Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni
Universit` a di Pisa
Facolt` a di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Corso di Laurea Specialistica in
Scienze Fisiche
Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Candidato Relatori
Francesco Tenchini Prof. Alessandro Baldini
Dott.ssa Angela Papa
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni
Indice
1 Il Decadimento µ → eγ
2 L’Esperimento MEG
Calorimetro a Xenon Liquido Lo Spettrometro COBRA
3 Calibrazione del Calorimetro a Xenon Metodi di Calibrazione Esistenti
Calibrazione con Sorgente di Americio-Berillio La Riga da 9 MeV del Nickel
4 Calibrazione dello Spettrometro Risultati Preliminari
5 Conclusioni
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni
Motivazioni Fisiche
Modello Standard: la violazione di sapore leptonico (Lepton Flavor Violation, LFV) non ` e prevista (massa del neutrino nulla).
Estensione a per neutrini massivi (oscillazioni di neutrini):
B(µ → eγ) < 10 −48 , non misurabile.
Estensioni supersimmetriche: LFV osservabili.
Limite superiore attuale: B(µ → eγ) < 1.2 × 10 −11 (MEGA) Obiettivo di MEG: B(µ → eγ) ≈ 10 −13
Osservare µ → eγ sarebbe chiaro indizio di fisica oltre lo SM.
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni
Segnale e Fondo
Segnale
θ = 180 o 52.8 MeV/c Coincidenza temporale R sig ∝ R µ B(µ → eγ)
Fondo Fisico
θ qualsiasi
< 52.8 MeV/c Coincidenza temporale R bck ∝
R µ B(µ → eννγ)
Fondo Accidentale (dominante)
θ qualsiasi
< 52.8 MeV/c Nessuna coincidenza (scorrelati)
R acc ∝
(R µ ) 2 (δE γ ) 2 δE e (δθ eγ ) 2 δt eγ
` E necessario ottimizzare R µ : elevato, ma non troppo!
` E fondamentale avere un’elevata risoluzione, in particolare δE γ .
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Xenon COBRA
L’Esperimento MEG al PSI
Esperimento svolto al Paul Scherrer Institut (PSI)
La collaborazione MEG (∼ 60 persone):
INFN Pisa INFN Genova INFN Pavia INFN Roma INFN Lecce
Univ. of Tokyo Waseda Univ.
KEK
UC Irvine BINP, Novosibirsk JINR, Dubna
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Xenon COBRA
Apparato Sperimentale
Fascio di µ continuo (∼ 10 8 µ + /sec) ottimizzato per massimizzare la sensitivit` a
Calorimetro a Xe liquido (900 l Xe, 846 PMT)
Spettrometro ad alta precisione: Magnete superconduttore, camere a deriva, timing counter.
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Xenon COBRA
Calorimetro a Xenon: Descrizione
900 l di Xenon liquido, 846 PMT Uniforme (omogeneo, liquido) Light Yield elevato (∼ NaI) Utilizziamo solo la luce di scintillazione, non raccogliamo la carica di ionizzazione
Rivelazione rapida
(τ = 4.2 ns, 22 ns e 45 ns)
→ riduzione del pile-up.
Copertura angolare ≈ 10%
La quantit` a di materiale di fronte al calorimetro ` e minimizzata.
