Università degli studi “Federico II” Facoltà di Scienze MM.FF.NN. Corso di laurea in Fisica Calibrazione con laser UV e monitoraggio della purezza dell’Argon liquido nell’esperimento ICARUS. Candidato: Biagio Rossi matr. 60/562 Relatori: Dott. A. Ereditato Dott. G. Fiorillo

Tesi di laurea in Fisica Il progetto ICARUS L’esperimento ICARUS ICARUS è un osservatorio sotterraneo per la fisica astroparticellare e del neutrino. Il rivelatore è una camera a proiezione temporale (TPC) ad Argon liquido di grande massa (da 600 a 3000 tonnellate) in fase di installazione presso i laboratori del Gran Sasso. Il programma di ricerca si sviluppa su due linee principali: Studio delle oscillazioni di neutrino (neutrini solari, atmosferici, da supernova, dal fascio CNGS del CERN); Ricerca del decadimento del protone. ICARUS - Hall B 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Oscillazioni di neutrino Il progetto ICARUS Oscillazioni di neutrino K0  K0 na  nb Pontecorvo - Maki Nakagawa - Sakata Mescolamento dei quarks Mescolamento dei neutrini Matrice di mescolamento Autostati di sapore Autostati di massa UPMNS= 3 angoli q La % di n1, n2 e n3 in un autostato di sapore 1 fase d Violazione CP cij=cosqij sij=sinqij 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Probabilità di oscillazione Il progetto ICARUS Probabilità di oscillazione Probabilità di oscillazione na  nb nello schema a tre neutrini Dm2 L Matrice di mescolamento E Ad esempio per l’oscillazione di nm  ne Ad esempio 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Osservazioni sperimentali Evidenze dell’oscillazione di n Deficit nel flusso dei nm atmosferici in funzione dell’angolo zenithale (nm nt) (Kamiokande e Super-Kamiokande) Deficit nel flusso dei ne solari rispetto alle indicazioni del SSM (ne nx) (Homestake, Sage, GNO, SNO, Superkamiokande) Stima Stima q12 Dm221 Dm231 q23 e e Apparizione del nt e miglioramento della stima di q23 e di Dm2atm mediante l’osservazione dell’oscillazione nmnt Misura dell’angolo q13 mediante l’oscillazione nmne Obiettivi esperimento ICARUS Parametri best fit 2 s Dm221 [10-5 eV2] Dm231 [10-3 eV2] sin2q12 sin2q23 6.9 2.3 0.30 0.52 6.1 – 8.4 1.4 – 3.0 0.25 - 0.35 0.36 - 0.66 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Il progetto ICARUS Esempio: sensibilità di ICARUS a nm ne Dm2atm >> Dm2sol L è paragonabile alla lunghezza di oscillazione ‘atmosferica’ L’angolo q13 è piccolo Sperimentalmente si è constatato che: Osservando l’eventuale apparizione di ne dal fascio CNGS q13 è il collegamento fra le oscillazioni solari ed atmosferiche ICARUS dovrebbe migliorare questo limite di un fattore 5-10 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

La tecnica di rivelazione ICARUS Ionizzazione in Argon Liquido; Alta mobilità elettronica; Alta purezza (< 0.1 ppb O2, idrocarburi ecc.); Ricostruzione tridimensionale: Tre piani di fili; La terza dimensione è ottenuta dal tempo di deriva (t0 dalla scintillazione in Argon) mediante PMT. 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Il rivelatore ICARUS T600 Distanza massima di drift: 1.5 m (3 m); Velocità di drift: ~1.1 mm/ms; Tempo di drift:~1 ms @ 500V/cm. Bassissimo livello di impurezze (<0.1 ppb) 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Lavoro sperimentale di Tesi In relazione al monitoraggio della purezza e alla calibrazione del rivelatore, la Tesi ha riguardato Misura e monitoraggio della purezza dell’Argon liquido con dispositivi elettronici: MONITOR DI PUREZZA Metodo alternativo: ionizzazione dell’Argon liquido mediante laser UV (analisi dati di un esperimento preliminare) Progetto, sviluppo e messa in opera di una TPC prototipo e dei relativi dispositivi criogenici per misure di ionizzazione laser 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

