Studio delle prestazioni di prototipi di MRPC Multigap ... · o non pienamente soddisfacente: il...

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI BOLOGNA

FACOLTA DI SCIENZE MATEMATICHE FISICHE E NATURALICORSO DI LAUREA IN FISICA

Studio delle prestazioni di prototipi di MRPC(Multigap Resistive Plate Chamber) con un

telescopio per raggi cosmici

Tesi di Laureadi:Roberto Preghenella

Relatore:Chiar.ma Prof.ssaLuisa Cifarelli

Anno Accademico 2002/2003— Sessione II

Con questa tesi di laurea mi propongo di studiare le prestazioni in efficienza erisoluzione di alcuni prototipi di rivelatori MRPC (Multigap Resistive Plate Cham-ber), cuore del sistema TOF di ALICE.Il lavoro sperimentale e stato effettuato nei laboratori dell’INFN di Bologna in v.leBerti Pichat con la collaborazione del personale dell’INFN di Bologna.I capitoli sono organizzati in modo tale da introdurre il lettore ai principi e agliscopi dell’esperimento ALICE per poi concentrarsi sempre piu sul sistema TOF perla misura dei tempi di volo delle particelle e infine soffermarsi sulla descrizione delrivelatore innovativo, ideato e realizzato a tale scopo.Lo studio delle prestazioni del rivelatore viene effettuato tramite un telescopio a rag-gi cosmici e costituisce la parte centrale del lavoro svolto per questa tesi di laurea.Per quanto riguada lo sviluppo sperimentale, l’analisi dati e la stesura della tesi devoringraziare le seguenti persone:

prof.ssa Luisa Cifarellidott. Rosario Nania

dott. Eugenio Scapparonedott. Andrea Alici

dott.ssa Gilda Sciolidott. Anselmo Margottidott. Pietro Antonioli

Roberto Preghenella

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Indice

1 ALICE a LHC 91.1 Esperimenti a LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2 La fisica di ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.1 Alta densita e alta temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2.2 Simmetria chirale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2.3 Diagramma di fase QCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.3 Osservare il QGP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3.1 Aumento della stranezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3.2 Soppressione degli stati cc legati . . . . . . . . . . . . . . . . 191.3.3 Canali elettromagnetici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4 Il rivelatore di ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.4.1 I componenti del rivelatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.4.2 Il magnete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.4.3 ITS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.4.4 TPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.4.5 PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.4.6 PHOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.4.7 Spettrometro per muoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2 Il sistema TOF 272.1 Identificare le particelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2 La tecnica del tempo di volo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3 Il TOF di ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3.1 R&D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.3.2 Descrizione generale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.3.3 I moduli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.3.4 Il gas nel TOF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1Research & Development, ossia ricerca e sviluppo.

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3 Camere a piani paralleli resisitivi 373.1 Camere a elettrodi conduttivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2 Camere a elettrodi resistivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.1 Planar Spark Chamber (PSC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2.2 Resistive Plate Chamber (RPC) . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.3 La fisica delle RPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.3.1 Energia persa da una particella carica . . . . . . . . . . . . . 403.3.2 Valanga e scintilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.3.3 Il gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.3.4 Il segnale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.4 La scelta di una RPC a molti gap (MRPC) . . . . . . . . . . . . . . 44

4 Le MRPC di ALICE TOF 474.1 Descrizione di una MRPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1.1 I materiali utilizzati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.2 Double-Stack MRPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.2.1 Sviluppo di MRPC double-stack . . . . . . . . . . . . . . . . 534.2.2 Design proposto per ALICE TOF . . . . . . . . . . . . . . . 554.2.3 Costruire una MRPC STRIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5 Telescopio per raggi cosmici 595.1 Descrizione del setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.1.1 Le schede di front-end . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.1.2 Il gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625.1.3 Acquisizione dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.1.4 Il trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.2 Analisi dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.2.1 Tagli sulla molteplicita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.2.2 Tagli sui TDC e sugli ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.2.3 Ricostruzione della traiettoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725.2.4 Falsi double-hit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5.3 Efficienza delle STRIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.3.1 Efficienza di una pad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.3.2 Risultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5.4 Risoluzione temporale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.4.1 Analisi dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.4.2 Time-Slewing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.4.3 Risultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

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6 Altre misure sulle MRPC STRIP 1136.1 Misure sui vetri resistivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

6.1.1 I vetri resistivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.1.2 Misurare la resistivita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.1.3 Risultati delle misure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.2 Spostamento dei vetri interni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1346.2.1 Operazioni di misura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1346.2.2 Risultati e conclusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

7 Conclusione 151

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Capitolo 1

ALICE a LHC

Negli ultimi decenni la fisica delle alte energie ha riconosciuto una teoria delleparticelle elementari e delle interazioni fondamentali, anche se ancora incompletao non pienamente soddisfacente: il Modello Standard (MS). Lo scopo della fisicadegli ioni pesanti ultra-relativistici e quello di applicare la fisica del MS a sistemicomplessi di dimensione finita e in evoluzione dinamica, studiando e comprendendocome le proprieta macroscopiche della materia nucleare, che coinvolge molti gradi diliberta, emergano dalle leggi delle particelle elementari.Il caso piu affascinante di fenomeno collettivo aspettato e un’eventuale transizione difase della materia adronica che avverrebbe a determinate densita di energia. Questofenomeno e di estrema importanza sia per la comprensione del MS a basse energie,sia per quella dell’evoluzione dell’Universo fin dai suoi primi istanti. Infatti le teoriedi Big-Bang affermano che l’Universo si sia evoluto, da uno stato iniziale di es-trema densita di energia allo stato attuale, attraverso un rapido raffreddamento cheha portato la materia ad attraversare una serie di transizioni di fase (Figura 1.1).Inoltre l’apparire di una transizione di fase, nel quadro del MS, e intrinsecamenteconnesso con la rottura di alcune simmetrie fondamentali e con l’origine della massadei sistemi adronici.Alcuni calcoli di QCD (Quantum Chromo Dynamics) prevedono che a una tem-peratura critica Tc ' ΛQCD ' 200MeV , corrispondente a una densita di energiaεc ' 1GeV/fm3, la materia nucleare subisca questa transizione di fase passandoa uno stato deconfinato di quark e gluoni, il Quark-Gluon Plasma (QGP), e che,inoltre, la simmetria chirale sia approssimativamente ristabilita e le masse dei quarksi riducano alle loro masse ”nude”.In una collisione di ioni pesanti ultra-relativistici ci si aspetta di ottenere delle densitadi energia tali da eccedere la densita critica e quindi di poter esplorare il diagrammadi fase della materia adronica per studiare la transizione di fase QCD e il QGP.

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ALICE a LHC

Figura 1.1: L’ evoluzione dell’Universo.

1.1 Esperimenti a LHC

Il problema centrale a cui dovranno dare risposta gli esperimenti a LHC (LargeHadron Collider), il collisionatore in costruzione presso i laboratori del CERN1 aGinevra, e la connessione fra la transizione di fase che coinvolge le particelle elemen-tari, le simmetrie della natura e l’origine della massa.Dai risultati di LEP (Large Electron-Positron collider) e dai calcoli teorici di QCDvi sono indicazioni che attorno alle energie del TeV possano essere trovate le risposteai piu profondi interrogativi riguardanti la fisica delle particelle elementari e la cos-mologia. LHC potrebbe scoprire una nuova fisica e dare risposte chiare alle questionipiu oscure del nostro tempo.Gli obiettivi principali del nuovo collisionatore sono essenzialmente tre:

• la ricerca del bosone scalare di Higgs, ritenuto responsabile nel Modello Stan-1European Center for Nuclear Research.

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1.1 — Esperimenti a LHC

Figura 1.2: Ubicazione dei siti degli esperimenti a LHC

dard della massa delle particelle fondamentali;

• la ricerca sperimentale dell’esistenza del Quark-Gluon Plasma (QGP) comenuovo stato della materia;

• la ricerca di particelle supersimmetriche.

Questi sono gli intenti programmatici di LHC assegnati ai 4 esperimenti che oper-eranno durante la fase di funzionamento di LHC (Figura 1.2):

• CMS;

• ATLAS;

• ALICE;

• LHC-b.

I rivelatori di CMS e ATLAS sono progettati per la ricerca della (o delle) particella diHiggs risultante dalla rottura spontanea della simmetria di gauge SU(2)L×SU(1)Y

delle interazioni elettrodeboli, responsabile della massa dei bosoni di gauge media-tori delle interazioni elettrodeboli e della massa dei fermioni fondamentali. Inoltre si

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ALICE a LHC

ricercheranno anche delle particelle supersimmetriche, manifestazione della rotturadella simmetria tra fermioni e bosoni (SUSY).LHC-b si concentrera su misure di precisione con il quark pesante b (beauty) e studi-era processi che violano la simmetria di CP.ALICE2 [1][2][3] studiera il ruolo della simmetria chirale nella generazione della mas-sa per gli adroni, investighera gli stati di equilibrio e di non-equilibrio della materiaadronica in condizioni di estrema densita di energia con lo scopo di esplorare il di-agramma di fase QCD e le proprieta dello stato di fase detto Quark-Gluon Plasma(QGP).Tutti questi esperimenti, oltre ad avere conseguenze di estrema importanza per quan-to riguarda la fisica del MS, avranno un impatto su svariati campi della cosmologia edell’astrofisica: sia per quanto riguarda lo studio e la comprensione dei primi istantidi vita dell’Universo sia per quanto riguarda lo studio e la comprensione di sistemi amolti corpi in cui la densita della materia nucleare e elevata, quali le stelle a neutroni(la cui fisica dipende dalle equazioni di stato nucleari a tali estreme densita).

1.2 La fisica di ALICE

1.2.1 Alta densita e alta temperatura

Come gia detto lo scopo principale di ALICE e quello di studiare il QGP. Epertanto necessario raggiungere delle condizioni estreme di densita di energia dellamateria adronica. LHC e progettato in modo tale da far collidere degli ioni pesantia un’energia nel centro di massa

√s = 5.5TeV/coppia di nucleoni in modo tale da

raggiungere, in collisioni Pb−Pb (Figura 1.3), le temperature e le densita di energiasufficienti a produrre un nuovo stato della materia, il QGP, la cui esistenza e statateoricamente studiata anche mediante calcoli di QCD su reticolo.Il QGP e uno stato in cui i quark non si trovano piu confinati negli adroni, maappaiono sotto forma di un gas ideale asintoticamente libero. Non e difficile immag-inare tale stato della materia se immaginiamo di comprimere la materia adronicain modo tale che la distanza media fra gli adroni sia confrontabile con la loro stes-sa dimensione. In questa condizione perde completamente di significato il concettodi confinamento dei quark negli adroni (in particolare nei nucleoni), la simmetriachirale viene approssimativamente ristabilita e le masse dei quark ridotte alle loromasse ”nude”.

2A Large Ion Collider Experiment.

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1.2 — La fisica di ALICE

Figura 1.3: Lo scontro di due ioni di piombo che porterebbe alla formazione delQGP.

1.2.2 Simmetria chirale

Ad alte temperature e per un potenziale chimico3 trascurabile, gli aspettiqualitativi della transizione al QGP sono controllati dalla simmetria chirale dellaLagrangiana di QCD [6]. L’approssimato ristabilirsi della simmetria chirale deiquark e profondamente connesso con il comportamento del vuoto di QCD.In QED la creazione di una coppia di particelle cariche dal vuoto (e+e−) a unadistanza r tra di loro necessita sempre di un’energia positiva (Epair) e pertanto,quando appare una coppia e+e−, questa e ”instabile” e si annichila, seguendo larelazione di incertezza, in un tempo

t ' 1Epair

. (1.1)

3Definito come la derivata dell’energia libera rispetto al numero di particelle, tenendo costantela temperatura.

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ALICE a LHC

La coppia e+e− e detta virtuale.In QCD il diverso comportamento dell’accoppiamento αs in funzione della distan-za (o dell’energia), rispetto a quello dell’accoppiamento α in QED, rispecchia uncomportamento ben diverso del vuoto. Infatti nel vuoto di QCD le coppie cariche(di colore) ad una distanza r non hanno sempre un’energia positiva, ma questadiminuisce fino ad un minimo dell’energia, con energia negativa, per r ' 1fm, perpoi aumentare a valori maggiori di r. Il vuoto di QCD e dunque riempito di coppiegg (gluone-gluone) e qq (quark-antiquark) reali, con importanti conseguenze.La Lagrangiana di QCD, che descrive le interazioni tra i quark e i gluoni, possiededelle simmetrie, simmetrie che sono esatte in due casi limite, determinati dalla massadei quark:

• mq → ∞: teoria di gauge pura SU(3) senza quark dinamici, con simmetriaZ3;

• mq → 0: quark dinamici con simmetria chirale.

Queste simmetrie si riflettono sulla transizione di fase della materia adronica.Consideriamo il limite mq → ∞: a basse temperature, il sistema costituito da unvuoto gluonico e da una carica campione ha tempo sufficiente per ”risistemarsi” epertanto tale carica risulta totalmente schermata.A temperature piu elevate, al di sopra di un certo valore critico Tc, non vi e temposufficiente affinche il vuoto permetta la risistemazione e la carica di colore risultavisibile. Ci aspettiamo una transizione tra una fase confinata ed una deconfinata,dovuta alla rottura della simmetria Z3, che avviene, a differenza della rottura spon-tanea nelle teorie elettrodeboli, ad energie piu elevate.Considerando l’altro limite, mq → 0, vale la simmetria chirale SU(3)L × SU(3)R

e l’elicita dei quark diventa un buon numero quantico. Poiche l’elicita deve essereconservata, un quark-left (sinistrorso) deve accoppiarsi con un antiquark-left, maessendo il vuoto riempito di coppie qq reali (che devono essere singoletti di colore edi spin) in opposto stato di elicita, un quark-left campione posto nel vuoto si an-nichilera con un antiquark-left liberando un quark-right (destrorso). All’apparenzail quark-left si e trasformato in un quark-right nel vuoto. Quindi a basse tempera-ture un quark non puo muoversi alla velocita della luce, deve acquistare una massadinamica e la simmetria chirale e rotta. Se alziamo la temperatura in modo che ilminimo dell’energia nella coppia sia positivo, le coppie cariche nel vuoto non sonopiu reali, bensı virtuali, quindi i quark non possono cambiare la loro elicita. Lasimmetria chirale e ristabilita e la massa dei quark rimane nulla.

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1.2 — La fisica di ALICE

1.2.3 Diagramma di fase QCD

La moderna formulazione di QCD come teoria asintoticamente libera, hasuggerito che tale comportamento sia connesso con una transizione di fase [5][7], lacui possibile esistenza e stata dimostrata, ad alte temperature, mediante calcoli conil metodo del reticolo4.La forma generica del diagramma di fase QCD e illustrata in Figura 1.4. Una stimadella temperatura di transizione per densita barioniche nulle, puo essere ottenutaconfrontando due approssimazioni:

• un gas adronico (HG) ideale, non interagente, costituito da pioni privi di massa;

• un gas ideale (QGP) di gluoni privi di massa e di quark di due sapori.

Questi due diversi stati posseggono un diverso numero di gradi di liberta che com-paiono nel cosiddetto fattore di degenarazione:

g = nb +(

1− 123

)nf (1.2)

dove nb e nf sono, rispettivamente, i numeri di gradi di liberta bosonici e fermionici.Consideriamo i gradi di liberta nei due diversi stati:

• per HG: abbiamo 3 gradi di liberta bosonici (nb = 3), i tre stati di isospin delpione. Non abbiamo nessun fermione;

• per QGP: abbiamo 16 gradi di liberta bosonici (8 gluoni × 2 stati di spin),nb = 16, e 24 gradi di liberta fermionici (2 sapori × 3; colori × 2 stati di spin× 2; stati di particella/antiparticella), nf = 24.

