Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA Massimo Bongi Esame di passaggio al terzo anno del Dottorato in Fisica, XVIII ciclo Sesto Fiorentino, 16/12/2004 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

1 particella / (km2×anno) Raggi cosmici Spettro che si estende su più di 13 ordini di grandezza Massimo tra 100 MeV/n and 1 GeV/n Sopra il massimo, legge di potenza: F  E –2.7 fino al “ginocchio” (~ 1015 eV/n) F  E –3.0 fino alla “caviglia” (~ 1019 eV/n) Composizione: 98% nuclei, 2% elettroni, tracce di altre componenti Specie nucleari: 87% H, 12% He, 1% Z > 2 Modulazione solare sotto circa 1 GeV/n 1 particella / (m2×secondo) Sciami atmosferici Ginocchio 1 particella / (m2×anno) Palloni e satelliti Caviglia 1 particella / (km2×anno) 1 particella / (m2×secolo) Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Antimateria nei raggi cosmici Frazione di positroni Flusso di antiprotoni ANTINUCLEI ANTIPROTONI e POSITRONI possibile indicazione dell’esistenza di antimateria su larga scala nell’Universo (antigalassie) origine secondaria possibile indicazione dell’esistenza di sorgenti esotiche :  annichilazione di particelle supersimmetriche  evaporazione di buchi neri primordiali Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Obiettivi dell’esperimento PAMELA STUDIO DELL’ANTIMATERIA NEI RAGGI COSMICI Misura dello spettro di protoni e antiprotoni Misura dello spettro di elettroni e positroni Misura dello spettro dei nuclei con Z<7 e ricerca di antinuclei OBIETTIVI SECONDARI Studio della modulazione dei GCR nell’Eliosfera Studio delle Particelle Solari Energetiche (SEP) Studio della magnetosfera terrestre Particella Numero in 3 anni Intervallo di energia Protoni 3•108 80 MeV – 700 GeV Antiprotoni > 3•104 80 MeV – 190 GeV Elettroni 6•106 50 MeV – 2 TeV Positroni > 3•105 50 MeV – 270 GeV Limite He/He 7•10-8 80 MeV/n – 30 GeV/n Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

La missione spaziale PAMELA posizione durante la presa dati posizione durante il lancio e le manovre orbitali Orbita ellittica (altitudine minima 350 km, massima 600 km) quasi polare (inclinazione 70,4°) con periodo di circa 93 minuti. misura della parte di bassa energia dello spettro (taglio geomagnetico) Massa totale per l’esperimento: 440 kg Potenza disponibile: 350 W PAMELA verrà installato a bordo del satellite russo ResursDK1 che sarà portato in orbita con un razzo Soyuz lanciato dal cosmodromo di Baikonur. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

La missione spaziale PAMELA ROMA 2004 ROMA 2003 CERN 2003 La missione spaziale PAMELA CERN 2003 CERN 2002 CERN 2000 Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

La struttura del rivelatore RIVELATORE DI RADIAZIONE DI TRANSIZIONE SISTEMA DI MISURA DEL TEMPO DI VOLO SPETTROMETRO MAGNETICO SISTEMA DI ANTICOINCIDENZA CALORIMETRO ELETTROMAGNETICO SCINTILLATORE INFERIORE RIVELATORE DI NEUTRONI Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Principio di funzionamento del rivelatore AC Neutron detector Bottom scintillator misura del tempo di volo e trigger misura di  misura dell’impulso e del segno della carica identificazione della particella e misura dell’energia per leptoni Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Sistema di misura del tempo di volo (TOF) e sistema di anticoincidenza (AC) AC: 4 pannelli di scintillatore plastico Bicron BC-448 montati intorno al magnete + 1 pannello montato in cima + fotomoltiplicatori Hamamatsu 5900 TOF: 3 doppi strati di scintillatore plastico Bicron BC-404 + fotomoltiplicatori Hamamatsu R5900 segnale di trigger identificazione delle particelle fino a ~1 GeV/c misura di dE/dx rivelazione di particelle di albedo definisce l’accettanza dello spettrometro aiuta a rigettare i trigger spuri (x4) CAS CAT Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

