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A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Tesi di dottorato: Verifica delle sistematiche della calibrazione in energia dellesperimento LVD Candidata:

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Presentazione sul tema: "A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Tesi di dottorato: Verifica delle sistematiche della calibrazione in energia dellesperimento LVD Candidata:"— Transcript della presentazione:

1 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Tesi di dottorato: Verifica delle sistematiche della calibrazione in energia dellesperimento LVD Candidata: dr. A. Porta Relatori: prof. P. Galeotti, dr. W. Fulgione Tutore: prof. M Gallio

2 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Indice: Supernovae, neutrini e lesperimento LVD Lattuale sistema di calibrazione dellesperimento Verifica dellattuale sistema di calibrazione Nuovo assetto dellelettronica, nuova tecnica di calibrazione Verifica degli errori sistematici a bassa energia Conclusioni e prospettive

3 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004

4 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 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 erg di cui: ~ 99% in neutrini ~ 1% in energia cinetica ~ 0.01% in fotoni Burrows et al. Phys. Rev. D45, 3361 (1992)

5 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Lesperimento 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 Attualmente ha una massa di circa 1000 tonnellate. Il duty cycle medio di questi 12 anni e` dell87%, ed e del 98% negli ultimi tre anni.

6 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 il rivelatore (1) 840 contatori (detti tank) di 1 x 1 x 1.5 m 3 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

7 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 il rivelatore (2) Suddiviso in contatori esterni (circa 430 tonnellate)… …ed interni (circa 570 tonnellate).

8 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Lo scintillatore e i neutrini Ciascun contatore contiene 1.2 ton di scintillatore con le seguenti caratteristiche: C n H 2n+2 con = mg/l di POPOP 1 mg/l di PPO = 0.78 g/cm 3 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 + 12 C 12 N + e - (c.c.) 12 N 12 C + e + + e e + 12 C 12 B + e + (c.c.) 12 B 12 C + e - + e i ( i ) + 12 C i ( i ) C (c.n.)

9 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 canale 1 canale 2 canale 3 canale 4 canale 5 canale 6 canale 7 canale 8 Lelettronica di acquisizione PMT2 PMT3 a b c out Canale 1 C175 PMT1 a 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 E HT ELTELT Coincidenza tripla (250 ns) C176 Risoluzione TDC: 12.5 ns Risoluzione ADC: 0.25 x 2 n-1 pC/ch

10 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Il numero di interazioni previste con neutrini provenienti da un collasso gravitazionale Parametri utilizzati: m 2 sol = 5x10 -5 eV 2 U e2 2 = 0.33 (LMA) m 2 atm = 2.5x10 3 eV 2 |U e3 | 2= nel caso adiabatico, |U e3 | 2= nel caso non adiabatico M = 1 Kton d = 10 Kpc E b = 2.5x erg E b i = 1/6, i=e,, T x =1.5 T e, x=, M. Aglietta et al.,Nucl. Phys. Proc.Suppl.110 (2002),410 Per T = 3.5 MeV: N ev ~ 250, d=10Kpc N ev ~ 60, d=20 Kpc e, p i, 12 C c.n. e ( e ), 12 C c.c. Smirnov & Dighe, hep-ph/ , Munich

11 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Lattuale calibrazione in energia Contatore 1114 CH ADC lin Entries i vengono 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 lefficienza 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 MeV

12 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 La simulazione dellesperimento 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 dellenergia rilasciata nel contatore 1) Simulazione dellinterazione 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 dellelettronica di acquisizione Distribuzione in canali ADC

13 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 La simulazione dei muoni cosmici che interagiscono con un contatore di LVD Distribuzione angolare Distribuzione in energia Astropart. Phys. : 2 (1994), pp Astropart.Phys.7: , m.w.e m.w.e.

14 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Distribuzione dellenergia rilasciata in un contatore Picco a 186 ± 3 MeV

15 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 La costante K (1) Cosè: per ciascun contatore dellesperimento 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, lefficienza di rivelazione, lefficienza del fotocatodo, il guadagno dei dinodi dei fototubi, il guadagno dellamplificatore. Gli stessi parametri, col loro valore teorico, sono stati inseriti nella simulazione e vengono adattati alla realtà di ciascun contatore attraverso la costante K.

