Studio della distribuzione del segnale misurato dal rivelatore a tempo di volo (tof) di alice e di nuovi algoritmi per la sua ottimizzazione

Questa tesi si propone di investigare l'origine di effetti non gaussiani nella distribuzione del segnale del rivelatore Time of Flight (TOF) dell'esperimento A Large Ion Collider Experiment (ALICE). Con la presa dati iniziata nel 2009 si è infatti osservata un'asimmetria nel segnale la cui origine è ancora oggetto di studio. L'analisi svolta mostra come essa sia dovuta a motivi strumentali piuttosto che fenomenologici e permette quindi di correggere in parte questa anomalia migliorando la risoluzione del rivelatore. ALICE è uno dei quattro esperimenti allestiti lungo l'anello del LHC e ha come obiettivo principale verificare l'esistenza di prove sperimentali che confermino l'esistenza di un nuovo stadio della materia, il cosiddetto Quark Gluon Plasma (QGP). Secondo la Cromodinamica Quantistica (QCD), la teoria che descrive l'interazione forte, caratteristica fondamentale di quark e gluoni è il loro confinamento all'interno di adroni. Studi recenti nell'ambito della QCD non-perturbativa hanno tuttavia dimostrato che in condizioni estreme di densità di materia adronica e temperatura sarebbe possibile un'inversione di tendenza nell'andamento della costante di accoppiamento forte. Le condizioni necessarie alla formazione del QGP sono ben riproducibili nelle collisioni ad energie ultrarelativistiche tra ioni pesanti, come quelle che sono state prodotte a LHC negli ultimi due anni, fra ioni di piombo con energie del centro di massa pari a 2.76 TeV per coppia di nucleoni. L'esperimento ALICE si propone di studiarne i prodotti e poiché la molteplicità di particelle che si generano nell'urto e considerevole, e necessario un sistema di rivelazione che permetta l'identificazione di particelle cariche su un grande angolo solido e in un ampio intervallo di impulsi. Il TOF, utilizzando un particolare rivelatore a gas detto Multigap Resistive Plate Chamber (MRPC), svolge brillantemente questo compito permettendo di raggiungere una risoluzione temporale inferiore ai 100 ps.

Studies on ToF-PET using Cherenkov radiation

La tomografia ad emissione di positroni (PET) è una tecnica di imaging di medicina nucleare, utilizzata oggi diffusamente in ambito clinico. Essa fornisce immagini e informazioni fisiologiche dei processi funzionali all’interno del corpo. La PET si basa sulla rilevazione di fotoni di annichilazione prodotti in seguito al decadimento di un radio farmaco iniettato nel paziente. I rilevatori convenzionali sono costituiti da un materiale scintillatore accoppiato ad un fotomoltiplicatore, solitamente un PMT o SiPM. Uno sviluppo della PET è la Time of Flight PET (ToF PET), attualmente già in commercio ed utilizzata con prestazioni eccellenti. Un’ulteriore modifica, che potenzialmente permetterebbe di ottenere una migliore risoluzione temporale, è la ToF PET basata sulla rilevazione di fotoni tramite radiazione Cherenkov, invece che luce di scintillazione. Questo lavoro di tesi è incentrato dunque su questa tecnica specifica. Si illustra una rassegna di pubblicazioni scientifiche degli ultimi anni riguardo ad essa con i relativi risultati ottenuti e i possibili sviluppi futuri. Infine si propone un approfondimento personale, nel quale, tramite un programma scritto in ROOT, si è realizzata una geometria di un sistema di rilevazione ToF PET. Esso prevede la rilevazione dei fotoni di annichilazione tramite un radiatore Cherenkov accoppiato ad un SiPM. In futuro questo potrà essere implementato e utilizzato per simulare il processo fisico della PET, verificando la validità e le prestazioni del sistema così sviluppato.