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Xenon COBRA
Lo Spettrometro COBRA
Magnete con gradiente di campo B(z = 0) ∼ 1.27 Tesla (superconduttore) COnstant Bending RAdius (indipendente dall’angolo di emissione)
Rimozione rapida di particelle con elevato p ⊥
Campo costante Gradiente di campo
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Xenon COBRA
Lo Spettrometro COBRA
Drift Chambers
16 set di camere a deriva Miscela 50% He / 50% C 2 H 6
Misura di θ e , φ e , E e . Risoluzione: ∼ 200µm (r),
∼ 500µm (z)
σ E =200 keV a E = 52.8 MeV
Timing Counter
2 × 15 barre di scintillatore plastico copertura semicilindrica
25 < |z| < 95cm 145 o in φ
Misura accurata dei tempi di volo (σ t < 50 ps)
Fibre trasverse per la misura di z (usata a livello di trigger)
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Metodi Esistenti AmBe 9 MeV Nickel
Calorimetro a Xenon: Metodi di Calibrazione Esistenti
Guadagno dei PMT - LED σ 2 = g(q − q 0 ) + σ 2 0
Efficienza Quantica
Sorgenti α di 241 Am montate su fili di tungsteno. E α = 5.44 MeV
xfave_w
-100 -80 -60 -40
yfave_w
-100 -50 0 50 100
zfave_w
-40 -20 0 20 40
yfave_w
-100 -50 0 50 100
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Metodi Esistenti AmBe 9 MeV Nickel
Calorimetro a Xenon: Metodi di Calibrazione Esistenti
Risoluzione, scala di energia e quantit` a di luce Reazione di scambio carica:
π − + p → π 0 (γγ) + n (E = 54.9, 82.9 MeV) Acceleratore di protoni Cockcroft-Walton, bersaglio in tetraborato di litio (B 4 Li 2 O 7 ):
E = 17.6 MeV (Li) E = 4.4, 11.7 MeV (B)
Cattura nucleare nel Nickel (E = 9 MeV) Sorgente di AmBe (E = 4.4 MeV)
hli
Entries 30199
Mean 2.583e+04
RMS 4755
p0 736.6 ± 11.3
p1 2.983e+04 ± 2.717e+01
p2 1410 ± 22.0
p3 1.674 ± 0.045
Qsum2 (a.u.) 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
Counts
0 200 400 600 800
1000 hli
Entries 30199
Mean 2.583e+04
RMS 4755
p0 736.6 ± 11.3
p1 2.983e+04 ± 2.717e+01
p2 1410 ± 22.0
p3 1.674 ± 0.045 Lithium Spectrum
hboro2
Entries 9894
Mean 6.39
RMS 3.757
p0 460.2 ± 10.8 p1 4.562 ± 0.017 p2 0.4175 ± 0.0151 p3 0.03157 ± 0.05940 p4 0.2681 ± 0.0414 p5 1 ± 1.4 p6 0.0001 ± 1.4142
qsum2 (a.u.)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Counts
0 100 200 300 400 500
hboro2
Entries 9894
Mean 6.39
RMS 3.757
p0 460.2 ± 10.8 p1 4.562 ± 0.017 p2 0.4175 ± 0.0151 p3 0.03157 ± 0.05940 p4 0.2681 ± 0.0414 p5 1 ± 1.4 p6 0.0001 ± 1.4142 Boron Spectrum
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Metodi Esistenti AmBe 9 MeV Nickel
Calibrazione con Sorgente di AmBe.
Metodo di calibrazione supplementare (in assenza del CW).
Sorgente di AmBe, attivit` a ∼ 50kBq.
Fotoni da 4.4 MeV per diseccitazione di 12 C ∗ .
Presa dati: ∼ 10 minuti. Analisi eseguita senza sottrazione del fondo.
Fondamentale il rigetto delle α.
sambe
Entries 16185
Mean 9437
RMS 4514
p0 146.2 ± 5.3 p1 9418 ± 23.0 p2 625.9 ± 25.1 p3 359.6 ± 26.0 p4 -0.0001602 ± 0.0000093
Qsum2 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
sambe
Entries 16185
Mean 9437
RMS 4514
p0 146.2 ± 5.3 p1 9418 ± 23.0 p2 625.9 ± 25.1 p3 359.6 ± 26.0 p4 -0.0001602 ± 0.0000093 Ambe peak fit
17/05 20/05 23/05 26/05 29/05 01/06
8000 8500 9000 9500 10000
AmBe peak as a function of the time (DRS=Red TRG=Blue)
` E necessario un metodo di trasporto sicuro della sorgente per eseguire la calibrazione.
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Metodi Esistenti AmBe 9 MeV Nickel
Calibrazione con Sorgente di AmBe.
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Metodi Esistenti AmBe 9 MeV Nickel
Calibrazione con Sorgente di AmBe.
