Il calorimetro dell'esperimento...

Il calorimetro dell'esperimento PAMELA

Daniele TrocinoINFN and University of Torino

Torino, 7 novembre 2008Esame “Calorimetry in Particle Physics experiments”

07/11/08 D. Trocino Esame "Calorimetry in Particle Physics experiments" 2

Indice

• L'esperimento PAMELA ed i suoi obiettivi

• Il detector PAMELA

• Il calorimetro a imaging di PAMELA

• Test del calorimetro

• Prestazioni del calorimetro e misure fisiche


Premesse ed obiettiviRicerca di antimateria nella radiazione cosmica primaria → balloon flights:

• 1993 (TS93): elettroni e positroni di alta energia

• 1994 (CAPRICE 94): antiprotoni nel range 0.5 ÷ 3.5 GeV

• 1998 (CAPRICE 98): antiprotoni ad energie maggiori di CAPRICE 94

⇒ “naturale” evoluzione: esperimenti su satellite!

A Payload for Antimatter Matter Exploration and Lightnuclei Astrophysics → PAMELA

Obiettivi:

• Studio delle antiparticelle nei raggi cosmici

• Ricerca di antimateria

• Ricerca di dark matter

• Studio della propagazione dei raggi cosmici

• Studi di Fisica Solare

• Studio dello spettro di elettroni

Range energie # in 3 anni

antiprotoni 80 MeV 190 GeV O(104)positroni 50 MeV 270 GeV O(105)elettroni < 400 GeV O(106)protoni < 700 GeV O(108)elettr+positr < 2 TeV (calorimetro!)nuclei leggeri < 200 GeV/n (Be) O(104)


Il satellite ResursDK1

350 600 km

Durante il lancio e le manovre in orbita

In funzione

Massa: 6.7 tonnAltezza: 7.4 mArea pannelli: 36 m2

Satellite ResursDK1:

• Scopo: osservazione della superficie terrestre

• Costruito da TsSKB Progress(Samara – Russia)

• Lancio: 15 giugno 2006• Durata prevista: ~ 3 anni

Pamela:

• Ospitato in una capsulapressurizzata

• Temperatura: 5 ÷ 40 °C• Resistenza alle vibrazioni

del lancio!• Resistenza alle radiazioni

~ 25 krad = 250 Gy


Il detector PAMELA (I)

Time of flight system

Anticoincidence system

Permanent magnet

Transition Radiation Detector

Silicon Tracker

EM Calorimeter

Accettanza: 21.5 cm2sr Massa: 470 kgPotenza: ~ 360 WDimensioni: 1.3×0.7×0.7 m3


Il detector PAMELA (II)Accettanza: 21.5 cm2sr

Timeofflight• L1 trigger – reiezione albedo

particle ID (< 1 GeV) dE/dx

• Scintillat. plastico + PMT (3 piani)

• Risoluzione temporale ~ 100 ps Anticoincidence system• Reiezione di particelle

interagenti con l'apparato

• Definisce l'accettanza del tracker

• Scintillatore plastico + PMT

• Efficienza (MIP) > 99.9%

Si Tracker + magnete• Misura la rigiditità

• Magneti in NdBFe (0.43 T)

• 6 piani di microstrip di Si

• risoluzione (piano di curvatura): ~ 3 m

TRD• A soglia: segnale da e±, non da p, • 9 piani di tubi con Xe/CO2 (4 mm)

+ fibre di carbonio tracking→

• Separazione ep (insieme al calo)

Showertail catcher (S4)• Singolo scintillatore plastico

• Scopo principale: trigger del ND

Neutron Detector• 36 contatori 3He

• discriminazione e/h ad alte energie

Calorimetro a imaging in SiW


Il calorimetro di PAMELAScopi principali:• discriminazione leptone/adrone• misura dell'energia totale di e ±

• ricostruzione dello sviluppo spaziale (longitudinale etrasversale) dello sciame

• misura della distribuzione di energia lungo lo sciame

Caratteristiche:● 22 piani di W (2.6 mm / 0.74 X0)● 44 piani di strip di Si (XY coord.),

spessore 380 µm● Profondità totale: 16.3 X0 / 0.6 I● 4224 canali● Possibilità di selftriggering

(> 300 GeV; accettanza ~ 600 cm2sr)● Massa: 110 kg● Potenza consumata: 48 W

Prestazioni:● efficienza per antip, e + ~ 90%● reiezione di p ~ 105

● reiezione di e – > 104

● risoluzione in energia~ 5% @ 200 GeV


I moduli del calorimetro

44 piani di Si strip (22 X and 22 Y)

● Detector da 8×8 cm2 organizzati in matrici 3×3

● 32 strip/detector, passo 2.4 mm● Le strip di una stessa riga (colonna)

sono connesse (ladder) strip da 24 cm→

● Ogni ladder (32 canali) è lettotramite 2 frontend chip CR1.4P

6 frontend chip/piano→● In totale:

● 396 detector a Si● 264 chip CR1.4P● 4224 canali


Elettronica di frontend

Frontend → CR1.4P ASIC (progettato appositamente):● 16 canali/chip● struttura canale: CSA, shaper, T/H, out. mux.● circuito di calibrazione integrato● circuito di selftrigger integrato● shaping time = 1 µs● sensibilità = 5 mV/MIP• largo range din.: 7.1 pC = 1400 MIP (1 MIP = 4.9 fC)• ENC 2700 e≈ – rms + 5 e–/pF

ADC:• 1 ADC a 16bit/piano 44 ADC (AD977A)→• tempo totale di process. del calorimetro ~ 700 µs

Readout:• Calorimetro diviso in 4 sezioni:

Odd_X, Odd_Y, Even_X, Even_Y• 1 DSP/sezione (ADSP2187) 4 DSP→

• calibrazione online• data compression

• 1 FPGA/sezione (A54SX72) 4 FPGA→

Schema di un canale di CR1.4P


Modalità selftriggering● Obiettivo: rivelare elettroni/positroni di altissima energia (300 GeV ÷ 1 TeV)● Eventi rari rispetto al rate normale di eventi in PAMELA

essenziale aumentare l'→ accettanza geometrica per raggiungere una statistica sufficiente● Il calorimetro “standalone” può estendere l'accettanza geometrica di PAMELA da

21 cm2sr a ~ 600 cm2sr il chip CR1.4P è dotato di un'opzione → selftrigger


Test del calorimetro• Misure e test sui singoli moduli e della loro elettronica in vari siti

(capacità, leakage current, S/N con sorgenti radioattive, frontend)

• Test d'integrazione, elettronica, DAQ

• Test su un calorimetro di prova (20 layers) al CERN PS, SPS (2000) validazione delle → simulazioni delle performance del calorimetro

• Beamtest del calorimetro al CERN SPS (2004) calibrazione dei singoli canali con MIP – usati fasci di adroni senza strati

di tungsteno (meno spread rispetto al fascio di muoni) data run con

– adroni da 150 GeV– muoni da 150 GeV

– elettroni da 1501008050302010 GeV trigger casuali durante i run per il monitoring del pedestallo.


Test beam – calibrazione (I)S/N ~ 5.2 Eventi di trigger casuali

(pedestallo)

Showerprofile

Canale


Test beam – calibrazione (II)

Eventi ditrigger casuali(pedestallo) Risposta del

calorimetroa fasci di e – di

diversa energia


Test beam – calibrazione (III)A

DC

(rife

riti a

l ped

esta

llo) /

640

Energia del fascio di e – [GeV]

Fit lineare1 GeV ↔ 4.2 · 640 ADC

Risposta lineare,no saturazione

In orbita, la calibrazioneviene effettuata ogni

~95 minuti


Test beam – risoluzione energeticaFit alla funzione P1·E

–½ + P2

2 / dof 22.14/5P1 28.98 ± 0.94P2 (–0.74 ± 0.93)·10–1


E /

E [

%]

• Simulazioni con con Geant4 chetengono conto solo dello “showerleakage” danno 18% / E–½

• Qui in più: canali difettosi,incertezza sulla calibrazionee larghezza del fascio

valore costante ~ 3%(~ 5% da stime più recenti)


Calibrazione e risoluzionein selftrigger mode


Ene

rgia

rico

stru

ita [

GeV

]


E /

E [

%]

Simulazione

• Energia ricostruita dal layer con il massimo deposito + le 3 successive• I cerchi neri rappresentano una correzione per il materiale attraversato


Principio di funzionamento

Neutron detector

[γ ]

[Momento]

[Ee / ID]

BOTTOM SCINTILLATOR (S4)


Noninteracting antip (18 GeV)

“Flight” data


Interacting antip (11.6 GeV)

“Flight” data


Positron (32.3 GeV)

“Flight” data


Separazione pe– con il calorimetroDati da SPS Test Beam:

p & e (200 GeV/c)

Buona separazione.

Variabili discriminanti:

• frazione di energia rilasciatalungo la traccia nel calorim.

• matching tra energia emomento

• punto d'inizio dello sciame

• profilo longitudinale


Selezione di e+ con il calorimetro

p (nonint)

ee

ee++

p (nonint)

p (int)

p (int)

Variabili usate:

frazionedi energia

+matching

energiamomento

+p.to inizio sciame,

profilo longit.



ee

pp

ee++

Variabili usate:

frazionedi energia

+matching

energiamomento


profilo longit.


Rapporto e+ / e–


Identificazione con il calorimetro

Media troncata delle misure di dE/dx in diversi piani di Silicio


Conclusioni• PAMELA è in orbita e raccoglie dati da più di 2 anni

• Il calorimetro ha finora operato secondo le aspettative funzionamento di base (elettronica, rumore, ecc.) funziona secondo

le aspettative ed è stabile prestazioni (risoluzione, particle ID, ecc.) secondo le previsioni da

simulazioni + TestBeam il calorimetro si è dimostrato all'altezza degli obiettivi scientifici

dell'esperimento

• PAMELA è il primo esperimento nello spazio che misura gli spettri di antiprotoni e positroni ad alte energie (> 150 GeV)

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