Il comportamento della pressione in funzione della temperatura e differente nei duediversi stati.A basse temperature, a partire da T = 0, il gas HG possiede una maggiore pressione.Salendo con la temperatura le pressioni dei due stati dapprima si uguagliano, poila pressione QGP diventa maggiore di quella HG, come conseguenza del maggiornumero di gradi di liberta. Poiche la fase con pressione piu elevata e quella piustabile5, a basse temperature la materia si presenta nella fase HG, come un gas di

4Per studiare la fisica di QCD abbiamo bisogno di un approccio matematico che sia in grado diestrarre risultati non perturbativi della teoria delle interazioni forti. La QCD su reticolo permetteun primo approccio che consente di studiare gli aspetti a grande distanza, non perturbativi, diQCD. Il reticolo di spazio-tempo discretizzato introdotto da questa formulazione di QCD consentedi affrontare i calcoli mediante metodi numerici.

5Per il criterio di Gibbs.

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ALICE a LHC

Figura 1.4: Diagramma di fase QCD

adroni non interagenti, mentre ad alte temperature regnera la fase QGP.La temperatura di transizione tra le due fasi e calcolata in QCD con il metododel reticolo (considerando che la transizione possa essere del primo o del secondoordine6). La temperatura critica Tc varia in base al numero di sapori dei quarkcoinvolti e in base alle loro masse. Nel limite chirale con due sapori, la temperaturacritica calcolata e Tc ' 170MeV , e basandosi su questo valore, si puo stimare ladensita di energia critica, εc ' (0.3− 1.3)GeV/fm3.

1.3 Osservare il QGP

Se vogliamo studiare il QGP dobbiamo disporre di diverse ”sonde” sperimen-tali. Ne sono state proposte molte, che sostanzialmente possono essere divise in duegruppi relativamente a:

6In una transizione di primo ordine, il sistema passa da uno stato all’altro bruscamente e laderivata prima del potenziale chimico e discontinua, mentre in una transizione del secondo ordinela derivata prima e continua.

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1.3 — Osservare il QGP

Figura 1.5: Lo scontro di due ioni Pb − Pb ad alta energia causa una grossaproduzione di particelle da rivelare.

• canali adronici;

• canali elettromagnetici,

a seconda dello stato finale prodotto.Le piu facili da rivelare nell’esperimento sono le sonde derivanti dai canali adronici,per via della loro maggiore sezione d’urto, nonostante il fatto che a causa delleinterazioni con le altre particelle prodotte, tali sonde subiscano una certa evoluzionedal momento in cui vengono create a quando vengono rivelate. Infatti il QGPsi adronizza in risonanze e in particelle, le quali, prima che la densita adronicadiminuisca, interagiscono fra di loro, in modo che la distribuzione finale degli impulsidelle particelle puo aver risentito di tali interazioni.Dall’altro punto di vista, le sonde elettromagnetiche sono piu dirette per lo studiodello stato primordiale del QGP, in quanto le loro sezioni d’urto per interazionicon la materia adronica sono trascurabili. Il fatto che la loro sezione d’urto diproduzione sia molto piccola rende tuttavia difficile rivelare tali sonde in mezzo almare di particelle prodotte nelle collisioni tra ioni pesanti.

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ALICE a LHC

1.3.1 Aumento della stranezza

Un osservabile tipico del QGP nei canali adronici e l’aumento della pro-duzione globale di stranezza. Questo avviene principalmente perche ci troviamo inuno stato ad alta temperatura e alta densita di energia.Sappiamo che a basse temperature la produzione del quark strange (s) e soppressaa causa dell’elevata (' 500MeV ) massa dinamica. Quando la simmetria chiralee restaurata, le masse dinamiche dei quark vanno sostituite con le masse effettive(ms ' 150MeV ) e si puo osservare un aumento globale della stranezza a causa dellavariazione del fattore di soppressione γs

7. Inoltre in presenza di materia adronicadeconfinata ad alta densita, i quark leggeri u e d occupano il volume centrale, e diconseguenza la loro produzione e soppressa dal principio di esclusione di Pauli.Alle energie del SPS8 si registra un aumento della produzione di stranezza di unfattore 2.5− 3.Poiche tale aumento e maggiore per particelle con un numero di quark s maggioredi uno, come nel caso del mesone φ e dei barioni Ξ− e Ω−, ci aspettiamo che sequesti vengono prodotti dalla ricombinazione dei quark nel QGP, la loro produzioneaumenti ulteriormente.Durante la collisione di ioni pesanti, inoltre, il gas di adroni prodotti ha temposufficiente per interagire. Le collisioni inelastiche

π0 + p → K+ + Λπ0 + Λ → K+ + Ξ−

π+ + Ξ− → K+ + Ω−

portano a un ulteriore aumento della stranezza.L’osservazione dell’aumento di un ordine di grandezza della produzione di barionimulti-strange e dunque una prova significativa della creazione del QGP.

7Il fattore di soppressione, rispetto alla produzione di quark up (u) e down (d), eapprossimativamente dato da

γs ' 1

2

exph−(M2

s +T2)1/2

T

i

exp

ů−(M2

q +T2)1/2

T

ÿ (1.3)

dove T e la temperatura, Ms e Mq sono, rispettivamente, le masse dinamiche del quark strange edel quark (up o down) piu leggero.

8Super Proto-Sincrotrone, acceleratore del CERN. Al SPS si realizzano collisioni di ioni diPiombo su bersaglio fisso con un’energia nel centro di massa per coppia di nucleoni di ' 17.8GeV

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1.3 — Osservare il QGP

1.3.2 Soppressione degli stati cc legati

Quando due ioni pesanti interagiscono in una collisione di altissima energia, iquark charm possono essere prodotti nelle collisioni hard (ad alti impulsi trasferiti)dei partoni, che costituiscono i nucleoni. Questi quark charm sono prodotti fintan-toche la temperatura e sufficiente a superare la soglia di produzione della coppia cc.Nel QGP, una coppia cc prodotta dalla collisione di partoni, puo dare origine a unostato legato cc solo se la dimensione di questo stato e inferiore al raggio di scher-matura9. Quindi se il mezzo ha una densita sufficientemente elevata, prima che iquark c e c formino delle risonanze, fra di loro si creano ulteriori coppie di quark equindi i quark c (e c) possono frammentarsi in stati con charm manifesto (stati opencharm). Aumentando la temperatura della materia deconfinata aumenta la densitadelle cariche di colore e cominciano a sparire gli stati con le dimensioni maggiori.Quando si raggiungono le condizioni di densita e temperatura per avere un QGPsi dovrebbe registrare una leggera soppressione degli stati J/ψ fino ad arrivare allacompleta scomparsa per temperature e densita maggiori.D’altra parte quando la J/ψ interagisce con pioni e nucleoni vi e una grande proba-bilita che scompaia. Vi e anche una maggiore probabilita che la J/ψ venga assorbitapoiche prima di formare il mesone la coppia cc puo trovarsi in uno stato di ottettodi colore, e a causa della sua maggiore carica, tale stato ha una sezione d’urto mag-giore.Quindi un indizio della formazione del QGP e dato dall’osservazione di una soppres-sione anomala degli stati J/ψ in collisioni di ioni pesanti.

1.3.3 Canali elettromagnetici

Per quanto riguarda la produzione di fotoni termici nel QGP, esistono diversepredizioni, nonostante questo segnale sia molto poco intenso rispetto al fondo atteso.Lo spettro dei fotoni diretti, prodotti in prossimita della temperatura critica Tc

dall’interazione gq → γq, e simile sia nella forma sia nell’intensita allo spettro deifotoni prodotti in un gas adronico dalla reazione πρ→ γρ.Osservare tale segnale e molto complesso non solo per il grande fondo di particelleche si ha come prodotto della collisione, ma anche perche ci si aspetta che un chiaro

9Il potenziale fra due cariche distanti r, in un mezzo denso, a causa dell’effetto di schermaturae dato da

Epot(r) = σr · 1− exp(−r/rs)

r/rs(1.4)

dove rs e il raggio di schermatura, calcolato con il modello del reticolo, pari a circa 0.3− 0.5fm, eσ e una costante di proporzionalita.

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ALICE a LHC

segnale dei fotoni diretti, provenienti dal QGP, possa essere ottenuto soltanto atemperature piu elevate di Tc e a impulsi trasversi relativamente alti (pt > 2GeV/c).

1.4 Il rivelatore di ALICE

L’esperimento ALICE [1][2][3] mira dunque ad esplorare il QGP, nuovo stato dellamateria, prodotto nelle collisioni nucleari a LHC, ricercando variazioni qualitative equantitative negli stati finali. Per fare cio e necessario studiare una serie di segnalispecifici assieme alle informazioni globali degli eventi Pb− Pb.In relazione a quanto brevemente introdotto nel paragrafo 1.3, il rivelatore di ALICEpermettera di accedere, in particolare, ai seguenti segnali per osservare un’eventualeproduzione del QGP:

• rapporti di produzione delle particelle adroniche;

• spettri dell’impulso trasverso delle particelle (temperatura e fluttuazioni di-namiche, flusso collettivo);

• interferometria delle particelle (dinamica dell’espansione);

• fluttuazioni della molteplicita delle particelle;

• struttura degli eventi;

• fotoni diretti (radiazione termica);

• decadimento dei bosoni vettori (ρ, ω, φ, J/ψ, Υ) in coppie di leptoni;

• produzione di stati con sapore pesante (charm o beauty) manifesto;

• decadimento della φ→ K+K− (variazione dei parametri a causa della simme-tria chirale).

1.4.1 I componenti del rivelatore

In Figura 1.6 possiamo osservare una rappresentazione generale del rivelatoredi ALICE.La parte centrale e racchiusa in un magnete a campo solenoidale debole e ricopre laregione di angolo polare |θ− π| < 45 (|η| < 0.9)10. Questa e costituita dai seguentisistemi di rivelazione, a partire dal punto di interazione:

10η = − lnątan θ

2

će la pseudorapidita, dove θ e l’angolo polare rispetto alla direzione dei fasci.

20

1.4 — Il rivelatore di ALICE

Figura 1.6: Il rivelatore ALICE.

21

ALICE a LHC

• ITS: un sistema di tracciamento interno, costituito da sei piani di rivelatorial silicio ad alta risoluzione [8];

• TPC: una Time Projection Chamber cilindrica [9];

• TRD: un rivelatore a radiazione di transizione;

• PID: una vasta serie di Particle Identification Detector, ossia di rivelatori perl’identificazione delle particelle:

– TOF: Time-Of-Flight system (sistema di tempo di volo), per particellea impulso basso/intermedio ;

– HMPID: contatori ottimizzati per l’identificazione di particelle ad altoimpulso [11];

– PHOS: calorimetro elettromagnetico [10].

All’esterno del magnete di ALICE rimangono:

• uno spettrometro per muoni, con accettanza di 2 − 10 in θ (η = 2.5 − 4),formato da una serie di assorbitori, un grande magnete a campo dipolare edieci stazioni di tracciamento e di trigger11 [12];

• una serie di calorimetri a zero gradi (ZDCs), a grande distanza dalla strutturaprincipale [14];

• un rivelatore di molteplicita in avanti (FMD) [13].

Vediamo ora i componenti del rivelatore singolarmente.

1.4.2 Il magnete

Per l’esperimento ALICE si e scelto di usare un campo magnetico solenoidaledebole e uniforme. L’intensita del campo magnetico, come compromesso tra larisoluzione in impulso e l’efficienza nella ricostruzione della traccia, e di 0.2−0.4T , ilche permette la ricostruzione della traccia di una particella con un impulso trasversopt ' 120MeV/c. Per le particelle con impulsi inferiori si fa affidamento all’ITS, ilsistema interno di tracciamento. Il magnete deve essere, inoltre, sufficientementegrande da contenere un calorimetro elettromagnetico posto a distanza di ' 4.6mdal vertice d’interazione degli ioni.Il magnete scelto per ALICE e lo stesso utilizzato per il precedente esperimento L3a LEP.

11Selezione veloce.

22


1.4.3 ITS

Il sistema interno di tracciamento e utilizzato per svolgere i seguenti compiti:

• ricostruire il vertice primario e i vertici secondari dei decadimenti di K0s , degli

iperoni e delle particelle con charm;

• ricostruire le traiettorie di particelle a basso impulso;

• identificare le particelle tramite misure di dEdx (perdita di energia per ioniz-

zazione) nei piani di silicio;

• migliorare la risoluzione in impulso e in angolo, che vengono misurati dallaTPC.

1.4.4 TPC

Questo rivelatore e incaricato della ricostruzione delle tracce delle particelleche, in collisioni di ioni pesanti, si presentano in densita estremamente elevate. Soloun dispositivo di questo tipo puo garantire prestazioni affidabili nonostante l’altotasso di produzione degli eventi.La geometria della camera e la seguente:

• il raggio interno e rmin = 85cm, come suggerito dalla massima densita di puntidi impatto per particelle prodotte al punto d’interazione;

• il raggio esterno, rmax = 250cm, e tale da permettere una sufficiente lunghezzadella traccia per ottenere una risoluzione migliore del 10% nella misura didE/dx ai fini dell’identificazione delle particelle a basso impulso.

La ricostruzione delle tracce comincia dai piani piu esterni, meno influenzati dallalimitata risoluzione spaziale se due tracce sono vicine. Le tracce della TPC sono poiaccoppiate all’ITS.

1.4.5 PID

Per l’identificazione degli adroni carichi, ALICE ha inoltre due rivelatori chesono esclusivamente dedicati a questo scopo, su larga parte dello spazio delle fasi:

• il TOF, un sistema di misura dei tempi di volo delle particelle, dotato di grandeaccettanza e ottimizzato per impulsi fino a qualche GeV/c;

• l’HMPID, un sistema molto piu piccolo e per impulsi piu elevati, basato sullarivelazione della radiazione Cherenkov delle particelle.

23

ALICE a LHC

L’identificazione delle particelle prodotte in un evento e di fondamentale importanzaperche permette di misurare per un singolo evento

• la distribuzione degli impulsi trasversi di π,K, p;

• il loro impulso trasverso medio (e quindi la loro temperatura);

• i rapporti di produzione K/π/p.

1.4.6 PHOS

La misura dei fotoni diretti (con pt > 2GeV/c) e molto importante poiche,come gia detto, nel QGP la loro produzione dovrebbe risultare maggiore.La produzione di un fotone dall’interazione gluone-quark assomiglia alla diffusioneCompton, il tasso di produzione e la distribuzione degli impulsi dei fotoni dipendonodalla distribuzione dei gluoni e dei quark. Quindi lo spettro dei fotoni diretti ci eutile perche:

• fornisce informazioni sullo stato termodinamico del sistema;

• fornisce informazioni dirette sui partoni nelle fasi iniziali dell’interazione (ra-diazione termica del QGP).

Lo spettrometro per fotoni PHOS e un calorimetro elettromagnetico con elevatopotere di separazione elettrone/fotone, in grado di rivelare fotoni diretti dal fondodei fotoni dovuti al decadimento degli adroni. La sensibilita attesa e di ' 5%.

1.4.7 Spettrometro per muoni

Per studiare la soppressione nella produzione di risonanze con quark pesanti,quali J/ψ, ψ′, Υ, Υ′, Υ′′, dobbiamo rivelarle, e lo si fa sfruttando il loro decadimentoin µ+µ−.Lo spettrometro per muoni e diviso in una parte interna ed una esterna, e copre unintervallo di |η| = 2.5− 4 (2 ≤ θ ≤ 9).La prima parte e costituita da un assorbitore conico di carbonio ricoperto di tung-steno, lungo 3.5m, ad una distanza di 900mm dal punto di collisione e ricopre l’interaaccettanza angolare del rivelatore.La seconda parte e costituita ancora da un assorbitore conico, lungo 18.1m, di ma-teriale ad alto Z per schermare il resto del rilevatore dalle particelle prodotte abassissimi angoli.Inoltre cosituiscono lo spettrometro per muoni:

• un dipolo magnetico con un campo magnetico di 3Tm;

24


• un assorbitore finale di ferro di 2m di spessore.