TRD, calorimetro, S4 e rivelatore di neutroni Calorimetro elettromagnetico a campionamento formato da 22 piani alternati di rivelatori a strisce di silicio e assorbitori di tungsteno (16 lunghezze di radiazione, 0.9 lunghezze di interazione) Scintillatore inferiore (S4) scintillatore plastico + 6 fotomoltiplicatori MELZ FEU-85 9 piani di straw-tubes con una miscela di Xe-CO2 alternati a radiatori con fibre di carbonio rivelatore a soglia: emissione da parte di e+, e- no emissione da parte di p, p Rivelatore di neutroni 36 contatori proporzionali a 3He + moderatore di polietilene n + 3He → p + 3H + 765 keV Misura l’energia di e+ and e- con ∆E/E = 15% / E1/2 + 5.5% Ricostruisce il profilo dello sciame sia longitudinalmente che trasversalmente: potere di reiezione adroni/leptoni 10-4 Rivelazione di sciami non completamente contenuti nel calorimetro e di neutroni prodotti nelle interazioni adroniche Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Spettrometro magnetico Sistema tracciante di rivelatori al silicio nel campo magnetico prodotto da un magnete permanente 5 moduli magnetici di lega sinterizzata Nd-Fe-B alloggiati in una struttura di alluminio cavità (132 x 162 x 445) mm3 fattore geometrico 20.5 cm2sr campo medio B = 0.4 T Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Spettrometro magnetico 6 piani di rivelatori al silicio di 300 m di spessore 6 sensori a microstrisce di silicio per ogni piano ogni sensore ha doppia faccia e doppia metallizzazione passo di lettura: 51 m sulla vista X (direzione di curvatura) e 67 m sulla vista Y Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Principio di funzionamento dello spettrometro il sistema magnetico produce una regione di intenso campo magnetico in cui le particelle cariche seguono traiettore curve il sistema tracciante misura le coordinate di sei punti nella cavità magnetica, permettendo di ricostruire la traiettoria, e da lì l’impulso e il segno della carica impulso p = qBr (r = raggio di curvatora) nel caso di B  p e B uniforme rigidità R = p/q = Br deflessione h = 1/R = q/p ∆p/p = ∆R/R = ∆h/h = R∆h (∆h = constante  risoluzione spaziale) massima rigidità misurabile: B e+ Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Schema dell’analisi RUNINFO READRAW  CORRECTION  and charge RAW DATA CALIBRATION PARAMETERS PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS RUNINFO READRAW LEVEL 0: RAW DATA  CORRECTION HISTOGRAMS PREANALYSIS calibration data subset:  and charge REDUCTION CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT calibration data subset: alignment ANALYSIS ALIGNMENT PARAMETERS LEVEL 2: TRACKS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Schema dell’analisi RUNINFO READRAW  CORRECTION  and charge RAW DATA CALIBRATION PARAMETERS PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS RUNINFO READRAW LEVEL 0: RAW DATA  CORRECTION HISTOGRAMS PREANALYSIS calibration data subset:  and charge REDUCTION CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT calibration data subset: alignment ANALYSIS ALIGNMENT PARAMETERS LEVEL 2: TRACKS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

READRAW: estrazione dei dati verifica della qualità della trasmissione estrazione del flusso dati dal protocollo di trasmissione conversione del flusso dati in file: RAW DATA estrazione del pacchetto dati dello spettrometro verifica della qualità dei dati interpretazione dell’header (parametri di acquisizione, parametri di compressione, numero dell’evento, etc...) se dati: immagazzinamento in Ntupla HBOOK se calibrazione: immagazzinamento valori dei piedistalli, del rumore e delle strisce bad ... YODA READRAW LEVEL 0: RAW DATA PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Segnale, piedistallo, rumore Il valore di un canale ADC è: il valore di base di quel canale (piedistallo, PED) che fluttua con un rumore intrinseco , a cui si somma una fluttuazione variabile da evento a evento ma uguale per tutti i canali di una certa sezione del rivelatore (rumore di modo comune, CN), e l’eventuale segnale S dovuto alla ionizzazione di una particella. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Compressione dei dati La trasmissione dei dati da satellite impone una compressione dei dati dello spettrometro Zero Order Predictor (ZOP): ∆ = ADC - PED - CN Il primo valore è sempre trasmesso; i seguenti se si discostano più di 4 volte il loro rumore s dall’ultimo trasmesso. Insieme al valore si trasmette anche l’indirizzo di una striscia, a meno che la precedente non sia stata trasmessa. Lo ZOP è corredato di un algoritmo cerca picchi che, nel caso un valore superi 7 s, impone la trasmissione di 2 strisce prima e dopo il massimo. L’algoritmo è irreversibile, ma assicura un fattore di compressione circa del 94% senza perdita di risoluzione e di efficienza. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Schema dell’analisi RUNINFO READRAW  CORRECTION  and charge RAW DATA CALIBRATION PARAMETERS PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS RUNINFO READRAW LEVEL 0: RAW DATA  CORRECTION HISTOGRAMS PREANALYSIS calibration data subset:  and charge REDUCTION CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT calibration data subset: alignment ANALYSIS ALIGNMENT PARAMETERS LEVEL 2: TRACKS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

REDUCTION: ricerca dei cluster decompressione dei dati: calcolo del segnale di ogni striscia: identificazione dei cluster di particella: con Ccl=7 con Cincl=4 calcolo del segnale totale del cluster: PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS LEVEL 0: RAW DATA REDUCTION LEVEL 1: CLUSTERS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Schema dell’analisi RUNINFO READRAW  CORRECTION  and charge RAW DATA CALIBRATION PARAMETERS PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS RUNINFO READRAW LEVEL 0: RAW DATA  CORRECTION HISTOGRAMS PREANALYSIS calibration data subset:  and charge REDUCTION CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT calibration data subset: alignment ANALYSIS ALIGNMENT PARAMETERS LEVEL 2: TRACKS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

