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

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1 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 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

2 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 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: E –2.7 fino al ginocchio (~ eV/n) E –3.0 fino alla caviglia (~ 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 / (m 2 ×secondo) Ginocchio 1 particella / (m 2 ×anno) Palloni e satelliti Caviglia 1 particella / (km 2 ×anno) Sciami atmosferici 1 particella / (m 2 ×secolo)

3 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 Antimateria nei raggi cosmici Frazione di positroniFlusso di antiprotoni ANTINUCLEI ANTIPROTONI e POSITRONI possibile indicazione dellesistenza di antimateria su larga scala nellUniverso (antigalassie) origine secondaria possibile indicazione dellesistenza di sorgenti esotiche : annichilazione di particelle supersimmetriche evaporazione di buchi neri primordiali

4 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 STUDIO DELLANTIMATERIA NEI RAGGI COSMICI protoniantiprotoni Misura dello spettro di protoni e antiprotoni elettronipositroni Misura dello spettro di elettroni e positroni nuclei con Z<7antinuclei Misura dello spettro dei nuclei con Z<7 e ricerca di antinuclei OBIETTIVI SECONDARI Studio della modulazione dei GCR nellEliosfera Studio delle Particelle Solari Energetiche (SEP) Studio della magnetosfera terrestre Obiettivi dellesperimento PAMELA ParticellaNumero in 3 anniIntervallo di energia Protoni MeV – 700 GeV Antiprotoni > MeV – 190 GeV Elettroni MeV – 2 TeV Positroni> MeV – 270 GeV Limite He/He MeV/n – 30 GeV/n

5 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 La missione spaziale PAMELA posizione durante il lancio e le manovre orbitali Massa totale per lesperimento: 440 kg Potenza disponibile: 350 W PAMELA verrà installato a bordo del satellite russo ResursDK1 che sarà portato in orbita con un razzo Soyuz lanciato dal cosmodromo di Baikonur. posizione durante la presa dati 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)

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

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

8 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 AC Neutron detector Bottom scintillator Principio di funzionamento del rivelatore misura del tempo di volo e trigger misura di misura dellimpulso e del segno della carica identificazione della particella e misura dellenergia per leptoni

9 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 Sistema di misura del tempo di volo (TOF) e sistema di anticoincidenza (AC) TOF TOF: 3 doppi strati di scintillatore plastico Bicron BC fotomoltiplicatori Hamamatsu R5900 segnale di trigger segnale di trigger identificazione delle particelle fino a ~1 GeV/c identificazione delle particelle fino a ~1 GeV/c misura di dE/dx misura di dE/dx rivelazione di particelle di albedo rivelazione di particelle di albedo AC AC: 4 pannelli di scintillatore plastico Bicron BC-448 montati intorno al magnete + 1 pannello montato in cima + fotomoltiplicatori Hamamatsu 5900 definisce laccettanza dello spettrometro aiuta a rigettare i trigger spuri (x4) CAS CAT

10 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 TRD, calorimetro, S4 e rivelatore di neutroni straw-tubes 9 piani di straw-tubes con una miscela di Xe-CO 2 alternati a radiatori con fibre di carbonio rivelatore a soglia: emissione da parte di e +, e - no emissione da parte di p, p Calorimetro elettromagnetico a campionamento formato da 22 piani alternati di rivelatori a strisce di silicio e assorbitori di tungsteno (16 lunghezze di radiazione, 0.9 lunghezze di interazione) Misura lenergia di e + and e - conE/E = 15% / E 1/ % Ricostruisce il profilo dello sciame sia longitudinalmente che trasversalmente: potere di reiezione adroni/leptoni Scintillatore inferiore (S4) scintillatore plastico + 6 fotomoltiplicatori MELZ FEU-85 Rivelatore di neutroni 36 contatori proporzionali a 3 He + moderatore di polietilene n + 3 He p + 3 H keV Rivelazione di sciami non completamente contenuti nel calorimetro e di neutroni prodotti nelle interazioni adroniche

11 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 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) mm 3 fattore geometrico 20.5 cm 2 sr campo medio B = 0.4 T

12 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 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 m sulla vista Y

13 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 B Principio di funzionamento dello spettrometro e+e+e+e+ impulso p = qBr (r = raggio di curvatora) nel caso di B p e B uniforme rigidità R = p/q = Br deflessione = 1/R = q/p p/p = R/R = / = R ( = constante risoluzione spaziale) massima rigidità misurabile: il sistema magneticoil sistema magnetico –produce una regione di intenso campo magnetico in cui le particelle cariche seguono traiettore curve il sistema traccianteil sistema tracciante –misura le coordinate di sei punti nella cavità magnetica, permettendo di ricostruire la traiettoria, e da lì limpulso e il segno della carica

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

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

16 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 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 YODA READRAW estrazione del pacchetto dati dello spettrometro verifica della qualità dei dati interpretazione dellheader (parametri di acquisizione, parametri di compressione, numero dellevento, etc...) » »se dati: immagazzinamento in Ntupla HBOOK » »se calibrazione: immagazzinamento valori dei piedistalli, del rumore e delle strisce bad PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS LEVEL 0: RAW DATA...

17 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 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 leventuale segnale S dovuto alla ionizzazione di una particella.

18 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 Compressione dei dati Lalgoritmo è irreversibile, ma assicura un fattore di compressione circa del 94% senza perdita di risoluzione e di efficienza. 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 dallultimo trasmesso. Insieme al valore si trasmette anche lindirizzo 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, impone la trasmissione di 2 strisce prima e dopo il massimo.

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

20 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 decompressione dei dati: calcolo del segnale di ogni striscia: identificazione dei cluster di particella: con C cl =7 con C incl =4 calcolo del segnale totale del cluster: REDUCTION: ricerca dei cluster PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS LEVEL 0: RAW DATA REDUCTION LEVEL 1: CLUSTERS

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

22 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 PREANALYSIS: calibrazione PREANALYSIS: calibrazione A ogni cluster di carica deve essere associato un punto di impatto della particella. Il metodo scelto è lalgoritmo. 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: CORRECTION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS calibration data subset: and charge PREANALYSIS

23 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 PREANALYSIS: calibrazione correlazione di carica LEVEL 1: CLUSTERS calibration data subset: and charge PREANALYSIS CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS Se per un certo evento su un piano sono presenti più clusters, lassociazione 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 S y = k S x scelta del taglio: 4 X y un solo cluster per vista striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad molteplicità minore di 5

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

25 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 Lanalisi 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 nellassemblaggio 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 lalgoritmo di allineamento faccia uso di tracce curve. Allineamento del sistema tracciante

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

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

28 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 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 taglio sul 2 del fit per escludere tracce affette da scattering multiplo calcolo dei punti di impatto usando lalgoritmo a seconda dellangolo ricostruzione della traccia nel campo magnetico non uniforme, noto limpulso: 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 dellevento ALIGNMENT ALIGNMENT PARAMETERS CORRECTION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS calibration data subset: alignment

29 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 Risultato dellallineamento 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.

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

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

32 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004 ANALYSIS: ricostruzione della traccia LEVEL 1: CLUSTERS ANALYSIS LEVEL 2: TRACKS ALIGNMENT PARAMETERS CORRECTION HISTOGRAMS CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS calcolo dei punti di impatto usando lalgoritmo 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 linformazione sulla correlazione di carica... ricostruzione della traccia nel campo magnetico non uniforme impulso e carica della particella

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


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