Per il tracciamento dei muoni il dispositivo comprende dieci camere a fili cosıdisposte:

• 4 tra il primo assorbitore e il magnete;

• 2 dentro al magnete;

• 4 tra il magnete e l’assorbitore finale.

25

ALICE a LHC

26

Capitolo 2

Il sistema TOF

Le collisioni degli ioni pesanti a LHC portano alla produzione, come prodottifinali, di un gran numero di particelle (tale numero aumenta via via che le collisionidiventano piu centrali, ossia meno periferiche). Quindi, per poter studiare eventualieffetti legati alla formazione del QGP e alla evoluzione dinamica del sistema, e nec-essario che l’intero apparato di rivelazione di ALICE permetta l’identificazione delmaggior numero possibile di particelle.Una particella puo essere identificata una volta che se ne conosce la carica e la massa.Per misurare la massa di una particella stabile bisogna dedurla dalle misure indipen-denti di due diverse variabili cinematiche, tra le quali almeno una dipendente dallamassa.Per esempio, e possibile misurare la velocita di una particella (e quindi il suo fattoredi Lorentz), come fanno i rivelatori RICH (Ring Imaging Cherenkov Counter), mis-urando l’angolo di emissione della radiazione Cherenkov. Tale angolo (θ) e legatoalla velocita della particella dalla relazione:

cos θ =1nβ

(2.1)

dove n e l’indice di rifrazione del mezzo attraversato dalla particella. Con i rivelatoriRICH, variando l’indice di rifrazione, e possibile identificare particelle nell’intervallodi impulsi che va da 1GeV/c a 30−40GeV/c, ma per quanto riguarda le particelle abasso impulso il funzionamento dei RICH e limitato dal fatto che la radiazione vieneemessa soltanto se β > 1

n .Nelle collisioni Pb− Pb di LHC il 99% delle particelle prodotte hanno basso impul-so, inferiore a 1− 1.5GeV/c, e sono difficilmente rivelabili tramite la loro radiazioneCherenkov.Il metodo del Time-Of-Flight (TOF) si presta invece molto bene allo scopo, in quan-

27

Il sistema TOF

to, con rivelatori dotati di ottime risoluzioni temporali (come le MRPC1), permetteun’accurata misura dei tempi di volo delle particelle, e quindi consente una piu pre-cisa conoscenza delle loro velocita.Nell’apparato ALICE la velocita di una particella misurata con il rivelatore TOF,accoppiata alla determinazione del suo impulso fatta dalla TPC e dall’ITS in pre-senza di campo magnetico, assicurano una precisa identificazione della particellastessa.

2.1 Identificare le particelle

Nel paragrafo 1.4.5 abbiamo detto che per ALICE e un’importante sfidaquella di identificare le particelle, prodotte dalle collisioni di LHC, su larga scalanello spazio delle fasi. L’identificazione di π, K e p, la misura della loro temperatura,dei loro rapporti di produzione, nonche delle eventuali fluttuazioni evento per eventodi tali grandezze consentira di ricavare informazioni sulla transizione di fase al QGPe sulla dinamica dell’espansione.Identificare i kaoni e inoltre fondamentale per misurare la densita di quark strange,che dovrebbe essere alta dopo la restaurazione della simmetria chirale. I K servonoinoltre per identificare i decadimenti open-charm (per esempio: D0 → K−π+, D+ →K−π+π+). Poiche il quark charm puo essere prodotto solo negli istanti iniziali dellacollisione, vista l’elevata massa, e poiche ha una bassa probabilita di annichilazione,questo si presenta negli stati finali nella configurazione di adroni open-charm. Quindila rivelazione degli open-charm permette una visione sui primi istanti della collisionedei partoni.

2.2 La tecnica del tempo di volo

Misurando il tempo di volo (t) di una particella, il rivelatore TOF determinala velocita della particella che lo attraversa, conoscendo la distanza percorsa (L).Se e noto anche l’impulso della particella (p), e possibile misurare la massa (m) equindi identificare la particella per mezzo della relazione

m = p

√c2t2

L2− 1 (2.2)

con una risoluzione

dm

m=dp

p+ γ2

(dt

t+dL

L

). (2.3)

1Multigap Resistive Plate Chambers, camere a molti strati con piani paralleli resistivi.

28

2.3 — Il TOF di ALICE

Se conosciamo con precisione l’impulso della particella e la lunghezza su cui misuri-amo il tempo di volo, la risoluzione con cui identifichiamo la particella e determinataprincipalmente dalla risoluzione temporale del rivelatore, che e moltiplicata per ilfattore gamma al quadrato.La differenza dei tempi di volo tra due particelle con lo stesso impulso (per pÀ m)e

c∆t =L(m2

1 −m22)

2p2, (2.4)

dove c e la velocita della luce nel vuoto.Quando gli impulsi aumentano la differenza tra i due tempi diventa confrontabilecon la risoluzione del rivelatore.Quindi possiamo definire l’abilita di un sistema TOF di distinguere due particellecome

ndt =L(m2

1 −m22)

2p2dt(2.5)

espressa in numero deviazioni standard (σt = dt).

2.3 Il TOF di ALICE

2.3.1 R&D2

In questi ultimi anni il programma di ricerca e sviluppo per il sistema TOFdi ALICE ha spinto gli studi per ottenere una configurazione ottimale del rivelatore,che rispondesse alle richieste di

• mantenere relativamente bassi i costi;

• progettare una camera di semplice costruzione;

• ottenere ottime prestazioni.

I sistemi utilizzati in passato per ottenere buone prestazioni, quali scintillatori dotatidi fototubi, hanno dei costi elevatissimi se utilizzati per costruire un sistema delle di-mensioni del TOF. I migliori candidati per ricoprire un’area di 176m2, come richiestoper l’esperimento ALICE (si veda il paragrafo 2.3.2), sono risultati i rivelatori a gas,di cui ne sono stati proposti tre tipi diversi: la camera di Pestov [15][16], la cam-era a piani paralleli (PPC) [17][18][19][20] e la camera a piani paralleli resistivi [21]

2Research & Development, ossia ricerca e sviluppo.

29

Il sistema TOF

multigap (MRPC) [22]. Tutti e tre possiedono una geometria a piani paralleli e inognuno e presente un forte campo elettrico che spinge sugli elettrodi di raccolta glielettroni prodotti dal processo di ionizzazione e di moltiplicazione a valanga quandouna particella attraversa il rivelatore.Dalle analisi sperimentali condotte in passato, la MRPC e risultata la piu adegua-ta allo scopo, vista la sua semplicita di costruzione e le sue ottime prestazioni chesoddisfano pienamente le esigenze necessarie al sistema TOF.

2.3.2 Descrizione generale

Il rivelatore TOF di ALICE circonda la regione centrale di interazione, co-prendo una superficie cilindrica, con un’accettanza polare |θ − 90| < 45 e unacompleta copertura sull’angolo azimutale. Il raggio interno del cilindro e di 3.70m.Il sistema e costituito da 90 moduli (contenenti i rivelatori MRPC) che sono attac-cati allo space-frame (scheletro metallico) di ALICE. L’intero sistema e suddiviso in18 settori azimutali di cui ognuno e composto di 5 moduli disposti parallelamentealla direzione dei fasci (Figura 2.2).Le dimensioni del rivelatore completo e dei vari moduli sono definite in modo taleche le aree di giunzione dei moduli siano allineate con le aree morte dello space-framee in modo da disturbare al minimo gli altri rivelatori. In fondo ad ogni modulo sonoposte le componenti dell’elettronica detta di front-end, per il read-out (lettura e ac-quisizione) dei segnali.Quindi ogni modulo e costituito da due parti: una piu interna contenente del gas ele MRPC, cuore del sistema TOF, ed una piu esterna contenente le schede dell’elet-tronica di front-end (FEA Front-End Analogue cards) per il read-out.Le MRPC nei moduli sono disposte trasversalmente rispetto alla direzione dei fascie orientate in modo appropriato affinche risultino normali alle traiettorie delle par-ticelle proiettate in un piano longitudinale contenente l’asse dei fasci (Figura 2.3).Questo per minimizzare gli angoli di attraversamento e quindi ridurre il numero delletraiettorie molto oblique attraverso le MRPC. In tal modo si minimizza la possibilitadi condivisione del segnale tra pad3 adiacenti che aumenta l’occupancy del rivelatore(il numero dei pad che danno segnale) e il time-jitter (fluttuazione temporale) deisegnali rivelati.Per fare cio le MRPC STRIP4 sono montate nei moduli con differenti angolazioni,che aumentano da 0 nella parte centrale del rivelatore, fino a 45 nelle estremitadei moduli esterni.Per ridurre al minimo le aree morte del rivelatore, all’interno dei moduli, le STRIP

3Gli elettrodi di read-out dei segnali, ossia di raccolta degli elettroni della valanga prodotta dallaionizzazione della particella che ha attraversato il rivelatore.

4Le chiameremo anche STRIP data la forma a striscia (strip) di ogni rivelatore MRPC.

30


sono leggermente sovrapposte, in modo che il bordo dell’area attiva di una coincidacon il bordo dell’area attiva dell’altra (Figura 2.1).

I moduli che compongono un settore del TOF sono di 3 tipi diversi, hannodimensioni diverse e contengono un numero di MRPC STRIP diverso.

2.3.3 I moduli

Poiche ogni modulo del TOF e separato in due regioni, una contenente ilgas e le STRIP, e una, separata dal gas, contenente le schede di elettronica, laparte che ospita le STRIP deve essere a prova di gas. Tale parte e dunque separatadall’elettronica da una superficie di alluminio/honeycomb5 su cui sono posti i PrintedCircuit Board (PCB) a cui ogni STRIP e connessa internamente per portare i segnalialle schede di elettronica di front-end, poste alle estremita del rivelatore stesso.I 3 diversi tipi di moduli del TOF, a seconda della posizione nello space-frame, sono:

• centrale, lungo 1.14m, con 15 STRIP;

• intermedio, lungo 1.47m, con 19 STRIP;

• esterno, lungo 1.782m, con 20 STRIP.

Come gia menzionato, la disposizione delle STRIP all’interno dei moduli e tale daminimizzare l’area morta e tale da mantenere quanto piu possibile il piano delleSTRIP normale al raggio interno del rivelatore (nelle due viste, trasversale e lon-gitudinale), in modo da minimizzare le traiettorie oblique nel rivelatore. Inoltrespeciali accorgimenti sono stati presi per minimizzare l’area morta nelle regioni disovrapposizione di due moduli.

Ogni modulo contiene:

• le MRPC STRIP;

• le schede di elettronica;

• i cavi di I/O (input/output) dei segnali;

• un sistema di raffreddamento,

e chiuso da un coperchio e posto nello space-frame di ALICE (Figure 2.2 e 2.4).

5Materiale composito con struttura a nido d’ape.

31

Il sistema TOF

Figura 2.1: Uno spaccato del modulo centrale in cui si puo notare il posizionamentodelle STRIP. Vediamo anche come si sovrappongono due moduli.

32


Figura 2.2: Una visione dei moduli del TOF.

2.3.4 Il gas nel TOF

I 90 moduli del sistema TOF contengono un volume di gas complessivo di16m3. Risultati sperimentali indicano che il rivelatore puo operare con una misturadi gas non infiammabile composta al 90% di freon (C2H2F4), al 5% di isobutano(C4H10) e al 5% di esafluoruro di zolfo (SF6).Nonostante il volume totale del gas necessario non sia elevato, gli alti costi dellamistura di gas obbligano a scegliere un sistema di gas a circolazione chiusa. Il flussodei vari componenti gassosi e controllato da dei flussimetri di massa, a loro vol-ta continuamente controllati tramite un calcolatore che eventualmente aggiusta lapercentuale della mistura. Il flusso dell’isobutano, in particolare, e accuratamentecontrollato in modo da mantenere la mistura non infiammabile per motivi di sicurez-za.Il flusso di circolazione nel TOF e previsto essere pari a 2, 7m3/h, con l’introduzionedel 5% di gas nuovo, che ricambia l’intero volume del gas, ogni 4-5 giorni.

33

Il sistema TOF

ALIC TOF Detector (Strips) 5/ 3/ 3

Figura 2.3: Una visione delle MRPC STRIP nel TOF.

34


Figura 2.4: I moduli del TOF montati nello space-frame di ALICE.

35

Il sistema TOF

36

Capitolo 3

Camere a piani paralleliresisitivi

Alla base di tutti i sistemi di rivelazione a gas vi e il processo fisico peril quale il gas viene ionizzato dalla particella che si vuole rivelare. Il passaggio diuna particella carica attraverso il gas produce delle coppie primarie ione-elettronele quali, accelerate dal campo elettrico in cui e posto il gas, urtano altri atomi delgas ed innescano nuovamente il processo di ionizzazione, se l’energia acquistata esufficiente.Con una continua ionizzazione vi e una moltiplicazione del numero di elettroni liberie la distribuzione delle cariche prodotte assume la tipica forma a valanga. Possonoessere prodotte anche delle valanghe secondarie, dovute ai fotoni che vengono emessinei processi di ricombinazione.Se il campo elettrico e sufficientemente intenso, le valanghe possono continuare aoriginare valanghe fino alla formazione dello streamer e infine fino allo sviluppo del-la scintilla quando gli elettroni ”connettono” i due elettrodi.Il comportamento di un rivelatore a gas e caratterizzato dalla quantita di caricaprodotta al suo interno, e quindi dalla tensione applicata.Sono stati progettati e utilizzati rivelatori di varie geometrie e vari modelli, e inmaniera particolare sono state sviluppate camere a piani paralleli, come anticipatonel capitolo 2, rivelatori a gas con geometria piana ed elettrodi piani e paralleli, incui il campo elettrico e uniforme.Visti i vantaggi e i successi sperimentali, ma non solo, considerando che le MRPCutilizzate per il TOF di ALICE sono rivelatori dotati di questa geometria e funzio-nano in base agli stessi principi fisici, ripercorriamo brevemente lo sviluppo di taletipo di camere per arrivare a descrivere il funzionamento delle MRPC.

37

Camere a piani paralleli resisitivi

3.1 Camere a elettrodi conduttivi

Una delle prime camere a elettrodi paralleli costruite sono le Parallel PlateChamber (PPC), realizzate intorno agli anni ’50.Le PPC hanno gli elettrodi paralleli e costituiti di materiale conduttivo, essenzial-mente due dischi di rame di 25cm2 distanti 2.5mm ai quali viene applicata unadifferenza di potenziale di 1− 3KV . Il gas utilizzato per la ionizzazione e una mis-cela di Argon e Xilene mantenuta alla pressione di 500mbar.Poiche la scintilla, prodotta dal processo di moltiplicazione a valanga tra due elettro-di non si spegne da sola, essendo gli elettrodi conduttivi, l’apparato deve possedereun circuito esterno di spegnimento con il compito di bloccare la tensione applicataper un certo intervallo di tempo.E chiaro che un dispositivo del genere ha un limite operativo in quanto durante iltempo morto in cui viene rimossa la tensione, la camera non e piu attiva. Uno deilimiti e quindi la possibilita di rivelare un flusso di particelle elevato.Inoltre risultano molto delicate e con una breve durata di vita poiche e possibile chela scintilla si formi sempre sullo stesso punto degli elettrodi.

3.2 Camere a elettrodi resistivi

Verso la fine degli anni ’70 vennero sostituiti i piani paralleli conduttivi dellePPC con degli elettrodi resistivi. In questo modo il tempo di ricarica degli elettrodi(' 1ms), legato alla loro resistivita, e maggiore della durata tipica della scarica(' 1ns). La moltiplicazione dei portatori di carica viene interrotta quando la ten-sione raggiunge un valore minimo e viene cosı eliminata la necessita di ricorrere aun circuito esterno di spegnimento.I primi rivelatori progettati che sfruttavano la geometria planare e gli elettrodiresistivi sono stati:

• la Planar Spark Chamber (PSC);

• la Resistive Plate Chamber (RPC).

