Università degli Studi di Torino Laurea Magistrale in Fisica delle Interazioni Fondamentali Messa a punto finale dei Calorimetri a Zero Gradi per l’esperimento ALICE Candidata: Grazia Luparello Relatore: Prof. Mauro Gallio Controrelatore: Prof. Ezio Menichetti

Sommario L’esperimento ALICE I Calorimetri a Zero Gradi La misura della centralità Il calorimetro per neutroni e quello per protoni I test eseguiti Risultati dei test Conclusioni 24/09/2007 G. Luparello

L’esperimento ALICE Studia collisioni di ioni piombo a 5.5 TeV per coppia di nucleoni per studiare la formazione del Plasma di Quark e Gluoni Central Barrel Braccio Dimuonico Rivelatori in avanti ALICE studia le collisioni di ioni piombo ad energie nel centro di massa pari a 5.5 TeV per coppia di nucleoni. Il suo obiettivo è studiare le collisioni di un nuovo stato della materia detto Plasma di Quark e Gluoni in i quark non sono confinati all’interno dei quark ma sono liberi di muoversi (deconfinamento). Il rivelatore è costituito da: Central Barrel: Identificazione e tracciamento di adroni, fotoni e dielettroni in un intervallo di pseudorapidità di -0.9<eta<0.9. Braccio Dimuonico: Identificazione e tracciamento delle coppie di muoni in un intervallo di pseudorapidità di -4<eta<-2.4. Rivelatori in avanti: Forniscono informazioni sulla centralità dell’urto nelle collisioni A-A e coprono una regione con eta>4. ZDC ha eta>-8.7 La pseudorapidità è definita come: -ln(tg(teta/2)) Con teta= all’angolo tra la direzione della traiettoria della particella e l’asse del fascio. 24/09/2007 G. Luparello

Collisioni periferiche La centralità Gli ZDC misurano la centralità delle collisioni misurando l’energia dei nucleoni spettatori Collisioni centrali Parametro d’impatto piccolo (b) Molti nucleoni partecipanti Pochi spettatori  Poca energia negli ZDC Collisioni periferiche Parametro d’impatto grande (b) Pochi nucleoni partecipanti Molti spettatori  Molta energia negli ZDC Collisioni centrali (Raggio nucleare= R0*A^(1/3) e raggio del Pb=7 fm circa) 24/09/2007 G. Luparello

I Calorimetri a Zero Gradi di ALICE 2 set identici di calorimetri adronici ai due lati dell’IP alla distanza di 116m Ogni set comprende: 1 calorimetro per neutroni (ZN) + 1 calorimetro per protoni (ZP) Neutroni e protoni spettatori sono separati dagli elementi magnetici dell’LHC Accettanza ZP ~ 86% ZN ~100% ←IP I calorimetri a zero gradi di ALICE comprendono 2 set, posti ai due lati dell’ IP a 116m dove i due fasci percorrono due tubi separati. (La presenza dei due set permette di ridurre il background ????costituito da cosa? e migliorare la risoluzione sulla centralità.) Ogni set ha uno ZN e uno ZP. Occorrono entrambi perché neutroni e protoni spettatori sono separati dagli elementi magnetici dell’LHC. I neutroni non interagiscono e proseguono il loro moto lungo la traiettoria del fascio e quindi sono rivelati da un calorimetro posizionato sull’asse dell’LHC invece i protoni vengono deflessi e ZP è posizionato all’esterno dei tubi di fascio. I neutroni impattano su un’area che è di 0.6 * 0.6 cm2 I protoni su un’area di circa 15*2 cm2. Gli ZDC servono per misurare il centralità della collisione 24/09/2007 G. Luparello

