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

A. Porta, università e INFN, TorinoA. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 200405 novembre 2004

Tesi di dottorato: Verifica Tesi di dottorato: Verifica delle sistematiche della delle sistematiche della calibrazione in energia calibrazione in energia dell’esperimento LVDdell’esperimento LVDCandidata: dr. A. PortaRelatori: prof. P. Galeotti, dr. W. FulgioneTutore: prof. M Gallio


Indice:Indice:

• 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



Neutrini da collasso gravitazionale stellare

Fasi di emissione di :

• early neutrino emission (neutronizzazione, shock breakout)

• thermal phase (accrezione di massa, annichilazione di coppie)

Energia di legame tipica circa

3 x 1053 erg di cui:

• ~ 99% in neutrini

• ~ 1% in energia cinetica

• ~ 0.01% in fotoni

Burrows et al. Phys. Rev. D45, 3361 (1992)


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.


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.

LVD Coll., Nuovo Cimento A105 (1992) 1793


il rivelatore (2)Schema numerazione tank del primo piano

1517 1518 1417 1418 1317 1318 1217 1218 1117 1118

1515 1516 1415 1416 1315 1316 1215 1216 1115 1116

1513 1514 1413 1414 1313 1314 1213 1214 1113 1114

1511 1512 1411 1412 1311 1312 1211 1212 1111 1112

2517 2518 2417 2418 2317 2318 2217 2218 2117 2118

2515 2516 2415 2416 2315 2316 2215 2216 2115 2116

2513 2514 2413 2414 2313 2314 2213 2214 2113 2114

2511 2512 2411 2412 2311 2312 2211 2212 2111 2112

3517 3518 3417 3418 3317 3318 3217 3218 3117 3118

3515 3516 3415 3416 3315 3316 3215 3216 3115 3116

3513 3514 3413 3414 3313 3314 3213 3214 3113 3114

3511 3512 3411 3412 3311 3312 3211 3212 3111 3112

Suddiviso in contatori esterni (circa 430 tonnellate)…

…ed interni (circa 570 tonnellate).


Lo scintillatore e i neutriniCiascun 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

• = 0.78 g/cm3

Reazioni tra neutrini e scintillatore liquido:

• e+ p n + e+ (c.c.) n + p + D

• i ( i ) + e- i ( i ) + e- (c.n., c.c.)

• e+ 12C 12N + e- (c.c.) 12N 12C + e+ + e

• e+ 12C 12B + e+ (c.c.) 12B 12C + e- + e

• i ( i ) + 12C i ( i ) + + 12C (c.n.)


canale 1

canale 2

canale 3

canale 4

canale 5

canale 6

canale 7

canale 8

L’elettronica di acquisizioneL’elettronica di acquisizione

PMT2

PMT3

a

b

c

out

Canale 1

C175

PMT1a

b

c

out

Canale 2

Canale 3

a

b

c

out………

……Canale 8

FIFO DAQ

Soglia bassa:

0.8 MeV per 1 ms

Soglia alta: 7 MeV tk esterne, 4 MeV tk interne

1 ms

EHTELT

Coincidenza tripla (250 ns)

C176

• Risoluzione TDC: 12.5 ns

• Risoluzione ADC: 0.25 x 2n-1 pC/ch


Il numero di interazioni previste con neutrini provenienti da un collasso gravitazionale Parametri utilizzati:• m2

sol = 5x10-5 eV2 Ue22 = 0.33 (LMA) m2

atm= 2.5x103 eV2

• |Ue3|2= 10-2 nel caso adiabatico, |Ue3|2= 10-6 nel caso non adiabatico• M = 1 Kton• d = 10 Kpc• Eb = 2.5x10-53 erg• Ebi = 1/6, i=e,,• Tx =1.5 Te, x= ,

M. Aglietta et al. ,Nucl. Phys. Proc.Suppl.110 (2002),410

Per T = 3.5 MeV:

• Nev~ 250, d=10Kpc

• Nev ~ 60, d=20 Kpc

e, p

i, 12C c.n.

e(e),12C c.c.

Smirnov & Dighe, hep-ph/9907423. Lunardini @ 2002, Munich


L’attuale calibrazione in energia

Contatore 1114

CH ADC linCH ADC lin

EntriesEntries• ivengono 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 atteso nei dati di LVD.

• La calibrazione viene aggiornata usando i dati di ogni contatore registrati negli ultimi tre mesi.

Viene utilizzato il picco dovuto ai muoni cosmici:

185 ± 5 MeV185 ± 5 MeV


La simulazione dell’esperimentoLa simulazione dell’esperimento

Particella con impulso e direzione estratti dallo spettro in energia e dalla distribuzione angolare dei

GEANT 3: interazioni tra particella e un contatore di LVD (geometria del contatore e composizione chimica scintillatore)

Distribuzione dell’energia rilasciata nel contatore

1) Simulazione dell’interazione particella-rivelatore:

2) Simulazione del funzionamento del rivelatore:

Energia rilasciata nel contatore trasformata in luce diffusa nel contatore

Simulazione della collezione di luce sui fototubi del contatore, del funzionamento dei fototubi e dell’elettronica di acquisizione

Distribuzione in canali ADC


La simulazione dei muoni cosmici che La simulazione dei muoni cosmici che interagiscono con un contatore di LVDinteragiscono con un contatore di LVD

Distribuzione angolare

Distribuzione in energia

Astropart. Phys. : 2 (1994) , pp.103-116

Astropart.Phys.7:357-368,1997

3000 m.w.e.

