Studi sul guadagno dei fotomoltiplicatori per il luminometro LUCID dell'esperimento ATLAS a LHC

Dall'inizio del 2013 il Large Hadron Collider (LHC) non produce dati (fase di shut down) per effettuare operazioni di consolidamento e manutenzione. Nella primavera del 2015 ritornerà in funzione con energia e luminosità maggiori. La fase di shut down è sfruttata anche per migliorare le prestazioni dei vari rivelatori che operano in LHC, così che possano acquisire dati in modo efficiente alla riaccensione. Per quanto riguarda il monitor di luminosità LUCID, che fa parte dell'esperimento ATLAS, sono stati sostituiti i rivelatori principali (i fotomoltiplicatori) e l'elettronica. Numerosi considerazioni rispetto alla durata dei nuovi sensori nell'ambiente di LHC tra il 2015 e il 2018, nonché sulla misura della luminosità durante il run II, hanno portato alla conclusione che i nuovi PMT dovranno operare ad un guadagno di math 10^5. E' stato dunque necessario, una volta identificati ed acquistati i nuovi sensori, qualificarne il funzionamento individuale e determinare la tensione di lavoro corrispondente al guadagno desiderato. La prima parte di tali misure, effettuate interamente a Bologna, riguarda la misura della corrente di buio e l'andamento della dipendenza del guadagno dei PMT dalla tensione applicata. La seconda parte riguarda invece lo studio di diversi metodi per le misure del guadagno assoluto, e la loro applicabilità durante la fase di funzionamento di LHC. Durante la presa dati, infatti, sarà essenziale essere in grado di monitorare continuamente il guadagno di ciascun sensore al fine di mantenerlo costante. Le misure di guadagno assoluto presentate in questa tesi sono state effettuate in parte a Bologna, sfruttando il metodo del singolo fotoelettrone, e in parte presso il CERN, utilizzando una sorgente radioattiva, il Bismuto 207.

Caratterizzazione dei fotomoltiplicatori per il luminometro LUCID dell'esperimento ATLAS presso il Large Hadron Collider

Qualificazione dei fotomoltiplicatori che saranno installati nel sottorivelatore LUCID dell'esperimento ATLAS a LHC.

Neutron radiation resistance of photomultipliers for the LUCID detector in the ATLAS experiment at LHC

Durante il Long Shutdown 1 di LHC sono stati cambiati i fotomoltiplicatori del rivelatore di luminosità LUCID di ATLAS. I due modelli candidati per la sostituzione sono stati sottoposti a test di resistenza alla radiazione di gamma e neutroni. In questa tesi si riportano i risultati delle misure di dark current, risposta spettrale, guadagno relativo e assoluto, prima e dopo l’irraggiamento con neutroni. L’unica differenza di rilievo riguarda un aumento della dark current, gli altri parametri non presentano variazioni entro la precisione delle misure. Non ci sono differenze sostanziali tra i due modelli per quanto riguarda la resistenza alle radiazioni.

Selezione dei fotomoltiplicatori per le misure di luminosita in atlas

Il rivelatore di luminosità LUCID di ATLAS, in LHC, deve cambiare fotomoltiplicatori durante il Long Shutdown I. Due modelli candidati per la sostituzione sono stati irradiati con raggi gamma per studiarne la resistenza alla radiazione. In questa tesi si riportano i risultati delle misure di dark current, guadagno relativo e risposta spettrale prima e dopo l'irraggiamento. L'unica differenza di rilievo dopo l'irraggiamento risulta essere l'aumento di dark current. All'interno dell'incertezza di misura, non ci sono variazioni negli altri parametri e non ci sono differenze sostanziali fra i due modelli.

