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Messa a punto finale dei Calorimetri a Zero Gradi per lesperimento ALICE Candidata: Grazia Luparello Relatore: Prof. Mauro Gallio Controrelatore: Prof.

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1 Messa a punto finale dei Calorimetri a Zero Gradi per lesperimento ALICE Candidata: Grazia Luparello Relatore: Prof. Mauro Gallio Controrelatore: Prof. Ezio Menichetti Università degli Studi di Torino Laurea Magistrale in Fisica delle Interazioni Fondamentali

2 24/09/2007G. Luparello2 Sommario Lesperimento ALICE I Calorimetri a Zero Gradi La misura della centralità Il calorimetro per neutroni e quello per protoni I test eseguiti Risultati dei test Conclusioni

3 24/09/2007G. Luparello3 Lesperimento ALICE Central Barrel Braccio Dimuonico Rivelatori in avanti Studia collisioni di ioni piombo a 5.5 TeV per coppia di nucleoni per studiare la formazione del Plasma di Quark e Gluoni

4 24/09/2007G. Luparello4 La centralità Collisioni centrali Parametro dimpatto piccolo (b) Molti nucleoni partecipanti Pochi spettatori Poca energia negli ZDC Collisioni periferiche Parametro dimpatto grande (b) Pochi nucleoni partecipanti Molti spettatori Molta energia negli ZDC Gli ZDC misurano la centralità delle collisioni misurando lenergia dei nucleoni spettatori

5 24/09/2007G. Luparello5 I Calorimetri a Zero Gradi di ALICE 2 set identici di calorimetri adronici ai due lati dellIP alla distanza di 116m Ogni set comprende: 1 calorimetro per neutroni (ZN) + 1 calorimetro per protoni (ZP) Neutroni e protoni spettatori sono separati dagli elementi magnetici dellLHC Accettanza ZP ~ 86% ZN ~100% IP

6 24/09/2007G. Luparello6 Funzionamento del calorimetro I fotoelettroni vengono moltiplicati dai dinodi dei PM La carica raccolta allanodo è: Q a = G * N phe *e La carica raccolta è proporzionale allenergia depositata dalle particelle Principio di funzionamento basato sulla rivelazione della luce Cherenkov prodotta nel materiale attivo dalle particelle dello sciame Fotoni Cherenkov prodotti nel materiale attivo (fibre) Calorimetro Nucleone incidente Sciame Fotocatodo Fotoelettroni

7 24/09/2007G. Luparello7 Il Calorimetro per Neutroni Dimensioni7.2 x 7.2 x 100 cm 3 Materiale passivo Lega di W e Ni-Fe (ρ=17.6 g/cm 3 ) 93.5 % W, 6.5%Ni-Fe Spessore strati1.6 mm Materiale attivo1936 fibre di quarzo Distanza tra le fibre1.6 mm Diametro fibre (core)365 μm Apertura numerica0.22 Rapporto volumico1/22 5 fotomoltiplicatori Tipo HAMAMATSU R Efficienza quantica del 25%

8 24/09/2007G. Luparello8 Il Calorimetro per Protoni PMT 1 PMT 2 PMT 3 PMT 4 PMT c Dimensioni22.8 x 12 x 150 cm 3 Materiale passivo Ottone (ρ=8.48 g/cm 3 ) Spessore strati4mm Materiale attivo1680 fibre di quarzo Distanza tra le fibre4 mm Diametro fibre (core)550 μm Apertura numerica0.22 Rapporto volumico1/65 5 fotomoltiplicatori HAMAMATSU R Efficienza quantica del 25%

9 24/09/2007G. Luparello9 Test effettuati Calorimetri testati con fasci di pioni e elettroni ad energie comprese fra i 50 e i 200 GeV PM caratterizzati in laboratorio prima del montaggio Caratterizzazione dei PM: 1) Misura del guadagno assoluto di ogni PM osservando lo spettro di singolo fotoelettrone (ad HV>1800 V). Raggi cosmici Laser impulsato 2) Costruzione della curva di guadagno Caratterizzazione dei PM: 1) Misura del guadagno assoluto di ogni PM osservando lo spettro di singolo fotoelettrone (ad HV>1800 V). Raggi cosmici Laser impulsato 2) Costruzione della curva di guadagno Prima dellinizio dei run: Scelta della tensione di alimentazione iniziale dei PM Durante i run: Monitoraggio della stabilità del guadagno Controllo della trasparenza delle fibre le misure devono essere ripetibili

10 24/09/2007G. Luparello10 Setup per le misure con i raggi cosmici Trigger: Coincidenza di 2 scintillatori Rate di trigger: ZN circa 1.5 µ/s ZP circa 10 µ/s μ Scintillatori Calorimetro PM I muoni non sciamano attraversando il calorimetro Lenergia persa è sufficiente per produrre (nel 3%dei casi circa) al fotocatodo un solo fotoelettrone che viene moltiplicato La carica raccolta allanodo è portata ad un modulo fan in – fan out e poi ad un ADC che la converte in un segnale digitale si costruisce lo spettro in ADC Caratteristiche ADC: 4096 canali Per ogni segnale in ingresso vengono date due misure di carica: High range: 200 fC/ch Low range: 25 fC/ch