1) Monitor di purezza: principi di funzionamento Lampada a Xe Piccole camere a deriva Fibra di Quarzo Flitro HV Con 4 dischi di acciaio inossidabile che fungono da elettrodi: (foto) Catodo Griglia Catodica Griglia Anodica Anodo e alcuni anelli di acciaio inossidabile che fungono da Guide di campo Anelli di Campo Flitro HV Amplificatore di carica Gabbia di Faraday Flitro HV 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Risultati: sviluppo e costruzione di PrM Costruzione di un PrM standard Costruzione di un PrM innovativo Anodo Fotocatodo Principali differenze Griglia anodica Sostegni in Vespel Distanziatori di Vespel Sostegni perforati Minor numero di guide di campo Numero ridotto di saldature Griglia catodica Griglia catodica Griglia anodica Anodo Fotocatodo 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Assemblaggio apparato sperimentale per la prova del PrM Procedura di misura Pulizia strumenti (Ultrasuoni, forno a vuoto) Assemblaggio PrM e connessioni HV Assemblaggio apparato sperimentale Procedura di vuoto (10-4mbar) Riempimento con LAr dewar esterno Filtraggio LAr e riempimento del dewar contenente il PrM Misura elettroni estratti in GAr e in LAr Misura vita media elettroni Drift in LAr 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Risultati: misura della vita media degli elettroni di deriva Misura della vita media degli elettroni di deriva in LAr Relazione fra purezza e vita media VK (mV) VA (mV) Td (ms) te (ms) E1/E2/E3 (V/cm) 339±20 0±0 n.m. 50/100/200 474±20 15±2 132±8 38±18 100/200/400 450±20 27±2 97±8 34±10 150/300/600 35±2 82±8 32± 8 200/400/800 (Numero di impurezze) Formula per il calcolo della vita media Errore % sulla misura della vita media con Limiti dei PrM: N° di elettroni estratti, bassa sensibilità per vite medie lunghe (ms) 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

2) Misure di ionizzazione al CERN Ionizzazione del LAr mediante fascio laser UV Un sistema alternativo ai PrM è stato realizzato al CERN Produzione all’interno del rivelatore di tracce analoghe a quelle di particelle ionizzanti PARAMETRI NOTI: Posizione L’istante di ingresso nella TPC Ionizzazione prodotta Vantaggi Buona risoluzione spaziale (mm) su derive lunghe (m) Misura della velocità di deriva caratterisitica della TPC Misura di eventuali distorsioni del campo elettrico Misure dei livelli energetici dell’Argon liquido 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Analisi dei dati di ionizzazione Traccia indotta da fascio laser UV Traccia indotta da m d-rays Tracce dovute all’interferenza fra DAQ e segnale di trigger Ionizzazione non costante Eventi non sempre ripetibili Geometria del sistema in quanto il fascio attraversa la TPC lungo la diagonale (pochi hit su fili con ID>125) Diminuzione di intensità del fascio UV dovuta alla divergenza 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Misura parametri caratteristici delle tracce Parametri caratteristici del segnale Segnale in uscita di un filo del piano di Induzione Mediante un Fit Event ID Wire ID Pulse Height Pulse Width Area Drift Time c2 B = baseline - A = Ampiezza t1=tempo di salita - t2=tempo di discesa 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Risultati analisi dati Muon Data <Area>=389 RMS=127 <Height>=22 RMS=6 <Width>=15 RMS=2 Laser Data <Area>=122 RMS=74 <Height>=8 RMS=4 <Width>=12 RMS=3 OBIETTIVI RAGGIUNTI Necessità di un miglioramento dell’apparato di misura per una caratterizzazione del fascio laser UV in ingresso e in uscita dalla TPC e per lo studio dei livelli energetici dell’Argon liquido Fattibilità della tecnica di ionizzazione laser UV Caratterizzazione preliminare eventi indotti da fascio laser UV FENOMENI DA INTERPRETARE Ionizzazione non uniforme Non ripetibilità degli eventi 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

