Il calorimetro dell'esperimento PAMELA
Daniele TrocinoINFN and University of Torino
Torino, 7 novembre 2008Esame “Calorimetry in Particle Physics experiments”
07/11/08 D. Trocino Esame "Calorimetry in Particle Physics experiments" 2
Indice
• L'esperimento PAMELA ed i suoi obiettivi
• Il detector PAMELA
• Il calorimetro a imaging di PAMELA
• Test del calorimetro
• Prestazioni del calorimetro e misure fisiche
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Premesse ed obiettiviRicerca di antimateria nella radiazione cosmica primaria → balloon flights:
• 1993 (TS93): elettroni e positroni di alta energia
• 1994 (CAPRICE 94): antiprotoni nel range 0.5 ÷ 3.5 GeV
• 1998 (CAPRICE 98): antiprotoni ad energie maggiori di CAPRICE 94
⇒ “naturale” evoluzione: esperimenti su satellite!
A Payload for Antimatter Matter Exploration and Lightnuclei Astrophysics → PAMELA
Obiettivi:
• Studio delle antiparticelle nei raggi cosmici
• Ricerca di antimateria
• Ricerca di dark matter
• Studio della propagazione dei raggi cosmici
• Studi di Fisica Solare
• Studio dello spettro di elettroni
Range energie # in 3 anni
antiprotoni 80 MeV 190 GeV O(104)positroni 50 MeV 270 GeV O(105)elettroni < 400 GeV O(106)protoni < 700 GeV O(108)elettr+positr < 2 TeV (calorimetro!)nuclei leggeri < 200 GeV/n (Be) O(104)
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Il satellite ResursDK1
350 600 km
Durante il lancio e le manovre in orbita
In funzione
Massa: 6.7 tonnAltezza: 7.4 mArea pannelli: 36 m2
Satellite ResursDK1:
• Scopo: osservazione della superficie terrestre
• Costruito da TsSKB Progress(Samara – Russia)
• Lancio: 15 giugno 2006• Durata prevista: ~ 3 anni
Pamela:
• Ospitato in una capsulapressurizzata
• Temperatura: 5 ÷ 40 °C• Resistenza alle vibrazioni
del lancio!• Resistenza alle radiazioni
~ 25 krad = 250 Gy
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Il detector PAMELA (I)
Time of flight system
Anticoincidence system
Permanent magnet
Transition Radiation Detector
Silicon Tracker
EM Calorimeter
Accettanza: 21.5 cm2sr Massa: 470 kgPotenza: ~ 360 WDimensioni: 1.3×0.7×0.7 m3
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Il detector PAMELA (II)Accettanza: 21.5 cm2sr
Timeofflight• L1 trigger – reiezione albedo
particle ID (< 1 GeV) dE/dx
• Scintillat. plastico + PMT (3 piani)
• Risoluzione temporale ~ 100 ps Anticoincidence system• Reiezione di particelle
interagenti con l'apparato
• Definisce l'accettanza del tracker
• Scintillatore plastico + PMT
• Efficienza (MIP) > 99.9%
Si Tracker + magnete• Misura la rigiditità
• Magneti in NdBFe (0.43 T)
• 6 piani di microstrip di Si
• risoluzione (piano di curvatura): ~ 3 m
TRD• A soglia: segnale da e±, non da p, • 9 piani di tubi con Xe/CO2 (4 mm)
+ fibre di carbonio tracking→
• Separazione ep (insieme al calo)
Showertail catcher (S4)• Singolo scintillatore plastico
• Scopo principale: trigger del ND
Neutron Detector• 36 contatori 3He
• discriminazione e/h ad alte energie
Calorimetro a imaging in SiW
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Il calorimetro di PAMELAScopi principali:• discriminazione leptone/adrone• misura dell'energia totale di e ±
• ricostruzione dello sviluppo spaziale (longitudinale etrasversale) dello sciame
• misura della distribuzione di energia lungo lo sciame
Caratteristiche:● 22 piani di W (2.6 mm / 0.74 X0)● 44 piani di strip di Si (XY coord.),
spessore 380 µm● Profondità totale: 16.3 X0 / 0.6 I● 4224 canali● Possibilità di selftriggering
(> 300 GeV; accettanza ~ 600 cm2sr)● Massa: 110 kg● Potenza consumata: 48 W
Prestazioni:● efficienza per antip, e + ~ 90%● reiezione di p ~ 105
● reiezione di e – > 104
● risoluzione in energia~ 5% @ 200 GeV
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I moduli del calorimetro
44 piani di Si strip (22 X and 22 Y)
● Detector da 8×8 cm2 organizzati in matrici 3×3
● 32 strip/detector, passo 2.4 mm● Le strip di una stessa riga (colonna)
sono connesse (ladder) strip da 24 cm→
● Ogni ladder (32 canali) è lettotramite 2 frontend chip CR1.4P
6 frontend chip/piano→● In totale:
● 396 detector a Si● 264 chip CR1.4P● 4224 canali
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Elettronica di frontend
Frontend → CR1.4P ASIC (progettato appositamente):● 16 canali/chip● struttura canale: CSA, shaper, T/H, out. mux.● circuito di calibrazione integrato● circuito di selftrigger integrato● shaping time = 1 µs● sensibilità = 5 mV/MIP• largo range din.: 7.1 pC = 1400 MIP (1 MIP = 4.9 fC)• ENC 2700 e≈ – rms + 5 e–/pF
ADC:• 1 ADC a 16bit/piano 44 ADC (AD977A)→• tempo totale di process. del calorimetro ~ 700 µs
Readout:• Calorimetro diviso in 4 sezioni:
Odd_X, Odd_Y, Even_X, Even_Y• 1 DSP/sezione (ADSP2187) 4 DSP→
• calibrazione online• data compression
• 1 FPGA/sezione (A54SX72) 4 FPGA→
Schema di un canale di CR1.4P