Caratterizzazione e calibrazione dei fotomoltiplicatori del sistema di veto di muoni per l'esperimento xenon1t

Alcune osservazioni sperimentali portano ad affermare che la maggior parte della massa dell'universo è costituita da un tipo di materia definita oscura, cioè materia che interagisce solo gravitazionalmente e debolmente. I candidati più promettenti sono tipicamente identificati con le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). L'esperimento XENON1T per la rivelazione di materia oscura, in fase di costruzione nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sfrutta uno spessore di 1.4 km di roccia schermante. Il rivelatore è una Time Projection Chamber contenente circa 2 tonnellate di xeno e avrà sensibilità per sezioni d’urto WIMP-nucleo spin-indipendent pari a circa 2x10-47 cm2 (per WIMP di massa 50 GeV/c2), due ordini di grandezza al di sotto degli attuali limiti. Per raggiungere tale sensibilità la TPC sarà inserita in una tank cilindrica riempita di acqua ultrapura, che fungerà sia da schermo passivo contro la radiazione esterna (gamma e neutroni di bassa energia), sia da veto per i muoni cosmici. I muoni possono infatti produrre neutroni di energia tale da raggiungere la TPC e simulare segnali tipici delle WIMP. Essi sono identificati per via della radiazione Cherenkov, emessa in seguito al loro passaggio in acqua, rivelata per mezzo di 84 fotomoltiplicatori (PMT) 8'' Hamamatsu R5912ASSY HQE. Lo studio delle prestazioni e delle caratteristiche dei PMT utilizzati nel sistema di veto di muoni sono lo scopo di questo lavoro di tesi. In particolare è stato preparato un opportuno setup per i test dei fotomoltiplicatori e sono state effettuate misure di guadagno, dark rate ed afterpulse. In una prima fase sono stati testati in aria 50 PMT presso la Sezione INFN di Bologna, nel periodo compreso tra Novembre 2012 e Marzo 2013 ed in una seconda fase sono stati testati in acqua 90 PMT presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, nel periodo compreso tra Aprile e Settembre 2013.

Luminosity determination for the measurement of the proton-proton total cross section at 8 TeV in the Atlas experiment

La sezione d’urto totale adronica gioca un ruolo fondamentale nel programma di fisica di LHC. Un calcolo di questo parametro, fondamentale nell’ambito della teoria delle interazioni forti, non é possibile a causa dell’inapplicabilità dell’approccio perturbativo. Nonostante ciò, la sezione d’urto può essere stimata, o quanto meno le può essere dato un limite, grazie ad un certo numero di relazioni, come ad esempio il Teorema Ottico. In questo contesto, il detector ALFA (An Absolute Luminosity For ATLAS) sfrutta il Teorema Ottico per determinare la sezione d’urto totale misurando il rate di eventi elastici nella direzione forward. Un tale approccio richiede un metodo accurato di misura della luminosità in condizioni sperimentali difficoltose, caratterizzate da valori di luminosità istantanea inferiore fino a 7 ordini di grandezza rispetto alle normali condizioni di LHC. Lo scopo di questa tesi è la determinazione della luminosità integrata di due run ad alto β*, utilizzando diversi algoritmi di tipo Event-Counting dei detector BCM e LUCID. Particolare attenzione è stata riservata alla sottrazione del fondo e allo studio delle in- certezze sistematiche. I valori di luminosità integrata ottenuti sono L = 498.55 ± 0.31 (stat) ± 16.23 (sys) μb^(-1) and L = 21.93 ± 0.07 (stat) ± 0.79 (sys) μb^(-1), rispettivamente per i due run. Tali saranno forniti alla comunità di fisica che si occupa della misura delle sezioni d’urto protone-protone, elastica e totale. Nel Run II di LHC, la sezione d’urto totale protone-protone sarà stimata con un’energia nel centro di massa di 13 TeV per capire meglio la sua dipendenza dall’energia in un simile regime. Gli strumenti utilizzati e l’esperienza acquisita in questa tesi saranno fondamentali per questo scopo.