Proposal of a Continuous Read-out Implementation in the ALICE-TOF detector

The main purpose of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the investigation of the QGP. The ALICE experiment situated at the CERN has been specifically designed to study heavy-ion collisions for centre-of-mass energies up to 5.5 per nucleon pair. Extended particle identification capability is one of the main characteristics of the ALICE experiment. In the intermediate momentum region (up to 2.5 GeV/c for pi/K and 4 GeV/c for K/p), charged particles are identified in the ALICE experiment by the Time of Flight (TOF) detector. The ALICE-TOF system is a large-area detector based on the use of Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) built with high efficiency, fast response and intrinsic time resolution better than 40 ps. This thesis work, developed with the ALICE-TOF Bologna group, is part of the efforts carried out to adapt the read-out of the detector to the new requirements after the LHC Long Shutdown 2. Tests on the feasibility of a new read-out scheme for the TOF detector have been performed. In fact, the achievement of a continuous read-out also for the TOF detector would not be affordable if one considers the replacement of the TRM cards both for hardware and budget reasons. Actually, the read-out of the TOF is limited at 250 kHz i.e. it would be able to collect up to just a fourth of the maximum collision rate potentially achievable for pp interactions. In this Master’s degree thesis work, I discuss a different read-out system for the ALICE-TOF detector that allows to register all the hits at the interaction rate of 1 MHz foreseen for pp interactions after the 2020, by using the electronics currently available. Such solution would allow the ALICE-TOF detector to collect all the hits generated by pp collisions at 1 MHz interaction rate, which corresponds to an amount four times larger than that initially expected at such frequencies with the triggered read-out system operated at 250 kHz for LHC Run 3. The obtained results confirm that the proposed read-out scheme is a viable option for the ALICE TOF detector. The results also highlighted that it will be advantageous if the ALICE-TOF group also implement an online monitoring system of noisy channels to allow their deactivation in real time.

Ricostruzione di segnali multipli del rivelatore a tempo di volo (ToF) di ALICE: confronto fra dati e Monte Carlo

La fisica delle collisioni ad alte energie è, ad oggi, uno dei campi di ricerca più interessante per la verifica di modelli teorici che spieghino la nascita e la formazione dell'universo in cui viviamo. In quest'ottica lavorano esperimenti presso i più importanti acceleratori di particelle: tra questi anche l'esperimento ALICE, presso il Large Hadron Collider LHC del CERN di Ginevra. Il suo scopo principale è quello di verificare e ampliare l'insieme delle prove sperimentali alla base sull'esistenza di un nuovo stato della materia: il Quark Gluon Plasma. La presenza della transizione di fase della materia adronica ordinaria a QGP era stata teorizzata da diversi studi termodinamici e da calcoli di QCD su reticolo: in particolare si prevedeva l'esistenza di uno stato della materia in cui i quark sono deconfinati. Il QGP è dunque un plasma colorato e densissimo di quark e gluoni, liberi di interagire tra loro. Queste condizioni sarebbero state quelle dell'universo primordiale, circa 1µs dopo il Big Bang: a seguito di una transizione di fase, si sarebbe poi formata tutta la materia adronica ordinaria. Per riprodurre le condizioni necessarie alla formazione del QGP occorrono collisioni ad energie ultrarelativistiche come quelle prodotte, negli ultimi anni, dall'acceleratore LHC. Uno dei principali rivelatori dedicati all'identificazione di particelle in ALICE è il sistema a tempo di volo TOF. Nonostante un attento processo di ottimizzazione della risoluzione delle sue componenti, persistono residui errori strumentali che limitano la qualità (già ottima) del segnale, tutt'oggi oggetto di studio. L'elaborato presentato in questa tesi è suddiviso in tre capitoli: nel primo ripercorriamo gli aspetti teorici del Modello Standard e del Quark Gluon Plasma. Nel secondo descriviamo la struttura di rivelazione di ALICE, analizzando il funzionamento delle singole componenti. Nel terzo, infine, verifichiamo le principali correzioni al TOF ad oggi note, confrontando i dati a nostra disposizione con delle simulazioni Monte Carlo: questo ci permette da un lato di approfondirne la conoscenza, dall'altro di cercarne di migliorare la descrizione del comportamento del rivelatore.