3.2.1 Planar Spark Chamber (PSC)

La Planar Spark Chamber fu progettata e realizzata da Pestov ed ha leseguenti caratteristiche:

• due elettrodi piani e paralleli a una distanza compresa tra i 100µm e 1mm, aiquali e applicata una tensione di 20000V ;

38

3.3 — La fisica delle RPC

• materiali diversi per i due elettrodi: il catodo e di vetro comune ricoperto dauno strato di rame (3µm), mentre l’anodo e costituito da vetro semiconduttore(ρ ' 109 − 1010Ω/cm);

• una serie di elettrodi di lettura del segnale;

• una miscela di gas contenente Argon, Neon e gas organici, che assicura un altocoefficiente di assorbimento dei fotoni.

3.2.2 Resistive Plate Chamber (RPC)

Furono inventate da Santonico e sono costituite da:

• due elettrodi piani e paralleli di Bachelite, con una resistivita ρ = 1010 −1012Ω/cm. Agli elettrodi e applicata una differenza di potenziale tale da creareun campo elettrico uniforme, tipicamente di 4KeV/mm, nella zona attiva;

• distanziatori cilindrici (2mm di spessore) che assicurano uniformita nella sep-arazione tra gli elettrodi;

• uno strato di grafite sulla superficie esterna degli elettrodi (ρ ' 200−300KΩ/¤);

• una serie di strisce metalliche equidistanti per la lettura del segnale.

Negli ultimi anni sono stati fatti numerosi studi sulle prestazioni delle RPC, variandoalcuni dei parametri, come la resistivita degli elettrodi, lo spessore della zona attiva,la composizione del gas e il numero delle intercapedini (gap) contenenti il gas.Dal punto di vista teorico non vi e una spiegazione esaustiva dell’influenza dei variparametri sulle prestazioni del rivelatore, ma dal punto di vista sperimentale sipossono ottimizzare i parametri in funzione delle prestazioni richieste.

3.3 La fisica delle RPC

Il funzionamento di una RPC si basa sullo stesso processo fisico su cui sibasano i rivelatori a gas a piani paralleli.Il processo principe attraverso cui opera il rivelatore e quello della ionizzazioneprodotta da una particella carica che lo attraversa, e il suo comportamento si basasulla deriva degli elettroni e degli ioni positivi verso gli elettrodi di raccolta.

39


3.3.1 Energia persa da una particella carica

Il calcolo quanto-meccanico corretto dell’energia ceduta da una particella caricafu effettuato da Bethe e Block, e altri. Nel calcolo l’energia persa e parametrizzatain termini dell’impulso trasferito, che e un parametro misurabile.La perdita di energia da parte di una particella carica quando attraversa un mezzogassoso, dovuta alle interazioni con le molecole, per unita di lunghezza e espressadalla formula originale di Bethe-Block alla quale vengono aggiunte due correzioni:

−dEdx

= 2πNar2emec

2ρZ

A

z2

β2

[ln

(2meγ

2v2Wmax

I2

)− 2β2 − δ − 2

C

Z

](3.1)

dove:

• Na: e il numero di Avogadro;

• re: e il raggio classico dell’elettrone;

• me: e la massa a riposo dell’elettrone;

• c: e la velocita della luce nel vuoto;

• ρ: e la densita del mezzo assorbente;

• Z: e il numero atomico del mezzo assorbente;

• A: e il peso atomico del mezzo assorbente;

• z: e il numero atomico della particella ionizzante;

• Wmax: e l’energia cinetica trasferita in una singola collisione;

• I: e il potenziale medio di eccitazione del mezzo assorbente;

• δ: e una density correction, termine di correzione che tiene conto degli effettidi polarizzazione del mezzo;

• C: e una shell correction, termine di correzione che tiene conto degli effetti dischermatura dovuti aegli elettroni interni degli atomi del mezzo;

• v (β, γ): e la velocita della particella.

A energie non relativistiche la perdita di energia e dominata dal fattore 1/β2 ediminuisce man mano che aumenta la velocita, fino a raggiungere un minimo perβ ' 0.96. Le particelle in questo punto producono la minima ionizzazione e sonodette Minimum Ionizing Particle.

40


Aumentando l’energia al di sopra di questo punto, il termine 1/β2 diventa circacostante e il comportamento di dE

dx e determinato dal termine logaritmico. La risali-ta dopo il minimo (risalita relativistica) tende comunque ad annullarsi, raggiungendoun plateau, quando aggiungiamo le correzioni alla formula di Bethe-Block.La perdita di energia dipende chiaramente anche dal mezzo attraversato, ed emaggiore quanto piu grande e la massa delle molecole del mezzo attraverato.

3.3.2 Valanga e scintilla

Come abbiamo visto, la particella carica che attraversa il gas perde energiain seguito alle collisioni con le molecole del mezzo, e vengono prodotte, nel gas, unaserie di coppie primarie elettrone-ione. Gli ioni e gli elettroni, accelerati dal fortecampo elettrico fra i due elettrodi piani, danno origine a nuove collisioni, quindi anuove coppie elettrone-ione (coppie secondarie) e cosı via, fino alla formazione dellavalanga.Poiche ioni e elettroni possiedono nel gas velocita di deriva diverse, questo comportala presenza di due distribuzioni di carica, una in testa (elettroni) e una in coda (ionipositivi) alla valanga. Quando il campo elettrico generato dalle due distribuzioni dicarica eguaglia il campo elettrico esterno, la valanga viene interrotta e a questo puntointervengono i processi di ricombinazione degli elettroni con gli ioni che portanoanche alla creazione di fotoni.Definiamo il fattore di moltiplicazione M dei portatori di carica in una valanga chesi sviluppa in un campo elettrico uniforme

E =V0

d(3.2)

come

M =n

n0= eαd, (3.3)

dove n e il numero di elettroni a distanza d dal punto di prima ionizzazione, n0 eil numero di elettroni primari e α e il primo coefficiente di Towsend che rappresen-ta il numero di coppie elettrone-ione prodotte per unita di lunghezza. Inoltre α−1

definisce il libero cammino medio per ionizzazione, cioe la distanza di volo media diun elettrone prima di provocare una ionizzazione.Il fattore di moltiplicazione, durante il processo di formazione della valanga, normal-mente e minore di 106, ma un aumento del campo elettrico puo causare un aumentodi tale fattore a valori di M ≥ 106. La valanga assume cosı una dimensione tale daperturbare il campo elettrico applicato il quale perde la sua omogeneita.La concentrazione di carica nei pressi dell’anodo e del catodo causa la produzione di

41


una valanga critica (M ' 108) e si ha la formazione di una scarica, che consiste nellacaduta della tensione tra gli elettrodi per mezzo di un processo ad alta conduttivita(streamer).Se il processo di streamer non viene arrestato, il campo elettrico puo essere talmenteelevato da superare la soglia della tensione di scarica, per cui il catodo libera ulterioriioni che possono a loro volta ionizzare il gas. Si ha dunque una densita di ioni edelettroni cosı elevata da formare un plasma conduttore che consente il passaggio diuna corrente attraverso il gas, la quale causa una caduta di tensione localizzata suuna superficie di pochi mm2 sugli elettrodi. Questa e la fase di scintilla, e la zonainteressata alla caduta di tensione ritorna attiva soltanto quando termina la scaricasugli elettrodi.

3.3.3 Il gas

La scelta del gas da utilizzare in un apparato di rivelazione e legata alle richi-este delle prestazioni che si vogliono ottenere. In particolare, poiche puo esserci unamoltiplicazione incontrollata dei portatori di carica dovuta ai processi di streamer,di scintilla e di foto-ionizzazione1, il gas utilizzato puo essere opportunamente sceltoper controllare questi fattori.Per esempio un gas elettronegativo puo catturare un elettrone con un’energia minoredi quella necessaria per la collisione e maggiore di quella richiesta dal moto di deriva.Normalmente le miscele di gas scelte sono tali da assicurare una buona produzionedi coppie, cioe un’alta densita di ionizzazione primaria, al fine di evitare inefficienzedell’apparato di rivelazione.Queste miscele per le quali vi e un’alta produzione di coppie di prima ionizzazionepermettono di ottenere una maggiore efficienza a parita di guadagno, di diminuirela dimensione delle gap, e mantenere bassa la probabilita di streamer.Miscele contenenti Freon, caratterizzate da una densita di ionizzazione primaria el-evata, permettono di raggiungere elevati valori dell’efficienza anche con una sogliaelettronica di selezione dei segnali piu alta, poiche con il Freon ci si aspetta un’au-mento della carica totale senza un corrispondente aumento dell’intensita del segnale.

3.3.4 Il segnale

Il passaggio di una particella attraverso il rivelatore corrisponde a un segnaleelettrico indotto sugli elettrodi dalla valanga prodotta dal passaggio della particella

1Si parla di foto-ionizzazione del gas quando una molecola eccitata emette un fotone con un’ener-gia maggiore del potenziale di ionizzazione del gas stesso. Poiche il processo di eccitazione richiedeun dispendio di energia minore di quello per la ionizzazione, il numero di elettroni che da origine atale processo non e trascurabile.

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ionizzante.Consideriamo i due elettrodi posti ad una distanza d fra di loro e fra i quali eapplicato un campo elettrico E0. Una carica in moto tra gli elettrodi, sotto l’effettodel campo, induce sugli stessi una carica, che puo essere calcolata integrando lacarica in movimento nel gas sul cammino percorso.Nel gas una particella ionizzante produce, in un punto, n coppie primarie di elettronie ioni positivi, che definiscono un cluster (ammasso). Poiche cio avviene in piu puntilungo il percorso della particella, sono prodotti in totale ncl cluster. Consideriamoper semplicita il moto di uno solo di essi.Il numero effettivo di elettroni dn che si producono in un tratto dx e dato da

dn = nαdx (3.4)

dove α e il coefficiente di Towsend. Integrando e considerando che il numero dielettroni iniziale e n0 otteniamo il numero di elettroni prodotti su una distanza x

n(x) = n0eαx (3.5)

e quindi la carica che si sviluppa su una distanza x

q−(x) = q−e n0eαx, (3.6)

dove q−e e la carica dell’elettrone. Durante questo spostamento, sull’anodo e indottauna carica con una conseguente variazione dV del potenziale V0 legata da2

dq−(x) = q−(x)dV

V0(3.7)

dq−(x) = q−(x)dx

d. (3.8)

Sostituendo q−(x) ed integrando su x otteniamo

q−(x) =q−e n0

αd(eαx − 1) (3.9)

dalla quale, approssimando, ricaviamo la carica indotta dal movimento degli elettroniin funzione della distanza

q−(x) =q−e n0

αdeαx. (3.10)

2Definiamo:

• q−(x) la carica degli elettroni in movimento in un punto x;

• dq− la carica indotta dal movimento di q−(x) su una certa distanza compresa tra x e x + dxverso l’anodo.

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Quindi la carica totale Q− e data da

Q−(x) =q−e n0

αdeαd. (3.11)

Analogamente possiamo ricavare la carica indotta sul catodo dagli ioni positivi

dq+(x) =q−(x)αn0

deαxxdx. (3.12)

Ricaviamo quindi la carica totale

dQtot(x) = dq−(x) + dq+(x) (3.13)

che integrata sulla distanza fra gli elettrodi porta alla

Qtot = q−e n0eαd. (3.14)

Il rapporto fra la carica totale indotta dagli elettroni e la carica totale indotta

Q−

Qtot=

1αd

(3.15)

e costante, rappresenta la grandezza del segnale osservabile prodotto da una valan-ga, e coincide con la posizione del centro di gravita degli elettroni nella valanga, suuna distanza d.Per gas elettronegativi vi e una differenza riguardante il fattore α. Il fattore diTowsend infatti dovrebbe essere ridefinito come αeff = α−η, dove η e il coefficientedi attenuazione, che tiene conto della probabilita che un elettrone venga catturato(probabilita/cm).Nonostante cio il rapporto dei segnali indotti e una costante che dipende dal coeffi-ciente di Towsend (e quindi dal gas utilizzato) e dalla dimensione della gap di gas(ossia dalla geometria del rivelatore).

3.4 La scelta di una RPC a molti gap (MRPC)

Lo scopo del R&D del TOF di ALICE sulle RPC era quello di progettare unrivelatore a basso costo che avesse un’ottima risoluzione temporale, una adeguatarisoluzione spaziale e un’elevatissima efficienza.Una RPC convenzionale, con una gap di 2mm, puo operare in avalanche-mode(regime di valanga) con una mistura di gas ad alta percentuale di Freon.Un altro approccio e quello di usare una RPC con una gap piu larga e una mistura digas priva di Freon (Freon-free) in avalanche-mode. Questo permette una maggiore

44

3.4 — La scelta di una RPC a molti gap (MRPC)

capacita di rivelare alti flussi di particelle, con una bassa dissipazione di potenzaall’interno del rivelatore.Tuttavia, poiche il segnale e generato dalla migrazione degli elettroni nel gas a partiredal punto in cui si e formata la valanga, una RPC a gap larga causa una maggioredispersione temporale (time-jitter) nella formazione del segnale. Una RPC a gapstretta ha invece una migliore risoluzione temporale.Nonostante cio rimane la necessita di

• aumentare il limite nel flusso di particelle incidenti rivelabili,

• diminuire la potenza dissipata,

• produrre una corrente meno intensa nel gas,

mantenendo comunque buona la risoluzione temporale.Queste richieste hanno portato allo sviluppo di una nuova RPC, la RPC multigap(MRPC), ossia a molte intercapedini di gas, che mantiene i vantaggi di una RPC emigliora il grado di risposta del rivelatore.Una MRPC e una RPC nella cui gap di gas sono inseriti dei piani intermedi, elet-tricamente fluttuanti (floating) e dotati di un’alta resistivita, in modo da esseretrasparenti ai segnali veloci generati dalle valanghe.Abbiamo visto che il segnale e generato dalla moltiplicazione a valanga nella gap eche il numero di elettroni nella valanga e dato dalla 3.5. Quindi il segnale generatodipende dalla posizione di formazione dei cluster della ionizzazione primaria, dunquedallo spessore della gap.La variazione di tale posizione provoca un time-jitter nel tempo della formazionedel segnale direttamente legata allo spessore della gap, e pertanto in una RPC lefluttuazioni statistiche3 legate al processo di creazione di una valanga sono domi-nanti rispetto al caso di una MRPC in cui il segnale e dato dalla media delle diversevalanghe, che si sviluppano separatamente nelle diverse gap piu sottili.Questo si ripercuote sulla forma dello spettro della carica, che nel caso delle MRPCha un picco ben separato dallo zero e permette una scelta meno critica della sogliadi discriminazione del segnale.Avere un numero maggiore di gap permette inoltre di operare in piena efficienza

3Fluttuazioni di:

• numero degli elettroni primari in ciascun cluster,

• numero dei cluster formati e loro posizione,

• numero di elettroni prodotti nella moltiplicazione,

• variazioni locali del campo elettrico.

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mentenendo basso il guadagno e quindi la probabilita di streamer.Avendo oltretutto suddiviso la zona sensibile in cui avviene la ionizzazione primariain sottogap, miglioriamo la risoluzione temporale poiche il time-jitter viene ridottodal minore spessore disponibile per la ionizzazione primaria.Il Progetto LAA del CERN, diretto da Zichichi, ha studiato per molti anni le RPC al-lo scopo di incrementarne le prestazioni per un uso futuro. Una della prime migliorieapportate alle RPC standard, ossia con gas-gap di 2mm, e stata quella di allargarela gas-gap. L’ovvio vantaggio che si ottiene e una maggiore tolleranza nella dimen-sione della gap e quindi una maggiore facilita di costruzione del rivelatore. Inoltreuna RPC a gap-larga puo essere utilizzata con una mistura di gas leggero (con altapercentuale di Argon), meno elettronegativa rispetto alle misture ricche di Freonusate nelle RPC da 2mm. L’elevata elettronegativita puo creare il problema di unamaggiore produzione di carica nella gap, che compromette la capacita della cameradi rivelare flussi elevati di particelle. Le RPC a gap-larga hanno una capacita diconteggio 10 volte superiore a quella delle RPC a gap-stretta.Uno svantaggio non indifferente nella RPC a gap-larga, pero, e il significativo peg-gioramento della risoluzione temporale.Come mantenere i vantaggi di un rivelatore a gap-larga (maggiore tolleranza mecca-nica, maggiore capacita di conteggio) e allo stesso tempo migliorarne la risoluzionetemporale? Abbiamo visto che per ottenere una migliore risoluzione temporale enecessario che le gas-gap siano strette.La soluzione ottenuta nell’ambito del Progetto LAA fu dunque una multigap RPC(MRPC), che fosse dotata di una serie di piccole gas-gap, ma complessivamentedi una gas-gap larga, sommando su tutte le piccole gap, con un’unica raccolta delsegnale, il quale era la somma analogica di quelli prodotti da tutte le gas-gap.

