Relatore: Prof.ssa Annalisa D’Angelo Correlatori: Dott. Paolo Valente Dott. Tommaso Spadaro

1. Università degli studi di Roma ‘’Tor Vergata’’ Equalizzazione e caratterizzazione di un settore di calorimetro elettromagnetico a campionamento in piombo e fibre ottiche scintillanti Facoltà di SS.MM.FF.NN Corso di Laurea Triennale in Fisica Tesi di Laurea: Relatore: Prof.ssaAnnalisa D’Angelo Correlatori: Dott.Paolo Valente Dott.Tommaso Spadaro Laureando: Giordano Cattani Anno Accademico 2004 / 2005

2. Scopo del lavoro Equalizzazione e studio della linearità e risoluzione di un calorimetro elettromagnetico. • Utilizzando Raggi Cosmici • Impiegando un fascio di elettroni con energia variabile da pochi MeV al valore nominale di circa 500 MeV DAFNE Beam Test Facility (BTF) dei Laboratori Nazionali di Frascati (LNF,) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)

3. Il rivelatore (1) • Calorimetro elettromagnetico a campionamento: • Piombo e fibre ottiche scintillanti (Kuraray SCSF-81); • densità media piombo/fibre/colla • (spessore ) • PM Hamamatsu R1398 I PM sono posti su entrambi i lati del corpo centrale su cui incide la radiazione.

4. Il rivelatore (2) • Struttura interna: • 200 strati di piombo; • 200 strati di fibre ottiche scintillanti; • Resina epossidica. Particolare della struttura interna. Si vedono gli strati di Sci-Fi e piombo attraverso gli alloggiamenti per le guide di luce.

5. Il rivelatore (3) Tutto lo sciame è contenuto nello strumento!!

6. Il rivelatore (4) Per convogliare verso i PM la luce prodotta per scintillazione nelle fibre si usano delle guide di luce con un estremo sagomato opportunamente. Cono di Winston. Vantaggio: permette di focalizzare la luce proveniente dal materiale attivo e distribuita su una superficie ampia verso il PM di sezione minore, degradandone poco l’intensità. Guide di luce durante l’assemblaggio del lato ‘new’. Efficienza del 90/95%

7. Equalizzazione del calorimetro L'equalizzazione si rende necessaria in quanto i fotomoltiplicatori, anche se dello stesso modello ed operanti alle tensioni di specifica, non hanno lo stesso guadagno a parità di tensione di alimentazione applicata. In che modo si può equalizzare? Utilizzando i Raggi Cosmici

8. I Raggi Cosmici (1) • Prodotti da sorgenti galattiche ed extragalattiche; • Raggi Cosmici primari (p, e,…); • Raggi cosmici secondari: dall’interazione con nuclei dell’atmosfera e suddivisi in componente dura (70%, muoni...) e componente morbida (30%); • distribuzione angolare con picco sulla verticale. Perché usarli per equalizzare il nostro calorimetro? Composizione dei raggi cosmici Credit: www.scienzagiovane.unibo.it

9. I Raggi Cosmici (2) Perché la componente dura è costituita da particelle al minimo di ionizzazione (mip) e rilasciano la stessa energia in medesimi spessori dello stesso materiale. Grafico della perdita dell’energia in funzione dell’energia della particella incidente per la formula di Bethe - Block

10. Elettronica di acquisizione

11. Risultati acquisizione con i cosmici (1) • Picco del rumore di fondo detto piedistallo • Picco energetico rilasciato dal passaggio della mip Il piedistallo va sottratto allo spettro rilasciato dai muoni!! Eseguiamo un fit del picco del solo rumore con la funzione gaussiana e poi sottraiamo i valori medi ottenuti dai dati dell’ADC del singolo PM. Esempio di spettro in conteggi di ADC ottenuto nell’acquisizione con i Raggi Cosmici.