11 24/09/2007G. Luparello11 Spettri di singolo phe dai cosmici (I) ZN1T3 HV = 2150 V μ 2 -μ 1 = (33.5 ± 0.4) ch Guadagno = (0.523 ± 0.006)*10 7 conteggi canali ADC Piedestallo(μ 1 ) Singolo phe (μ 2 ) 2 phe (μ 3 )

12 24/09/2007G. Luparello12 Spettri di singolo phe dai cosmici (II) μ 2 -μ 1 = (71.3 ± 0.9) ch Guadagno = (1.12 ± 0.01)*10 7 ZN1T3 HV = 2400 V canali ADC conteggi

13 24/09/2007G. Luparello13 Setup per misure con laser Fibre ZN ZP Laser Fenditura filtri PM riferimento Fibre Filtri: Kodak Wratten Gelatin Filter con densità D variabile da 0.1 a 4 I trasmessa = 10 -D * I emessa Per ottenere il singolo phe D=4 Frequenza laser: 1kHz

14 24/09/2007G. Luparello14 Spettri di singolo phe dal laser μ 2 -μ 1 =( 61.3±0.1) ch G = (0.958±0.002)*10 7 Spettro in ADC simile a quello per i cosmici Statistica più alta Più eventi nel picco del singolo phe ZN1T3 HV = 2332 V canali ADC conteggi

15 24/09/2007G. Luparello15 Risultati ottenuti

16 24/09/2007G. Luparello16 Osservazioni I guadagni assoluti calcolati con i due diversi metodi sono in accordo tra loro Entrambi i metodi sono utilizzabili per il monitoraggio della stabilità Raggi cosmici: Tempi di esecuzione lunghi Misura sempre possibile anche durante la presa dati di ALICE Impulsatore laser: Tempi di esecuzione brevi (frequenza di 1 kHz) Misura possibile solo nei periodi di non funzionamento dellLHC

17 24/09/2007G. Luparello17 Curva di guadagno I PM sono stati caratterizzati ad alte HV Il guadagno a basse HV è stato estrapolato dai guadagni ad alte HV Per avere dati sperimentali da confrontare con le estrapolazioni si illuminano le fibre con una luce laser ad alta intensità in modo da poter usare i PM a basse HV

18 24/09/2007G. Luparello18 Curva di Guadagno: Procedura (I) Il set up usato è lo stesso usato per misurare il singolo phe con laser. Si usa lADC in High Range: 200 fC/ch Spettro in ADC con piedestallo sottratto ZN1T1 HV=1020V Si fissa lintensità del laser al valore massimo Si sceglie una tensione iniziale dei PM attorno ai 1000V per andare a misurare il guadagno anche in una regione al di sotto della zona di lavoro ipotizzata Si attenua la luce del laser usando un filtro con D=1

19 24/09/2007G. Luparello19 Curva di Guadagno: Procedura (II) HV=1220V HV=1320V HV=1120V HV=1327V

20 24/09/2007G. Luparello20 Curva di guadagno: Procedura (III) Aumentando ancora la tensione si otterrebbe un segnale allingresso del fan in – fan out maggiore di 1.5V si inserisce un filtro con densità maggiore: D=2 Si torna ad avere un segnale <1.5 V. Il picco è di nuovo ad un canale basso dellADC Si torna ad avere un segnale <1.5 V. Il picco è di nuovo ad un canale basso dellADC HV=1327V

21 24/09/2007G. Luparello21 Canale ADC vs. HV D=1D=2 D=2.4 D=3 D=3.1 D=3.2

22 24/09/2007G. Luparello22 Canale ADC vs. HV Si raccordano i punti moltiplicandoli per un opportuno coefficiente ottenuto dal grafico precedente La curva di guadagno costruita è da confrontare con i guadagni assoluti Si normalizza la curva ad un guadagno assoluto di 0.5*10 7 La curva di guadagno costruita è da confrontare con i guadagni assoluti Si normalizza la curva ad un guadagno assoluto di 0.5*10 7

23 24/09/2007G. Luparello23 La curva di guadagno Curve non coincidenti ad HV<1800 V

24 24/09/2007G. Luparello24 Linearità Le 2 curve ottenute dalle estrapolazioni sono in accordo tra loro e sono sempre al di sopra dei dati sperimentali Tale fenomeno è collegabile ad un problema di non linearità dei PM quando lintensità luminosa è alta e la tensione di alimentazione è bassa Sono in corso serie di misure per studiare la regione di linearità dei PM variando la luce incidente tenendo fissa la tensione di alimentazione

25 24/09/2007G. Luparello25 Conclusioni Guadagni assoluti Per ognuno dei 20 PM sono stati calcolati i guadagni assoluti a tensioni di alimentazione maggiori di 1800 V. Sia le misure con i cosmici sia quelle con il laser permettono di caratterizzare i PM a HV>1800 V. Entrambi i metodi possono essere usati per monitorare PM e fibre lelettronica necessaria andrà inserita nello schema generale di trigger. Curve di guadagno Per ogni PM sono state costruite le curve di guadagno in un intervallo di tensioni compreso tra 1000 e 2700 V.