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Capitolo 4

Le MRPC di ALICE TOF

Il rivelatore TOF di ALICE verra costruito utilizzando ' 1600 Multigap Re-sistive Plate Chamber (MRPC), disposte dentro larghi moduli, come descritto nelcapitolo 2. Nel precedente capitolo abbiamo parlato delle RPC, del loro funziona-mento e di come la scelta per le singole unita, le STRIP sia caduta sulle MRPC.

4.1 Descrizione di una MRPC

Nell’ambito del programma di R&D di ALICE TOF, sono stati sviluppatidiversi tipi di rivelatori MRPC con diverse geometrie e diverse configurazioni dellegap interne. La scelta piu promettente e risultata essere quella di una MRPC aforma di striscia rettangolare (STRIP), costituita di due pile (stack) identiche dielettrodi e piani resistivi.Una MRPC a singolo stack presenta una struttura a sandwich, in cui i vari com-ponenti sono posti uno sopra l’altro (Figura 4.1). Sono state sviluppate e provatediverse soluzioni con diverse dimensioni delle gap per vari prototipi di MRPC, mala struttura generale e per tutti la stessa. Ogni singolo stack contiene (Figure 4.2,4.3, 4.4 e 4.5):

• due pannelli di circuiti stampati (Printed Circuit Board : PCB), contenenti ipad di lettura anodici e catodici, che racchiudono il volume che ospita unaserie di piani resistivi;

• due pannelli di honeycomb per garantire la rigidita meccanica del rivelatore;

• due piani resistivi di vetro esterni;

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Figura 4.1: Foto di una MRPC STRIP single-stack.

• una serie di piani resistivi di vetro interni mantenuti distanziati per ottenereuna serie di gas-gap;

• filo di nylon (fishing-line) per distanziare i vetri interni.

• pioli (pin) di plastica per fissare il fishing-line;

I pannelli di honeycomb vengono incollati ai PCB sul lato esterno, mentre sul latoopposto vengono incollati, con un materiale conduttivo, i vetri resistivi esterni (dettivetri rossi, si veda il paragrafo 4.1.1). I piani honeycomb-PCB-vetro resistivo sonoposti parallelamente l’uno di fronte all’altro in modo da ottenere un campo elettricouniforme e fra di loro viene costruita una pila con i vetri interni, che sono mantenutielettricamente floating. Per mantenere a distanze uguali e uniformi i vetri interniviene utilizzato del filo di nylon (fishing-line) che e fissato alla struttura grazie a deipin di plastica inseriti nel PCB inferiore.La procedura di costruzione di una MRPC ”standard” e molto semplice e nonnecessita di una precisione di realizzazione particolarmente spinta.

4.1.1 I materiali utilizzati

I materiali dei componenti che costituiscono una MRPC sono ad alta resis-tivita, per soddisfare le caratteristiche necessarie a questo tipo di rivelatore e perevitare i processi di scarica. Vediamo di cosa sono costituiti i vari componenti diuna STRIP:

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4.1 — Descrizione di una MRPC

Figura 4.2: Una MRPC in fase di montaggio nei laboratori INFN di Bologna. Ilprimo piano resistivo esterno dello stack (vetro rosso) e incollato alPCB inferiore con una colla conduttiva.

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Figura 4.3: Particolare del PCB inferiore in cui sono inseriti i pin di plastica usatiper tendere e fissare il fishing-line. Si puo notare inoltre la piazzolache porta l’alta tensione al piano resistivo (all’estremita sinistra).

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4.1 — Descrizione di una MRPC

Figura 4.4: Il PCB superiore al quale e incollato il pannello di honeycomb. Lungoi lati sono visibili i fori per l’inserimento dei pin di nylon.

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Figura 4.5: Un PCB. Si possono notare le pad di raccolta dei segnali disposte sudue file parallele, la piazzola per l’alta tensione, i buchi per i pin diplastica e, a gruppi di 4 lungo i lati, i buchi per i pin di connessionecatodo-anodo-catodo.

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4.2 — Double-Stack MRPC

• PCB: costituiti da piani di fibre di vetro (vetronite) ad alta resistivita all’in-terno dei quali sono disposti, su due file parallele, 96 pad di raccolta e letturadei segnali;

• pad: elettrodi di Rame di dimensioni di 2.5× 3.5cm2;

• piani resistivi esterni: costituiti da vetro Schott A14 e ricoperti da una pitturaresistiva di colore rosso;

• vetri interni: costituiti da vetro Glaverbel;

• fishing-line: filo di nylon, solitamente usato per pescare

• pin: pioli di nylon;

• honeycomb: pannelli a nido d’ape di materiale composito.

4.2 Double-Stack MRPC

4.2.1 Sviluppo di MRPC double-stack

Durante i test effettuati sulle MRPC STRIP per il TOF, le loro caratteris-tiche e configurazioni sono state spesso cambiate, allo scopo di ottenere le miglioriprestazioni. Sono state variate le dimensioni e il numero delle gap, lo spessore e laresisitivita dei vetri.Un cambio sostanziale nel disegno e nelle prestazioni del rivelatore e stato ottenutocon le MRPC a doppio stack (Figura 4.6). La struttura a doppio stack consistenell’avere due MRPC costruite simmetricamente ai lati opposti del PCB anodico.Il segnale che misuriamo e quindi la somma dei segnali delle due MRPC. Possiamovederne uno schema in figura (Figura 4.7).Le motivazioni per questa opzione sono le segunti:

• il segnale ottenuto da una MRPC double-stack e piu grande di un fattoredue rispetto a quello di una MRPC single-stack con le stesse caratteristiche(numero di gap e spessore delle gap);

• possiamo avvicinare i piani anodici e catodici riducendo cosı la dimensione del-l’impronta (footprint) della valanga, ossia della sua proiezione sulle pad. Ot-teniamo quindi una definizione piu precisa dei bordi delle pad e una riduzionedegli effetti di bordo tra pad contigue (si vedano i successivi paragrafi 5.2.3 e5.2.4);

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Figura 4.6: Foto di una MRPC STRIP double-stack

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Figura 4.7: Uno spaccato di una MRPC double-stack.

• a parita di numero di gap il single-stack necessita di una tensione applicata piuelevata di un fattore due rispetto al double-stack (avendo in ogni stack metadelle gap del single-stack);

• utilizzando tensioni inferiori si possono costruire rivelatori con un numero digap maggiore senza limitazioni pratiche (voltaggi troppo elevati).

4.2.2 Design proposto per ALICE TOF

In seguito a tutto il lavoro di R&D svolto e ai test effettuati sulla dipendenzadelle prestazioni del rivelatore da alcune sue caratteristiche (dimensione delle gap,numero delle gap, resistivita dei piani), il disegno finale proposto per l’elementocuore del rivelatore TOF di ALICE e il seguente:

• una MRPC STRIP double-stack, con un’area attiva di 7× 120cm2;

• ogni stack avra 5 gap da 250µm di spessore, quindi in totale una MRPC avra10 gap;

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Figura 4.8: Una MRPC in fase di montaggio nei laboratori INFN di Bologna.

• i piani di vetro resistivi esterni saranno spessi 550µm;

• i piani di vetro resistivi interni1 saranno spessi 400µm;

• il rivestimento resistivo a cui viene applicata l’alta tensione e che viene de-positato sui vetri resistivi esterni sara una pittura acrilica sviluppata specifi-camente, con una resistivita di 5MΩ/¤;

• i PCB contenenti i pad saranno spessi 0.8mm;

• l’area delle pad sara di circa 2.5cm× 3.5cm, con 3mm di separazione tra duepad contigue.

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4.2.3 Costruire una MRPC STRIP

Come gia affermato, il disegno di una MRPC consente di aumentare la toller-anza meccanica nella dimensione delle gap in fase di costruzione, pertanto nella pro-cedura di assemblaggio di una STRIP non vi sono particolari accortezze da seguire,e l’intero processo e relativamente semplice e veloce.La MRPC viene costruita partendo dal pannello di honeycomb inferiore, il qualedeve essere preparato in modo tale che alle estremita siano fissati dei blocchi diplastica ciscuno con due fori. I fori e i blocchi devono essere tali che la distanza frai due blocchi e la posizione relativa fra i 4 fori siano precise, poiche le STRIP sonofissate ai moduli del TOF e poste alla giusta angolazione tramite questi blocchi.Una volta preparato il pannello di honeycomb, il PBC inferiore (Figura 4.3) viene in-collato all’honeycomb utilizzando un nastro bi-adesivo e mantenuto sotto pressionemediante dei pesi. Sull’altra faccia del PCB, in cui vi sono le piazzole per l’altatensione (strisce di rame mostrate in Figura 4.2 e in Figura 4.5), viene incollato unpiano resistivo di vetro esterno, con la pittura acrilica rivolta verso il PCB, usandouna colla conduttiva in modo da creare una connessione elettrica tra la piazzola delPCB e la pittura resistiva del vetro (Figura 4.2). Una connessione di questo tipoviene realizzata a entrambe le estremita del PCB. Lungo i lati del PCB vengonoinserite due file di pin nei fori gia presenti sul PCB (Figure 4.2 e 4.3).Quando il PCB, dotato di honeycomb, pin e vetro resistivo, e pronto, si inizia acostruire sopra di esso lo stack. Viene tirato il filo di nylon (fishing-line) facendo-lo passare sopra il vetro resistivo e girare attorno ai pin in modo da ottenere unaspaziatura omogenea. Sopra il fishing-line viene poggiato un vetro interno e fissatoalle sue estremita al vetro inferiore con una piccola porzione di nastro bi-adesivo.L’operazione viene ripetuta in modo da ottenere una pila di 4 vetri interni e quindi5 gap, grazie al fishing-line (Figura 4.8).A questo punto e necessario preparare il PCB centrale incollandone entrambe lefacce ai vetri resistivi con la colla conduttiva. Il PCB centrale viene posto sopra lapila costruita facendo entrare i pin di nylon negli appositi fori.Viene nuovamente ripetuta l’operazione di stesura del fishing-line e di assemblaggiodei vetri interni, come per lo stack inferiore, e viene infine posto il PCB superiore(Figura 4.4) preparato precedentemente come il PCB inferiore, con honeycomb epiano resistivo, che chiude il secondo stack.La pila viene ora compressa caricandola con 4 blocchi di piombo (' 40Kg), dis-tribuendo uniformemente il peso su tutta la lunghezza. Dei piedini (pin) di con-nessione vengono saldati lungo i due lati della STRIP (a gruppi di 4 pin) i qualiservono a portare il segnale anodico dai PCB superiore e inferiore al PCB centrale,in modo che il segnale di uscita sia veramente differenziale (Figura 4.5). Questi pin

1Prodotti dalla ditta Glaverbel (Glaverbel VERTEC sales, Brussels, Belgium).

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inoltre mantengono fissa la distanza tra i 3 PCB e quindi mantengono lo stack inuno stato compresso anche quando vengono tolti i pesi di piombo. Vengono inoltresaldati lungo i due bordi del PCB centrale dei connettori per le piattine (flat-cables)che portano i segnali generati dalle valanghe alle schede di front-end (Figura 4.6).Una volta completata la costruzione vengono misurate con un microscopio graduatole dimensioni delle gas-gap e la STRIP viene provata in aria, a una tensione di circa3KV .

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Capitolo 5

Telescopio per raggi cosmici

I raggi cosmici ci danno la possibilita di effettuare in situ il test delle MRPCprodotte nei laboratori di Bologna allo scopo di ottenere delle misure preliminarisulle loro effettive prestazioni, anche se non precise quanto quelle ottenibili su fascio.Infatti lo studio dell’efficienza e della risoluzione delle MRPC STRIP effettuato con iraggi cosmici include particelle che attraversano il rivelatore a vari angoli e pertantopresenta aspetti differenti rispetto alle misure standard che vengono effettuate sufascio nei laboratori del CERN a Ginevra.Il telescopio di cui sono stati analizzati i dati e situato nei laboratori INFN diBologna, in viale Berti Pichat.

5.1 Descrizione del setup

Il telescopio per raggi cosmici utilizzato e costituito di 5 MRPC STRIP, pro-totipi del sistema TOF di ALICE, montate in un contenitore (box ) di alluminio didimensioni 129cm×48cm×21cm. Le STRIP utilizzate sono tutte del tipo a doppio-stack, sono collocate nel contenitore con i piani paralleli l’una all’altra e disposteuna sopra l’altra (Figura 5.1). Le STRIP sono fissate alle pareti della box tramitedei supporti di plexiglass, ai quali sono avvitati dei blocchetti di plastica inseriti alleestremita dei pannelli di honeycomb.Le 5 STRIP montate nella box costituiscono il telescopio e ognuna viene utilizzataper la ricostruzione delle tracce, per il calcolo dell’efficienza e della risoluzione. In-oltre le 5 STRIP forniscono loro stesse il trigger al sistema.In questo studio non sono stati infatti utilizzati altri rivelatori ausiliari, come camerea fili e contatori a scintillazione, per ricostruire le tracce o per avere un riferimentotemporale esterno alle STRIP (come avviene invece per i test su fascio).La box di alluminio e a tenuta, per mantenere le STRIP in una opportuna miscela

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Figura 5.1: Schema della box con 5 STRIP

di gas e per schermarle dal rumore elettromagnetico presente nel laboratorio. Al suointerno le STRIP sono messe in comunicazione con le schede elettroniche di front-endesterne tramite dei flat-cable, che collegano i connettori delle STRIP con le schede diinterfaccia (interface-card) della box. In questo modo i segnali delle STRIP arrivanoall’esterno della box alle schede di front-end per poi andare al sistema di acquisizione(Figure 5.2, 5.3 e 5.4).A ogni STRIP e associata una scheda di front-end a 12 canali, e pertanto vengonoanalizzate e utilizzate 12 pad per STRIP. Le schede sono inserite nelle interface-cardin modo che i canali utilizzati corrispondano a pad che sono verticalmente allineateuna sopra l’altra. Cosı facendo le tracce ”viste” dal telescopio sono verticali o co-munque poco inclinate. Avendo disposto le STRIP a una distanza di 8.7cm l’unadall’altra in verticale, ciascuna con un’area sensibile di circa 15cm×7cm, la massimainclinazione per la quale tutte le STRIP possono essere colpite e di ' 23. La box,con le STRIP e le schede di front-end, viene fissata a un telaio di profilati di allu-

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5.1 — Descrizione del setup

Figura 5.2: I collegamenti della STRIP con l’esterno tramite flat-cable.

minio che costituisce la struttura portante del telescopio (Figura 5.5). Riassumendo,il telescopio per raggi cosmici e costituito da:

• struttura portante in profilati di alluminio;

• una gas-box di alluminio (129cm×48cm×21cm) a tenuta con 5 interface-card ;

• 5 MRPC STRIP;

• 5 schede di front-end da 12 canali ciascuna.

L’alimentazione e il sistema di read-out e di acquisizione e costituito da:

• modulo per l’alta tensione CAEN SY 127;

• una Programmable-Logic-Unit per il trigger del sistema;

• un Dual Timer per generare il gate di acquisizione;

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• 5 TDC1 VME CAEN V775;

• 3 ADC2 CAMAC CAEN C205.

