733
3.2.1 La targhetta attiva
734
Lo scattering interno alla targhetta peggiora la conoscenza del momento e della direzione del
735
fascio primario e amplia lo spettro della massa mancante. Infatti, la ricerca dei fattori cinematici
736
nel settore invisibile non può essere conclusa senza la determinazione del vertice di decadimento
737
e della direzione del fascio, mentre nella ricerca nel visibile la determinazione del vertice di
738
decadimento aiuta a ripulire il segnale dal fondo. Per questa ragione si utilizza una targhetta
739
di 50µm, per la quale la simulazione mostra che la relazione
740
Eγ,brems+ Ee+ = EBeam (3.3)
sembra essere soddisfatta con una risoluzione migliore rispetto lo spread iniziale del fascio
741
(1%). In più la probabilità di una sola annichilazione è del 5% per pacchetto, cioè per 104 e+
742
[48]. Le misure per il posizionamento del fascio sono riportate in figura 3.10, dove si ha la
743
3.2. I COMPONENTI DI PADME 31 risoluzione della massa mancante per un A0 di massa 15M eV , assumendo una determinazione
744
della posizione perfetta del calorimetro, e una realistica, con risoluzione di 3mm del cluster
745
position interno al calorimetro.
746
Figura 3.10: Dipendenza della risoluzione di massa mancante al quadrato al variare della risoluzione sulla determinazione del vertice di interazione per A0 di massa 15M eV .
Per ottenere una massa mancante con risoluzione inferiore ai 30M eV2/c4 è necessario avere
747
risoluzioni spaziali migliori dei 2mm per la determinazione della posizione dello spot del fascio
748
nella targhetta, valore utilizzato nel calcolo dell’angolo con il quale il fotone viene emesso.
749
Un solo pacchetto del BTF caratterizato da uno spot molto piccolo è difficile da ottenere con
750
una stabilità di posizionamento duratura, a causa dell’instabilità della corrente nella curvatura
751
causata dal magnete.
752
La targhetta consiste in due piani ortogonali, ciascuno formato da 10 strip fatte in carbonio,
753
le cui dimensioni sono 2cm × 2cm × 100µm, posizionate nel vuoto.
754
Possono essere utilizzati sia il diamante che la grafite per la loro buona tolleranza alla
755
radiazione e per la loro buona conducibilità del calore. Quest’ultima caratteristica è necessaria
756
per evitare di utilizzare un sistema di raffreddamento che operi alle alte intensità del fascio.
757
Si hanno differenti prototipi di targhetta attiva, mostrati in figura 3.11. Sulla sinistra
ven-758
gono rappresentate le due targhette attive testate, entrambe metalliche e con contatti elettrici
759
in nano-grafite. La nano-grafite è stata scelta da PADME dal momento che risulta essere
in-760
teramente una targhetta in carbonio. Il profilo del fascio ottenuto durante un test al BTF è
761
rappresentato nella parte destra dell’immagine. La risoluzione ottenuta per il posizionamento
762
del fascio è 200µm.
763
La targhetta può anche agire come un monitor detector del fascio, fornendo la posizione del
764
fascio, pacchetto per pacchetto. La lettura di questo valore è basata sulle misure dell’elettrone
765
secondario emesso nella grafite o in quello della luce Cherenkov nel diamante.
766
Attraverso la ricostruzione dello spot del fascio, l’incertezza sulla geometria dello stesso viene
767
ridotta a quella del singolo pacchetto. Per ottimizzare i parametri del fascio e settarli in amniera
768
Figura 3.11: A sinistra: una foto nella targhetta in diamante; a destra: profilo del fascio del BTF come misurato dal prototipo del rivelatore in diamante di PADME, con l’indice delle strip lungo l’asse X.
adeguata può essere utilizzata un’immagine online delle due dimensioni del fascio. In più è
769
possibile misurare le particelle per pacchetto per intensità minori di 105 particelle/pacchetto,
770
limite per cui il metodo della corrente indotta inizia a divenire inefficace.
771
3.2.2 Il dipolo magnetico
772
Successivamente all’interazione con la targhetta, le particelle cariche rimanenti subiscono
l’a-773
zione di una campo magnetico. Considerando il piccolo spessore della targhetta, la maggior
774
parte delle particelle rimangono nel fascio, perdendo una frazione minima di energia. Infatti
775
l’energia dopo l’attraversamento della targhetta rimane circa uguale a quella iniziale, in questo
776
caso si può utilizzare un solo dipolo magnetico. Nell’esperimento viene utilizzato un magnete
777
a forma di H, di lunghezza pari a 1m con un campo magnetico massimo di 1.4T , raggiungibile
778
per correnti di 675 A, il cui peso totale è di 15 ton.