USB monitor in LabVIEW per il controllo remoto delle schede DAQ del pixel detector di ATLAS

L’esperimento ATLAS al CERN di Ginevra ha un complesso sistema di rivelatori che permettono l’acquisizione e il salvataggio di dati generati dalle collisioni di particelle fondamentali. Il rivelatore per cui trova una naturale applicazione il lavoro di questa tesi è il Pixel Detector. Esso è il più vicino alla beam pipe e si compone di più strati, il più interno dei quali, l’Insertable B-Layer (IBL), aggiunto in seguito allo shut down dell’LHC avvenuto nel 2013, ha apportato diverse innovazioni per migliorare la risoluzione spaziale delle tracce e la velocità di acquisizione dei dati. E’ stato infatti necessario modificare il sistema di acquisizione dati dell’esperimento aggiungendo nuove schede chiamate ROD, ReadOut Driver, e BOC, Back Of Crate. Entrambe le due tipologie di schede sono montate su un apparato di supporto, chiamato Crate, che le gestisce. E’ evidente che avere un sistema remoto che possa mostrare in ogni momento il regime di funzionamento del crate e che dia la possibilità di pilotarlo anche a distanza risulta estremamente utile. Così, tramite il linguaggio di programmazione LabVIEW è stato possibile progettare un sistema multipiattaforma che permette di comunicare con il crate in modo da impostare e ricevere svariati parametri di controllo del sistema di acquisizione dati, come ad esempio la temperatura, la velocità delle ventole di raffreddamento e le correnti assorbite dalle varie tensioni di alimentazione. Al momento il software viene utilizzato all’interno dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) di Bologna dove è montato un crate W-Ie-Ne-R, speculare a quello presente al CERN di Ginevra, contenente delle schede ROD e BOC in fase di test. Il progetto ed il programma sviluppato e presentato in questa tesi ha ulteriori possibilità di miglioramento e di utilizzo, dal momento che anche per altri esperimenti dell’LHC le schede di acquisizione vengono montate sullo stesso modello di crate.

Controllo della misura della luminosità con il canale Z -> mu+mu- in ATLAS

La misura della sezione d'urto di processi fisici prodotti negli urti fra protoni ad LHC è uno dei settori più importanti della ricerca in corso, sia per verificare le predizioni del Modello Standard, che per la ricerca di nuova fisica. La precisione necessaria per distinguere fenomeni standard e non, richiede un ottimo controllo delle incertezze sistematiche. Fra le sorgenti di errore sistematico, di particolare importanza sono quelle sulla misura della luminosità, che rappresenta il fattore di normalizzazione necessario per la misura di qualsiasi sezione d'urto. Ogni esperimento che si proponga misure di questo genere è quindi dotato di monitor di luminosità dedicati. In questa tesi sono presentate le tecniche di misura della luminosità ad ATLAS utilizzando i rivelatori dedicati e le problematiche incontrate nel corso della presa dati del 2012, sia per quanto riguarda la loro procedura di calibrazione assoluta, che per la loro stabilità in funzione del tempo e linearità di risposta, e vengono fornite le incertezze sistematiche dipendenti dal loro confronto. Per meglio comprendere tali risultati, si è studiato il canale di produzione del bosone Z nelle interazioni protone-protone, all'energia nel centro di massa s = √8 TeV mediante il suo decadimento in due muoni, utilizzando i dati acquisiti nel corso del 2012 Nel primo capitolo vengono definiti i concetti di luminosità istantanea ed integrata, sia dalla prospettiva del collider che le fornisce, che dal punto di vista delle analisi di fisica, quale quella svolta in questa tesi. Nel secondo capitolo viene descritto l'insieme dei rivelatori utilizzati da ATLAS per la misura della luminosità e i risultati ottenuti mediante il loro confronto in termini di incertezze sistematiche. Nel terzo capitolo viene infine presentata la misura della sezione d'urto di produzione del bosone Z e l'utilizzo di tale misura per il controllo della stabilità nel tempo e della linearità della misura sperimentale della luminosità.

