A. Porta, università e INFN, Torino Tesi di dottorato: Verifica delle sistematiche della calibrazione in energia dell’esperimento LVD Candidata: dr. A. Porta Relatori: prof. P. Galeotti, dr. W. Fulgione Tutore: prof. M Gallio 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino Indice: Supernovae, neutrini e l’esperimento LVD L’attuale sistema di calibrazione dell’esperimento Verifica dell’attuale sistema di calibrazione Nuovo assetto dell’elettronica, nuova tecnica di calibrazione Verifica degli errori sistematici a bassa energia Conclusioni e prospettive 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino Neutrini da collasso gravitazionale stellare Burrows et al. Phys. Rev. D45, 3361 (1992) Energia di legame tipica circa 3 x 1053 erg di cui: ~ 99% in neutrini ~ 1% in energia cinetica ~ 0.01% in fotoni Fasi di emissione di : early neutrino emission (neutronizzazione, shock breakout) thermal phase (accrezione di massa, annichilazione di coppie) 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino L’esperimento LVD LVD e` situato nella sala A dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sormontato da 1400 m di roccia calcarea (circa 3800 m w e). E` attivo dal 1992 ed ha raggiunto la configurazione attuale nel 2001. Attualmente ha una massa di circa 1000 tonnellate. Il duty cycle medio di questi 12 anni e` dell’87%, ed e del 98% negli ultimi tre anni. 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino il rivelatore (1) 840 contatori (detti tank) di 1 x 1 x 1.5 m3 raggruppati in tre torri formate ciascuna da 35 portatank (gruppo di 8 tank). Ciascuna tank contiene 1.2 ton di scintillatore liquido ed e` osservata da 3 PM (2520 PM) Il sistema di tracking: contatori ad L contenenti 2 strati di tubi streamer lunghi 6.3 m. lettura bidimensionale: strip di 4 cm poste parallele e perpendicolari ai tubi risoluzione superiore a 4 mrad. 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino LVD Coll., Nuovo Cimento A105 (1992) 1793

A. Porta, università e INFN, Torino il rivelatore (2) Suddiviso in contatori esterni (circa 430 tonnellate)… …ed interni (circa 570 tonnellate). 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino Lo scintillatore e i neutrini Ciascun contatore contiene 1.2 ton di scintillatore con le seguenti caratteristiche: CnH2n+2 con <n> = 9.6 0.03 mg/l di POPOP 1 mg/l di PPO r= 0.78 g/cm3 Reazioni tra neutrini e scintillatore liquido: ne+ p  n + e+ (c.c.) n + p  g + D ni ( ni ) + e-  ni ( ni ) + e- (c.n., c.c.) ne + 12C  12N + e- (c.c.) 12N  12C + e+ + ne ne+ 12C  12B + e+ (c.c.) 12B  12C + e- + ne ni ( ni ) + 12C  ni ( ni ) + g + 12C (c.n.) 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

L’elettronica di acquisizione Coincidenza tripla (250 ns) Canale 1  canale 1  canale 2  canale 3  canale 4  canale 5  canale 6  canale 7  canale 8  a  b  c out S  Soglia alta: 7 MeV tk esterne, 4 MeV tk interne Soglia bassa: 0.8 MeV per 1 ms PMT1 EHT Canale 2 ELT  a  b  c out S PMT2 1 ms PMT3 Risoluzione TDC: 12.5 ns Risoluzione ADC:  0.25 x 2n-1 pC/ch Canale 3  a  b  c out S DAQ FIFO C176 …………… Canale 8 C175 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino Il numero di interazioni previste con neutrini provenienti da un collasso gravitazionale Smirnov & Dighe, hep-ph/9907423. Lunardini @ n 2002, Munich Parametri utilizzati: Dm2sol = 5x10-5 eV2 Ue22 = 0.33 (LMA) Dm2atm= 2.5x103 eV2 |Ue3|2= 10-2 nel caso adiabatico, |Ue3|2= 10-6 nel caso non adiabatico M = 1 Kton d = 10 Kpc Eb = 2.5x10-53 erg Ebni = 1/6, i=e,m,t Tnx =1.5 Tne, x= m,t ni, 12C c.n. M. Aglietta et al. ,Nucl. Phys. Proc.Suppl.110 (2002),410 ne(ne),12C c.c. Per T = 3.5 MeV: Nev~ 250, d=10Kpc Nev ~ 60, d=20 Kpc ne, p 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino L’attuale calibrazione in energia Viene utilizzato il picco dovuto ai muoni cosmici: i m vengono selezionati come eventi presenti in almeno due tank diverse e vicine in coincidenza temporale entro 250 ns. conoscendo le distribuzioni angolare ed energetica dei muoni nella Hall A dei L.N.G.S. e l’efficienza geometrica del rivelatore e’ stata effetuata una simulazione che ha fissato a 185 MeV il picco dei m atteso nei dati di LVD. La calibrazione viene aggiornata usando i dati di ogni contatore registrati negli ultimi tre mesi. Entries Conteggi ADC Channel Contatore 1114 185 ± 5 MeV CH ADC lin 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