Circuito ad aria compressa Deposito sicuro per la sorgente Sistema di controllo manuale o via LabView
Segnalatori di posizione
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Metodi Esistenti AmBe 9 MeV Nickel
La Riga da 9 MeV del Nickel
Metodo di monitoraggio giornaliero del calorimetro.
Processo utilizzato: cattura termica di neutroni 58 Ni(n, γ) 59 Ni.
In ≈ 34% dei casi produce un singolo γ da 9 MeV.
E necessario moderare i neutroni ` (σ capt ∝ v −1 )
Scelta di un moderatore adeguato
(MeV) En 10-1110-1010-910-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-310-2 10-1 1 10
) (b)a(nm
10-3 10-2 10-1 1 10 102
Nickel-58 Absorption cross section
Sorgente a ionizzazione di Penning Reazione D-D.
Utilizzo impulsato (vantaggio rispetto a sorgenti radioattive!)
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Metodi Esistenti AmBe 9 MeV Nickel
Studi di Monte Carlo
` E stato simulato il processo di moderazione e cattura per ottimizzare:
Scelta del moderatore (→ CH 2 )
Posizionamento del Nickel all’interno della struttura Numero di γ da 9 MeV emessi verso il calorimetro
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Metodi Esistenti AmBe 9 MeV Nickel
Il Generatore D211 ed il Test di Accettazione
Il generatore (Thermo Scientific D211) ` e stato testato per verificarne il corretto funzionamento.
Specifiche tecniche
Tipo di Generatore D-D (E n = 2.45 MeV) Neutroni per impulso 2.5 · 10 4
Neutroni al secondo 2.5 · 10 6 (@ 100 Hz) Vita media del tubo > 500 h
Frequenza 10-100 Hz, singolo impulso Larghezza dell’impulso ∼ 10µs
Intensit` a in funzione di tensione ed angolo.
Stabilit` a durante l’operazione.
Funzionamento in campo magnetico.
Intensit` a misurata moderando i neutroni in CH 2 ed osservando la riga di cattura H (2.2 MeV) con un detector NaI (4 00 × 4 00 ).
Intensit` a confrontata con sorgente di neutroni nota (AmBe, ∼ 24 kBq)
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Metodi Esistenti AmBe 9 MeV Nickel
Il Generatore D211 ed il Test di Accettazione
Trigger: segnale dal bersaglio di produzione (ritardato di 30 µs).
Gate di acquisizione: 1 ms.
Due soglie a 2.6 e 1.5 MeV per selezionare la regione di interesse.
Intensit` a massima ad HV=350 V e θ = 90 o .
Misure di fisica (τ caratteristico).
t(µs)
0 100 200 300 400 500
Counts
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
/ ndf
χ2 134.9 / 5
Prob 2.179e-27
Const 3751 ± 45.16 1/Tau -0.007086 ± 0.0001028
/ ndf
χ2 134.9 / 5
Prob 2.179e-27
Const 3751 ± 45.16 1/Tau -0.007086 ± 0.0001028 CH2 Tau
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Metodi Esistenti AmBe 9 MeV Nickel
Performance Attese
Performance stimate, tenendo conto di:
Intensit` a massima misurata ∼ 1.5 × 10 4 n/impulso → ∼ 3 γ/impulso.
Acquisizione saturata (max 30 Hz vs 100 Hz del generatore) Gate di 100µs (∼ τ ).
Sorgente eventi/impulso eventi/sec
γ 9 MeV 3 75
Alpha 0.5 5 · 10 3
γ dal fascio di µ 8 8 · 10 4
→ Notevole riduzione del rapporto segnale/fondo!
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Metodi Esistenti AmBe 9 MeV Nickel
La Riga nel Calorimetro a Xenon.
Gate di 50µs in coincidenza.
Contaminazione α rigettata (diversa forma d’onda).
Risposta lineare in energia.
Segnale/fondo ≈ 1 a fascio acceso, ≈ 12 a fascio spento.