Calibrazione di un rilevatore gamma con un flash adc e il software di acquisizione dati dell'esperimento atlas

La tesi descrive lo sviluppo di un pezzo di software di acquisizione dati per l'esperimento LUCID di ATLAS al CERN che viene testato nella calibrazione di due rivelatori inorganici cristallini allo ioduro di sodio

Misura della sezione d'urto differenziale di produzione top-antitop con l'esperimento atlas ad lhc

Il documento contiene un'analisi sull'accordo fra le misure delle sezioni d’urto differenziali del sistema top-antitop registrate nel 2011 dall’esperimento ATLAS a un'energia del centro di massa di 7 TeV e le predizioni teoriche.

Multivariate analysis methods in the search for the Higgs boson produced in association with top pairs at the ATLAS experiment at LHC.

The Large Hadron Collider, located at the CERN laboratories in Geneva, is the largest particle accelerator in the world. One of the main research fields at LHC is the study of the Higgs boson, the latest particle discovered at the ATLAS and CMS experiments. Due to the small production cross section for the Higgs boson, only a substantial statistics can offer the chance to study this particle properties. In order to perform these searches it is desirable to avoid the contamination of the signal signature by the number and variety of the background processes produced in pp collisions at LHC. Much account assumes the study of multivariate methods which, compared to the standard cut-based analysis, can enhance the signal selection of a Higgs boson produced in association with a top quark pair through a dileptonic final state (ttH channel). The statistics collected up to 2012 is not sufficient to supply a significant number of ttH events; however, the methods applied in this thesis will provide a powerful tool for the increasing statistics that will be collected during the next LHC data taking.

Elaborazione di un programma di acquisizioni dati e studio di fotomoltiplicatori al silicio per l'esperimento XENON

Le numerose osservazioni compiute a partire dagli anni `30 confermano che circa il 26% dell'Universo è costituito da materia oscura. Tale materia ha la particolarità di interagire solo gravitazionalmente e debolmente: essa si presenta massiva e neutra. Tra le numerose ipotesi avanzate riguardanti la natura della materia oscura una delle più accreditate è quella delle WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Il progetto all'avanguardia nella ricerca diretta delle WIMP è XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Tale esperimento è basato sulla diffusione elastica delle particelle ricercate su nuclei di Xeno: il rivelatore utilizzato è una TPC a doppia fase (liquido-gas). La rivelazione diretta di materia oscura prevede l'impiego di un rivelatore molto grande a causa della piccola probabilità di interazione e di ambienti a bassa radioattività naturale, per ridurre al minimo il rumore di fondo. Nell'ottica di migliorare la sensibilità del rivelatore diminuendo l'energia di soglia sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni alternative a quelle adottate attualmente. Una di tali soluzioni prevede l'utilizzo di fotorivelatori di tipo SiPM da affiancare ai normali PMT in uso. I fotorivelatori al silicio devono lavorare ad una temperatura di (circa 170 K) e devono rivelare fotoni di lunghezza d'onda di circa 175 nm. Il presente lavoro di tesi si colloca nell'ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di tale lavoro è stato la scrittura di un programma DAQ in ambiente LabVIEW per acquisire dati per caratterizzare in aria fotorivelatori di tipo SiPM. In seguito con tale programma sono state effettuate misure preliminari di pedestallo da cui è stato possibile determinare l'andamento di guadagno e di dark rate al variare della tensione di alimentazione del SiPM. L'analisi dati è stata effettuata impiegando un programma scritto in C++ in grado di analizzare le forme d'onda acquisite dal programma LabVIEW.

