Università di Pavia
Dipartimento di Fisica Nucleare e Teorica
17 Dicembre 2004
L’esperimento ICARUS
Alessandro Menegolli
Dottorato di Ricerca, XVIII ciclo
Cos’è ICARUS?
E’un rivelatore di neutrini e di altri eventi rari il
cui primi due semimoduli da 300 tonnellate proprio
in questi giorni stanno venendo trasportati da
Pavia ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso
ICARUS è un progetto di ricerca approvato e finanziato dall’ INFN,
che comprende 25 istituzioni e 150 fisici di tutto il mondo
L’Aquila, LNGS,
Milano, Napoli,
Padova, Pavia,
Pisa, LNF
UCLA
CIEMAT
Granada
ETHZ
Katowice, Krakow,
Warsaw, Wroclaw
INR
IEHP
La fisica di ICARUS
Neutrini da Supernova…
…neutrini solari…
…neutrini atmosferici…
…neutrini dal CERN a LNGS…
…decadimento del protone
ICARUS è un rivelatore ad Argon liquido: perchè?
Facile da ottenere con purezza molto elevata da industrie specializzate
- Concentrazione nell’atmosfera ~ 0.9%
- Economico: 1 litro costa meno di 1 euro
Mezzo omogeneo che si comporta sia da bersaglio che da rivelatore
Interessanti proprietà fisiche per un oggetto tracciante:
- Punto di ebollizione = 87.3 K @ 1 bar, non infiammabile
- Densità = 1.4 g/cm3
- Lunghezza di radiazione = 14 cm, lunghezza di interazione = 80 cm
- dE/dx (m al minimo) = 2.1 MeV/cm
Il passaggio di particelle cariche induce…
- Ionizzazione
Dopo la ricombinazione @ 500 V/cm: 55000 coppie elettrone-ione per cm
Elevata mobilità degli elettroni di deriva
- Scintillazione
Spettro UV, l = 128 nm (osservata da un sistema di fotomoltiplicatori
immersi nell’Argon liquido, fornisce il tempo zero dell’evento)
Come funziona ICARUS ?
sui quali
Una
…gli
particella
elettroni
si induce
vengono
che un
attraversa
segnale
guidatiche
ilda
rivelatore
viene
un
campo
elaborato
ionizzaelettrico
glidall’elettronica…
atomiverso
di argon…
tre piani di fili…
Catodo
Argon liquido (87 K)
eeee-
E (500 V/cm)
ee-
E (500 V/cm)
e-
e-
Anodo: 3 piani di fili (a ±60° e 0°)
Rivelatore
ICARUS T600
Catena elettronica per
l’elaborazione del segnale
sui tre piani di fili
Segnali tipici di ICARUS T600
Modulo T600: Dati dai Raggi Cosmici
Nell’estate del 2001 sono stati collezionati più di 27000
eventi nel corso di un run tecnico a Pavia, in superficie
- Il rivelatore ha funzionato secondo le attese
- Sono state compiute analisi per:
- Ricostruzione 3D di tracce singole
- Identificazione di particelle
- Ricostruzione di sciami elettromagnetici
- Misure di elettroni a bassa energia
- Misure di sciami cosmici di muoni
- Appositi programmi permettono di visualizzare gli eventi
a partire dai segnali raccolti sui tre piani di fili…
Drift
Sciami estesi di raggi cosmici
Filo
Drift
Interazioni adroniche con produzione
di particelle secondarie
Drift
Filo
Sciami elettromagnetici
di alta energia
Filo
Tipologia degli eventi ne (CC) e nm (NC)
Uno degli scopi principali di ICARUS e` lo studio dei processi
di neutrino, per la misura dei parametri di oscillazione. Per questo
risulta fondamentale la distinzione tra interazione di ne in CC:
ne + n → e- + p
e interazione di nm in NC:
nm + n →nm + p0 + X
La tecnica della TPC deve dimostrare quanto precisa sia la misura
dell’energia rilasciata nell’argon liquido dagli sciami elettromagnetici
prodotti nel decadimento del p0 in due fotoni.
Ricerca di eventi adronici con produzione di p0
Tempo di deriva
La ricerca di eventi con produzione di p0 e` stata compiuta sui dati
registrati dal semimodulo T300 nel 2001. Un software apposito
fornisce il display (2D) degli eventi:
Sciame e.m. dal g del
decadimento p0
gg
Coordinata filo (3mm pitch)
Strumenti per la ricostruzione degli sciami
t (cm)
1. Hit finding sui fili delle camere (algoritmi standard per la
distinzione dei picchi di segnale sul fondo di rumore);
2. Identificazione di tutti gli hit dello Solo
sciame
analizzato;
i picchi
all’interno della
poligonale verde (tracciata
3. Ricostruzione dell’energia depositata;attorno allo sciame) sono
selezionati per la
4. Ricostruzione della direzione del g; ricostruzione in energia
5. Massa invariante dei sistemi gg associati all’evento studiato.
u (cm)
mg 1g 2  2 Eg 1 Eg 2 (1  cos g 1g 2 )
Calibrazione MC con FLUKA
Gli algoritmi per la misura dell’energia degli sciami e per la ricostruzione
della massa del p0 (M = 135 MeV/c2) sono stati ottimizzati con un’analisi
MC (FLUKA) di varie tipologie di eventi con produzione di p0:
p0
gg (a riposo)
p + 40Ar
S0
p0 + p (a riposo)
n p0 + X (2 GeV)
Distribuzione della massa invariante (sinistra) e dell’energia
totale (destra) di 60 sistemi gg selezionati in interazioni
adroniche di p- da 2 GeV su Ar, simulate con FLUKA e
misurate con ANATRA, dopo la calibrazione in energia
Distribuzione di massa invariante per 51 eventi reali candidati p0
Il best fit con una gaussiana sopra un fondo polinomiale da:
mgg= 150.6 ± 6.8 MeV/c2
gg
La ricostruzione di eventi p0 unita all’analisi range-energia
permette la ricostruzione di eventi complessi:
Range = 10.5 cm
Energia cinetica: 48.8 ± 5.2 MeV
-
K0
p+ p- p0
Spettro a bassa energia: 39Ar
La ricerca di elettroni di bassa energia (E < 1 MeV)
nei dati di ICARUS T600 ha due scopi:
1. la ricerca di contaminazioni di
naturale dell’atmosfera
39Ar
nell’argon
2. la calibrazione a bassa energia, tramite il fit
dello spettro b del 39Ar
PRELIMINARE
E (KeV) = (3.8 ± 0.2) ADC (counts)
Fit dello spettro degli elettroni a bassa
energia con lo spettro b del 39Ar
L’attività stimata per
39Ar
risulta (0.83 ± 0.04) Bq/litro di LAr
T3000
Fin ICARUS
qui il T600…
ma +poi?
Spettrometro Muonico
Il primo dei due moduli T1200 sarà pronto
per l’arrivo del fascio CNGS (2007)
Conclusioni
Il primo modulo T600 di ICARUS è stato messo in funzione e ha
dimostrato che la tecnica delle TPC ad Argon liquido è ormai matura
I dati raccolti nel 2001 a Pavia sono stati sottoposti a diverse
analisi che hanno confermato l’estrema precisione del rivelatore
nell’identificazione e nella misura delle particelle ionizzanti
I due semimoduli T300 proprio in questi giorni vengono trasportati
da Pavia alle sale sperimentali dei Laboratori del Gran Sasso
La massa totale di ICARUS sarà portata nel prossimo futuro da 600
a 3000 tonnellate, consentendo una ricca fisica del neutrino, in
particolare in vista dell’arrivo del fascio CNGS