Funzionamento del calorimetro Principio di funzionamento basato sulla rivelazione della luce Cherenkov prodotta nel materiale attivo dalle particelle dello sciame Fotocatodo Calorimetro Nucleone incidente Sciame Fotoni Cherenkov prodotti nel materiale attivo (fibre) Fotoelettroni I fotoelettroni vengono moltiplicati dai dinodi dei PM La carica raccolta all’anodo è: Qa = G * Nphe *e Il principio di funzionamento è basato sulla rivelazione della luce Cherenkov prodotta nelle fibre ottiche dalle particelle cariche dello sciame adronico prodotto dai nucleoni spettatori che colpiscono il calorimetro. I fotoni Cherenkov prodotti vengono convertiti in fotoelettroni al fotocatodo del PM I fotoelettroni subiscono moltiplicazione che e’ proporzionale al guadagno del PM La carica e’ raccolta all’anodo e mandata ad un ADC che la raccoglie e la converte in un segnale digitale. L’uso di questa tecnica soddisfa alcune importanti richieste di ALICE: Il rivelatore è compatto La risposta è veloce (larghezza del segnale <10ns, grazie alla velocità intrinseca del processo di emissione) Alta resistenza alla radiazione (104 Gy/Day alla luminosità di 1027cm-2/s). La carica raccolta è proporzionale all’energia depositata dalle particelle 24/09/2007 G. Luparello

Il Calorimetro per Neutroni Dimensioni 7.2 x 7.2 x 100 cm3 Materiale passivo Lega di W e Ni-Fe (ρ=17.6 g/cm3) 93.5 % W, 6.5%Ni-Fe Spessore strati 1.6 mm Materiale attivo 1936 fibre di quarzo Distanza tra le fibre Diametro fibre (core) 365 μm Apertura numerica 0.22 Rapporto volumico 1/22 5 fotomoltiplicatori Tipo HAMAMATSU R329-02 Efficienza quantica del 25% Both the neutron calorimeters have already been built: the first one in June 2002 the second one in June 2003 Raggruppamento delle fibre: La divisione in quadranti permetti di avere un eccesso di dati che permette di lavorare anche con un PM non funzionante. Inoltre, per Zn, permette di determinare il punto d’impatto del neutrone. Passive material : W alloy 93.5 % W, 6.5% Ni-Fe,  = 17.6 g/cm3 44 grooved slabs, each of them 1.6 mm thick, stacked to form a parallelepiped 7x7x100 cm3. Active material : quartz fibers pure silica core, silica fluorinated cladding, and a hard polymer coat with a diameter of 365, 400, and 430 m, respectively. The numerical aperture is 0.22 24/09/2007 G. Luparello

Il Calorimetro per Protoni Dimensioni 22.8 x 12 x 150 cm3 Materiale passivo Ottone (ρ=8.48 g/cm3) Spessore strati 4mm Materiale attivo 1680 fibre di quarzo Distanza tra le fibre 4 mm Diametro fibre (core) 550 μm Apertura numerica 0.22 Rapporto volumico 1/65 PMT 1 PMT 2 PMT 3 PMT 4 PMT c Both the proton calorimeters have already been built: the first one in July 2004 the second one in November 2005 Ottone: lega di rame e zinco. Materiale più leggero perché non è necesario contenere la cascata in soli 7cm. Passive material : brass rho = 9.0 g/cm3 30 grooved slabs, each of them 4 mm thick, stacked to form a parallelepiped 22.8x12x150 cm3. Active material : quartz fibers pure silica core, silica fluorinated cladding, and a hard polymer coat with a diameter of 550, 600, 630 m respectively. The numerical aperture is 0.22. 5 fotomoltiplicatori HAMAMATSU R329-02 Efficienza quantica del 25% 24/09/2007 G. Luparello

Caratterizzazione dei PM: Test effettuati Calorimetri testati con fasci di pioni e elettroni ad energie comprese fra i 50 e i 200 GeV PM caratterizzati in laboratorio prima del montaggio Caratterizzazione dei PM: Misura del guadagno assoluto di ogni PM osservando lo spettro di singolo fotoelettrone (ad HV>1800 V). Raggi cosmici Laser impulsato Costruzione della curva di guadagno Attualmente sia i calorimetri per protoni sia quelli per neutroni sono stati testati all'SPS del CERN con fasci di pioni ed elettroni con energie comprese tra i 50 e i 200 GeV/c. I test effettuati hanno permesso di mettere in evidenza: la risposta del calorimetro alle diverse energie del fascio; la linearità della risposta del calorimetro in funzione del numero di nucleoni incidenti; la risoluzione energetica; l'uniformità della risposta del rivelatore in funzione del punto d'impatto del fascio sulla parte frontale. Conoscendo queste caratteristiche è possibile avere un'idea di come ogni calorimetro si comporterà quando sarà installato a LHC. Nella messa a punto adesso \`e necessario procedere nello studio del comportamento dei fotomoltiplicatori usati, dal momento che la determinazione dell'energia dei nucleoni incidenti dipende dalla conoscenza del guadagno dei PM e dalla sua stabilità nel tempo. Pertanto sarà necessario: misurare il guadagno assoluto dei diversi fotomoltiplicatori in funzione della tensione di alimentazione; costruire la curva di guadagno dei diversi fotomoltiplicatori, cioè determinare qual'è l'andamento del guadagno in funzione della tensione di alimentazione usata. Le tensioni iniziali scelte saranno diverse per collisioni pp e PbPb. Nel caso di Pb saranno attorno ai 1200V a seconda dei PM per avere un guadagno di ????? Prima dell’inizio dei run: Scelta della tensione di alimentazione iniziale dei PM Durante i run: Monitoraggio della stabilità del guadagno Controllo della trasparenza delle fibre → le misure devono essere ripetibili 24/09/2007 G. Luparello

