Scuola di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Corso di Laurea Magistrale in Scienze Fisiche e Astrofisiche Studio della risoluzione energetica di un calorimetro isotropo a cristalli per rivelazione di raggi cosmici nello spazio RELATORE Dott. Massimo Bongi CANDIDATO Niccolò Daddi Anno Accademico 2013/2014

2 Sommario Introduzione Raggi cosmici Progetto R&D CaloCube Lavoro di tesi Simulazioni Monte Carlo Analisi dati e presentazione risultati Studio preliminare dell’effetto della risoluzione energetica sulla misura dello spettro

Raggi cosmici 3 Caratteristiche spettro: 33 ordini di grandezza in intensità 12 ordini di grandezza in energia isotropo alle varie energie Strutture spettro: Ginocchio Caviglia Composizione: nuclei (99%) → protoni (87%) nuclei 4 He (12%) altri nuclei (1%) elettroni (~ 1%) altro (< 1%) → positroni, antiprotoni γ = indice spettrale

4 Raggi cosmici - ginocchio Misure dirette: palloni stratosferici o veicoli spaziali composizione spettrale fino a E ~ 100 TeV limitata statistica Struttura ginocchio a E ~ PeV: avvicendamento meccanismi accelerazione confinamento nella galassia Estendere range misure dirette fino ad alcuni PeV Misure indirette: rivelatori a terra di EAS evidente attenuazione flusso elevata incertezza su composizione ed energia (effetti sistematici) misure dirette

5 Misura diretta ginocchio Determinazione caratteristiche rivelatore: fattore geometrico Alcune assunzioni: -efficienza di misura ε ~ 50% -tempo presa dati Δt ~ 6y Nel caso di: rivelatore planare (superficie A) flusso incidente solo da un lato F(E) flusso differenziale isotropo Per avere N ~ 100 con E > 1 PeV → G ≈ 2 m 2 sr

6 Progetto R&D CaloCube Obiettivo scientifico: misura diretta nello spazio dello spettro di energia componente nucleare RC nella regione del ginocchio Calorimetro adronico: isotropo → accettare particelle da tutte le direzioni ed aumentare accettanza omogeneo e profondo → buona risoluzione energetica Configurazione possibile: calorimetro cubico griglia simmetrica di cristalli cubici scintillatori inorganici gap tra cristalli fotodiodi + cavi Kapton

7 Lavoro di tesi Obiettivo: Ottimizzazione CaloCube (materiale e geometria) per raggiungere prestazioni migliori in termini di risoluzione energetica Organizzazione lavoro: Sviluppo codice simulazione basato su Fluka implementazione geometria (limite massa 2t) simulazione flusso di particelle isotropo e uniforme Studio dipendenza risoluzione energetica da: Materiale mezzo attivo Gap Energia (1 TeV – 1 PeV) Tipo di particella (specie nucleari più rappresentative)

8 Simulazioni MC – dipendenza materiale Criteri scelta materiale: densità lunghezza di interazione (λ I ) e di radiazione (X 0 ) Light Yield

9 Simulazioni MC – dipendenza materiale Criteri definizione proprietà geometriche: massa totale non superiore a 2t struttura meccanica in fibra di Carbonio (ρ = 1.8 g/cm 3 ) lunghezza lato cristalli pari a R M gap: rapporto tra materiale attivo e passivo costante

10 Simulazioni MC Dipendenza da GAP: materiali analizzati → CsI:Tl e BGO quattro valori del gap (×1, ×2, ×4, ×6) protoni E = 1 TeV Dipendenza da ENERGIA: CsI:Tl → protoni E = 1 TeV, 10 TeV, 100 TeV, 1 PeV BGO → protoni E = 1 TeV, 10 TeV, 100 TeV Dipendenza da TIPO di particella: materiali analizzati → CsI:Tl protoni, nuclei di 4 He, nuclei di 12 C energia E = 1 TeV

11 Analisi dati - Riduzione Analisi preliminare: calcolo segnale di scintillazione i-esimo cristallo calcolo segnale di ionizzazione diretta i-esimo fotodiodo ε R = efficienza di raccolta ε G = efficienza geometrica ε QE = efficienza quantica fotodiodo I 0 = energia media di ionizzazione calcolo segnale i-esimo canale

12 identificazione cristalli colpiti e definizione dello sciame ricostruzione asse dello sciame ricostruzione profilo longitudinale e laterale dello sciame Analisi dati - Riduzione