16 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 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: 2 i [e i + t i (K)] 2 e i Dove: i e` il bin i-esimo delle distribuzioni, e i e`il valore dellordinata della distribuzione sperimentale, t i (K) e` il valore dellordinata della distribuzione simulata in funzione di K. K=3.12 ± 0.02 Simulazione Dati sper. Tank 1222

17 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 C. Vigorito, tesi di laurea, Universita` di torino, 1993 Nuovo assetto dellelettronica: il segnale da singolo fototubo (1) Perché: lo scopo di questo lavoro e` poter abbassare la soglia alta dellesperimento. A causa di effetti di geometria labbassamento delle soglie causa un aumento degli eventi di coda della distribuzione di soglia alta R max = N phe (PM max )/N phe ( PM i ) > 0.53 PMT1 PMT2 PMT3 e - da 5 MeV e - da 10 MeV da 2.2 MeV da MeV

18 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 canale 1 canale 2 canale 3 canale 4 canale 5 canale 6 canale 7 canale 8 Nuovo assetto dellelettronica: il segnale da singolo fototubo(2) Come: PMT2 PMT3 a b c out Canale 1 C175 PMT1 a b c out Canale 2 Canale 3 a b c out …………… Canale 8 FIFO DAQ C176

19 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 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) 80% 185±5 166±5148±5 SimulazioneDati sperimentali

20 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Calibrazione del singolo fototubo (metodo 2) Per ciascun evento: [ i=1,3 CHlin(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 PMT1PMT2 PMT3 PMT(i)/3 cal

21 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Calibrazione del singolo fototubo Cal. Metodo 1Cal. Metodo 2Z del test normale PM ± ± PM ± ± PM ± ± Confronto:

22 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Verifica degli errori sistematici a bassa energia La 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 lerrore su questo valore e` puramente statistico si intende studiare lerrore 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 allesterno del contatore neutroni da sorgente di Cf posti al centro del contatore

23 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 e -, e + da -stop nel contatore(1) - e - + e + + e + + e + = 2.2 s Q m =106 MeV E e = 37 MeV Spettro in energia convoluto con distribuzione gaussiana per simulare leffetto della risoluzione in energia del rivelatore. R.Granella, tesi di laurea, Universita` di Torino,1992

24 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 e -, e + da -stop nel contatore(2) Spettro dei muoni cosmici in superficie: E` stata utilizzato un contatore posizionato in una facility di test posta nei laboratori esterni: Lapparato di rivelazione e lelettronica di acquisizione sono identici a quelli usati in galleria O.C.Allkofer et al., Phys. Lett. 36B, p. 428 (1971)

25 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 e -, e + -stop nel contatore(3) Calibrazione in energia del contatore della facility di test: Simulazione: Calibrazione dati sperimentali: Costante di calibrazione= ± ± 3 MeV 2900 ± 3 chlin Ch adc lin N eventi

26 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 e -, e + da -stop nel contatore(4) Tecnica di selezione : il muone viene selezionato come un evento di soglia alta di energia superiore a 50 MeV, lelettrone (positrone) come un evento, sempre di sogli alta, che avviene entro 10 s dal muone. E (MeV) N eventi

27 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 e -, e + da -stop nel contatore(5) Distribuzione temporale: = 2.05 ± 0.02 s Test normale: z = 7.5 N eventi t ( s)

28 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 e -, e + da -stop nel contatore(6) Distribuzione in energia: e-, e + da mustop After pulses + in coincidenza in coincidenza

29 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 e -, e + da -stop nel contatore(7) Lavoro da fare: Simulazione della distribuzione in energia dei muoni che decadono allinterno 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.

30 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Sorgente di NICf(1) Caratteristiche del 252 Cf: t 1/2 =2.645 anni 97 % dei casi decade 3 % dei casi fa` fissione con produzione di ~ 20 (80% 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 252 Cf. I neutroni interagendo con il nichel producono dei gamma con spettro riportato in figura ed interagendo con lidrogeno della paraffina dei gamma da 2.2 MeV

31 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 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 lintroduzione del funzionamento delle due soglie confronto tra la simulazione completata e i dati sperimentali al fine di individuare gli errori sistematici a queste energie

32 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 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 252 Cf: A bassa attivita`: ~ 1 fissione/minuto Spettro in energia: KT=1.3 MeV R,Bertoni et al., ICG tech. Rep. N. 21/96

33 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 Sorgente di Californio(2) Simulazione dellenergia 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

34 A. Porta, università e INFN, Torino05 novembre 2004 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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