779
La simulazione con GEANT4 mostra che una campo magnetico di ∼ 0.4T esla è sufficiente
780
per deflettere le particelle primarie del fascio di energia 550M eV facendo si che non finiscano
781
nell’accettanza del calorimetro elettromagnetico, volto a rivelare i leptoni che provengono dal
782
decadimento di A0. La deflessione varia in funzione del campo magnetico B applicato seguendo
783
l’andamento della funzione:
784
φ = arcsin(0.3 · L · B
p ). (3.4)
Il magnete è inserito nella regione di vuoto e contiene il tracciatore, che serve allo
spet-785
trometro magnetico. Tra le bobine e il campo uniforme di lunghezza 1m, c’è una gap di
786
50cm.
787
Grazie al magnete è inoltre possibile identificare particelle cariche prodotte da interazioni
788
con il bersaglio in diamante (positroni che hanno irraggiato, o particelle prodottenello stato
789
finale di collisioni inelastiche). Infatti queste particelle, di energia inferiore al fascio, vengono
790
deviate all’interno del magnete, lasciando un segnale sul veto di particelle cariche.
791
3.2. I COMPONENTI DI PADME 33
3.2.3 Lo spettrometro
792
Il ruolo dello spettrometro è sopprimere gli eventi di fondo da bremsstrahlung di un fattore
793
100 attraverso gli eventi che hanno rivelato il positrone anche nello stato finale. Un rivelatore
794
di tracciamento sul campo magnetico è utilizzato per rivelare particelle cariche e misurarne il
795
momento. Lo spettrometro può essere costituito da una camera cilindrica con raggio interno di
796
20cm e raggio esterno pari a 25cm, o può essere composto da due tracciatori planari, uno per i
797
positroni e l’altro, parallelo al primo, per la deflessione degli elettroni. Le misure che si vogliono
798
fare sono le coordinate della traccia di interazione con una precisione di 300µm per piano. La
799
dimensione dello spettrometro è definita dalle condizioni di rivelazione di particelle cariche con
800
momento da 50M eV a 500M eV che viaggiano lungo l’asse del fascio con un efficienza del 99%.
801
Per evitare la conversione dei fotoni emessi dal bremsstrahlung il tracciatore deve stare distante
802
20cm dalla linea del fascio.
803
L’esperimento nella costruzione del veto per particelle a bassa energia, ha adottato
l’utiliz-804
zo di una serie di barre di scintillatori di dimensione 10 × 10mm3 , disposte in maniera tale
805
da avere il lato maggiore in direzione del campo magnetico. Queste vengono posizionate
lun-806
go entrambe le pareti laterali del magnete, coprendone l’intera lunghezza. La traiettoria dei
807
positroni altamente energetici è curvata solo minimamente dal magnete. In questa categoria
808
rientrano sia positroni del fascio che non interagiscono con il bersaglio, sia quelli che nel
proces-809
so di Bremmstrahlung emettono fotoni a bassa energia. I positroni che sfuggono all’accettanza
810
dello spettrometro posto all’interno della regione di vuoto, vengono rivelati da un veto presente
811
all’esterno, coprendo la regione angolare scoperta tra il dipolo ed il calorimetro.
812
La configurazione prevista impone una lunghezza per il veto esterno pari a circa 70 cm. Con
813
molta probabilità verranno utilizzate delle barre di scintillazione analoghe a quelle sfruttate per
814
il veto interno [48].
815
3.2.4 Camera a vuoto
816
A causa dell’alta intensità del fascio e l’estremo piccolo spessore della targhetta (0.04%X0), i
817
positroni che interagiscono con l’aria possono produrre un forte contributo agli eventi di
fon-818
do. Infatti, dal momento che la lunghezza di radiazione dell’aria è 285m ad una pressione di
819
1013mbar e la distanza del calorimetro è di circa 2m, lo spessore atmosferico è 0.7%X0, molto
820
più grande rispetto allo spessore della targhetta stessa [51]. Una simulazione MC fatta ad una
821
pressione di 1mbar mostra un significativo incremento del fondo rispetto ad un esperimento
822
condotto nel vuoto. Quando si hanno interazioni con l’aria residua, non possono essere
rico-823
struiti i vincoli cinematici (ad esempio la massa mancante) dal momento che le informazioni
824
sull’interazione dei positroni e sul momento iniziale sono falsate.
825
Viene scelto per l’esperimento un vuoto effettuato con una pressione di 10−1mbar, questo
826
produce un numero di eventi di fondo dalle interazioni fascio-aria trascurabile.
