Deposizione di energia in scintillatore plastico da parte di particelle cariche ionizzanti Andrea Celentano A.A Relatore: dott. Marco Ripani, INFN Genova

Perdita di energia per unità di percorso di una particella carica in moto all'interno di un mezzo per ionizzazione degli atomi Relazione di Bethe- Block: ● Esprime la perdita di energia media per unità di percorso. ● E' applicabile sotto opportune ipotesi. Perdita di energia per unità di percorso di muoni in rame Per i raggi cosmici al suolo (muoni con energia media E m = 4 GeV) si ricava con

Distribuzione statistica della perdita di energia Il processo di perdita di energia di una particella carica all'interno di un mezzo è intrinsecamente statistico. Probabilità che la particella, attraversando uno spessore x di materiale, perda una energia compresa tra D e D+dD. Sono possibili diverse distribuzioni statistiche, al variare del parametro adimensionale co n e In questo esperimento: Sono nelle condizioni di applicabilità della teoria di Landau. E' una distribuzione statistica asimmetrica, con una coda ad alte energie. Parametri caratteristici: co n

Setup sperimentale: gli scintillatori (1) Vista frontale Scintillatore plastico NE 102A Densità: Perdita media di energia per u.d.p. dei muoni: 6,5 cm h h d N° 1 N° 3 N° 2

Setup sperimentale: gli scintillatori (2) All'interno dello scintillatore centrale si hanno traiettorie di lunghezza diversa, e ciò porta ad un allargamento della distribuzione nella deposizione di energia. Avendo d=6.5 cm, i parametri caratteristici della distribuzione di Landau sono: Ho scelto h in modo che Rate dei conteggi: per traiettoria verticale. Poiché l'angolo di accettanza è piccolo: La distribuzione angolare è proporzionale a

Configurazione QDC: misura del piedistallo e taratura Piedistallo del QDC: valore in uscita dallo stesso in presenza di un segnale di ingresso nullo. Per misurarlo, per creare il segnale di gate uso un generatore di funzioni esterno, completamente scorrelato dall'uscita dei fototubi: il segnale integrando è in media nulla. Ottengo: Calibrazione del QDC: serve per convertire i canali in uscita dallo stesso nella carica trasportata dal segnale in ingresso. Per procedere, invio allo stesso vari segnali di carica nota (misurata tramite oscilloscopio) e leggo il numero di canali corrispondenti.

Setup sperimentale: elaborazione del segnale in uscita dai fototubi PC

Dati raccolti La distribuzione con cui eseguo il fit è: Distribuzione di probabilità per le lunghezze delle traiettorie: Parametri caratteristici della distribuzione: A causa della dipendenza non banale dalle quantità fisiche di interesse dei parametri contenuti nell'integrale usato per il fit non mi è stato possibile ottenere direttamente l'errore statistico, perciò ho scelto di assegnare come tale la larghezza del singolo bin nell'istogramma (pari a circa 30 canali), sapendo che ciò corrisponde ad una leggera sovrastima.

Stima degli errori sistematici presenti nella misura 1) Un cattivo allineamento degli scintillatori può aumentare notevolmente l'allargamento per effetto geometrico. Stima: s max è al più il 3% superiore al valore nominale. 2) I muoni che attraversano il rilevatore non sono mono-energetici, ma presentano uno spettro che, al suolo, è piatto per energia < 1 GeV e decresce per energie superiori. Stima: considero una particella in moto con energia 1 GeV. Ipotizzo che questi due effetti influenzino entrambe, con stesso peso, i tre valori calcolo separatamente i due contributi e sommo in quadratura per omogeneità con l'errore statistico Si osserva la presenza di errori sistematici elevati (pari a circa il 30% dei valori dei parametri)

Possibili modifiche all'esperimento Per diminuire l'errore statistico: è necessario aumentare il numero di conteggi; passando a conteggi è possibile diminuire l'errore statistico di un fattore circa 10, ma occorre un tempo di misura pari a circa 8 settimane. Per diminuire l'errore sistematico: ● Aumentare la distanza fra gli scintillatori di soglia per diminuire il contributo geometrico alla deposizione di energia. ● Allineare il sistema con strumenti di precisione, eventualmente utilizzando una struttura fissa appositamente costruita. ● Porre un blocco di materiale assorbitore tra gli scintillatori centrale ed inferiore per eliminare la parte di spettro dei muoni a bassa energia. ● Considerare esplicitamente nel fit ai dati sperimentali che il processo di moltiplicazione dei fotoelettroni è statistico e segue la legge di Poisson (portando un ulteriore allargamento della distribuzione pari a circa il 5%), ovvero, se possibile, diminuire il peso di questo effetto aumentando ulteriormente il numero di fotoelettroni prodotti al fotocatodo.

Conclusion i ● Ho eseguito una misura della deposizione di energia all'interno di uno scintillatore plastico ed i dati sperimentali ottenuti sono compatibili con la distribuzione attesa, ovvero quella di Landau corretta tenendo esplicitamente in considerazione gli effetti geometrici presenti. ● Volendo eseguire una misura che permetta di verificare la validità della teoria di Landau, è necessario modificare questo esperimento, secondo le indicazioni presentate prima, per diminuire errori statistici e sistematici e tenere conto della statistica dei fotoelettroni.

Vista dall'alto a=3.5 cm b=4.25 cm

Statistica dei fotoelettroni