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Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA

Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA. Massimo Bongi Esame di passaggio al terzo anno del Dottorato in Fisica, XVIII ciclo Sesto Fiorentino, 16/12/2004. Sciami atmosferici. Palloni e satelliti. Raggi cosmici.

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  1. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico 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

  2. Sciami atmosferici Palloni e satelliti Raggi 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: F E –2.7 fino al “ginocchio”(~ 1015 eV/n) F 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) Caviglia 1 particella / (km2×anno) 1 particella / (m2×secolo) Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  3. Flusso di antiprotoni Frazione di positroni • ANTINUCLEI • ANTIPROTONI e POSITRONI • possibile indicazione dell’esistenza diantimateria su larga scalanell’Universo (antigalassie) • origine secondaria • possibile indicazione dell’esistenza di sorgenti esotiche :  annichilazione di particelle supersimmetriche  evaporazione di buchi neri primordiali Antimateria nei raggi cosmici Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  4. Obiettivi dell’esperimento PAMELA • STUDIO DELL’ANTIMATERIA NEI RAGGI COSMICI • Misura dello spettro di protoni e antiprotoni • Misura dello spettro di elettroni epositroni • Misura dello spettro dei nuclei con Z<7 e ricerca di antinuclei OBIETTIVI SECONDARI • Studio della modulazione dei GCR nell’Eliosfera • Studio delle Particelle Solari Energetiche (SEP) • Studio della magnetosfera terrestre Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  5. 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) La missione spaziale PAMELA posizione durante la presa dati 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 Soyuzlanciato dal cosmodromo di Baikonur. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  6. ROMA 2004 CERN 2003 CERN 2003 CERN 2000 CERN 2002 ROMA 2003 La missione spaziale PAMELA Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  7. La struttura del rivelatore RIVELATORE DI RADIAZIONE DI TRANSIZIONE SISTEMA DI MISURA DEL TEMPO DI VOLO SPETTROMETRO MAGNETICO SISTEMA DI ANTICOINCIDENZA CALORIMETRO ELETTROMAGNETICO SCINTILLATORE INFERIORE RIVELATORE DI NEUTRONI Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  8. AC Bottom scintillator Neutron detector Principio di funzionamento del rivelatore • 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 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  9. Spettrometro magnetico Sistema tracciante di rivelatori al silicio nel campo magnetico 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 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  10. Spettrometro 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 msulla vista Y Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  11. B Principio di funzionamento dello spettrometro • il sistema magnetico • produce una regione di intenso campo magnetico in cui le particelle cariche seguono traiettore curve • il 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 • impulso p = qBr (r = raggio di curvatora) nel caso di B  p e B uniforme • rigidità R = p/q = Br • deflessione h = 1/R = q/p • ∆p/p = ∆R/R = ∆h/h = R∆h (∆h = constante  risoluzione spaziale) • massima rigidità misurabile: e+ Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  12. Schema dell’analisi RAW DATA CALIBRATION PARAMETERS PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS RUNINFO READRAW LEVEL 0: RAW DATA CORRECTION HISTOGRAMS PREANALYSIS calibration data subset: and charge REDUCTION CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT calibration data subset: alignment ANALYSIS ALIGNMENT PARAMETERS LEVEL 2: TRACKS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  13. READRAW: estrazione dei dati • verifica della qualità della trasmissione • estrazione del flusso dati dal protocollo di trasmissione • conversione del flusso dati in file: RAW DATA • 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 ... YODA READRAW PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS LEVEL 0: RAW DATA Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  14. Segnale, piedistallo, rumore • 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. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  15. Compressione dei dati • 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 s 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 s, impone la trasmissione di 2 strisce prima e dopo il massimo. L’algoritmo è irreversibile, ma assicura un fattore di compressione circa del 94% senza perdita di risoluzione e di efficienza. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  16. Schema dell’analisi RAW DATA CALIBRATION PARAMETERS PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS RUNINFO READRAW LEVEL 0: RAW DATA CORRECTION HISTOGRAMS PREANALYSIS calibration data subset: and charge REDUCTION CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT calibration data subset: alignment ANALYSIS ALIGNMENT PARAMETERS LEVEL 2: TRACKS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  17. PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS LEVEL 0: RAW DATA REDUCTION: ricerca dei cluster • 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 LEVEL 1: CLUSTERS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  18. Schema dell’analisi RAW DATA CALIBRATION PARAMETERS PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS RUNINFO READRAW LEVEL 0: RAW DATA CORRECTION HISTOGRAMS PREANALYSIS calibration data subset: and charge REDUCTION CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT calibration data subset: alignment ANALYSIS ALIGNMENT PARAMETERS LEVEL 2: TRACKS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  19. PREANALYSIS: calibrazione  calibration data subset: and charge CORRECTION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS PREANALYSIS 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: Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  20. PREANALYSIS: calibrazione correlazione di carica calibration data subset: and charge CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS PREANALYSIS • 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 y • un solo cluster per vista • striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad • molteplicità minore di 5 X Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  21. Schema dell’analisi RAW DATA CALIBRATION PARAMETERS PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS RUNINFO READRAW LEVEL 0: RAW DATA CORRECTION HISTOGRAMS PREANALYSIS calibration data subset: and charge REDUCTION CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT calibration data subset: alignment ANALYSIS ALIGNMENT PARAMETERS LEVEL 2: TRACKS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  22. Allineamento del sistema tracciante • 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 disallineamento in volo • La presenza del magnete permanente implica che l’algoritmo di allineamento faccia uso di tracce curve. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  23. Principio alla base della procedura di allineamento nel caso di tracce dritte Un fit rettilineo permette di ricavare le correzioni alle posizioni dei piani. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  24. Principio alla base della procedura di allineamento nel 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. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  25. Algoritmo 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 LEVEL 1: CLUSTERS calibration data subset: alignment CORRECTION HISTOGRAMS ALIGNMENT ALIGNMENT PARAMETERS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  26. Risultato dell’allineamento Usando 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. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

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

  28. Schema dell’analisi RAW DATA CALIBRATION PARAMETERS PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS RUNINFO READRAW LEVEL 0: RAW DATA CORRECTION HISTOGRAMS PREANALYSIS calibration data subset: and charge REDUCTION CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT calibration data subset: alignment ANALYSIS ALIGNMENT PARAMETERS LEVEL 2: TRACKS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

  29. CORRECTION HISTOGRAMS ALIGNMENT PARAMETERS CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS ANALYSIS: ricostruzione della traccia LEVEL 1: CLUSTERS ANALYSIS LEVEL 2: TRACKS • 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 particella Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

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

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