Studio di metodi di ricostruzione di top molto energetici all'esperimento atlas

L’acceleratore di protoni e ioni pesanti LHC costruito presso i laboratori del CERN di Ginevra permette sviluppi straordinari nel campo della fisica delle particelle alle alte energie. Tra le diverse linee di ricerca attualmente operative lo studio del quark top riveste un ruolo di particolare rilevanza. Infatti, l’elevata energia accessibile alla macchina rende possibile la raccolta di campioni di elevata statistica necessari per uno studio dettagliato delle proprietà del quark top, la particella più pesante fino ad oggi nota. In particolare in questa tesi viene studiato, e confrontato con l'analisi standard, un nuovo metodo, chiamato “template overlap method”, per la selezione di quark top prodotti ad alta energia. L'obiettivo è valutare se questo nuovo metodo permetterà una migliore precisione nella misura della sezione d'urto differenziale di produzione di coppie tt nelle prossime prese dati dove l'energia nel centro di massa raggiungerà i 13 TeV. L'analisi, per ora, è stata svolta su dati montecarlo simulati per l'esperimento ATLAS ad una energia del centro di massa di 8 TeV. I risultati ottenuti sono incoraggianti perchè mostrano un'alta efficienza di selezione all'aumentare dell'energia dei prodotti di decadimento del top.

Development and testing of the atlas ibl rod pre production boards

Il lavoro di questa tesi riguarda principalmente la progettazione, simulazione e test di laboratorio di tre versioni successive di schede VME, chiamate Read Out Driver (ROD), che sono state fabbricate per l'upgrade del 2014 dell'esperimento ATLAS Insertable B-Layer (IBL) al CERN. IBL è un nuovo layer che diverrà parte del Pixel Detector di ATLAS. Questa tesi si compone di una panoramica descrittiva dell'esperimento ATLAS in generale per poi concentrarsi sulla descrizione del layer specifico IBL. Inoltre tratta in dettaglio aspetti fisici e tecnici: specifiche di progetto, percorso realizzativo delle schede e test conseguenti. Le schede sono state dapprima prodotte in due prototipi per testare le prestazioni del sistema. Queste sono state fabbricate al fine di valutare le caratteristiche e prestazioni complessive del sistema di readout. Un secondo lotto di produzione, composto di cinque schede, è stato orientato alla correzione fine delle criticità emerse dai test del primo lotto. Un'indagine fine e approfondita del sistema ha messo a punto le schede per la fabbricazione di un terzo lotto di altre cinque schede. Attualmente la produzione è finita e complessivamente sono state realizzate 20 schede definitive che sono in fase di test. La produzione sarà validata prossimamente e le 20 schede verranno consegnate al CERN per essere inserite nel sistema di acquisizione dati del rivelatore. Al momento, il Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell'Università di Bologna è coinvolto in un esperimento a pixel solamente attravers IBL descritto in questa tesi. In conclusione, il lavoro di tesi è stato prevalentemente focalizzato sui test delle schede e sul progetto del firmware necessario per la calibrazione e per la presa dati del rivelatore.

Test hardware del primo batch di schede rod per l'esperimento atlas ibl.

L’acceleratore di particelle LHC, al CERN di Ginevra, permette studi molto rilevanti nell'ambito della fisica subnucleare. L’importanza che ricopre in questo campo il rivelatore è grandissima ed è per questo che si utilizzano tecnologie d’avanguardia nella sua costruzione. É altresì fondamentale disporre di un sistema di acquisizione dati quanto più moderno ma sopratutto efficiente. Tale sistema infatti è necessario per gestire tutti i segnali elettrici che derivano dalla conversione dell’evento fisico, passaggio necessario per rendere misurabili e quantificabili le grandezze di interesse. In particolare in questa tesi viene seguito il lavoro di test delle schede ROD dell’esperimento ATLAS IBL, che mira a verificare la loro corretta funzionalità, prima che vengano spedite nei laboratori del CERN. Queste nuove schede gestiscono i segnali in arrivo dal Pixel Detector di ATLAS, per poi inviarli ai computer per la successiva elaborazione. Un sistema simile era già implementato e funzionante, ma il degrado dei chip ha causato una perdita di prestazioni, che ha reso necessario l’inserimento di un layer aggiuntivo. Il nuovo strato di rivelatori a pixel, denominato Insertable Barrel Layer (IBL), porta così un aggiornamento tecnologico e prestazionale all'interno del Pixel Detector di ATLAS, andando a ristabilire l’efficacia del sistema.