26 24/09/2007G. Luparello26 Misura della centralità negli ZDC Se tutta lenergia dei nucleoni spettatori è rivelata: N part = A - E zdc / E A (A numero di massa degli ioni collidenti ; E A è lenergia per nucleone del fascio) Se tutta lenergia dei nucleoni spettatori è rivelata: N part = A - E zdc / E A (A numero di massa degli ioni collidenti ; E A è lenergia per nucleone del fascio) COLLISIONI CENTRALI e SEMIPERIFERICHE I nuclei si spaccano completamente e tutta lenergia degli spettatori è rivelata COLLISIONI MOLTO PERIFERICHE Si creano frammenti carichi che proseguono nella beam pipe e quindi la loro energia non viene rivelata dai calorimetri Calorimetro elettromagnetico: misura lenergia delle particelle prodotte con pseudorapidità 4.8<η<5.7. Situato a circa 7m dallIP.

27 24/09/2007G. Luparello27 Il calorimetro elettromagnetico Materiale passivo 30 strati di piombo dello spessore di 3mm, inclinati di 45° rispetto alla direzione dellasse dellLHC 7x7x20.6 cm 3 Materiale attivo Fibre di quarzo schiacciate tra gli strati di piombo e inclinate di 45° rispetto alla direzione della particella iniziale. Rapporto tra il materiale attivo e materiale passivo è di 1/22 Le fibre escono dalla parte superiore del calorimetro e sono accoppiate ad un unico PM

28 24/09/2007G. Luparello28 Fibre PM di riferimento Fenditura per filtri Setup per misure con laser Laser Diottro focalizzatore

29 24/09/2007G. Luparello29 Accoppiamento tra fibre e laser ZP ZN

30 24/09/2007G. Luparello30 Trigger ausiliari Trigger con raggi cosmici Trigger con impulasatore laser

31 24/09/2007G. Luparello31 ZN: Calorimetro per Neutroni Materiale passivo Lega di W e Ni-Fe (ρ=17.6 g/cm3) 93.5 % W, 6.5%Ni-Fe 44 strati dello spessore di 1.6mm, impilati in modo da formare un parallelepipedo di 7.2 x 7.2 x 100 cm 3 Materiale attivo 1936 fibre di quarzo inserite nelle scanalature del convertitore e distanziate di 1.6mm Rapporto tra materiale attivo e materiale passivo è di 1/22 Le fibre sono disposte a 0° rispetto allasse dellLHC ed escono dal retro del calorimetro e sono accoppiate ai PM Le fibre sono divise in 5 gruppi e ogni gruppo è accoppiato ad un PM 1 fibra su 2 raggiunge un PM comune. Le restanti fibre sono raggruppate in base alla loro posizione e portano la luce a 4 diversi PM I PM usati sono del tipo HAMAMATSU R con una efficienza quantica del 25%

32 24/09/2007G. Luparello32 ZP: Calorimetro per Protoni Materiale passivo 30 strati di ottone (ρ=8.48 g/cm 3 ) dello spessore di 4mm impilati in modo da formare un parallelepipedo di 22.8x12x150cm 3 Materiale attivo 1680 fibre di quarzo inserite nelle scanalature del convertitore e distanziate di 4mm Rapporto tra il materiale attivo e materiale passivo è di 1/65 Le fibre sono disposte a 0° rispetto allasse dellLHC ed escono dal retro del calorimetro e sono accoppiate ai PM PMT 1 PMT 2 PMT 3 PMT 4 PMT c Le fibre sono divise in 5 gruppi e ogni gruppo è accoppiato ad un PM Il calorimetro è cosi diviso in 4 torri I PM usati sono del tipo HAMAMATSU R con efficienza quantica del 25%

33 24/09/2007G. Luparello33 Spettro di singolo phe dal laser Fit con 3 gaussiane μ 2 -μ 1 = (116.9±0.2)ch G= (1.826±0.003)*10 7 ZN1T3 HV = 2539 V

34 24/09/2007G. Luparello34 Risultati per altri PM di ZN1

35 24/09/2007G. Luparello35 Risultati ottenuti

36 24/09/2007G. Luparello36 Risultati ottenuti ZN

37 24/09/2007G. Luparello37 Risultati ottenuti ZP


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