La simulazione dell’esperimento 1) Simulazione dell’interazione particella-rivelatore: Particella con impulso e direzione estratti dallo spettro in energia e dalla distribuzione angolare dei m GEANT 3: interazioni tra particella e un contatore di LVD (geometria del contatore e composizione chimica scintillatore) Distribuzione dell’energia rilasciata nel contatore 2) Simulazione del funzionamento del rivelatore: Simulazione della collezione di luce sui fototubi del contatore, del funzionamento dei fototubi e dell’elettronica di acquisizione Energia rilasciata nel contatore trasformata in luce diffusa nel contatore Distribuzione in canali ADC 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino La simulazione dei muoni cosmici che interagiscono con un contatore di LVD Distribuzione in energia Astropart. Phys. : 2 (1994) , pp.103-116 10000 m.w.e. 3000 m.w.e. Distribuzione angolare 05 novembre 2004 Astropart.Phys.7:357-368,1997 A. Porta, università e INFN, Torino

Distribuzione dell’energia rilasciata in un contatore Picco a 186 ± 3 MeV 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino La costante K (1) Cos’è: per ciascun contatore dell’esperimento esistono un serie di parametri caratteristici che rendono lo spettro in energia rilasciata proporzionale allo spettro in canali ADC. Questi parametri sono: il numero di fotoni prodotti per MeV di energia rilasciata, il coefficiente di attenuazione della luce nello scintillatore, il coefficiente di riflessione, l’efficienza di rivelazione, l’efficienza del fotocatodo, il guadagno dei dinodi dei fototubi, il guadagno dell’amplificatore. Gli stessi parametri, col loro valore teorico, sono stati inseriti nella simulazione e vengono adattati alla realtà di ciascun contatore attraverso la costante K. 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino La costante K (2) Come si calcola: minimizzando, in funzione di K, la differenza tra la distribuzione in canali ADC simulata e la stessa distribuzione sperimentale. A questo scopo si è usato il metodo dei minimi quadrati: 2=Si ____________ [ei + ti(K)]2 ei Dove: i e` il bin i-esimo delle distribuzioni, ei e`il valore dell’ordinata della distribuzione sperimentale, ti(K) e` il valore dell’ordinata della distribuzione simulata in funzione di K. K=3.12 ± 0.02 Tank 1222 Simulazione Dati sper. 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

Nuovo assetto dell’elettronica: il segnale da singolo fototubo (1) Perché: lo scopo di questo lavoro e` poter abbassare la soglia alta dell’esperimento. A causa di effetti di geometria l’abbassamento delle soglie causa un aumento degli eventi di coda della distribuzione di soglia alta. PMT1 e- da 10 MeV e- da 5 MeV Rmax = Nphe(PMmax)/Nphe(SPMi) > 0.53 30 PMT2 40 50 g da 2.2 MeV g da 15.11 MeV PMT3 C. Vigorito, tesi di laurea, Universita` di torino, 1993 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

Nuovo assetto dell’elettronica: il segnale da singolo fototubo(2) Come: Canale 1  canale 1  canale 2  canale 3  canale 4  canale 5  canale 6  canale 7  canale 8  a  b  c out S  PMT1 Canale 2  a  b  c out S PMT2 PMT3 Canale 3  a  b  c out S DAQ FIFO C176 …………… Canale 8 C175 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

Calibrazione del singolo fototubo (metodo 1) Simulazione Dati sperimentali A causa di effetti geometrici i tre singoli fototubi vedono il picco dovuto ai muoni cosmici a energia minore rispetto alla loro somma analogica. 90% 148±5 166±5 80% 80% 100% 148±5 185±5 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

Calibrazione del singolo fototubo (metodo 2) Per ciascun evento: [Si=1,3 CHlin(i)]/3  E* Posso calcolare E*/CHlin(i) per i tre PMTs e farne la distribuzione su tutti gli eventi per ottenere la calibrazione di ciascun fototubo. PMT1 PMT2 Ch ADC lin Ch ADC lin PMT3 SPMT(i)/3 Ch ADC lin Ch ADC lin 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino Calibrazione del singolo fototubo Confronto: Cal. Metodo 1 Cal. Metodo 2 Z del test normale PM1 0.2732±0.0116 0.2767±0.0019 0.298 PM2 0.2777±0.0104 0.2755±0.0055 0.130 PM3 0.2884±0.0188 0.3080±0.0048 1.010 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