3) Apparato sperimentale di Napoli TPC con guide di campo più fitte (1 ogni cm) per migliorare uniformità del campo elettrico Misure di ottimizzazione e caratterizzazione del fascio laser (Energia, divergenza, profilo longitudinale) Sistema di ottiche immerso in LAr per l’attraversamento del fascio laser su tutti i fili allo stesso istante Analisi delle caratteristiche del fascio laser in uscita con CCD camera Miglioramenti set-up 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Foto della TPC con E1 = 500V/cm E2 = 750V/cm E3 = 1125V/cm Formula per calcolo campi elettrici TPC con r=raggio dei fili (75mm), p=passo fili contigui (3mm) E1 = 500V/cm E2 = 750V/cm E3 = 1125V/cm Schermaggio griglie = 98% Trasparenza = 87% 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Prove di alta tensione Vapp(V) Imis(mA) Vc (kV) Misure di HV durante la prima immersione criogenica della TPC V I VCC   VCB VCA VmA VmB VmC (kV) (mA) 1,0 3 0,40 0,24 0,14 0,39 0,23 0,13 2,0 7 0,81 0,49 0,28 0,77 0,45 0,26 3,0 11 1,22 0,73 0,42 1,17 0,69 4,0 13 1,63 0,98 0,56 1,55 0,94 0,53 5,0 17 2,04 0,70 1,95 1,15 0,67 6,0 20 2,45 1,47 0,84 2,38 1,41 7,0 24 2,86 1,71 2,80 1,66 0,96 Nessuna resistenza rotta Vcatdodo (kV) Vc = a + b Vcatode a=-(0.0294±0.0008) kV b=0.4019±0.0002 Vc (kV) Prova di HV su piani di fili Si è applicata la tensione di lavoro della TPC, monitorando la corrente. NO SCARICHE NO Saldature imperfette Elettrodo Vapp(V) Imis(mA) Ind1 +500 5.0 Ind2 +725 6.6 Anodo +838 0.1 Catodo -14500 51.0 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Calibrazione misuratore livello Connettori segnale di uscita Sostegno in Peek Cavi LEMO 60 cm Condensatore cilindrico La misura è effettuata in base alla variazione del livello di Argon liquido che lo riempie Il segnale di uscita trasportato all’esterno del dewar mediante un passante da vuoto è letto con un multimentro digitale 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Caratterizzazione fascio laser Misura Energia Prima Configurazione Seconda Configurazione 4a Armonica Nd-YAG Emax = 12 mJ <E> = 8 mJ 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Prova del sistema di acquisizione elettronico Non c’e interferenza fra i piani Risposta TPC Invio impulso di prova su 32 fili n =15 kHz 100 mV 10 ms 1 ms Impulso di prova Rumore di fondo trascurabile 25 mV Acquisizione segnali dai fili con la TPC immersa in Argon liquido all’interno del dewar 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Obiettivi raggiunti con l’apparato in sede Progetto e realizzazione nuovo apparato sperimentale Prove di vuoto del contenitore criogenico (p<10-5 mbar) Ottimizzazione della procedura di immissione dell’Argon liquido nel dewar e filtraggio mediante Oxysorb Prove termo-meccaniche della TPC prototipo Prove di HV della TPC Prove di HV piani di fili Misura rumore di fondo elettronico Misura risposta TPC con impulsi di prova Caratterizzazione fascio laser UV (ottimizzazione e misura energia della quarta armonica, misure di divergenza) Allineamento fascio laser UV 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica

Misure effettuate …dopo la consegna della Tesi… 13 Ottobre 2004 Tesi di laurea in Fisica