Le STRIP sono alimentate con una tensione HV = 13KV differenziale, applicandouna tensione HV = ±6.5KV all’anodo e al catodo.

5.1.1 Le schede di front-end

I segnali provenienti dalle MRPC nella box vengono amplificati e discrimi-nati da schede di front-end analogiche (FEA) che, come gia visto, sono direttamentemontate sulla box contenente le STRIP e sono connesse tramite delle interface-card.Le FEA forniscono in uscita informazioni sul fronte di salita (leading-edge) e sulfronte di discesa (trailing-edge) dell’impulso, in logica ECL. Inoltre le schede for-niscono delle informazioni anche sul segnale analogico, in particolare sull’altezzadell’impulso (pulse-height).Le schede utilizzate hanno 12 canali ciascuna (uno per pad) e il funzionamento diuna scheda puo essere schematizzato come segue:

• nello stadio iniziale il segnale viene amplificato tramite dei dispositivi MAXIM3760, che sono dei preamplificatori veloci a transimpedenza con un guadagnodi 6.5KΩ, una larghezza di banda di 560MHz e un consumo di potenza di100mW ;

• nello stadio intermedio abbiamo un discriminatore, con un’isteresi di 17mV ,che e costituito da un comparatore ECL (AD96685BR), per ottenere un segnaledigitale, uno shaper (MC10EL51), che fissa la durata dell’impulso a un valoreprestabilito (50ns), e un driver (MC10EL04), che e una porta che permette dipilotare il segnale;

• nello stadio finale abbiamo un amplificatore differenziale (AD8001) che ampli-fica la differenza dei due segnali anodici in ingresso dando in uscita un segnaleanalogico.

5.1.2 Il gas

Il telescopio e mantenuto sotto costante flusso di gas quando e in funzione. Lamistura di gas utilizzata e una mistura non infiammabile composta al 90% di Freon(C2H2F4), al 5% di Isobutano (C4H10) e al 5% di Esafluoruro di Zolfo (SF6). Il gascircola nella box ed e mantenuto in condizioni normali di temperatura e pressione.

1Time-to-Digital Converter.2Analog-to-Digital Converter.

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Figura 5.3: Una gas-box aperta con una MRPC STRIP ancora connessa allapropria interface-card tramite i flat-cable.

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Figura 5.4: Particolare di come e alloggiata una STRIP nella gas-box.

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Figura 5.5: Una visuale del telescopio montato nei laboratori di v.le Berti Pichat.Si possono vedere la box con le schede di elettronica, i cablaggi e i cratecontenenti i moduli di lettura e acquisizione dei segnali.

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Il laboratorio e attrezzato con un sistema di gas che possa continuamente mantenerele MRPC sotto il flusso del gas. I vari gas vengono miscelati nelle giuste proporzioniattraverso dei flussimetri di massa BRONKHORST Hi-Tec E-5714 AAA, predis-posti per il controllo remoto. Questi flussimetri regolano il flusso di ogni singolocomponente della miscela gassosa e sono connessi con un dispositivo elettronico pro-grammato in maniera tale che, nel caso in cui il flusso di uno dei componenti dovesseessere inferiore alla soglia preimpostata, il dispositivo provvede a interrompere la cir-colazione del gas. Questo dispositivo e connesso inoltre al modulo di alimentazioneCAEN SY 127, che fornisce le alte tensioni alle MRPC STRIP nel telescopio. Intal modo, quando il dispositivo elettronico di controllo del gas segnala un’anomalianel flusso di uno dei tre componenti della miscela, questo interrompe la circolazionedel gas e spegne il modulo dell’alta tensione che alimenta le STRIP. Pertanto, nelcaso in cui una bombola di gas dovesse esaurirsi, non vi e pericolo di rimanere inpresenza di una miscela di gas errata con le STRIP ad alta tensione.

5.1.3 Acquisizione dei dati

I segnali provenienti dalle MRPC, amplificati e discriminati dalle schede difront-end, vengono inviati ad una serie di dispositivi di lettura e acquisizione dati.Le uscite digitali di tali schede vengono inviate a dei TDC VME CAEN V775 (chehanno una risoluzione per canale di 35ps), mentre le uscite analogiche vengono in-viate a degli ADC CAMAC CAEN C205.Ogni uscita digitale, per ogni pad delle MRPC, costituisce di due segnali digitali, dicui uno porta informazioni sul trailing-edge e l’altro sul leading-edge. Le informazionisul trailing-edge non vengono utilizzate in questa analisi, ma vengono comunque reg-istrate dai TDC. I TDC V775 hanno 32 ingressi ciascuno. Per leggere i 24 segnalidigitali di ognuna delle 5 schede del sistema utilizziamo 5 TDC V775. Questi ven-gono fatti funzionare in modalita common-stop, scelta che ci permette di utilizzaredei flat-cable non eccessivamente lunghi fra le schede di front-end e il crate VMEdove sono collocati i TDC V775.I segnali provenienti dall’uscita analogica delle schede di front-end portano l’infor-mazione sulla pulse-height del segnale di pad e vengono inviati a degli ADC CAMACCAEN C205, con 32 ingressi ciascuno. Per leggere i 12 segnali analogici di ognunadelle 5 schede del sistema utilizziamo 3 ADC C205.La lettura dei vari segnali elaborati dai moduli ADC e TDC avviene tramite unPC-Linux connesso al crate VME con un adattatore VME-PCI, che registra i datiutilizzando il programma DATE DAQ.

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5.2 — Analisi dei dati

5.1.4 Il trigger

La selezione elettronica veloce delle particelle attraverso le MRPC, ossia iltrigger dell’apparato di rivelazione per il sistema di acquisizione, e data dalle stesseMRPC nel telescopio. La condizione di trigger necessita che almeno 4 delle 5 STRIPvengano colpite da una particella. La coincidenza di almeno 4 segnali provenientida 4 STRIP differenti genera il trigger e il sistema acquisisce i dati.Il trigger del sistema e programmato via PC tramite una Programmable-Logic-United e stato impostato, appunto, per una maggioranza di 4 STRIP.Tale condizione non risulta verificata in meno dell’1% dei casi (Figura 5.6). Nel corsodell’analisi verrano comunque esclusi i casi in cui il trigger non abbia funzionato comerichiesto, accettando eventi con molteplicita minore di 4.

5.2 Analisi dei dati

I dati registrati per ogni evento di trigger del telescopio per raggi cosmici,riportano le informazioni dei TDC e ADC di tutte le pad delle STRIP che hannodato segnali. Per ogni evento verrano utilizzate le seguenti informazioni nell’analisidei dati:

• molteplicita totale dell’evento, cioe il numero totale di pad colpite sommatoper tutte le STRIP;

• numero d’identificazione di ognuna delle pad colpite;

• valore di TDC (tempo) registrato per il leading-edge per ognuno dei segnali dipad;

• valore di ADC (altezza dell’impulso) registrato per ogni segnale di pad.

Con queste informazioni possiamo effettuare una opportuna selezione delle tracceda analizzare, per misurare le prestazioni del rivelatore. E importante la fase diricostruzione della traiettoria percorsa dalla particella che ha attraversato il rivela-tore. Tale ricostruzione deve essere fatta in maniera pulita e non ambigua, per nonintrodurre degli errori nell’analisi dei dati.Allo scopo di ottenere delle tracce adatte all’analisi sono stati imposti, in primaanalisi, dei tagli riguardanti la molteplicita di ogni STRIP e la molteplicita totaledell’evento.

5.2.1 Tagli sulla molteplicita

Per permettere una ricostruzione efficace della traccia, vogliamo selezionaretra i dati registrati dall’apparato, soltanto quelle tracce che possiamo verosimilmente

67


Molteplicitá totale

1

10

10 2

10 3

10 4

0 10 20 30 40 50 60 70

Entries 166995

Molteplicitá

Figura 5.6: Molteplicita totale prima dei tagli

68


Molteplicitá totale

1

10

10 2

10 3

10 4

0 10 20 30 40 50 60 70

Entries 55634

Molteplicitá

Figura 5.7: Molteplicita totale dopo i tagli

69


attribuire a particelle cosmiche che hanno attraversato il rivelatore. La prima fasedell’analisi e dedicata all’eliminazione degli eventi causati dal rumore elettromag-netico presente nel laboratorio o nella sua rete di distribuzione dell’elettricita, ocomunque di tutti quegli eventi che non sono attribuibili al passaggio di un’unicaparticella attraverso il telescopio lungo una traiettoria rettilinea.Innanzitutto viene effettuato un taglio preliminare sulla molteplicita totale dell’even-to (Figura 5.6), cioe sul numero totale di pad colpite nelle 5 STRIP; sono scartatigli eventi con una molteplicita maggiore di 20.Una ulteriore condizione che deve essere soddisfatta e quella riguardante il triggerdel sistema, che e impostato per un minimo di 4 STRIP colpite. Pertanto vengonotagliati anche quegli eventi in cui vi e piu di una STRIP a non essere stata colpita.In questo modo, in fase di tracciamento della particella che ha attraversato il telesco-pio, abbiamo l’informazione di almeno 4 STRIP per la ricostruzione 3-dimensionaledell’evento, cosa che ci permette di minimizzare il numero di eventi in cui la traiet-toria percorsa dalla particella nel telescopio non e rettilinea per effetti di diffusionecon gli atomi del gas o del rivelatore stesso.L’ultima condizione impostata sulla molteplicita riguarda la massima molteplicitadi pad colpite in ogni STRIP, con la quale vengono tagliati gli eventi spuri nei qualiuna STRIP dovesse presentare una molteplicita eccessiva ossia maggiore di 4.Quindi riassumendo, i tagli preliminari applicati alle molteplicita sono:

• molteplicita totale minore di 20 (molttot < 20);

• numero di STRIP colpite maggiore o uguale a 4 (nhit−strip ≥ 4);

• molteplicita di ogni STRIP minore o uguale a 4 (moltstrip ≤ 4).

Tali tagli riducono il campione di eventi analizzati (circa 167000) di un fattore 3.La molteplicita totale risultante e mostrata in Figura 5.7.

5.2.2 Tagli sui TDC e sugli ADC

Per assicurarsi che gli eventi accettati siano realmente riconducibili al passag-gio di una particella nel rivelatore, i tagli sulla molteplicita come descritti sopra, nonsono sufficienti. Nonostante cio non e opportuno restringere tali tagli richiedendo,ad esempio, una molteplicita massima di 5, con una sola pad colpita per STRIP. In-fatti, pur avendo una buona probabilita che l’evento sia stato prodotto dal passaggiodi una particella, avremmo un notevole calo della statistica. Pertanto manteniamorelativamente grande l’accettanza sulla molteplicita, ma operiamo una selezione perquanto riguarda i valori registrati dagli ADC e dai TDC.

70


Strip 1-pad 3: pedestallo

0

2500

5000

7500

10000

12500

15000

17500

20000

22500

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Entries 22406

ADC bin

Figura 5.8: Il pedestallo dell’ADC della Pad 3, STRIP 1.

Per tutte le pad di ogni STRIP vengono calcolati i cosiddetti pedestalli3 (Figura5.8), ossia i valori degli ADC dovuti soltanto al rumore elettronico, e i valori medidegli spettri dei TDC. Una pad e definita colpita (hit) quando il valore dell’ADCregistrato e maggiore del corrispondente pedestallo e il valore del TDC registratocade entro due deviazioni standard dal corrispondente valor medio. I casi di hit chenon rispettano una di queste due condizioni vengono eliminati. Questo non causa iltaglio dell’evento in toto, ma ne riduce la molteplicita.La ricostruzione della traiettoria puo pertanto avere inizio facendo uso delle padche a ogni evento superano i tagli su ADC e TDC. Per rinormalizzare i vari ADC,viene sottratto ad ogni spettro di ADC il pedestallo corrispondente, in modo che glispettri di ADC siano confrontabili tra pad differenti (Figura 5.9).

3Il pedestallo di ogni ADC corrisponde a un offset determinato dal rumore di fondo del rivelatoree dell’elettronica a esso connessa.

71


Strip 1-pad 3: spettro di ADC

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Entries 1323

ADC bin

Figura 5.9: Lo spettro di ADC della Pad 3, STRIP 1 dopo il taglio del pedestalloe la rinormalizzazione.

5.2.3 Ricostruzione della traiettoria

La determinazione della traccia avviene mediante la STRIP 1 e la STRIP5, le STRIP piu esterne al telescopio. Le particelle che colpiscono entrambe questeSTRIP hanno verosimilmente attraversato anche le altre tre STRIP centrali, per-tanto, selezioniamo quegli eventi che hanno prodotto almeno un hit sulle STRIPesterne.La determinazione quanto piu precisa possibile del punto in cui sono state attraver-sate la STRIP 1 e la STRIP 5 permette un’affidabile ricostruzione della traiettoriadella particella. Pertanto, per rendere piu efficace tale ricostruzione, sono accettatisoltanto quegli eventi che hanno prodotto non piu di 2 hit in ognuna delle STRIPesterne. Nei casi in cui vi sia un hit singolo in ogni STRIP esterna e immediatoassegnare una traiettoria alla particella e il centro di ognuna delle due pad colpiteviene assunto come punto di attraversamento della particella.

72


Traiettorie ricostruite

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4

Entries 42294

tan θ

Figura 5.10: Tangente dell’angolo della traiettoria ricostruita rispetto alla normalealle STRIP nella vista longitudinale.

Nei casi di doppio hit si procede invece in un altro modo. Viene controllato innanzi-tutto che le pad colpite siano adiacenti (in caso contrario avviene il rifiuto dell’even-to) e che il doppio hit non sia frutto di un effetto di bordo ossia di un’induzioneelettrostatica fra le pad. Se il doppio-hit e reale, cioe se entrambe le pad hannodato segnale perche la particella e effettivamente passata nella zona fra le due, perdeterminare la coordinata di passaggio della particella viene fatta una media dellecoordinate dei centri delle due pad, pesata mediante i valori di ADC registrati. Icasi di doppio hit ”fasullo” (si veda il successivo paragrafo 5.2.4) vengono ricondottia hit singoli, scartando la pad che ha subito l’induzione.Una volta determinata la posizione dei punti d’impatto sulla STRIP 1 e sulla STRIP5 viene tracciata una traiettoria rettilinea che attraversa il telescopio in questi pun-ti e vengono determinati i suoi punti di passaggio attraverso le altre STRIP nelrivelatore. Con la traiettoria cosı ricostruita viene verificata la compatibilita deglihit nelle STRIP centrali, selezionando quelle tracce i cui hit nelle STRIP centrali

73


Traiettorie ricostruite

0

5000

10000

15000

20000

25000

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4

Entries 42294

tan φ

Figura 5.11: Tangente dell’angolo della traiettoria ricostruita rispetto alladirezione normale alle STRIP nella vista trasversale.

corrispondono in posizione ai punti determinati tramite la traiettoria ricostruita,entro la dimensione di una pad. Le tracce cosı selezionate sono tracce rettilinee,con qualsiasi inclinazione permetta loro di colpire sia la STRIP 1 che la STRIP 5(Figure 5.10 e 5.11).