Verifica degli errori sistematici a bassa energia La tecnica attualmente utilizzata considera un solo punto per la calibrazione in energia della distribuzione in canali ADC: il picco dei muoni cosmici posto a 185 ± 5 MeV. Siccome l’errore su questo valore e` puramente statistico si intende studiare l’errore sistematico che si commette a basse energie con questo tipo di calibrazione. A questo scopo verranno confrontati le distribuzioni in energia di dati provenienti da segnali conosciuti di bassa energia con le distribuzioni derivanti dalla simulazione dei medesimi segnali: e-,e+ provenienti da m-stop nel contatore gamma da sorgente di NiCf posta all’esterno del contatore neutroni da sorgente di Cf posti al centro del contatore 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino e-, e+ da m-stop nel contatore(1) m- → e- + ne + nm t = 2.2 ms m+ → e+ + ne + nm Q ≈ mm=106 MeV Ee < 53 MeV, <Ee> = 37 MeV Spettro in energia convoluto con distribuzione gaussiana per simulare l’effetto della risoluzione in energia del rivelatore. 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino R.Granella, tesi di laurea, Universita` di Torino,1992

A. Porta, università e INFN, Torino e-, e+ da m-stop nel contatore(2) E` stata utilizzato un contatore posizionato in una facility di test posta nei laboratori esterni: Spettro dei muoni cosmici in superficie: L’apparato di rivelazione e l’elettronica di acquisizione sono identici a quelli usati in galleria 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino O.C.Allkofer et al., Phys. Lett. 36B, p. 428 (1971)

A. Porta, università e INFN, Torino e-, e+ m-stop nel contatore(3) Calibrazione in energia del contatore della facility di test: Calibrazione dati sperimentali: Simulazione: N eventi 2900 ± 3 chlin 178 ± 3 MeV Ch adc lin Costante di calibrazione= 0.06138 ± 0.00011 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino e-, e+ da m-stop nel contatore(4) Tecnica di selezione: il muone viene selezionato come un evento di soglia alta di energia superiore a 50 MeV, l’elettrone (positrone) come un evento, sempre di sogli alta, che avviene entro 10 ms dal muone. N eventi E (MeV) 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino e-, e+ da m-stop nel contatore(5) Distribuzione temporale: N eventi t = 2.05 ± 0.02 ms Test normale: z = 7.5 dt (ms) 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino e-, e+ da m-stop nel contatore(6) Distribuzione in energia: After pulses + m in coincidenza e-, e+ da mustop m in coincidenza 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino e-, e+ da m-stop nel contatore(7) Lavoro da fare: Simulazione della distribuzione in energia dei muoni che decadono all’interno del contatore e confronto con la stessa distribuzione sperimentale al fine di selezionare meglio i veri m-stop Simulazione della distribuzione temporale dei ritardi tra i due segnali e confronto con i dati sperimentali al fine di selezionare meglio i reali m-stop Simulazione dello spettro in energia di elettroni e positroni derivanti dai m-stop e confronto con il medesimo spettro sperimentale per la verifica degli errori sistematici della calibrazione. 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino Sorgente di NICf(1) Composta da un cilindro di paraffina (~80 %) e nichel (~20 %) di raggio 10 cm e alto 20 cm con al centro una sorgente di 252Cf. Caratteristiche del 252Cf: t1/2=2.645 anni 97 % dei casi decade a 3 % dei casi fa` fissione con produzione di ~ 20 g (80% con E<1MeV) e ~ 4 neutroni con <E>=2.14 MeV I neutroni interagendo con il nichel producono dei gamma con spettro riportato in figura ed interagendo con l’idrogeno della paraffina dei gamma da 2.2 MeV 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino Sorgente di NICf(2) Picco dell’ H a 2.2 MeV Lavoro da fare: completamento della simulazione con l’introduzione del funzionamento delle due soglie confronto tra la simulazione completata e i dati sperimentali al fine di individuare gli errori sistematici a queste energie Picco del Ni a circa 9 MeV 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino Sorgente di Californio(1) R,Bertoni et al., ICG tech. Rep. N. 21/96 SBC (Surface Barrier Counter) rivela i prodotti di fissione e da` il trigger che apre un gate di 1 ms in cui la soglia e` settata bassa. Sorgente di 252Cf: A bassa attivita`: ~ 1 fissione/minuto Spettro in energia: KT=1.3 MeV 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino Sorgente di Californio(2) Simulazione dell’energia rilasciata in un contatore: Lavoro da fare: Preparazione della misura nella facility di test e acquisizione dei dati Confronto tra la simulazione e i dati sperimentali 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino

A. Porta, università e INFN, Torino Conclusioni e prospettive: Valore picco dei muoni cosmici per la vecchia calibrazione calibrazione: 185 ± 5 MeV Valore picco dei muoni cosmici per la nuova calibrazione calibrazione: 186 ± 3 MeV Segnale da singolo fototubo. Picco dei muoni visto dal fototubo centrale: 166 ± 5 MeV, Picco dei muoni visto dai fototubi laterali: 148 ± 5 MeV Nuova tecnica di calibrazione. Verifica degli errori sistematici: e-e+ da decadimento dei muoni Sorgente di NiCf Sorgente di Cf 05 novembre 2004 A. Porta, università e INFN, Torino