Università di PaviaUniversità di PaviaDipartimento di Fisica Nucleare e TeoricaDipartimento di Fisica Nucleare e Teorica

17 Dicembre 200417 Dicembre 2004

Alessandro MenegolliAlessandro MenegolliDottorato di Ricerca, XVIII cicloDottorato di Ricerca, XVIII ciclo

L’esperimento ICARUSL’esperimento ICARUS

Cos’è ICARUS?Cos’è ICARUS?

E’un rivelatore di neutrini e di altri eventi rari ilE’un rivelatore di neutrini e di altri eventi rari il cui primi due semimoduli da 300 tonnellate propriocui primi due semimoduli da 300 tonnellate proprio

in questi giorni stanno venendo trasportati dain questi giorni stanno venendo trasportati da Pavia ai Laboratori Nazionali del Gran SassoPavia ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso

ICARUS è un progetto di ricerca approvato e finanziato dall’ INFN, che comprende 25 istituzioni e 150 fisici di tutto il mondo

L’Aquila, LNGS,L’Aquila, LNGS,Milano, Napoli,Milano, Napoli,Padova, Pavia,Padova, Pavia,Pisa, LNFPisa, LNF

IEHPIEHP

INRINR

Katowice, Krakow,Katowice, Krakow,Warsaw, WroclawWarsaw, WroclawETHZETHZ

CIEMATCIEMATGranadaGranada

UCLAUCLA

La fisica di ICARUSLa fisica di ICARUS

Neutrini da Supernova…Neutrini da Supernova………neutrini neutrini solari…solari…

……neutrini neutrini atmosferici…atmosferici…

……neutrini dal CERN a neutrini dal CERN a LNGS…LNGS…

……decadimento del decadimento del protoneprotone

ICARUS è un rivelatore ad Argon liquido: perchè?ICARUS è un rivelatore ad Argon liquido: perchè?

Facile da ottenere con purezza molto elevata da industrie specializzateFacile da ottenere con purezza molto elevata da industrie specializzate

Mezzo omogeneo che si comporta sia da bersaglio che da rivelatoreMezzo omogeneo che si comporta sia da bersaglio che da rivelatore

Interessanti proprietà fisiche per un oggetto tracciante:Interessanti proprietà fisiche per un oggetto tracciante:

Il passaggio di particelle cariche induce…Il passaggio di particelle cariche induce…

- Concentrazione nell’atmosfera ~ 0.9%- Concentrazione nell’atmosfera ~ 0.9%- Economico: 1 litro costa meno di 1 euro- Economico: 1 litro costa meno di 1 euro

- Punto di ebollizione = 87.3 K @ 1 bar, non infiammabile- Punto di ebollizione = 87.3 K @ 1 bar, non infiammabile - Densità = 1.4 g/cm- Densità = 1.4 g/cm33 - Lunghezza di radiazione = 14 cm, lunghezza di interazione = 80 cm- Lunghezza di radiazione = 14 cm, lunghezza di interazione = 80 cm- dE/dx (- dE/dx ( al minimo) = 2.1 MeV/cm al minimo) = 2.1 MeV/cm

- Ionizzazione- Ionizzazione Dopo la ricombinazione @ 500 V/cm: Dopo la ricombinazione @ 500 V/cm: 55000 coppie elettrone-ione per cm55000 coppie elettrone-ione per cm

- Scintillazione- Scintillazione Spettro UV, Spettro UV, = 128 nm (osservata da un sistema di fotomoltiplicatori = 128 nm (osservata da un sistema di fotomoltiplicatori

immersi nell’Argon liquido, fornisce il tempo zero dell’evento) immersi nell’Argon liquido, fornisce il tempo zero dell’evento)

Elevata mobilità degli elettroni di derivaElevata mobilità degli elettroni di deriva

Come funziona ICARUS ?Come funziona ICARUS ?