Determinazione dei composti fenolici in succhi di melograno

Negli ultimi anni, affianco ai succhi di frutta “classici” è sempre più importante la produzione di “nuovi succhi” che vengono formulati a partire da frutta non convenzionalmente utilizzata per la produzione di succo. Un esempio particolare è il melograno, ricco di sostanze come ellagitannini, antociani e altri derivati dell’acido gallico ed ellagico. Al melograno sono state attribuite differenti attività biologiche tra le quali effetti benefici a livello cardiovascolare ed intestinale, attività di prevenzione del cancro e altre patologie neurodegenarative. Non è ancora chiaro quali siano i costituenti che dimostrano avere tali proprietà. L’alto potere antiossidante degli ellagitannini ha fatto supporre che fossero essi stessi i responsabili di alcune attività benefiche. Tuttavia, è stato dimostrato che la loro biodisponibilità è molto bassa, in particolare, alcuni studi hanno dimostrato che essi vengono trasformati dalla flora batterica intestinale in urolitine, che, in quella forma, possono essere assorbiti nell’intestino. Per questo motivo si pensa che questi composti, formati a partire dai tannini, presenti nel melograno, siano i responsabili dell’attività. Questo lavoro sperimentale si colloca all’interno del progetto finanziato dalla Regione Emilia-Romagna; in particolare fa parte dell’OR4 “componenti alimentari che concorrano al mantenimento di uno stato di benessere fisico e riduca il rischio di contrarre malattie”. In questo lavoro sperimentale sono stati analizzati succhi di melograno ottenuti da arilli, i semi del melograno, di cultivar e provenienze geografiche diverse. Lo scopo è quello di mettere a punto metodiche analitiche strumentali avanzate (HPLC-ESI-TOF-MS) per la determinazione di antociani e altri composti fenolici nei succhi oggetto della sperimentazione e di identificare i composti presenti nei diversi campioni. La possibilità di utilizzare un analizzatore di massa come il TOF, infatti, permetterà di avere un’ottima accuratezza/sicurezza nell’identificazione dei composti fenolici nei campioni in esame. I metodi messi a punto verranno poi utilizzati per la determinazione dei composti fenolici nei diversi succhi di melograno.

Studio della risposta temporale di fotorivelatori con diversi accoppiamenti a scintillatori e diversa elettronica di front end e di read out

Lo scopo di questa tesi è lo studio, mediante misure sperimentali con un telescopio per raggi cosmici, della risposta temporale di rivelatori a scintillazione accoppiati a diversi tipi di fotorivelatori. In particolare sono stati studiati due tipi di fotorivelatori: i fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) ed i rivelatori MicroChannel Plate (MCP); entrambi i sensori presentano ottime caratteristiche per ciò che concerne la risposta temporale. Per una migliore caratterizzazione dei fotorivelatori e per una maggiore completezza dello studio sono stati analizzati anche diversi modelli di accoppiamento tra gli scintillatori ed i sensori, sia a diretto contatto che tramite fibre ottiche. Per cercare di sfruttare al meglio le eccellenti proprietà temporali, sono state utilizzate anche diverse schede di front end veloce e diversa elettronica di read out. In particolare in questa tesi, per la prima volta, è stata usata, per lo studio di questi nuovi fotorivelatori, l’elettronica di front end e read out realizzata per il rivelatore TOF dell’esperimento ALICE a LHC. I risultati di questa tesi rappresentano un punto di partenza per la realizzazione di rivelatori con ottima risoluzione temporale in esperimenti di fisica nucleare ed subnucleare (definizione del trigger, misure di tempo di volo, calorimetria). Altre interessanti applicazioni sono possibili in ambito medico, in particolare strumenti di diagnostica avanzata quali ad esempio la PET.

Misura del flusso triangolare v3 di adroni identificati in collisioni Pb-Pb a √s_NN = 2.76 TeV con l'esperimento ALICE a LHC

In questo lavoro di tesi è presentata la misura con il rivelatore ALICE del flusso triangolare, v3, di pioni, kaoni e protoni prodotti in collisioni PbPb a LHC. Il confronto di v3 con le previsioni di modelli idrodinamici permette di vincolare maggiormente le assunzioni sulle condizioni iniziali del sistema presenti nei diversi modelli ed estrarre una stima maggiormente precisa delle proprietà del mezzo come la viscosità. La misura è effettuata nella regione di pseudorapidità centrale sui dati raccolti da ALICE nel 2010 e 2011 e utilizza una tecnica di identificazione basata sia sulla misura della perdita di energia specifica, con la camera a proiezione temporale (TPC), sia la misura della velocità con il sistema a tempo di volo (TOF). La combinazione di entrambe le tecniche permette di separare le diverse specie in un intervallo esteso di impulsi con elevata efficienza e purezza. Per la misura del piano di reazione è stato utilizzato il rivelatore VZERO che misura la molteplicità delle particelle cariche in una regione di pseudorapidità disgiunta da quella in cui è misurato v3. La misura ottenuta è confrontata con le previsioni di modelli idrodinamici attualmente più utilizzati.