Setup per le misure con i raggi cosmici μ Scintillatori Calorimetro PM Trigger: Coincidenza di 2 scintillatori Rate di trigger: ZN circa 1.5 µ/s ZP circa 10 µ/s I muoni non sciamano attraversando il calorimetro L’energia persa è sufficiente per produrre (nel 3%dei casi circa) al fotocatodo un solo fotoelettrone che viene moltiplicato La carica raccolta all’anodo è portata ad un modulo fan in – fan out e poi ad un ADC che la converte in un segnale digitale → si costruisce lo spettro in ADC Caratteristiche ADC: 4096 canali Per ogni segnale in ingresso vengono date due misure di carica: High range: 200 fC/ch Low range: 25 fC/ch Schema del set up, Attenzione alla catena elettronica, rate di cosmici, tensioni dei PM, 24/09/2007 G. Luparello

Spettri di singolo phe dai cosmici (I) ZN1T3 HV = 2150 V conteggi canali ADC Piedestallo(μ1) Singolo phe (μ2) 2 phe (μ3) Sull’asse x, ci sono i canali ADC e sull’asse y i conteggi in un determinato canale. Sull’asse y la scala è logaritmica. Si osservano 3 picchi Circa il 97% eventi sono nel piedestallo Circa il 3% degli eventi produce 1 o piu’ phe Fit con una tripla gaussiana. La prima permette di determinare la posizione del piedestallo La seconda il picco del singolo phe La terza gaussiana è appena accennata e corrisponde alla produzione di 2 phe Determinata la posizione Fit con 3 gaussiane μ2-μ1 = (33.5 ± 0.4) ch Guadagno = (0.523 ± 0.006)*107 24/09/2007 G. Luparello

Spettri di singolo phe dai cosmici (II) ZN1T3 HV = 2400 V μ2-μ1 = (71.3 ± 0.9) ch Guadagno = (1.12 ± 0.01)*107 canali ADC conteggi Descrizione del nuovo grafico: Il picco del piedestallo rimane fermo mentre gli altri 2 si spostano verso canali ADC più alti grazie al maggiore guadagno dei PM. Intanto i picchi si allargano e il fenomeno è dovuto alle fluttuazioni nel numero di elettroni prodotto che varia poissonianamente. 24/09/2007 G. Luparello

Setup per misure con laser Filtri: Kodak Wratten Gelatin Filter con densità D variabile da 0.1 a 4 Itrasmessa = 10-D * Iemessa Per ottenere il singolo phe → D=4 Frequenza laser: 1kHz Fibre ZN ZP Laser Fenditura filtri PM riferimento Descrivere set up! Importante dire che la frequenza del laser permette di avere la stessa statistica degli spettri precedenti inun tempo molto più breve. 24/09/2007 G. Luparello

Spettri di singolo phe dal laser ZN1T3 HV = 2332 V Spettro in ADC simile a quello per i cosmici Statistica più alta Più eventi nel picco del singolo phe canali ADC conteggi μ2-μ1 =(61.3±0.1) ch G = (0.958±0.002)*107 24/09/2007 G. Luparello