5.2.4 Falsi double-hit

Poiche in fase di ricostruzione della traiettoria sono stati accettati anche casiin cui vi sono double-hit sulle STRIP esterne, e stata fatta un’analisi particolareggia-ta per questo tipo di eventualita, allo scopo di mantenere questi eventi senza avereun sensibile peggioramento nella determinazione della traiettoria.Al passaggio di una particella, non ne conosciamo con certezza la posizione, se nondalle informazioni che ci danno le STRIP, e in caso di doppio hit dobbiamo esserein grado di decidere dove e passata la particella: su una o sull’altra pad o nel mez-

74


STRIP 1, PAD 9: double-hit

0

10

20

30

40

50

60

70

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Entries 858

TDC bin

1

10

10 2

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

Entries 858

TDC bin

Figura 5.12: Spettro di TDC di una pad in caso di double-hit. Si puo notare unacoda di valori ritardati rispetto alla distribuzione media, che possonoessere attribuiti ad hit indotti.

zo delle due. Potremmo semplicemente scegliere la pad cui corrisponde il valore diADC maggiore, ma cosı facendo perdiamo la possibilita di determinare dei punti diattraversamento intermedi rispetto ai centri delle pad.Pertanto e necessario distinguere i casi di doppio-hit reale (dovuto al passaggio dellaparticella nel mezzo delle due pad) dai casi di doppio hit falso (dovuto all’induzioneelettrostatica di una pad sull’altra). I casi di falso doppio-hit dovuti a tale effettopossono pero essere riconosciuti perche il tempo del segnale indotto, ossia il valore diTDC registrato, e ritardato rispetto alla distribuzione media (Figura 5.12). Inoltreil segnale indotto, ossia il valore di ADC registrato, e relativamente basso. I tagli suiTDC e sugli ADC descritti precedentemente (si veda il paragrafo 5.2.2) assicuranola massima rigezione di questi eventi di falso double-hit.E interessante pero vedere quale e il comportamento della MRPC quando avvengonotali casi. Osservando lo spettro di ADC delle pad della STRIP 1 nei casi di double-

75


Strip 1: double hit

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Entries 15873

ADC bin

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Entries 1614

ADC bin

Figura 5.13: Spettro di ADC delle pad della STRIP 1. Sopra vediamo lo spettronei casi di hit singolo ”reale”, sotto lo spettro nei casi di single-hitderivati dai double-hit ”fasulli”.

hit fasullo, che vengono ricondotti quindi a single-hit, possiamo notare un piccoben distante dalla posizione di quello di una spettro di ADC normale, cioe quandovi e un single-hit reale (Figura 5.13). Tale picco potrebbe essere il segnale di unostreamer. Lo streamer potrebbe aver prodotto talmente tanta carica di ionizzazionenelle gap che quando questa si deposita sulla pad effettivamente colpita, la carica inmaniera tale da caricare per induzione anche una pad a fianco, che potrebbe quindidare segnale. Lo stesso potrebbe accadere nel caso che una pad venga colpita dadue particelle, caricandosi piu del normale e inducendo un segnale su un’altra padcontigua.

76

5.3 — Efficienza delle STRIP

5.3 Efficienza delle STRIP

La ricostruzione della traiettoria effettuata negli eventi selezionati perme-tte di determinare la posizione di passaggio della particella attraverso le 5 STRIP.Conoscendo questa possiamo conoscere quale pad dovrebbe aver ”visto” la particellae quindi possiamo studiarne l’efficienza.Poiche per ricostruire la traiettoria abbiamo richiesto che vi fossero segnali sia sullaSTRIP 1 che sulla STRIP 5, le STRIP esterne, perde di significato lo studio dell’ef-ficienza di queste STRIP, che sono utilizzate quindi soltanto per il tracciamento.Viene dunque studiata l’efficienza di ogni pad di ogni STRIP centrale per particelleche attraversano il rivelatore a ogni angolo consentito per intercettare entrambe leSTRIP esterne. Il computo dell’efficienza viene fatto separatamente per ogni pad,valutando se la traccia ha attraversato la pad e se la STRIP ha risposto accendendola pad.Viene studiata l’efficienza della STRIP 2, della STRIP 3 e della STRIP 4, nei casidi tracce con qualsiasi inclinazione e, in particolare, di tracce verticali.La statistica di tracce analizzate per questo studio per tutte le pad del telescopio, eriportata nella seguente tabella (la numerazione va da 3 a 14, in corrispondenza aquella dei canali dell’elettronica):

Tutte le tracceNumero di pad STRIP 1 STRIP 2 STRIP 3 STRIP 4 STRIP 5

3 2614 950 308 917 24734 2060 977 389 1033 23395 2476 2416 924 2003 24486 2145 1879 970 1758 21657 2434 2417 1441 2355 24818 1986 1860 78 1734 20839 2415 2276 1434 2396 243510 2186 2038 1595 2151 224011 2571 2590 961 2264 249512 2268 2546 1105 2407 231313 2898 1139 447 1224 296514 3007 1261 495 1269 3178

Con la richiesta di tracce verticali, tale statistica si riduce a 100 − 300 tracce perpad.

77


5.3.1 Efficienza di una pad

La precisione nella conoscenza della traiettoria e di fondamentale importanzaper stabilire quali pad delle STRIP centrali siano, per un dato evento, chiamate incausa a rivelare la particella. Poiche e possibile che le tracce incidano sui bordi dellepad, condizione per cui non siamo piu in grado di decidere univocamente quale paddovrebbe sparare per colpa dei gia citati effetti di bordo, dobbiamo restringere lostudio dell’efficienza di una pad soltanto a quelle tracce che passano nel centro dellapad, o per lo meno, che presubilmente passano in una zona distante dai bordi dellapad. In questi casi la pad attraversata, se efficiente, deve produrre un segnale.

5.3.2 Risultati

Dalle misure effettuate sull’efficienza delle pad delle tre STRIP centrali si pos-sono osservare le elevate prestazioni del rivelatore sotto studio. I risultati mostranoche l’efficienza delle pad delle tre STRIP (fatta eccezione per la pad 8 della STRIP3) sono prossime al 99%, con una apprezzabile uniformita su tutta l’area attiva diogni STRIP (Figure 5.14-5.25).La pad 8 della STRIP 3 ha un’efficienza intrinseca praticamente nulla, ma cio e dovu-to a un malfunzionamento del relativo canale di elettronica (Figure 5.15 e 5.21).Sono stati considerati due casi per il computo dell’efficienza: uno in cui sono stateutilizzate tutte le tracce selezionate, e un altro in cui tra queste solo le tracce per-pendicolari al rivelatore sono state prese in considerazione.Riportiamo nella tabella seguente i valori medi delle misure di efficienza effettuatesulle 12 pad di ciascuna delle STRIP 2, 3 e 4.

Tutte le tracce4

STRIP Efficienza (%)STRIP 2 (98 ± 2)%STRIP 3 (99 ± 1)%STRIP 4 (98 ± 1)%

Tracce verticaliSTRIP Efficienza (%)STRIP 2 (99 ± 2)%STRIP 3 (99 ± 1)%STRIP 4 (99 ± 1)%

4L’errore sulle misure di efficienza riportate in tabella e lo scarto quadratico medio (RMS) dellemisure di efficienza delle varie pad.

78


Si osserva che mediamente le efficienze non risentono, entro gli errori, dell’incli-nazione delle tracce.

79


Strip 2 - tutte le tracce

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16Pad number

Eff

icie

nza

(%

)

Figura 5.14: STRIP 2: efficienza delle singole pad (numerate da 3 a 14) per tuttele tracce. L’errore sulla misura e contenuto nel punto.

80



0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16Pad number

Eff

icie

nza

(%

)

Figura 5.15: STRIP 3: efficienza delle singole pad per tutte le tracce.

81



0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16Pad number

Eff

icie

nza

(%

)

Figura 5.16: STRIP 4: efficienza delle singole pad per tutte le tracce.

82



0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

80 85 90 95 100 105 110 115 120

MeanRMS

98.54 2.096

Efficienza (%)

Eve

nti

/ 0.

5%

Figura 5.17: Efficienza delle 12 pad della STRIP 2 per tutte le tracce.

83



0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

80 85 90 95 100 105 110 115 120

MeanRMS

98.89 1.046

Efficienza (%)

Eve

nti

/ 0.

5%


84



0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

80 85 90 95 100 105 110 115 120

MeanRMS

98.25 1.021

Efficienza (%)

Eve

nti

/ 0.

5%


85


Strip 2 - tracce verticali

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16Pad number

Eff

icie

nza

(%

)

Figura 5.20: STRIP 2: efficienza delle singole pad per tracce verticali.

86



0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16Pad number

Eff

icie

nza

(%

)


87



0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16Pad number

Eff

icie

nza

(%

)


88



0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

80 85 90 95 100 105 110 115 120

MeanRMS

99.17 2.499

Efficienza (%)

Eve

nti

/ 0.

5%

Figura 5.23: Efficienza delle 12 pad della STRIP 2 per tracce verticali.

89



0

1

2

3

4

5

80 85 90 95 100 105 110 115 120

MeanRMS

99.07 1.386

Efficienza (%)

Eve

nti

/ 0.

5%


90



0

1

2

3

4

5

80 85 90 95 100 105 110 115 120

MeanRMS

99.58 0.7454

Efficienza (%)

Eve

nti

/ 0.

5%


91


5.4 Risoluzione temporale

Un’altra caratteristica che vogliamo analizzare utilizzando il telescopio perraggi cosmici, e la risoluzione temporale delle STRIP. Ricordiamo che sono gia statieffettuati i tagli di ADC e TDC (paragrafo 5.2.2) e sono gia state definite le traiettoriedei raggi cosmici attraverso il telescopio (paragrafo 5.2.3).L’analisi dei dati per ottenere la risoluzione delle STRIP e stata effettuata per glieventi con hit su tutte e cinque le STRIP del telescopio, sia per tracce qualsiasi siaper tracce verticali.

5.4.1 Analisi dei dati

Le tracce in analisi sono state definite precedentemente, e inoltre abbiamoimposto che tutte le STRIP devono essere colpite. Come gia descritto nel paragrafo5.2.3, in ogni STRIP, per il calcolo dei tempi di volo, viene scelta, compatibilmentecon la traiettoria ricostruita, la pad piu vicina al punto di passaggio della traiettoriatra le pad che hanno dato segnale.Partendo dalle cinque pad colpite nelle cinque 5 STRIP, per valutare le risoluzionitemporali intrinseche delle MRPC dobbiamo considerare, per ogni traccia, le dif-ferenze temporali tra i tempi registrati:

t21 = t2 − t1t31 = t3 − t1t42 = t4 − t2t53 = t5 − t3t54 = t5 − t4

(5.1)

I numeri in pedice si riferiscono alle STRIP (avendo omesso gli indici relativi allesingole pad per semplicita di scrittura).Interpoliamo gli istogrammi relativi alle distribuzioni di queste differenze, ossia glispettri dei tempi di volo tra STRIP successive, con delle curve gaussiane e ricaviamole deviazioni standard σ21, σ31, σ42, σ53, σ54 (Figura 5.26). Queste possono essereespresse come

σ221 = σ2

2 + σ21

σ231 = σ2

3 + σ21

σ242 = σ2

4 + σ22

σ253 = σ2

5 + σ23

σ254 = σ2

5 + σ24

(5.2)

92

5.4 — Risoluzione temporale

TOF 21 corretto

Eventi per la STRIP 2, PAD 10

0100200

-40 -20 0 20 40

Entries 1909

TDC bin

TOF 31 corretto

0100200

-40 -20 0 20 40

Entries 1909

TDC bin

TOF 42 corretto

0100200

-40 -20 0 20 40

Entries 1909

TDC bin

TOF 53 corretto

0100200

-40 -20 0 20 40

Entries 1909

TDC bin

TOF 54 corretto

0100200

-40 -20 0 20 40

Entries 1909

TDC bin

Figura 5.26: Le curve gaussiane interpolate per ricavare i valori delle deviazionistandard dei tempi di volo.

93


e da questo sistema possiamo ottenere le seguenti equazioni per calcolare la risoluzioneintrinseca di ogni pad in ogni STRIP:

σ1 =

√σ2

21 − σ242 + σ2

54 − σ253 + σ2

31

2(5.3)

σ2 =

√σ2

21 − σ231 + σ2

53 − σ254 + σ2

42

2(5.4)

σ3 =

√σ2

31 − σ221 + σ2

42 − σ254 + σ2

53

2(5.5)

σ4 =

√σ2

42 − σ221 + σ2

31 − σ253 + σ2

54

2(5.6)

σ5 =

√σ2

53 − σ231 + σ2

21 − σ242 + σ2

54

2. (5.7)

Nell’analisi dei dati, cio e stato fatto sia per tracce verticali sia per tracceoblique. Inoltre i tempi sono corretti per time-slewing, come descritto nel paragrafosuccessivo.

5.4.2 Time-Slewing

I segnali provenienti dalle pad di ogni STRIP giungono ai moduli TDC sesuperano una certa soglia in ampiezza. Di conseguenza segnali analogici simultaneima diversi superano la soglia in tempi diversi. Questo perche un segnale piu basso(in cui vi e poca carica) avra un tempo di salita maggiore che un segnale piu ampio.E la differenza in ampiezza tra i segnali che causa questi ritardi. L’effetto e detto ditime-slewing.Osservando il grafico dei valori registrati dal TDC di una pad rispetto alla caricaregistrata dall’ADC, possiamo notare una forte dipendenza a piccoli valori della car-ica (Figura 5.27). Per ogni pad pertanto e necessaria una correzione. La correzioneviene ottenuta minimizzando simultaneamente per le cinque pad associate a unatraccia i cinque tempi di volo considerati:

t21 = t2 − t1

t31 = t3 − t1

t42 = t4 − t2

t53 = t5 − t3

t54 = t5 − t4

94


Strip 1 - pad 3: correlazione Time-Amplitude

1140

1160

1180

1200

1220

0 20 40 60 80 100

TD

C b

in

ADC bin

Figura 5.27: Correlazione tempo-ampiezza che mostra come per ogni pad il val-ore registrato dal TDC dipende dalla carica depositata e registratadall’ADC per piccoli valori di carica.

dove ogni tempo ti (per i = 1, 2, ..., 5) e espresso tramite una funzione di correzionea due parametri (ai, bi) come:

ti = t′i −ai√ADCi

− bi, (5.8)

a partire dal tempo t′i misurato dal TDC.A tale scopo viene utilizzata la libreria MINUIT che calcola i parametri di mini-mizzazione per ogni pad di ogni STRIP utilizzando un algoritmo di fit dei minimiquadrati. Considerando le tracce verticali che attraversano il telescopio e possibileeffettuare la minimizzazione usando soltanto 10 parametri variabili per una definitatraiettoria verticale. I parametri cosı ottenuti sono attribuiti ognuno alla propriapad e in seguito utilizzati per correggere i tempi, ai fini del calcolo della risoluzione,

95


anche nel caso di tracce oblique.

5.4.3 Risultati

I risultati per le STRIP 1, 2, 3, 4 e 5 (Figure 5.28-5.41) sono stati ottenuticon un campione di dati raccolti a una tensione di 13KV e con una soglia di 2Vsulle shede di front-end.Per tutte le pad delle STRIP analizzate (tranne che per un gruppo di pad nellaSTRIP 5, a causa di un probabile problema nelle schede di front-end), le risoluzionimisurate sono inferiori o comunque attorno ai 100ps per tracce qualsiasi, e anchemigliori se consideriamo soltanto le tracce verticali. Dal confronto con i risultatiottenuti su fascio per altri prototipi di MRPC STRIP, e possibile affermare che irisultati relativi al telescopio in analisi sono compatibili con quelli ottenuti su fas-cio, considerando che l’area sensibile e maggiore nel caso attuale e che, in assenzadi dispositivi ausiliari di tracciamento, non possiamo sapere con precisione dove iraggi cosmici vanno a colpire il rivelatore, se al centro delle pad o sui bordi, dove larisoluzione peggiora.Ricordiamo che dai test su fascio le risoluzioni medie delle STRIP misurate risul-tavano dell’ordine dei 60ps al centro delle pad e dell’ordine dei 100ps ai bordi.Possiamo dunque affermare che le misure effettuate con il telescopio per raggi cos-mici confermano le elevate prestazioni temporali delle MRPC STRIP (Figure 5.34 e5.41). Riportiamo nella seguente tabella le risoluzioni medie ottenute a partire dallerisoluzioni misurate per le 12 pad di ciascuna delle STRIP 1, 2, 3, 4 e 5.