10000 m.w.e.


Distribuzione dell’energia rilasciata in un Distribuzione dell’energia rilasciata in un contatorecontatore

Picco a 186 ± 3 MeV


La costante K (1)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.


La costante K (2)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:

2i

[ei + ti(K)]2

ei

Dove: i e` il bin i-esimo delle distribuzioni, ei e`il valore dell’ordinata della distribuzione sperimentale, ti(K) e` il valore dell’ordinata della distribuzione simulata in funzione di K. K=3.12 ± 0.02

Simulazione

Dati sper.

Tank 1222

A. Porta, università e INFN, TorinoA. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 200405 novembre 2004C. Vigorito, tesi di laurea, Universita` di torino, 1993

Nuovo assetto dell’elettronica: il segnale da singolo Nuovo assetto dell’elettronica: il segnale da singolo fototubo (1)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.

30

40

50

Rmax = Nphe(PMmax)/Nphe(PMi) > 0.53

PMT1

PMT2

PMT3

e- da 5 MeV e- da 10 MeV

da 2.2 MeV da 15.11

MeV


canale 1

canale 2

canale 3

canale 4

canale 5

canale 6

canale 7

canale 8

Nuovo assetto dell’elettronica: il segnale da Nuovo assetto dell’elettronica: il segnale da singolo fototubo(2)singolo fototubo(2)

Come:

PMT2

PMT3

a

b

c

out

Canale 1

C175

PMT1a

b

c

out

Canale 2

Canale 3

a

b

c

out………

……Canale 8

FIFO DAQ

C176


A causa di effetti geometrici i tre singoli fototubi vedono il picco dovuto ai muoni cosmici a energia minore rispetto alla loro somma analogica.

100%

90%

Calibrazione del singolo fototubo (metodo 1)Calibrazione del singolo fototubo (metodo 1)

80%

80% 185±5

166±5148±5

148±5

Simulazione Dati sperimentali


Calibrazione del singolo fototubo (metodo 2)Calibrazione del singolo fototubo (metodo 2)

Per ciascun evento: [i=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.

Ch ADC lin Ch ADC lin

Ch ADC lin Ch ADC lin

PMT1 PMT2

PMT3 PMT(i)/3

cal


Calibrazione del singolo fototuboCalibrazione del singolo fototubo

Cal. Metodo 1 Cal. Metodo 2 Z del test normale

PM1 0.2732±0.0116 0.2767±0.0019 0.298

PM2 0.2777±0.0104 0.2755±0.0055 0.130

PM3 0.2884±0.0188 0.3080±0.0048 1.010

Confronto:


Verifica degli errori sistematici a bassa Verifica degli errori sistematici a bassa energiaenergiaLa 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 -stop nel contatore

• gamma da sorgente di NiCf posta all’esterno del contatore

• neutroni da sorgente di Cf posti al centro del contatore


e-, e+ da -stop nel contatore(1)

-→ e- + e +

+→ e+ + e +

= 2.2 sQ ≈ m=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.

R.Granella, tesi di laurea, Universita` di Torino,1992



Spettro dei muoni cosmici in superficie:

E` stata utilizzato un contatore posizionato in una facility di test posta nei laboratori esterni:

L’apparato di rivelazione e l’elettronica di acquisizione sono identici a quelli usati in galleria

O.C.Allkofer et al., Phys. Lett. 36B, p. 428 (1971)


e-, e+ -stop nel contatore(3)Calibrazione in energia del contatore della facility di test:

Simulazione: Calibrazione dati sperimentali:

Costante di calibrazione= 0.06138 ± 0.00011

178 ± 3 MeV

2900 ± 3 chlin

Ch adc lin

N

eventi



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 s dal muone.

E (MeV)

N

eventi



Distribuzione temporale:

= 2.05 ± 0.02 s

Test normale: z = 7.5

N

eventi

t (s)



Distribuzione in energia:

e-, e+ da mustop

After pulses + in coincidenza

in coincidenza


e-, e+ da -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 -stop

• Simulazione della distribuzione temporale dei ritardi tra i due segnali e confronto con i dati sperimentali al fine di selezionare meglio i reali -stop

• Simulazione dello spettro in energia di elettroni e positroni derivanti dai -stop e confronto con il medesimo spettro sperimentale per la verifica degli errori sistematici della calibrazione.


Sorgente di NICf(1)

Caratteristiche del 252Cf:

• t1/2=2.645 anni

• 97 % dei casi decade

• 3 % dei casi fa` fissione con produzione di ~ 20 (80% con E<1MeV) e ~ 4 neutroni con <E>=2.14 MeV

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.

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


Sorgente di NICf(2)

Picco del Ni a circa 9 MeV

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


Sorgente di Californio(1)

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:

KTEeEdE

dN /

KT=1.3 MeV

R,Bertoni et al., ICG tech. Rep. N. 21/96


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


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

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