13 Analisi dati – Selezione eventi Categorie di eventi da eliminare: eventi non interagenti (numero cristalli colpiti > 100) eventi interagenti in cui non è possibile definire bene il punto di inizio dello sciame(cristallo con segnale > 15MIP) eventi non sufficientemente contenuti nel volume fiduciale (contenimento del punto di massimo sviluppo) Efficienza di selezione:

14 Analisi dati – Selezione eventi Distribuzione segnale totale: distribuzione abbastanza simmetrica calorimetro NON a contenimento totale campione intero eventi selezionati

15 Analisi dati – Correzione Correlazione tra segnale totale e shower length → 100%75%50%25%

16 Analisi dati – Risoluzione energetica ε S.L. = 100%ε S.L. = 75% ε S.L. = 50%ε S.L. = 25%

17 Presentazione risultati Dipendenza da MATERIALE: materiali più densi da preferire (LYSO:Ce, BGO, YAP:Yb) valore massimo G eff abbastanza indipendente dal materiale ε S.L. = 25% ε S.L. = 50% ε S.L. = 100% ε S.L. = 75%

BGO CsI:Tl 18 Presentazione risultati Dipendenza da GAP: risoluzione energetica peggiora all’aumentare del gap compromesso tra risoluzione energetica ed accettanza

BGO Gap1 19 Presentazione risultati Dipendenza da ENERGIA: risoluzione energetica non affetta da variazioni significative CsI:Tl Gap1

20 Presentazione risultati Dipendenza da TIPO di particella: risoluzione energetica migliora all’aumentare di A fattore geometrico efficace aumenta all’aumentare di A

21 Calorimetro realizzato con cristalli CsI:Tl Analisi eseguita per protoni (~ 3 TeV – 10 PeV) Andamento funzionale: (J.R. Hörandel, Astr. Phys. 19 (2003) 193 – 220) Determinazione numero di eventi: E cutoff = 10 5 GeV Studio effetto risoluzione misura RC

22 Studio effetto risoluzione misura RC Cutoff a 100 TeV Analisi eseguita per due valori di G eff : (ΔE/E) A = 29.3% (ΔE/E) B = 36.4% G A eff = 1 m 2 sr G B eff = 3 m 2 sr p1 → p2 → p3 → valori di riferimento

23 (ΔE/E) A = 29.3% (ΔE/E) B = 36.4% G A eff = 1 m 2 sr G B eff = 3 m 2 sr p1 → p2 → p3 → valori di riferimento Studio effetto risoluzione misura RC Cutoff a 300 TeV

24 (ΔE/E) A = 29.3% (ΔE/E) B = 36.4% G A eff = 1 m 2 sr G B eff = 3 m 2 sr p1 → p2 → p3 → valori di riferimento Studio effetto risoluzione misura RC Cutoff a 1 PeV

25 Conclusioni Scintillatori inorganici più densi portano a risoluzione energetica migliore a parità di G eff Gap: compromesso tra risoluzione energetica e accettanza Ampio intervallo di energie senza peggioramento nella risoluzione energetica Risoluzione energetica migliora all’aumentare di A (a parità di energia cinetica totale) CaloCube permette di mettere in evidenza la presenza del ginocchio fino a E ~ PeV Per energie superiori sembra da preferire una maggiore accettanza anche a scapito di una risoluzione energetica peggiore

26 Grazie per l’attenzione!

27 Backup slides

28 Procedura iterativa ricostruzione energia dove → estimatore dell’energia diretto iterativo protoni E=1TeV CsI:Tl

29 Stima delle incertezze protoni E=1TeV

30 Sviluppo longitudinale

31 Energia di Leakage Distribuzione energia non rivelata dal calorimetro (sfruttando le informazioni Monte Carlo) protoni E =1TeV protoni E =1PeV

32 Eventi non interagenti Flusso di muoni isotropo e uniforme con E = 1 GeV Distribuzione segnale associato a ciascun singolo cristallo per tutti gli eventi simulati Distribuzione del numero di cristalli colpiti (sopra soglia)

33 Verifica bontà procedura di convoluzione (ΔE/E) A = 29.3% (ΔE/E) B = 36.4% G A eff = 1 m 2 sr G B eff = 3 m 2 sr La procedura di convoluzione non introduce distorsioni nello spettro