Risultati ottenuti 24/09/2007 G. Luparello

Osservazioni I guadagni assoluti calcolati con i due diversi metodi sono in accordo tra loro Entrambi i metodi sono utilizzabili per il monitoraggio della stabilità Raggi cosmici: Tempi di esecuzione lunghi Misura sempre possibile anche durante la presa dati di ALICE Impulsatore laser: Tempi di esecuzione brevi (frequenza di 1 kHz) Misura possibile solo nei periodi di non funzionamento dell’LHC E’ stato quindi osservato che i 2 metodi sono in accordo tra loro ed entrambi possono essere usati in corso di esperimento per monitorare la stabilità di PM e invecchiamento delle fibre. Però i raggi cosmici hanno esecuzione molto lunghi dati i rate di cosmici attesi dopo l’installazione dei calorimetri nel tunnel ??????Rate di cosmici attesi? Le misure con laser sono molto più veloci (dell’ordine di alcuni minuti) ma richiedono l’intervento umano per poter inserire i filtri e quindi saranno possibili solo nei periodi di non funzionamento dell’Acceleratore. 24/09/2007 G. Luparello

Curva di guadagno I PM sono stati caratterizzati ad alte HV Il guadagno a basse HV è stato estrapolato dai guadagni ad alte HV Per avere dati sperimentali da confrontare con le estrapolazioni si illuminano le fibre con una luce laser ad alta intensità in modo da poter usare i PM a basse HV 24/09/2007 G. Luparello

Curva di Guadagno: Procedura (I) Il set up usato è lo stesso usato per misurare il singolo phe con laser. Si fissa l’intensità del laser al valore massimo Si sceglie una tensione iniziale dei PM attorno ai 1000V per andare a misurare il guadagno anche in una regione al di sotto della zona di lavoro ipotizzata Si attenua la luce del laser usando un filtro con D=1 Si usa l’ADC in High Range: → 200 fC/ch Spettro in ADC con piedestallo sottratto ZN1T1 HV=1020V Anche questo è uno spettro nel High Range. Asse X: canali ADC Asse y: conteggi E’ stato già sottratto il piedestallo. La posizione del picco viene identificata con la mean dell’istograma. 24/09/2007 G. Luparello

Curva di Guadagno: Procedura (II) HV=1220V HV=1120V HV=1320V HV=1327V 24/09/2007 G. Luparello

Curva di guadagno: Procedura (III) Aumentando ancora la tensione si otterrebbe un segnale all’ingresso del fan in – fan out maggiore di 1.5V → si inserisce un filtro con densità maggiore: D=2 Si torna ad avere un segnale <1.5 V. Il picco è di nuovo ad un canale basso dell’ADC HV=1327V 24/09/2007 G. Luparello

Canale ADC vs. HV D=3 D=1 D=2 D=3.2 D=3.1 D=2.4 Grafico in log-log 24/09/2007 G. Luparello

Si normalizza la curva ad un guadagno assoluto di 0.5*107 Canale ADC vs. HV Si raccordano i punti moltiplicandoli per un opportuno coefficiente ottenuto dal grafico precedente La curva di guadagno costruita è da confrontare con i guadagni assoluti Si normalizza la curva ad un guadagno assoluto di 0.5*107 24/09/2007 G. Luparello

La curva di guadagno Curve non coincidenti ad HV<1800 V 24/09/2007 G. Luparello

Linearità Le 2 curve ottenute dalle estrapolazioni sono in accordo tra loro e sono sempre al di sopra dei dati sperimentali Tale fenomeno è collegabile ad un problema di non linearità dei PM quando l’intensità luminosa è alta e la tensione di alimentazione è bassa Sono in corso serie di misure per studiare la regione di linearità dei PM variando la luce incidente tenendo fissa la tensione di alimentazione 24/09/2007 G. Luparello

Conclusioni Guadagni assoluti Curve di guadagno Per ognuno dei 20 PM sono stati calcolati i guadagni assoluti a tensioni di alimentazione maggiori di 1800 V. Sia le misure con i cosmici sia quelle con il laser permettono di caratterizzare i PM a HV>1800 V. Entrambi i metodi possono essere usati per monitorare PM e fibre → l’elettronica necessaria andrà inserita nello schema generale di trigger. Curve di guadagno Per ogni PM sono state costruite le curve di guadagno in un intervallo di tensioni compreso tra 1000 e 2700 V. 24/09/2007 G. Luparello

