Transcript Presentación de la memoria para la obtención Complutense de Madrid.

Presentación de la memoria para la obtención
del título de doctora por la Universidad
Complutense de Madrid.
Título de la memoria:
Estudio de las capacidades del detector
RICH de AMS-02 mediante el análisis
de los datos de un prototipo en un haz
de iones.
Memoria presentada por Elisa Lanciotti
Madrid, 10 de febrero de 2006
Parte I: motivación científica del experimento AMS y del RICH
•Introducción a los rayos cósmicos (RC)
•El experimento AMS: objetivos científicos
•El detector Cherenkov (RICH) de AMS-02
–función del RICH en AMS
–descripción del detector
–software de simulación y reconstrucción
Parte II: validación del diseño del RICH con datos reales
•El prototipo del RICH
•La prueba en haz de iones ligeros:
–Resultados en la medida de velocidad y carga eléctrica, estudios
de aerogel de silicio, datos con fluoruro de sodio, datos con un
prototipo del espejo reflector
–Validación de la simulación MC del RICH
Parte III: resultados esperados con el diseño de vuelo
•Los resultados en eficiencia y medida de β y Z
•Elección del radiador
•Conclusiones
Los rayos cósmicos
•
•
Primera observación de los rayos cósmicos (RC) en experimentos en globo por
parte de Hess en 1912.
Partículas de muy alta energía procedentes del espacio exterior. En gran
mayoría núcleos completamente ionizados y una pequeña fracción de
electrones.
Espectro de los RC
•El flujo: ley de potencias: Φ=Φ0R-γ (γ=2.7-3.)
• Intervalo de energía muy extenso: de 108 a
1021 eV13 o.d.m.
En pasado: Descubrimiento de nuevas
partículas tales como e+, μ, π, K±, K0, Λ0, Δ
antes de la llegada de los aceleradores.
Actualmente posibilidad de detección de:
Partículas que forman la materia oscura (super-simetría?)
Partículas de antimateria de origen primordial
implicaciones con cosmologia, fisica fundamental
alta actividad experimental en el campo de los RC
El experimento AMS
•Objetivos científicos:
–Búsqueda de antimateria de origen primordial en el flujo de los RC
(límite actual mejorado de 3 o.d.m.)
–Búsqueda de los productos de aniquilación de materia oscura en
varios canales (anti(p), e+, rayos γ) como anomalías en el flujo
esperado
Esto requiere conocer con
muy buena precisión el flujo
esperado a través de:
medida de espectro y
composición de los RC en
un amplio rango de energía
con muy alta estadística
Método usado:
Espectrómetro magnético diseñado para medir el flujo de los RC desde la
Estación Espacial Internacional.
Detección directa, libre del fondo causado por el atmósfera, alta estadística
(3 años de toma de datos)  medida del flujo con una precisión sin
precedentes: importante avance en el conocimiento de los RC
Medidas del flujo de los RC
Origen y propagación de los RC
•Origen y aceleración en restos de SN
•Propagación a través de la galaxia
•Composición similar a la del sistema solar
(origen estelar) + núcleos secundarios
generados en colisiones con ISM
Medidas clave:
1-cociente secundarios/primarios
2-cociente de isótopos secundarios
1- secundarios/primarios:
B/C vs Ek/A
2- 10Be /9Be vs Ek/A
10Be
<τ> =1.51x106 años
 Medida precisa de la masa
mejor banco de prueba para los modelos de
propagación
►tasa de producción de RC, distribución de las
fuentes, parámetros de difusión
 medida de τconf
►volumen de propagación (disco+halo)
►cantidad de material atravesado
AMS mejorará de manera significativa estas medidas
La primera misión: AMS-01
•
•
•
Detector formado por: un imán permanente (BL2
=0.14 Tm2 ), un detector de trazas de Si, un ToF,
detector Cherenkov.