Selezione di trasduttori per la misura di portata fluidi nei motori a combustione interna

Si vuole dimostrare la fattibilità di realizzazione di una serie di misuratori di portata fluidi da applicare principalmente per le misure di portata dei fluidi di un motore in prova al banco. Queste portate di interesse riguardano: liquido di raffreddamento, tipicamente acqua a una temperatura prossima ai 100°C, olio lubrificante, tipicamente ad una temperatura di 150°C, aria di aspirazione, BlowBy, aria che filtra dalle fasce elastiche e dalla camera di combustione passa in coppa e quindi presenta goccioline e vapori d'olio, e possibilmente EGR. La prima fase consiste nel valutare ciò che offre il mercato per rendersi conto di quali sono i livelli di prestazione di misura dei sensori commerciali e il loro prezzo. Dunque, oltre alla consultazione di datasheet, segue una richiesta di preventivi ai fornitori di tali prodotti. Conclusa la fasce di analisi di mercato sopra descritta si avvia la fase di design del misuratore. Dopo l'analisi il principio di misura ottimale risulta quello ultrasonico. In particolare è opportuno effettuare una prima distinzione fra misuratori per liquidi e per gas, i quali naturalmente presenteranno differenze geometriche sia per la compatibilità con l'impianto nel quale verranno montati sia per le caratteristiche del fluido di cui interessa la misura. Disegnata a CAD la geometria i due tubi vengono stampati in 3D, dopodichè vengono montati i trasduttori per la generazione e la ricezione degli ultrasuoni. Si effettuano le prove di laboratorio, per liquidi e poi per gas, nel primo caso misurando la portata acqua messa in circolo da una pompa, nel secondo caso misurando la portata aria di un Ducati al banco motori. I dati acquisiti da varie prove vengono poi elaborati tramite Matlab, e si ricavano conclusioni in termini di rumore, accuratezza, ripetibilità ed infine di conferma che è fattibile realizzarli ad un costo contenuto ma che per riuscirci è necessario molto più sviluppo e ottimizzazione.

Studio della funzione di risoluzione dell'esperimento n_TOF e conversione del tempo di volo in energia

La tesi ha come scopo principale quello di studiare la funzione di risoluzione e le distribuzioni della distanza equivalente attraverso i risultati ottenuti dal lavoro del gruppo n_TOF al CERN di Ginevra. n_TOF utilizza un fascio di protoni accelerato dal ProtoSincrotrone (PS) del CERN per crearne due di neutroni (uno verticale e uno orizzontale) tramite spallazione. Dopo aver spiegato la tecnica del tempo di volo (TOF) e descritto il set up sperimentale presente al CERN, si esporranno le simulazioni Monte Carlo utilizzate per simulare la produzione dei fasci di neutroni, analizzando nel dettaglio quello diretto verso la prima sala sperimentale. Nella parte finale del lavoro verranno riportati i risultati ottenuti dalle simulazioni; verrà prestata particolare attenzione al confronto tra le conclusioni ottenute da tre gruppi di lavoro differenti nonchè ad una trattazione statistica delle misure effettuate. Si mostrerà inoltre in che modo lo studio effettuato sia importante nella determinazione delle sezioni d'urto nelle reazioni indotte da neutroni.

Fattibilità della misura di cattura neutronica sugli isotopi dispari del gadolinio

In questo lavoro di tesi ci proponiamo di determinare lo spessore degli isotopi ^155Gd e ^157Gd in vista della misura della sezione d’urto di cattura neutronica presso la facility n_TOF del CERN. La principale motivazione dell’esperimento è legata alla necessità di ottenere misure più accurate per le applicazioni ai reattori nucleari. Inoltre, i nuovi risultati, potranno essere sfruttati anche per applicazioni ai recenti sviluppi nella Terapia di Cattura Neutronica e per costruire nuovi rivelatori nell’ambito della ricerca del neutrino. La misura sarà effettuata nella prima area sperimentale EAR-1 di n TOF, equipaggiata con rivelatori, come per esempio gli scintillatori liquidi al benzene deuterato (C6D6) particolarmente adatti per questi tipi di misura. La sezione d’urto di questi due isotopi cambia di molti ordini di grandezza al variare dell’energia dei neutroni incidenti. Per questo motivo, lo studio effettuato in questa tesi ha mostrato che sono necessari due campioni altamente arricchiti per ogni isotopo da misurare: un campione estremamente sottile per energie del neutrone fino a 100 meV, e uno più spesso per energie maggiori. Inoltre per questi campioni sono stati determinati le densità areali necessarie per lo svolgimento dell’esperimento affinchè avvenga il fenomeno di trasmissione dei neutroni.