Misura della centralità negli ZDC Se tutta l’energia dei nucleoni spettatori è rivelata: Npart = A - Ezdc / EA (A numero di massa degli ioni collidenti ; EA è l’energia per nucleone del fascio) COLLISIONI CENTRALI e SEMIPERIFERICHE I nuclei si spaccano completamente e tutta l’energia degli spettatori è rivelata COLLISIONI MOLTO PERIFERICHE Si creano frammenti carichi che proseguono nella beam pipe e quindi la loro energia non viene rivelata dai calorimetri Calorimetro elettromagnetico: misura l’energia delle particelle prodotte con pseudorapidità 4.8<η<5.7. Situato a circa 7m dall’IP. Le particelle rivelate dallo zem sono soprattutto gamma e fotoni. 24/09/2007 G. Luparello

Il calorimetro elettromagnetico Materiale passivo 30 strati di piombo dello spessore di 3mm, inclinati di 45° rispetto alla direzione dell’asse dell’LHC 7x7x20.6 cm3 Materiale attivo Fibre di quarzo schiacciate tra gli strati di piombo e inclinate di 45° rispetto alla direzione della particella iniziale. Rapporto tra il materiale attivo e materiale passivo è di 1/22 Le fibre escono dalla parte superiore del calorimetro e sono accoppiate ad un unico PM E’ in fase di assemblamento? 24/09/2007 G. Luparello

Setup per misure con laser Fibre PM di riferimento Fenditura per filtri Laser Diottro focalizzatore 24/09/2007 G. Luparello

Accoppiamento tra fibre e laser ZN ZP 24/09/2007 G. Luparello

Trigger ausiliari Trigger con raggi cosmici Trigger con impulasatore laser 24/09/2007 G. Luparello

ZN: Calorimetro per Neutroni Materiale passivo Lega di W e Ni-Fe (ρ=17.6 g/cm3) 93.5 % W, 6.5%Ni-Fe 44 strati dello spessore di 1.6mm, impilati in modo da formare un parallelepipedo di 7.2 x 7.2 x 100 cm3 Materiale attivo 1936 fibre di quarzo inserite nelle scanalature del convertitore e distanziate di 1.6mm Rapporto tra materiale attivo e materiale passivo è di 1/22 Le fibre sono disposte a 0° rispetto all’asse dell’LHC ed escono dal retro del calorimetro e sono accoppiate ai PM Le fibre sono divise in 5 gruppi e ogni gruppo è accoppiato ad un PM Vedi slides zdc 1 fibra su 2 raggiunge un PM comune. Le restanti fibre sono raggruppate in base alla loro posizione e portano la luce a 4 diversi PM I PM usati sono del tipo HAMAMATSU R329-02 con una efficienza quantica del 25% 24/09/2007 G. Luparello

ZP: Calorimetro per Protoni Materiale passivo 30 strati di ottone (ρ=8.48 g/cm3) dello spessore di 4mm impilati in modo da formare un parallelepipedo di 22.8x12x150cm3 Materiale attivo 1680 fibre di quarzo inserite nelle scanalature del convertitore e distanziate di 4mm Rapporto tra il materiale attivo e materiale passivo è di 1/65 Le fibre sono disposte a 0° rispetto all’asse dell’LHC ed escono dal retro del calorimetro e sono accoppiate ai PM Le fibre sono divise in 5 gruppi e ogni gruppo è accoppiato ad un PM Il calorimetro è cosi diviso in 4 torri Spiegare anche prechè hanno una diversa geometria PMT 1 PMT 2 PMT 3 PMT 4 PMT c I PM usati sono del tipo HAMAMATSU R329-02 con efficienza quantica del 25% 24/09/2007 G. Luparello

Spettro di singolo phe dal laser ZN1T3 HV = 2539 V Fit con 3 gaussiane μ2-μ1 = (116.9±0.2)ch G= (1.826±0.003)*107 24/09/2007 G. Luparello

Risultati per altri PM di ZN1 24/09/2007 G. Luparello

Risultati ottenuti 24/09/2007 G. Luparello

Risultati ottenuti ZN 24/09/2007 G. Luparello

Risultati ottenuti ZP 24/09/2007 G. Luparello