12. Risultati acquisizione con i cosmici (2) Per ripulire il lo spettro dei muoni che si va a sovrapporre al piedistallo si è elaborato un programma in FORTRAN tramite il quale si sono selezionati solo gli eventi corrispondenti a traiettorie quasi verticali dei muoni nel calorimetro. Ciò è stato realizzato richiedendo che il segnale nel fotomoltiplicatore sia in coincidenza con segnali sopra il rumore per tutti i fotomoltiplicatori posti geometricamente nella medesima colonna.

13. Risultati acquisizione con i cosmici (3) • Gli ultimi due canali del lato ‘old’ malfunzionanti e terzultimo con problemi. • il valore medio del fit gaussiano del picco energetico del muone (Emip) fornisce il fattore di normalizzazione per i segnali di ciascun PM. Spettro in canali di ADC del segnale ottenuto al passaggio dei muoni a cui è stato sottratto il piedistallo. La distribuzione rossa (blu) è stata ottenuta senza applicare (applicando) la condizione di coincidenza geometrica con i PM della stessa colonna. (sono visualizzati solo alcuni canali del lato ‘old’).

14. Acquisizione con il fascio Le principali caratteristiche del fascio utilizzato nella presente presa dati sono: • Composto da ‘pacchetti’ denominati bunch; • Molteplicità impostata in media ad 1 elettrone per bunch; • Energie di 111, 180, 266, 397 MeV; • Errore assoluto sull’energia dell’1%; • Frequenza di arrivo dei bunch in sala di 50 Hz.

15. Acquisizione con il fascio (piedistallo) Anche nell’acquisizione dei dati del fascio di elettroni è sempre presente il rumore. Per rimuoverlo è necessario: • far partire la presa dati con il trigger di macchina ma senza particelle • sottrarre il valore medio della distribuzione ottenuta ai valori dell’energia rilasciata dal bunch in ogni canale. Esempio di piedistallo ottenuto nelle condizioni di acquisizione del fascio.

16. Acquisizione con il fascio (energia del bunch) Dalla somma degli spettri dell’energia rilasciata dal bunch in ogni canale di acquisizione in ogni singolo lato, sottratti del piedistallo e normalizzati all’Emip corrispondente, si ottiene la distribuzione dell’energia totale rilasciata nell’intero calorimetro. • rumore di fondo • picco dello spettro energetico dell’elettrone • picco dello spettro energetico di due elettroni Il fit gaussiano fornisce il valore medio e la deviazione standard usati per lo studio della linearità e risoluzione del calorimetro Spettro energia bunch rilevata dal lato ‘old’ per un elettrone con energia di 397 MeV.

17. Caratterizzazione (linearità lati ‘old’ e ‘new’) Grafici della linearità del calorimetro per i lati ‘old’ e ‘new’

18. Caratterizzazione (risoluzione lati ‘old’ e ‘new’) Grafici della risoluzione del calorimetro per i lati ‘old’ e ‘new’ Il fit dei dati sperimentali per la risoluzione è stato eseguito con una funzione del tipo: Con P1 parametro del contributo stocastico e P2 parametro del termine costante per la stima alla risoluzione per ciascun lato.

19. E l’errore sulla misura è dato dalla seguente relazione: Di conseguenza anche la stima del termine stocastico alla risoluzione dello strumento migliora: con Risoluzione Le misure dell’energia fornite dai due lati sono misure indipendenti della stessa grandezza fisica, pertanto l’energia misurata si può ottenere dalla media pesata della risposta fornita dai due lati.

20. Conclusioni • Il calorimetro soddisfa molto bene la relazione di linearità per entrambi i lati ‘new’ ed ‘old’; • I risultati ottenuti per la misura della risoluzione sono soddisfacenti ed il fit dei dati sperimentali risulta essere discreto; • Dato il basso numero di eventi in cui il bunch è costituito da due elettroni, il secondo picco non è ben definito ed il fit gaussiano risulta poco accurato. Pertanto si è preferito utilizzare solo la risposta fornita da un singolo elettrone per ogni valore dell'energia utilizzato.