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

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Messa a punto finale dei Calorimetri a Zero Gradi per l’esperimento ALICE

Candidata: Grazia Luparello

Relatore: Prof. Mauro Gallio

Controrelatore: Prof. Ezio Menichetti

Università degli Studi di TorinoUniversità degli Studi di Torino

Laurea Magistrale in Fisica delle Interazioni FondamentaliLaurea Magistrale in Fisica delle Interazioni Fondamentali

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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

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L’esperimento ALICE

Central Barrel Braccio Dimuonico

Rivelatori in avanti

Studia collisioni di ioni piombo a 5.5 TeV per coppia di nucleoni per studiare la formazione del Plasma di Quark e Gluoni

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La centralità

Collisioni centraliCollisioni centrali

Parametro d’impatto piccolo (b)

Molti nucleoni partecipanti

Pochi spettatori

Poca energia negli ZDC

Collisioni perifericheCollisioni periferiche

Parametro d’impatto grande (b)

Pochi nucleoni partecipanti

Molti spettatori

Molta energia negli ZDC

Gli ZDC misurano la centralità delle collisioni misurando l’energia dei nucleoni spettatori

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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

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Funzionamento del calorimetro

I fotoelettroni vengono moltiplicati dai dinodi dei PM La carica raccolta all’anodo è: Qa = G * Nphe *e

La carica raccolta è proporzionale all’energia depositata dalle particelle

La carica raccolta è proporzionale all’energia depositata dalle particelle

Principio di funzionamento basato sulla rivelazione della luce Cherenkov prodotta nel materiale attivo dalle particelle dello sciame

Fotoni Cherenkov prodotti nel materiale attivo (fibre)

Calorimetro

Nucleone incidente

Sciame

Fotocatodo

Fotoelettroni

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Il Calorimetro per NeutroniDimensioni 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 1.6 mm

Diametro fibre (core) 365 μm

Apertura numerica 0.22

Rapporto volumico 1/22

5 fotomoltiplicatori

Tipo HAMAMATSU R329-02

Efficienza quantica del 25%

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Il Calorimetro per Protoni

PMT 1

PMT 2

PMT 3

PMT 4

PMT c

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

5 fotomoltiplicatori

HAMAMATSU R329-02

Efficienza quantica del 25%

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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:1) Misura del guadagno assoluto di ogni PM osservando lo spettro di singolo

fotoelettrone (ad HV>1800 V). Raggi cosmici Laser impulsato

2) Costruzione della curva di guadagno

Caratterizzazione dei PM:1) Misura del guadagno assoluto di ogni PM osservando lo spettro di singolo

fotoelettrone (ad HV>1800 V). Raggi cosmici Laser impulsato

2) Costruzione della curva di guadagno

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

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Setup per le misure con i raggi cosmici Trigger: Coincidenza di 2 scintillatori Rate di trigger:

ZN circa 1.5 µ/s

ZP circa 10 µ/s

μScintillatori

Calorimetro

PM

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

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Spettri di singolo phe dai cosmici (I)ZN1T3 HV = 2150 VZN1T3 HV = 2150 V

μ2-μ1 = (33.5 ± 0.4) ch Guadagno = (0.523 ± 0.006)*107e

25fC/Ch)μ(μG 12

con

teg

gi

canali ADC

Piedestallo(μ1)

Singolo phe (μ2)

2 phe (μ3)

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Spettri di singolo phe dai cosmici (II) μ2-μ1 = (71.3 ± 0.9) ch

Guadagno = (1.12 ± 0.01)*107

ZN1T3 HV = 2400 VZN1T3 HV = 2400 V

canali ADC

con

teg

gi

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Setup per misure con laserFibre

ZNZPLaser

Fenditura filtri

PM riferimento

Fibre

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

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Spettri di singolo phe dal laser

μ2-μ1 =(61.3±0.1) ch

G = (0.958±0.002)*107

Spettro in ADC simile a quello per i cosmici Statistica più alta Più eventi nel picco del singolo phe

ZN1T3 HV = 2332 V

canali ADC

con

teg

gi

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Risultati ottenuti

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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

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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

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Curva di Guadagno: Procedura (I)Il set up usato è lo stesso usato per misurare il singolo phe con laser.

Si usa l’ADC in High Range:

→ 200 fC/ch

Spettro in ADC con piedestallo sottratto

ZN1T1ZN1T1

HV=1020V

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

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Curva di Guadagno: Procedura (II)

HV=1220V

HV=1320V

HV=1120V

HV=1327V

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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

Si torna ad avere un segnale <1.5 V.

Il picco è di nuovo ad un canale basso dell’ADC

HV=1327V

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Canale ADC vs. HV

D=1 D=2

D=2.4

D=3

D=3.1

D=3.2

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Canale ADC vs. HV

Si raccordano i punti moltiplicandoli per un opportuno coefficiente ottenuto dal grafico

precedente

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

La curva di guadagno costruita è da confrontare con i guadagni

assoluti

Si normalizza la curva ad un guadagno assoluto di 0.5*107

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La curva di guadagno

Curve non coincidenti ad HV<1800 V

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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

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Conclusioni

Guadagni assoluti 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.