Università di Pavia Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica 17 Dicembre 2004 Alessandro Menegolli Dottorato di Ricerca, XVIII ciclo L’esperimento ICARUS

Cos’è ICARUS? E’un rivelatore di neutrini e di altri eventi rari il cui primi due semimoduli da 300 tonnellate proprio cui primi due semimoduli da 300 tonnellate proprio in questi giorni stanno venendo trasportati da in questi giorni stanno venendo trasportati da Pavia ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso Pavia 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, Milano, Napoli, Padova, Pavia, Pisa, LNF IEHP INR Katowice, Krakow, Warsaw, Wroclaw ETHZ CIEMATGranada UCLA

La fisica di ICARUS Neutrini da Supernova… …neutrini solari… …neutrini atmosferici… …neutrini dal CERN a LNGS… …decadimento del protone

ICARUS è un rivelatore ad Argon liquido: perchè? Facile da ottenere con purezza molto elevata da industrie specializzate Facile da ottenere con purezza molto elevata da industrie specializzate Mezzo omogeneo che si comporta sia da bersaglio che da rivelatore Mezzo 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% - Economico: 1 litro costa meno di 1 euro - Punto di ebollizione = bar, non infiammabile - Punto di ebollizione = bar, non infiammabile - Densità = 1.4 g/cm 3 - Densità = 1.4 g/cm 3 - Lunghezza di radiazione = 14 cm, lunghezza di interazione = 80 cm - dE/dx (  al minimo) = 2.1 MeV/cm - Ionizzazione Dopo la 500 V/cm: coppie elettrone-ione per cm Dopo la 500 V/cm: coppie elettrone-ione per cm - Scintillazione Spettro UV,  = 128 nm (osservata da un sistema di fotomoltiplicatori Spettro UV,  = 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 deriva Elevata mobilità degli elettroni di deriva

Come funziona ICARUS ? Argon liquido (87 K) Catodo Anodo: 3 piani di fili (a ±60° e 0°) E (500 V/cm) Rivelatore ICARUS T600 Una particella che attraversa il rivelatore ionizza gli atomi di argon… ionizza gli atomi di argon…  e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- e-e-e-e- …gli elettroni vengono guidati da un campo elettrico verso tre piani di fili… sui quali si induce un segnale che viene elaborato dall’elettronica…

Catena elettronica per l’elaborazione del segnale sui tre piani di fili Segnali tipici di ICARUS T600

Modulo T600: Dati dai Raggi Cosmici Nell’estate del 2001 sono stati collezionati più di 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 Filo Drift Filo Filo Drift Drift

Tipologia degli eventi e (CC) e  (NC) Uno degli scopi principali di ICARUS e` lo studio dei processi di neutrino, per la misura dei parametri di oscillazione. Per questo risulta fondamentale la distinzione tra interazione di e in CC: e interazione di  in NC: La tecnica della TPC deve dimostrare quanto precisa sia la misura dell’energia rilasciata nell’argon liquido dagli sciami elettromagnetici prodotti nel decadimento del  0 in due fotoni. e + n → e - + p e + n → e - + p  + n →  +  0 + X  + n →  +  0 + X

Ricerca di eventi adronici con produzione di  0 La ricerca di eventi con produzione di  0 e` stata compiuta sui dati registrati dal semimodulo T300 nel Un software apposito fornisce il display (2D) degli eventi: Sciame e.m. dal  del decadimento  0  Coordinata filo (3mm pitch) Tempo di deriva

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 sciami Solo i picchi all’interno della poligonale verde (tracciata attorno allo sciame) sono selezionati per la ricostruzione in energia

Calibrazione MC con FLUKA Gli algoritmi per la misura dell’energia degli sciami e per la ricostruzione della massa del  0 (M = 135 MeV/c 2 ) sono stati ottimizzati con un’analisi MC (FLUKA) di varie tipologie di eventi con produzione di  0 :  0  (a riposo)   + 40 Ar n  0 + X (2 GeV)  0  0 + p (a riposo)

Distribuzione della massa invariante (sinistra) e dell’energia totale (destra) di 60 sistemi  selezionati in interazioni adroniche di  - da 2 GeV su Ar, simulate con FLUKA e adroniche di  - da 2 GeV su Ar, simulate con FLUKA e misurate con ANATRA, dopo la calibrazione in energia

Distribuzione di massa invariante per 51 eventi reali candidati  0  Il best fit con una gaussiana sopra un fondo polinomiale da: m  = ± 6.8 MeV/c 2 PRELIMINARE

La ricostruzione di eventi  0 unita all’analisi range-energia permette la ricostruzione di eventi complessi:  0  +  -  0 Range = 10.5 cm Energia cinetica: 48.8 ± 5.2 MeV -

Spettro a bassa energia: 39 Ar La ricerca di elettroni di bassa energia (E < 1 MeV) nei dati di ICARUS T600 ha due scopi: 1. la ricerca di contaminazioni di 39 Ar nell’argon naturale dell’atmosfera naturale dell’atmosfera 2. la calibrazione a bassa energia, tramite il fit dello spettro  del 39 Ar

Fit dello spettro degli elettroni a bassa energia con lo spettro  del 39 Ar E (KeV) = (3.8 ± 0.2) ADC (counts) L’attività stimata per 39 Ar risulta (0.83 ± 0.04) Bq/litro di LAr PRELIMINARE

Fin qui il T600… ma poi? ICARUS T Spettrometro Muonico Il primo dei due moduli T1200 sarà pronto per l’arrivo del fascio CNGS (2007)

Conclusioni 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