Spazio per futuri miglioramenti.
snickel50_bis Entries 8551 Mean 1.452e+04 RMS 2804
Qsum2
0 5000 10000 15000 20000 25000
0 100 200 300 400 500 600
snickel50_bis Entries 8551 Mean 1.452e+04 RMS 2804 snickel50_bis
Qsum2 (a.u.)
10000 15000 20000 25000 30000
(MeV)trueE
4 6 8 10 12 14 16 18
p0 -0.4551 ± 0.4104 p1 0.0006028 ± 2.03e-05 p0 -0.4551 ± 0.4104 p1 0.0006028 ± 2.03e-05 Energy Linearity
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Risultati Preliminari
Calibrazione dello Spettrometro.
Metodo attuale:
Risoluzione in energia ed angolo con positroni di Michel (µ → eνν)
Basso rate nella regione di accettanza (spettrometro ottimizzato per 52.8 MeV!) Utilizzo di tracce a doppio giro per la risoluzione angolare.
Metodo proposto: Fascio dedicato di positroni.
Abbondantemente prodotti (∼ 20 i muoni) nella linea del fascio
Fascio intenso (< 10 8 e + /s) e ben definito in impulso (∆p < 50 keV/c) Energia variabile (da 45-60 MeV)
Bersaglio di carbonio per evitare contributi eccessivi da parte della struttura nucleare (scattering coerente)
Basso rate di eventi per il bersaglio MEG! → serve un bersaglio di maggiore spessore.
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Risultati Preliminari
Risoluzione in Energia: Spessore del Bersaglio e Straggling.
Problema: allargamento della riga!
Risoluzione intrinseca delle camere: σ E =200 keV.
E necessaria una larghezza inferiore. Consideriamo σ ` right . Studiamo l’allargamento con un semplice Monte Carlo.
Fascio con distribuzione gaussiana in impulso, p=50 MeV/c, σ right E =30 keV
Studio di bersaglio di vario spessore
l (mm) p (MeV/c) Spostamento (%) σright
Fascio 50 0 0.03
1 49.3 1.4 0.054
2.5 49.1 1.8 0.061
5 48. 7 2.6 0.075
10 47.8 4.6 0.08
→ σ right rimane sufficientemente bassa.
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Risultati Preliminari
Altre Potenzialit` a del Metodo.
Risoluzione angolare studiata con tracce a doppio giro (si richiede θ ≈ 90 o e p ≈ 50 MeV/c):
Positroni di Michel: solo ≈ 3% del totale
Fascio Monocromatico: Spettro molto stretto e statistica pi` u elevata Efficienza ed uniformit` a di tracciamento: serve una misura di intensit` a del fascio (non attualmente disponibile)
Possibile misura di polarizzazione del fascio.
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Risultati Preliminari
Il Bersaglio Mott.
2 mm CH 2 , angolo 51 o rispetto al fascio.
Braccio mobile in fibra di carbonio
Attuatore pneumatico per l’inserimento al centro di COBRA Interamente non-magnetico
Controllo remoto tramite LabView
Francesco Tenchini Calibrazioni e Monitoraggio dell’Esperimento MEG
Indice µ → eγ MEG Calib. Gamma Calib. Positroni Conclusioni Risultati Preliminari
Risultati Preliminari
Fascio da 40, 50 e 60 MeV con entrambi i bersagli.
I risultati sono preliminari (mancano le costanti di calibrazione delle camere).
Per il bersaglio MEG ` e necessaria la sottrazione del fondo.
h9
Entries 6141
Mean 49.56
RMS 1.762
p0 342.1 ± 11.1 p1 49.4 ± 0.0 p2 0.7165 ± 0.0233 p3 116.9 ± 7.9 p4 49.68 ± 0.04 p5 2.002 ± 0.048
EPositron (MeV)
30 35 40 45 50 55 60
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
h9
Entries 6141
Mean 49.56
RMS 1.762
p0 342.1 ± 11.1 p1 49.4 ± 0.0 p2 0.7165 ± 0.0233 p3 116.9 ± 7.9 p4 49.68 ± 0.04 p5 2.002 ± 0.048 Single turn Tracks - Theta selection
