Università degli Studi di Torino
Laurea Magistrale in Fisica delle Interazioni Fondamentali
Messa a punto finale dei
Calorimetri a Zero Gradi per
l’esperimento ALICE
Candidata: Grazia Luparello
Relatore: Prof. Mauro Gallio
Controrelatore: Prof. Ezio Menichetti
Sommario


L’esperimento ALICE
I Calorimetri a Zero Gradi
 La misura della centralità
 Il calorimetro per neutroni e quello per protoni

I test eseguiti

Risultati dei test

Conclusioni
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L’esperimento ALICE

Studia collisioni di ioni piombo a 5.5 TeV per coppia di nucleoni per
studiare la formazione del Plasma di Quark e Gluoni
Rivelatori in
avanti
Braccio Dimuonico
Central Barrel
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La centralità
Gli ZDC misurano la centralità delle collisioni misurando
l’energia dei nucleoni spettatori
Collisioni centrali
Parametro d’impatto piccolo (b)
Molti nucleoni partecipanti
Pochi spettatori
 Poca energia negli ZDC
Collisioni periferiche
Parametro d’impatto grande (b)
Pochi nucleoni partecipanti
Molti spettatori
 Molta energia negli ZDC
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I Calorimetri a Zero Gradi di ALICE

2 set identici di calorimetri
adronici ai due lati dell’IP alla
distanza di 116m

Ogni set comprende:
1 calorimetro per neutroni (ZN)
+
1 calorimetro per protoni (ZP)

Neutroni e protoni spettatori
sono separati dagli elementi
magnetici dell’LHC

←IP
Accettanza
ZP ~ 86%
ZN ~100%
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Funzionamento del calorimetro
Principio di funzionamento basato sulla rivelazione della luce Cherenkov
prodotta nel materiale attivo dalle particelle dello sciame

Calorimetro
Nucleone
incidente


Sciame
Fotoni Cherenkov
prodotti nel materiale
attivo (fibre)
Fotocatodo
Fotoelettroni
I fotoelettroni vengono moltiplicati dai dinodi dei PM
La carica raccolta all’anodo è: Qa = G * Nphe *e
La carica raccolta è proporzionale all’energia depositata dalle
particelle
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Il Calorimetro per Neutroni
Dimensioni
Materiale passivo
7.2 x 7.2 x 100 cm3
Lega di W e Ni-Fe
(ρ=17.6 g/cm3)
93.5 % W, 6.5%Ni-Fe
Spessore strati
1.6 mm
Materiale attivo
1936 fibre di quarzo
Distanza tra le fibre
1.6 mm
Diametro fibre (core)
365 μm
Apertura numerica
0.22
Rapporto volumico
1/22
5 fotomoltiplicatori
Tipo HAMAMATSU R329-02
Efficienza quantica del 25%
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Il Calorimetro per Protoni
22.8 x 12 x 150 cm3
Dimensioni
Materiale passivo
Ottone
(ρ=8.48 g/cm3)
Spessore strati
4mm
Materiale attivo
1680 fibre di quarzo
Distanza tra le fibre
4 mm
Diametro fibre (core)
550 μm
Apertura numerica
0.22
Rapporto volumico
1/65
PMT 1
PMT 2
5 fotomoltiplicatori
PMT 3
HAMAMATSU R329-02
PMT 4
Efficienza quantica del 25%
PMT c
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Test effettuati
• Calorimetri testati con fasci di pioni e elettroni ad energie comprese fra i 50 e i 200 GeV
• PM caratterizzati in laboratorio prima del montaggio
Caratterizzazione dei PM:
1) Misura del guadagno assoluto di ogni PM osservando lo spettro di singolo
fotoelettrone (ad HV>1800 V).

Raggi cosmici

Laser impulsato
2) Costruzione della curva di guadagno

Prima dell’inizio dei run:


Durante i run:


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Scelta della tensione di alimentazione iniziale dei PM
Monitoraggio della stabilità del guadagno
Controllo della trasparenza delle fibre
→ le misure devono essere ripetibili
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Setup per le misure con i raggi cosmici
Scintillatori


Trigger: Coincidenza di 2 scintillatori
Rate di trigger:
ZN circa 1.5 µ/s
ZP circa 10 µ/s
PM

I muoni non sciamano attraversando il
calorimetro

L’energia persa è sufficiente per produrre
(nel 3%dei casi circa) al fotocatodo un
solo fotoelettrone che viene moltiplicato