PREANALYSIS: calibrazione  calibration data subset:  and charge  CORRECTION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS PREANALYSIS A ogni cluster di carica deve essere associato un punto di impatto della particella. Il metodo scelto è l’algoritmo . Selezione di un sottoinsieme di dati per la calibrazione: un solo cluster per vista striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad molteplicità minore di 5 Calcolo della distribuzione della variabile  ai diversi angoli: Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

PREANALYSIS: calibrazione correlazione di carica calibration data subset:  and charge LEVEL 1: CLUSTERS CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS PREANALYSIS Se per un certo evento su un piano sono presenti più clusters, l’associazione x-y non è univoca. Analizzando la correlazione fra la carica totale dei cluster sulle viste x e y di uno stesso sensore si ricava un criterio che aiuta ad associare i cluster a formare una coppia di coordinate. Due cluster proveninenti dalla stessa particella avranno carica simile (lacune+elettroni): selezione di un campione di tracce “pulite” calcolo della distribuzione delle distanze dalla retta Sy = k Sx scelta del taglio: 4 y un solo cluster per vista striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad molteplicità minore di 5 X Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Schema dell’analisi RUNINFO READRAW  CORRECTION  and charge RAW DATA CALIBRATION PARAMETERS PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS RUNINFO READRAW LEVEL 0: RAW DATA  CORRECTION HISTOGRAMS PREANALYSIS calibration data subset:  and charge REDUCTION CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT calibration data subset: alignment ANALYSIS ALIGNMENT PARAMETERS LEVEL 2: TRACKS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Allineamento del sistema tracciante L’analisi svolta fino a questo momento riguarda un singolo sensore: carica rilasciata → cluster → coordinate del punto di impatto sul sensore Per mettere in relazione le coordinate sui diversi sensori è necessario conoscere le loro posizioni reciproche. La posizioni dei sensori sono note dal progetto meccanico, ma... precisioni meccaniche tolleranze nell’assemblaggio spostamenti durante la fase di lancio del satellite spostamenti durante le manovre orbitali  procedura per correggere il disallineamento in volo La presenza del magnete permanente implica che l’algoritmo di allineamento faccia uso di tracce curve. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Principio alla base della procedura di allineamento nel caso di tracce dritte Un fit rettilineo permette di ricavare le correzioni alle posizioni dei piani. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Principio alla base della procedura di allineamento nel caso di tracce curve Gli scostamenti dei sensori rispetto alle posizioni previste vengono determinati confrontando le coordinate misurate dei punti di passaggio con quelle attese in base alla conoscenza dell’impulso. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Algoritmo di allineamento selezione di un campione di tracce a impulso noto + fit rettilineo: un solo cluster per vista striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad molteplicità minore di 5 taglio sul 2 del fit per escludere tracce affette da scattering multiplo calcolo dei punti di impatto usando l’algoritmo  a seconda dell’angolo ricostruzione della traccia nel campo magnetico non uniforme, noto l’impulso: calcolo della somma dei quadrati degli scarti fra le coordinate misurate corrette per il disallineamento e quelle ricostruite: con i=indice del piano, j=indice dell’evento LEVEL 1: CLUSTERS calibration data subset: alignment  CORRECTION HISTOGRAMS ALIGNMENT ALIGNMENT PARAMETERS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Risultato dell’allineamento Usando le tracce di protoni acquisiti durante la prova su fascio del 2003 al CERN, sono stati ricavati i parametri di allineamento delle sei colonne di sensori. Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Parametri di allineamento Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Schema dell’analisi RUNINFO READRAW  CORRECTION  and charge RAW DATA CALIBRATION PARAMETERS PEDESTALS, SIGMAS AND BAD STRIPS MAPS RUNINFO READRAW LEVEL 0: RAW DATA  CORRECTION HISTOGRAMS PREANALYSIS calibration data subset:  and charge REDUCTION CHARGE CORRELATION HISTOGRAMS LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT calibration data subset: alignment ANALYSIS ALIGNMENT PARAMETERS LEVEL 2: TRACKS Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

ANALYSIS: ricostruzione della traccia LEVEL 1: CLUSTERS ALIGNMENT PARAMETERS  CORRECTION HISTOGRAMS CHARGE CORRELATION ANALYSIS LEVEL 2: TRACKS calcolo dei punti di impatto usando l’algoritmo  per i differenti angoli correzione delle coordinate per il disallineamento dei piani nel caso di più cluster per piano, associazione dei cluster x e y, sfruttando anche l’informazione sulla correlazione di carica... ricostruzione della traccia nel campo magnetico non uniforme  impulso e carica della particella Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004

Allineamento complessivo dello spettrometro determinare come variano i parametri di allineamento dei sensori di ogni colonna in funzione dei parametri presi come riferimento... allineare tutti i sensori rispetto a una coppia... uso delle misure delle posizioni reciproche dei sensori di ogni piano... Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA - Massimo Bongi - 16/12/2004