827
3.2.5 Il calorimetro elettromagnetico
828
Il calorimetro elettromagnetico ricopre un ruolo fondamentale in questo esperimento, è
respon-829
sabile della ricostruzione del quadrimomento del fotone, quindi della massa mancante del nuovo
830
bosone vettore. La richiesta è che l’energia del fotone ricostruito sia misurata con una buona
831
risoluzione, così come lo deve essere ma misura dell’angolo del γreco, un buon calorimetro,
inol-832
tre, deve necessariamente avere caratteristiche che riducano il pile-up degli eventi. La scelta
833
del materiale che verrà utilizzato determinerà il raggio di Molier che a sua volta imporrà dei
834
limiti sulla granularità del calorimetro. Quest’ultima richiesta, aggiunta alla buona risoluzione
835
angolare ne determinerà la distanza che deve avere il rivelatore con la targhetta.
836
La risoluzione energetica misurata è migliore del ∼ 5% per i fotoni con energia inferiore ai
837
100M eV ; ed è, inoltre, necessaria una risoluzione della posizione dei cluster di 3mm se si vuole
838
ottenere il quadrato della massa mancante dell’ordine dei 30M eV2/c4.
839
Per raggiungere queste performance viene scelta un alta segmentazione, un calorimetro
840
inorganico cristallino fatto di BGO (germanato di bismuto). Questo materiale è caratterizzato
841
da un’alta densità (= 7.13g/cm3), un piccolo X0 (= 1.12cm), piccolo raggio di Moliere (=
842
2.23cm) e un tempo di vita medio di 300ns.
843
Il calorimetro, come si può osservare in figura 3.12 è approssimativamente un cilindro dal
Energy (MeV) 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
(E)/Eσ
Figura 3.12: Nella parte sinistra viene rappresentato il design del calorimetro di PADME; in quel-la destra quel-la misura delquel-la risoluzione energetica in funzione del deposito di energia nel prototipo del calorimetro.
844
diametro di ∼ 600mm e una profondità di ∼ 230mm riempito con 616 cristalli di dimensioni
845
21x21x230mm3 [51], al centro una sezione di 105mm di vuoto. La risoluzione, figura 3.12,
846
3.3. IL SEGNALE E I PROCESSI DI FONDO IN PADME 35
è stata ottenuta nel R&D per il calorimetro del progetto SuperB testato con i cristalli BGO al
848
BTF.
849
L’alta segmentazione del calorimetro nel piano trasverso alla direzione del fascio assicura una
850
risoluzione di 1/√
12 = 3mm, equivalente a una risoluzione angolare di 1.75m della targhetta
851
sotto i 2mrad. La risoluzione energetica e angolare ottenuta con una simulazione GEANT4 è
852
in accordo con le stime fatte precedentemente.
853
La copertura media del calorimetro varia dal 5% al 22% per pacchetti dell’ordine di 104−105
854
positroni. La dipendenza non è lineare a causa del fatto che il cluster viene diviso nella regione
855
interna del calorimetro. Questa è una caratteristica cruciale dal momento che questa dipende
856
dall’efficienza e rende sicuro il veto degli eventi con più di un cluster ricostruito.
857
3.2.6 Il calorimetro a piccolo angolo
858
Il calorimetro a piccolo angolo, Small Angle Calorimeter (SAC), è posizionato lungo la direzione
859
del fascio, dietro il calorimetro elettromagnetico, coprendo dunque la regione del foro centrale.
860
E’ in grado di funzionare con un elevato rate di particelle ma non potendo fare misurazioni
861
precise di momento o energia, ha la funzione di controllo e di veto dei fotoni emessi a
pic-862
colo angolo che sfuggono alla rivelazione del calorimetro principale. Il calorimetro SAC sarà
863
costituito da 49 scintillatori in vetro-piombo SF57 di dimensioni 2 × 2 × 20cm3 [51], con una
864
copertura angolare totale compresa tra 0-20 mrad.
865
3.3 Il segnale e i processi di fondo in PADME
866
3.3.1 Simulazione MC e ricostruzione
867
Per capire l’attuale sensibilità dell’esperimento condotto per lo studio del bosone A0, è stata
868
sviluppata una simulazione completa GEANT4. La simulazione descrive dettagliatamente la
869
segmentazione del calorimetro e produce un deposito di energia per ogni cristallo. Il campo
870
magnetico è considerato uniforme e trasverso alla direzione del fascio. Lo spettrometro è
mo-871
dellato come un volume attivo dal quale l’energia delle particelle incidenti è determinata senza
872
alcuna ricostruzione. La ricostruzione non include alcun elemento passivo e non può essere
873
simulato il dumping del fascio primario.
874
Per descrivere la struttura del pacchetto, viene simulata una “pistola” multi-positrone,
inol-875
tre, per ogni singolo pacchetto, viene controllata la dimensione dello spot del fascio e lo spread
876
energetico. La simulazione utilizza le librerie elettromagnetiche per basse energie di GEANT4,
877
lo scattering BhaBha e quello Moller, e produce raggi δ. Viene poi simulato un generatore
878
per la produzione di A0 e il suo eventuale decadimento in e+e−, in quello invisibile e nella
879
triannichilazione.
880