μ
Calorimetro
Caratteristiche ADC:
• 4096 canali
• Per ogni segnale in ingresso vengono
date due misure di carica:
La carica raccolta all’anodo è portata ad
un modulo fan in – fan out e poi ad un
ADC che la converte in un segnale digitale
→ si costruisce lo spettro in ADC
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High range: 200 fC/ch
Low range: 25 fC/ch
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Spettri di singolo phe dai cosmici (I)
ZN1T3
HV = 2150 V
conteggi
Piedestallo(μ1)
Singolo phe (μ2)
2 phe (μ3)
canali ADC
G
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(μ2  μ1 )  25fC/Ch
e

μ2-μ1 = (33.5 ± 0.4) ch
Guadagno = (0.523 ± 0.006)*107
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
Spettri di singolo phe dai cosmici (II)
ZN1T3
HV = 2400 V

conteggi

μ2-μ1 = (71.3 ± 0.9) ch
Guadagno = (1.12 ± 0.01)*107
canali ADC
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Setup per misure con laser



Filtri: Kodak Wratten Gelatin Filter con
densità D variabile da 0.1 a 4
Fibre
Itrasmessa = 10-D * Iemessa
Per ottenere il singolo phe → D=4
Frequenza laser: 1kHz
ZN
Laser
ZP
Fenditura filtri
Fibre
PM riferimento
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Spettri di singolo phe dal laser
ZN1T3
HV = 2332 V
Spettro in ADC simile a quello per i cosmici
Statistica più alta
Più eventi nel picco del singolo phe


conteggi

μ2-μ1 =(61.3±0.1) ch
G = (0.958±0.002)*107
canali ADC
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Risultati ottenuti
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Osservazioni

I guadagni assoluti calcolati con i due diversi metodi sono in
accordo tra loro

Entrambi i metodi sono utilizzabili per il monitoraggio della stabilità

Raggi cosmici:



Tempi di esecuzione lunghi
Misura sempre possibile anche durante la presa dati di ALICE
Impulsatore laser:


Tempi di esecuzione brevi (frequenza di 1 kHz)
Misura possibile solo nei periodi di non funzionamento dell’LHC
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Curva di guadagno



I PM sono stati caratterizzati ad alte HV
Il guadagno a basse HV è stato estrapolato dai guadagni ad alte HV
Per avere dati sperimentali da confrontare con le estrapolazioni si
illuminano le fibre con una luce laser ad alta intensità in modo da
poter usare i PM a basse HV
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Curva di Guadagno: Procedura (I)
Il set up usato è lo stesso usato per misurare il singolo phe con laser.
Si
fissa l’intensità del laser al valore massimo
Si
sceglie una tensione iniziale dei PM attorno ai 1000V per andare a misurare il
guadagno anche in una regione al di sotto della zona di lavoro ipotizzata
Si
attenua la luce del laser usando un filtro con D=1
ZN1T1
Spettro in ADC con
piedestallo sottratto
HV=1020V
Si usa l’ADC in High Range:
→ 200 fC/ch
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Curva di Guadagno: Procedura (II)
HV=1220V
HV=1120V
HV=1320V
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HV=1327V
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Curva di guadagno: Procedura (III)
Aumentando ancora la tensione si otterrebbe un segnale all’ingresso del
fan in – fan out maggiore di 1.5V
→ si inserisce un filtro con densità maggiore: D=2
Si torna ad avere un
segnale <1.5 V.
HV=1327V
Il picco è di nuovo ad un
canale basso dell’ADC
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Canale ADC vs. HV
D=1
D=3
D=2
D=3.2
D=3.1
D=2.4
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Canale ADC vs. HV
Si raccordano i punti
moltiplicandoli per un opportuno
coefficiente ottenuto dal grafico
precedente
La curva di guadagno costruita è
da confrontare con i guadagni
assoluti
Si normalizza la curva ad un
guadagno assoluto di 0.5*107
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La curva di guadagno

Curve non coincidenti ad
HV<1800 V
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Linearità
Le 2 curve ottenute dalle estrapolazioni sono in accordo tra loro e sono
sempre al di sopra dei dati sperimentali
Tale fenomeno è collegabile ad un problema di
non linearità dei PM quando l’intensità luminosa è alta e la tensione di
alimentazione è bassa
Sono in corso serie di misure per studiare la regione di linearità dei PM
variando la luce incidente tenendo fissa la tensione di alimentazione
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Conclusioni

Guadagni assoluti
Per ognuno dei 20 PM sono stati calcolati i guadagni assoluti a tensioni
di alimentazione maggiori di 1800 V.

Sia le misure con i cosmici sia quelle con il laser permettono di
caratterizzare i PM a HV>1800 V.

Entrambi i metodi possono essere usati per monitorare PM e fibre
→ l’elettronica necessaria andrà inserita nello schema generale di trigger.


Curve di guadagno

Per ogni PM sono state costruite le curve di guadagno in un intervallo di
tensioni compreso tra 1000 e 2700 V.
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