Argon liquido (87 K)Catodo

Anodo: 3 piani di fili (a ±60° e 0°)

E (500 V/cm)E (500 V/cm)

E (500 V/cm)E (500 V/cm)

RivelatoreRivelatoreICARUS T600ICARUS T600

Una particella che attraversa il rivelatoreUna particella che attraversa il rivelatore ionizza gli atomi di argon…ionizza gli atomi di argon…

ee--

ee--

ee--

ee--

ee--

ee--

ee--

ee--

……gli elettroni vengono guidati da un gli elettroni vengono guidati da un campo elettrico verso tre piani di fili…campo elettrico verso tre piani di fili…sui quali si induce un segnale che viene sui quali si induce un segnale che viene elaborato dall’elettronica…elaborato dall’elettronica…

Catena elettronica per Catena elettronica per l’elaborazione del segnale l’elaborazione del segnale

sui tre piani di filisui tre piani di fili

Segnali tipici di ICARUS T600Segnali tipici di ICARUS T600

Modulo T600: Dati dai Raggi CosmiciModulo T600: Dati dai Raggi Cosmici

Nell’estate del 2001 sono stati collezionati più di 27000 eventi nel corso di un run tecnico a Pavia, in superficie

- Il rivelatore ha funzionato secondo le attese- Sono state compiute analisi per:

- Ricostruzione 3D di tracce singole- Identificazione di particelle

- Ricostruzione di sciami elettromagnetici- Misure di elettroni a bassa energia- Misure di sciami cosmici di muoni

- Appositi programmi permettono di visualizzare gli eventi a partire dai segnali raccolti sui tre piani di fili…

Sciami estesi di raggi cosmici

Interazioni adroniche con produzione di particelle secondarie

Sciami elettromagnetici di alta energia

FiloFilo

DriftDrift

FiloFilo

FiloFiloDriftDrift

DriftDrift

Tipologia degli eventiTipologia degli eventi ee (CC)(CC) ee (NC)(NC)

Uno degli scopi principali di ICARUS e` lo studio dei processiUno degli scopi principali di ICARUS e` lo studio dei processidi neutrino, per la misura dei parametri di oscillazione. Per di neutrino, per la misura dei parametri di oscillazione. Per

questoquestorisulta fondamentale la distinzione tra interazione di risulta fondamentale la distinzione tra interazione di ee in in

CC:CC:

e interazione di e interazione di in NC: in NC:

La tecnica della TPC deve dimostrare quanto La tecnica della TPC deve dimostrare quanto precisaprecisa sia la misura sia la misura dell’energia rilasciata nell’argon liquido dagli dell’energia rilasciata nell’argon liquido dagli sciami elettromagneticisciami elettromagnetici

prodotti nel decadimento del prodotti nel decadimento del 00 in due fotoni in due fotoni..

ee + n + n → e→ e-- + p + p

+ n + n →→ + + 00 + X + X

Ricerca di eventi adronici con produzione di Ricerca di eventi adronici con produzione di 00

La ricerca di eventi con produzione di 0 e` stata compiuta sui dati registrati dal semimodulo T300 nel 2001. Un software apposito

fornisce il display (2D) degli eventi:

Sciame e.m. dal Sciame e.m. dal del deldecadimento decadimento 0 0

Coordinata filo (3mm pitch)

Tem

po d

i der

iva

)cos1(2

212121 EEm

u (cm)

t (cm)

1. Hit finding sui fili delle camere (algoritmi standard per la distinzione dei picchi di segnale sul fondo di rumore);

2. Identificazione di tutti gli hit dello sciame analizzato;

3. Ricostruzione dell’energia depositata;

4. Ricostruzione della direzione del

5. Massa invariante dei sistemi associati all’evento studiato.

Strumenti per la ricostruzione degli Strumenti per la ricostruzione degli sciamisciami

