici i tre singoli fototubi vedono il picco dovuto ai muoni cosmici a energia minore rispetto alla loro somma analogica. 90% 148±5 166±5 80% 80% 100% 148±5 185±5 A. Porta, università e INFN, Torino

  20. Calibrazione del singolo fototubo (metodo 2) cal Per ciascun evento: [Si=1,3CHlin(i)]/3  E* Posso calcolare E*/CHlin(i) per i tre PMTs e farne la distribuzione su tutti gli eventi per ottenere la calibrazione di ciascun fototubo. PMT1 PMT2 Ch ADC lin Ch ADC lin PMT3 SPMT(i)/3 Ch ADC lin Ch ADC lin A. Porta, università e INFN, Torino

  21. Calibrazione del singolo fototubo Confronto: A. Porta, università e INFN, Torino

  22. Verifica degli errori sistematici a bassa energia • La tecnica attualmente utilizzata considera un solo punto per la calibrazione in energia della distribuzione in canali ADC: il picco dei muoni cosmici posto a 185 ± 5 MeV. • Siccome l’errore su questo valore e` puramente statistico si intende studiare l’errore sistematico che si commette a basse energie con questo tipo di calibrazione. • A questo scopo verranno confrontati le distribuzioni in energia di dati provenienti da segnali conosciuti di bassa energia con le distribuzioni derivanti dalla simulazione dei medesimi segnali: • e-,e+ provenienti da m-stop nel contatore • gamma da sorgente di NiCf posta all’esterno del contatore • neutroni da sorgente di Cf posti al centro del contatore A. Porta, università e INFN, Torino

  23. e-, e+ da m-stop nel contatore(1) m-→ e- + ne + nm t = 2.2 ms m+→ e+ + ne + nm Q ≈ mm=106 MeV Ee < 53 MeV, <Ee> = 37 MeV Spettro in energia convoluto con distribuzione gaussiana per simulare l’effetto della risoluzione in energia del rivelatore. A. Porta, università e INFN, Torino R.Granella, tesi di laurea, Universita` di Torino,1992

  24. e-, e+ da m-stop nel contatore(2) E` stata utilizzato un contatore posizionato in una facility di test posta nei laboratori esterni: Spettro dei muoni cosmici in superficie: L’apparato di rivelazione e l’elettronica di acquisizione sono identici a quelli usati in galleria A. Porta, università e INFN, Torino O.C.Allkofer et al., Phys. Lett. 36B, p. 428 (1971)

  25. e-, e+m-stop nel contatore(3) Calibrazione in energia del contatore della facility di test: Calibrazione dati sperimentali: Simulazione: N eventi 2900 ± 3 chlin 178 ± 3 MeV Ch adc lin Costante di calibrazione= 0.06138 ± 0.00011 A. Porta, università e INFN, Torino

  26. e-, e+ da m-stop nel contatore(4) Tecnica di selezione: il muone viene selezionato come un evento di soglia alta di energia superiore a 50 MeV, l’elettrone (positrone) come un evento, sempre di sogli alta, che avviene entro 10 ms dal muone. N eventi E (MeV) A. Porta, università e INFN, Torino

  27. e-, e+ da m-stop nel contatore(5) Distribuzione temporale: N eventi t = 2.05 ± 0.02 ms Test normale: z = 7.5 dt (ms) A. Porta, università e INFN, Torino

  28. e-, e+ da m-stop nel contatore(6) Distribuzione in energia: After pulses + m in coincidenza e-, e+ da mustop m in coincidenza A. Porta, università e INFN, Torino

  29. e-, e+ da m-stop nel contatore(7) Lavoro da fare: • Simulazione della distribuzione in energiadei muoni che decadono all’interno del contatore e confronto con la stessa distribuzione sperimentale al fine di selezionare meglio i veri m-stop • Simulazione della distribuzione temporale dei ritardi tra i due segnali e confronto con i dati sperimentali al fine di selezionare meglio i reali m-stop • Simulazione dello spettro in energia di elettroni e positroni derivanti dai m-stop e confronto con il medesimo spettro sperimentale per la verifica degli errori sistematici della calibrazione. A. Porta, università e INFN, Torino

  30. Sorgente di NICf(1) Composta da un cilindro di paraffina (~80 %) e nichel (~20 %) di raggio 10 cm e alto 20 cm con al centro una sorgente di 252Cf. • Caratteristiche del 252Cf: • t1/2=2.645 anni • 97 % dei casi decade a • 3 % dei casi fa` fissione con produzione di ~ 20 g (80% con E<1MeV) e ~ 4 neutroni con <E>=2.14 MeV I neutroni interagendo con il nichel producono dei gamma con spettro riportato in figura ed interagendo con l’idrogeno della paraffina dei gamma da 2.2 MeV A. Porta, università e INFN, Torino

  31. Sorgente di NICf(2) Picco dell’ H a 2.2 MeV • Lavoro da fare: • completamento della simulazione con l’introduzione del funzionamento delle due soglie • confronto tra la simulazione completata e i dati sperimentali al fine di individuare gli errori sistematici a queste energie Picco del Ni a circa 9 MeV A. Porta, università e INFN, Torino

  32. Sorgente di Californio(1) R,Bertoni et al., ICG tech. Rep. N. 21/96 SBC (Surface Barrier Counter) rivela i prodotti di fissione e da` il trigger che apre un gate di 1 ms in cui la soglia e` settata bassa. Sorgente di 252Cf: A bassa attivita`: ~ 1 fissione/minuto Spettro in energia: KT=1.3 MeV A. Porta, università e INFN, Torino

  33. Sorgente di Californio(2) Simulazione dell’energia rilasciata in un contatore: • Lavoro da fare: • Preparazione della misura nella facility di test e acquisizione dei dati • Confronto tra la simulazione e i dati sperimentali A. Porta, università e INFN, Torino

  34. Conclusioni e prospettive: • Valore picco dei muoni cosmici per la vecchia calibrazione calibrazione: 185 ± 5 MeV • Valore picco dei muoni cosmici per la nuova calibrazione calibrazione: 186 ± 3 MeV • Segnale da singolo fototubo. • Picco dei muoni visto dal fototubo centrale: 166 ± 5 MeV, • Picco dei muoni visto dai fototubi laterali: 148 ± 5 MeV • Nuova tecnica di calibrazione. • Verifica degli errori sistematici: • e-e+ da decadimento dei muoni • Sorgente di NiCf • Sorgente di Cf A. Porta, università e INFN, Torino

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