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Modalità selftriggering● Obiettivo: rivelare elettroni/positroni di altissima energia (300 GeV ÷ 1 TeV)● Eventi rari rispetto al rate normale di eventi in PAMELA
essenziale aumentare l'→ accettanza geometrica per raggiungere una statistica sufficiente● Il calorimetro “standalone” può estendere l'accettanza geometrica di PAMELA da
21 cm2sr a ~ 600 cm2sr il chip CR1.4P è dotato di un'opzione → selftrigger
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Test del calorimetro• Misure e test sui singoli moduli e della loro elettronica in vari siti
(capacità, leakage current, S/N con sorgenti radioattive, frontend)
• Test d'integrazione, elettronica, DAQ
• Test su un calorimetro di prova (20 layers) al CERN PS, SPS (2000) validazione delle → simulazioni delle performance del calorimetro
• Beamtest del calorimetro al CERN SPS (2004) calibrazione dei singoli canali con MIP – usati fasci di adroni senza strati
di tungsteno (meno spread rispetto al fascio di muoni) data run con
– adroni da 150 GeV– muoni da 150 GeV
– elettroni da 1501008050302010 GeV trigger casuali durante i run per il monitoring del pedestallo.
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Test beam – calibrazione (I)S/N ~ 5.2 Eventi di trigger casuali
(pedestallo)
Showerprofile
Canale
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Test beam – calibrazione (II)
Eventi ditrigger casuali(pedestallo) Risposta del
calorimetroa fasci di e – di
diversa energia
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Test beam – calibrazione (III)A
DC
(rife
riti a
l ped
esta
llo) /
640
Energia del fascio di e – [GeV]
Fit lineare1 GeV ↔ 4.2 · 640 ADC
Risposta lineare,no saturazione
In orbita, la calibrazioneviene effettuata ogni
~95 minuti
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Test beam – risoluzione energeticaFit alla funzione P1·E
–½ + P2
2 / dof 22.14/5P1 28.98 ± 0.94P2 (–0.74 ± 0.93)·10–1
Energia del fascio di e – [GeV]
E /
E [
%]
• Simulazioni con con Geant4 chetengono conto solo dello “showerleakage” danno 18% / E–½
• Qui in più: canali difettosi,incertezza sulla calibrazionee larghezza del fascio
valore costante ~ 3%(~ 5% da stime più recenti)
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Calibrazione e risoluzionein selftrigger mode
Energia del fascio di e – [GeV]
Ene
rgia
rico
stru
ita [
GeV
]
Energia del fascio di e – [GeV]
E /
E [
%]
Simulazione
• Energia ricostruita dal layer con il massimo deposito + le 3 successive• I cerchi neri rappresentano una correzione per il materiale attraversato
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Principio di funzionamento
Neutron detector
[γ ]
[Momento]
[Ee / ID]
BOTTOM SCINTILLATOR (S4)
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Noninteracting antip (18 GeV)
“Flight” data
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Interacting antip (11.6 GeV)
“Flight” data
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Positron (32.3 GeV)
“Flight” data
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Separazione pe– con il calorimetroDati da SPS Test Beam:
p & e (200 GeV/c)
Buona separazione.
Variabili discriminanti:
• frazione di energia rilasciatalungo la traccia nel calorim.
• matching tra energia emomento
• punto d'inizio dello sciame
• profilo longitudinale
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Selezione di e+ con il calorimetro
p (nonint)
ee
ee++
p (nonint)
p (int)
p (int)
Variabili usate:
frazionedi energia
+matching
energiamomento
+p.to inizio sciame,
profilo longit.
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Selezione di e+ con il calorimetro
ee
pp
ee++
Variabili usate:
frazionedi energia
+matching
energiamomento
+p.to inizio sciame,
profilo longit.
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Selezione di e+ con il calorimetro
ee
pp
ee++
Variabili usate:
frazionedi energia
+matching
energiamomento
+p.to inizio sciame,
profilo longit.
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Rapporto e+ / e–
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Rapporto e+ / e–
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Identificazione con il calorimetro
Media troncata delle misure di dE/dx in diversi piani di Silicio
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Conclusioni• PAMELA è in orbita e raccoglie dati da più di 2 anni
• Il calorimetro ha finora operato secondo le aspettative funzionamento di base (elettronica, rumore, ecc.) funziona secondo
le aspettative ed è stabile prestazioni (risoluzione, particle ID, ecc.) secondo le previsioni da
simulazioni + TestBeam il calorimetro si è dimostrato all'altezza degli obiettivi scientifici
dell'esperimento
• PAMELA è il primo esperimento nello spazio che misura gli spettri di antiprotoni e positroni ad alte energie (> 150 GeV)