Solo i picchi all’interno della poligonale verde (tracciata attorno allo

sciame) sono selezionati per la

ricostruzione in energia

Calibrazione MC con FLUKACalibrazione MC con FLUKAGli algoritmi per la misura dell’energia degli sciami e per la Gli algoritmi per la misura dell’energia degli sciami e per la ricostruzione della massa del ricostruzione della massa del 00 (M = 135 MeV/c (M = 135 MeV/c22) sono stati ) sono stati

ottimizzati con un’analisi MC (FLUKA) di varie tipologie di eventi ottimizzati con un’analisi MC (FLUKA) di varie tipologie di eventi con produzione di con produzione di 00::

00 (a (a riposo)riposo)

+ + 4040Ar n Ar n 0 0 + X (2 + X (2 GeV)GeV)

0 0 00 + p (a riposo) + p (a riposo)

Distribuzione della massa invariante (sinistra) e Distribuzione della massa invariante (sinistra) e dell’energia dell’energia

totale (destra) di 60 sistemi totale (destra) di 60 sistemi selezionati in interazioni selezionati in interazioni adroniche di adroniche di -- da 2 GeV su Ar, simulate con FLUKA e da 2 GeV su Ar, simulate con FLUKA e misurate con ANATRA, dopo la calibrazione in energiamisurate con ANATRA, dopo la calibrazione in energia

Distribuzione di massa invariante perDistribuzione di massa invariante per 51 eventi reali51 eventi reali candidati candidati 00 Il best fit con una gaussiana sopra un fondo polinomiale da:Il best fit con una gaussiana sopra un fondo polinomiale da:

mm= 150.6 ± 6.8 MeV/c= 150.6 ± 6.8 MeV/c22

PRELIMINARE

La ricostruzione di eventi 0 unita all’analisi range-energiapermette la ricostruzione di eventi complessi:

0 + - 0

Range = 10.5 cm

Energia cinetica: 48.8 ± 5.2 MeV

-

Spettro a bassa energia: Spettro a bassa energia: 3939ArArLa ricerca di elettroni di bassa energia (E < 1 La ricerca di elettroni di bassa energia (E < 1

MeV)MeV)nei dati di ICARUS T600 ha due scopi:nei dati di ICARUS T600 ha due scopi:

1. la ricerca di contaminazioni di 1. la ricerca di contaminazioni di 3939Ar nell’argon Ar nell’argon naturale dell’atmosferanaturale dell’atmosfera

2. la calibrazione a bassa energia, tramite il fit

dello spettro del 39Ar

Fit dello spettro degli elettroni a bassaenergia con lo spettro del 39Ar

E (KeV) = (3.8 ± 0.2) ADC (counts)E (KeV) = (3.8 ± 0.2) ADC (counts)

L’attività stimata per L’attività stimata per 3939Ar risulta (0.83 ± 0.04) Bq/litro di LArAr risulta (0.83 ± 0.04) Bq/litro di LAr

PRELIMINARE

Fin qui il T600… ma poi?Fin qui il T600… ma poi?ICARUS T3000 + ICARUS T3000 + Spettrometro MuonicoSpettrometro Muonico

Il primo dei due moduli T1200 sarà prontoIl primo dei due moduli T1200 sarà prontoper l’arrivo del fascio CNGS (2007)per l’arrivo del fascio CNGS (2007)

ConclusioniConclusioni

Il primo modulo T600 di ICARUS è stato messo in funzione e ha dimostrato che la tecnica delle TPC ad Argon liquido è ormai matura

I dati raccolti nel 2001 a Pavia sono stati sottoposti a diverse analisi che hanno confermato l’estrema precisione del rivelatore nell’identificazione e nella misura delle particelle ionizzanti

I due semimoduli T300 proprio in questi giorni vengono trasportati da Pavia alle sale sperimentali dei Laboratori del Gran Sasso

La massa totale di ICARUS sarà portata nel prossimo futuro da 600 a 3000 tonnellate, consentendo una ricca fisica del neutrino, in particolare in vista dell’arrivo del fascio CNGS