96


Tutte le tracce5

STRIP Risoluzione (ps)STRIP 1 (94 ± 9) psSTRIP 2 (77 ± 13) psSTRIP 3 (89 ± 12) psSTRIP 4 (85 ± 7) psSTRIP 5 (114 ± 26) ps

Tracce verticaliSTRIP Risoluzione (ps)STRIP 1 (91 ± 12) psSTRIP 2 (71 ± 15) psSTRIP 3 (70 ± 14) psSTRIP 4 (73 ± 11) psSTRIP 5 (110 ± 28) ps

5L’errore sulle misure di risoluzione riportate in tabella e lo scarto quadratico medio (RMS) dellerisoluzioni temporali delle varie pad.

97


Risoluzione su tutte le tracce

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80Ch.number

Res

olu

tio

n(p

s)

Figura 5.28: Risoluzione temporale delle singole pad per tutte le tracce. L’errore econtenuto nel punto. Le pad sono numerate seguendo la numerazionearbitraria dei canali di elettronica.

98


STRIP 1 - tutte le tracce

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

93.86 8.552

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps

Figura 5.29: Risoluzione temporale delle 12 pad della STRIP 1 per tutte le tracce.

99



0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

76.59 13.11

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps


100



0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

89.32 11.92

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps


101



0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

84.77 6.524

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps


102



0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

113.9 25.50

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps


103


Risoluzione di tutti i canali

0

2

4

6

8

10

12

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

91.68 19.28

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps

Figura 5.34: Risoluzione temporale delle pad delle 5 STRIP per tutte le tracce.

104


STRIP 1 - tracce verticali

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80Ch.number

Res

olu

tio

n(p

s)

Figura 5.35: STRIP 1: risoluzione temporale delle singole pad per tracce verticali.

105



0

1

2

3

4

5

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

91.14 12.26

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps

Figura 5.36: Risoluzione temporale delle 12 pad della STRIP 1 per tracce verticali.

106



0

1

2

3

4

5

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

70.68 14.97

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps


107



0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

70.23 14.20

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps


108



0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

73.41 11.45

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps


109



0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

109.8 27.66

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps


110


Risoluzione di tutti i canali

0

1

2

3

4

5

6

7

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

MeanRMS

83.05 23.07

Resolution(ps)

En

trie

s / 5

ps

Figura 5.41: Risoluzione temporale delle pad delle 5 STRIP per tracce verticali.

111


112

Capitolo 6

Altre misure sulle MRPCSTRIP

6.1 Misure sui vetri resistivi

Dal programma di R&D di ALICE TOF il disegno definitivo delle MRPCprevede l’utilizzo di una speciale pittura acrilica resistiva distribuita sulla superficiedei vetri che vanno a contatto con i PCB.La pittura resistiva e usata per applicare l’alta tensione alla camera ed e sviluppataappositamente allo scopo.In particolare, tale pittura deve essere tale da creare sui vetri esterni una superficieresistiva con una resistivita superficiale di circa 5MΩ/¤.Allo scopo di conoscere l’effettiva resistivita superficiale della patina resistiva deivetri e di mettere in evidenza eventuali variazioni della resistivita dovute all’e-sposizione all’ambiente del laboratorio sono state eseguite dettagliate misure diresistivita.

6.1.1 I vetri resistivi

I vetri con la patina resistiva sono preparati dalla ditta produttrice dellapittura1, e giungono nei laboratori dell’INFN pronti per il montaggio nelle MRPCSTRIP. La patina resistiva e composta da uno strato di vernice acrilica di cromo ezinco. I vetri resistivi (vetri ”rossi” per il colore della vernice resistiva) sono numeratie quindi distinguibili.Sono state misurate le resistivita di 20 vetri, utilizzati poi per costruire 5 MRPCSTRIP.

1DETEC (Torino).

113

Altre misure sulle MRPC STRIP

Figura 6.1: Il sistema usato per misurare la resistivita.

6.1.2 Misurare la resistivita

Per misurare la resistivita della patina rossa resistiva dei vetri e stata usatauna piastra in plexiglass ai cui bordi e stato fissato del nastro adesivo di rame (Figura6.1). La sagoma della piastra interna al nastro in rame ha una forma quadrata, inmodo tale da misurare la resistivita in MΩ/¤. Al nastro di rame sono saldaticon dello stagno dei cavi che permettono la misura della resistivita utilizzando unmultimetro digitale.La misura viene effettuata appoggiando la piastra sopra la patina acrilica del vetroe misurando la resistenza della corrispondente porzione di patina con il multimetro.Cosı, ripetendo l’operazione in vari punti su tutta la lunghezza di un vetro, abbiamouna misura dell’uniformita della resistivita superficiale della patina lungo il vetro.Per fare in modo che la piastra con il nastro di rame aderisca bene alla patina rossa,dobbiamo esercitare una certa pressione sulla piastra, mantenendola uguale per tuttele misure fatte. A tale scopo sono stati posti opportuni pesi sopra la piastra ad ogni

114

6.1 — Misure sui vetri resistivi

misura.Inoltre con un metro posto a fianco del vetro che si sta misurando abbiamo unriferimento spaziale della misura effettuata.

6.1.3 Risultati delle misure

Riportiamo i risultati delle misure effettuate sui vetri resistivi. Inizialmentesono state effettuate delle misure per verificare l’uniformita della resistivita dei vetri.Una seconda misurazione e stata effettuata a distanza di una settimana ed una terzaa distanza di un mese, per rivelare eventuali veriazioni della resistivita dovuti ad undegrado della patina nelle condizioni ambientali del laboratorio. E stata inoltre fattauna misura della resistivita per evidenziare il comportamento della pittura dopo illavaggio del vetro con alcool etilico, procedura che viene eseguita in fase di montag-gio delle MRPC STRIP.L’uniformita della resistivita lungo l’area dei vetri ricoperta dalla patina non e lastessa per tutti i vetri misurati (Figure 6.2-6.7). Sono presenti casi in cui le vari-azioni di resistivita sono di 5MΩ/¤ e casi in cui invece vi e una buona uniformita,in cui la resistivita lungo l’intera lunghezza varia entro un intervallo di 1MΩ/¤.Per quanto riguarda i valori stessi della resistivita, si verificano casi in cui i valorimisurati sono inferiori ai 5MΩ/¤ richiesti, anche se tutti i vetri presentano co-munque valori di resistivita dell’ordine di grandezza del MΩ/¤ (Figure 6.2-6.7).Dalle misure effettuate a distanza di una settimana (Figure 6.8-6.12) e poi a distanzadi un mese (Figure 6.13-6.17) possiamo notare come i valori di resistivita non varianodi molto, e le variazioni sono comprese entro gli errori sperimentali. Le variazionimassime registrate sono comunque di un’ordine di grandezza inferiori al valore diresistivita misurato. Possiamo dunque affermare che non sono state registrate dellevariazioni macroscopiche della resistivita dovute al degrado della patina resistiva, eche le variazioni riscontrate possono essere ricondotte alle variazioni climatiche ditemperatura e umidita del laboratorio (Figura 6.19).Per quanto riguarda la misura di resistivita effettuata dopo il lavaggio del vetrocon alcool etilico (Figura 6.18), questa ci assicura che anche un’eventuale puliziadel vetro con tale prodotto non altera le caratteristiche di resistivita della patina epertanto i vetri rossi possono essere lavati con cura prima di essere montati, senzapericolo di danneggiarli.

115


Vetro 34

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)

Figura 6.2: Prime misure di resistivita.

116


Vetro 101

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


117


Vetro 89

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


118


Vetro 85

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


119


Vetro 65

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


120


Vetro 71

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


121


Vetro 84, misure dopo una settimana

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Prime misure

Dopo una settimana

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)

Figura 6.8: Misure effettuate dopo una settimana dalle prime.

122



0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Prime misure

Dopo una settimana

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


123



0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Prime misure

Dopo una settimana

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


124



0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Prime misure

Dopo una settimana

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


125



0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Prime misure

Dopo una settimana

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


126


Vetro 68, misure dopo un mese

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Prime misure

Dopo un mese

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)

Figura 6.13: Misure effettuate dopo un mese dalle prime.

127



0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Prime misure

Dopo un mese

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


128



0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Prime misure

Dopo un mese

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


129



0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Prime misure

Dopo un mese

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


130



0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Prime misure

Dopo un mese

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)


131


Vetro 86, pulizia con alcool

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100 120

Prima della pulizia

Dopo la pulizia

Posizione (cm)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)

Figura 6.18: Misure effettuate dopo la pulizia con alcool etilico.

132


Vetro 85

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-5 0 5 10 15 20 25 30 35

pos.ne = 5cm

pos.ne = 25cm

pos.ne = 50cm

pos.ne = 75cm

pos.ne = 100cm

Time (giorni)

Res

istiv

itá (

MΩ

/)

Figura 6.19: Resistivita della patina rossa in funzione del tempo, per diverseposizioni.

133


6.2 Spostamento dei vetri interni

Applicando l’alta tensione ad una MRPC STRIP si instaura un forte campoelettrico al suo interno. I vetri interni che costituiscono le gas-gap si caricano elet-trostaticamente. Questo puo causare, in casi di alimentazione con tensioni elevate,uno spostamento dei vetri. E chiaro come, in un rivelatore di questo tipo, vi sia unaforte dipendenza della risposta al passaggio di una particella dalle dimensioni dellegap. Pertanto, una variazione dello spessore delle gap dovuta ad uno spostamentodei vetri interni causa una variazione nel segnale generato dalla valanga.Sono state studiate a fondo, quindi, le dimensioni delle gap delle MRPC STRIPprodotte, sia per verificare se lo spessore soddisfacesse le richieste di costruzione(250µm), sia per verificare se applicando l’alta tensione alla STRIP fosse osservabileuna variazione di tale spessore.

6.2.1 Operazioni di misura

Per misurare la dimensione delle gap di una MRPC STRIP e necessario fareuso di un microscopio con l’obiettivo graduato, per poter effettuare le misure in fasedi osservazione. Dopo la costruzione di ogni STRIP vengono verificate in questomodo le dimensioni delle gap, con misure ripetute lungo la STRIP e per entrambigli stack.Quello che si vuole osservare e un’eventuale variazione delle dimensioni delle gapquando la STRIP e connessa all’alta tensione in condizioni normali di funzionamen-to. Pertanto, per poter osservare le gap di una STRIP sotto tensione e necessarioinserirla in una scatola trasparente, in modo da poterla flussare con il gas per fornirlela tensione di funzionamento e contemporaneamente osservare attraverso le paretile sue gap (Figura 6.20).La misura viene fatta usando il microscopio graduato e, ad ogni posizione lungo laSTRIP, vengono registrate le posizioni dei vetri interni con e senza l’alta tensione.L’operazione e ripetuta per piu punti su entrambi gli stack.

6.2.2 Risultati e conclusioni

Dalle misure effettuate sulle dimensioni delle gap e stato possibile notare chequando la STRIP e sotto tensione c’e una tendenza di tutti i vetri interni a spostar-si in un’unica direzione, ossia verso il pannello di honeycomb fissato alla scatola,il pannello dello stack inferiore. Lo spostamento dei vetri e comunque molto lievetanto da non poter in molti casi essere misurato.Nonostante cio la dimensione delle gap lungo tutta la STRIP non varia apprezz-

134

6.2 — Spostamento dei vetri interni

Figura 6.20: La scatola trasparente usata per la misura con il microscopio dellospostamento dei vetri interni.

135


Figura 6.21: I due tipi diversi di stesura di fishing-line usati per costruire le dueSTRIP misurate: in alto, la stesura classica; in basso, la stesura azig-zag.

abilmente, grazie all’unica direzione di spostamento dei vetri. Non e ancora statacompresa la ragione per cui i vetri seguano tale tendenza nell’applicare l’alta ten-sione, ma per il funzionamento della MRPC STRIP e sufficiente che le dimensionidelle gap non varino e che gli spessori rimangano uniformi anche con l’alta tensioneapplicata.Sono state misurate due diverse STRIP per poter osservare un’eventuale variazionedella dimensione delle gap e per poter definire quale sia la metodologia di costruzioneche permette la minor mobilita dei vetri (Figura 6.21),ossia:

• con fishing-line (tra i vetri interni) steso in maniera classica;

• con fishing-line steso a zig-zag.

136


Entrambe le soluzioni presentano il medesimo comportamento, cioe i vetri internitendono leggermente a muoversi tutti in un unico verso, senza alterare la dimensionedelle gap.

137


Strip MC - top stack

0

5

10

15

20

25

30

35

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

EntriesMean

40 -8.750

Spostamento misurato (µm)

Figura 6.22: Spostamento dei vetri dello stack superiore di una STRIP con fishing-line classica, misurato con il microscopio.

138


Strip MC - bottom stack

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

EntriesMean

40 -6.875


Figura 6.23: Come Figura 6.22 per lo stack inferiore della STRIP.

139


Strip MC - top stack - HV=0

0

2

4

6

8

10

12

200 220 240 260 280 300

EntriesMean

15 243.8

Gap dimension (µm)

Figura 6.24: Dimensione delle gap dello stack superiore a tensione spenta per unaSTRIP con fishing-line classica.

140


Strip MC - top stack - HV=13kV

0

2

4

6

8

10

12

200 220 240 260 280 300

EntriesMean

15 242.9

Gap dimension (µm)

Figura 6.25: Come Figura 6.24 quando la STRIP e alla tensione di lavoro.

141


Strip MC - bottom stack - HV=0

0

1

2

3

4

5

6

7

200 220 240 260 280 300

EntriesMean

15 240.4

Gap dimension (µm)

Figura 6.26: Dimensione delle gap dello stack inferiore a tensione spenta per unaSTRIP con fishing-line classica.

142


Strip MC - bottom stack - HV=13kV

0

1

2

3

4

5

6

7

8

200 220 240 260 280 300

EntriesMean

15 241.2

Gap dimension (µm)


143


Strip CERN - top stack

0

5

10

15

20

25

30

35

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

EntriesMean

32 -6.250


Figura 6.28: Spostamento dei vetri dello stack superiore misurato con ilmicroscopio di una STRIP con fishing-line a zig-zag.

144


Strip CERN - bottom stack

0

5

10

15

20

25

30

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20

EntriesMean

32 -5.469


Figura 6.29: Come Figura 6.28 per lo stack inferiore della STRIP.

145


Strip CERN - top stack - HV=0

0

1

2

3

4

5

6

200 220 240 260 280 300

EntriesMean

12 238.5

Gap dimension (µm)

Figura 6.30: Dimensione delle gap dello stack superiore a tensione spenta per unaSTRIP con fishing-line a zig-zag.

146


Strip CERN - top stack - HV=13kV

0

1

2

3

4

5

6

200 220 240 260 280 300

EntriesMean

12 243.8

Gap dimension (µm)


147


Strip CERN - bottom stack - HV=0

0

1

2

3

4

5

6

200 220 240 260 280 300

EntriesMean

12 238.5

Gap dimension (µm)

Figura 6.32: Dimensione delle gap dello stack inferiore a tensione spenta per unaSTRIP con fishing-line a zig-zag.

148


Strip CERN - bottom stack - HV=13kV

0

1

2

3

4

5

200 220 240 260 280 300

EntriesMean

12 237.5

Gap dimension (µm)


149


150

Capitolo 7

Conclusione

Il telescopio a raggi cosmici descritto in questa tesi e stato per la prima voltaoperato per il test simultaneo di cinque prototipi di MRPC in configurazione STRIP.Tali rivelatori costituiscono gli elementi di base del grande sistema TOF del futuroesperimento ALICE a LHC. Malgrado l’assenza di rivelatori ausiliari per il triggere il tracciamento, il telescopio ha fornito misure molto soddisfacenti, dimostrandodi essere un ottimo strumento per i futuri test che verranno effettuati a Bologna almomento della produzione di massa delle STRIP.I prototipi misurati hanno confermato precedenti risultati ottenuti su fascio, ossiale loro eccellenti prestazioni in termini di efficienza (' 99%) e risoluzione temporale(< 100ps).

151

Conclusione

152

Bibliografia

[1] ALICE Collaboration, Technical Proposal, CERN/LHCC/95-71.

[2] ALICE Collaboration, Technical Proposal (Addendum 1), CERN/LHCC/96-32.

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