AMS-01: vuelo de prueba de 10 dias a bordo del
trasbordador espacial DISCOVERY en 1998.
Aceptancia 0.1-0.14 m2sr100 millones de
datos a todas las longitudes y en el intervalo de
latitudes (-51.6o , +51.6o) a altitud de 380 km
Técnica de detección
•Campo magnético  curvatura de la
traza
•Tracker: reconstruye la curvatura y
mide la rigidez (R=p/Z)
•ToF: medida de la velocidad
►Identificación de la partícula por
medio de la medida independiente de
momento y velocidad:
m=RZ/γβ
Resultados de AMS-01
1- Limite a la cantidad anti(He)/He<1.1*10-6 en el intervalo 1-140 GV → mejor
limite hasta la fecha
e+,
e-
2- Flujo de p, He,
con
muy alta estadística →
medidas más precisas del flujo
de p y He
partícula
Intervalo de energía
p
0.2-200 GeV
He
0.1-100 GeV/nucleón
e-
0.2-20 GeV
e+
0.2-2 GeV
3- Medida del flujo de partículas de bajo del corte geomagnético que no pueden
proceder del espacio exterior  partículas secundarias generadas por interacción
de los primarios con las capas superiores de la atmósfera
Publicaciones:
• Search for Antihelium in CR (Phys. Lett. B461,
1999)
• Protons in Near Earth Orbit (Phys. Lett. B472,
2000)
• Leptons in Near Earth Orbit (Phys. Lett. B484,
2000)
•
•
Cosmic Protons (Phys. Lett. B490,
2000)
Helium in Near Earth Orbit (Phys.
Lett. B494, 2000)
Verificación de la técnica y confirmación de las potencialidades de AMS
El experimento AMS-02
Mayor rango energético, mayor aceptancia geométrica y mejorada
identificación de partículas. Medida de rayos γ.
• imán superconductor (BL2= 0.85 Tm2)
• detector de trazas de Si (momento, carga)
•sistema de tiempo de vuelo (TOF) (β,
dE/dx, trigger, carga)
~2 m; 7 Tons
• detector de radiación de transición (e/p)
• detector Cherenkov RICH (β, carga)
• calorímetro electromagnético (energía, e/p)
• Estado actual: todos los detectores en
proceso de ensamblaje. Integración en el
CERN en 2007
~2
m
Aceptancia Geométrica: 0.5 m2sr
El imán superconductor
•Primer imán superconductor de gran tamaño en un experimento espacial
desarrollado especialmente para AMS.
•Sistema criogénico que mantiene el imán a T = 1.8 K con 2500 l de helio
superfluido.
•Diámetro interno 1 m → Aceptancia geométrica 0.5 m2sr
•Consta de: 2 bobinas que generan un campo dipolar y 2 series de pequeñas
bobinas de retorno→campo muy uniforme e intenso dentro del volumen del imán,
caída muy rápida fuera de su volumen. Según los requisitos de la ISS.
•Poder de curvatura 0.86 Tm2
medida del momento extendida hasta 2 TeV
(protones)
El detector de trazas
Consta de: 8 planos (6.5
m2) instrumentados con
sensores a doble cara de
Si.
Medida de momento y carga
Resolución en la dirección de
curvatura de la traza: 10 μm,
y 30 μm en la dirección
ortogonal.
MDR 2 TV (p).
σ(p)/p=1.5% para E=10
GeV/n.
Medida de carga hasta
Z≈20
El sistema de tiempo de vuelo (ToF)
Medida de β y trigger para el experimento
Hodoscopio que consta de 4 planos (2 arriba
y 2 abajo del imán) de barras de plásticos
centelladores equipados con 2 PMs en cada
extremo. Guías de luz especialmente
diseñadas para minimizar el ángulo entre PM
y campo magnético.
Distancia entre planos superiores e inferiores:
1 m.
Resolución temporal: 130 ps  σ(β)=3.5%
El calorímetro electromagnético
Medida energía e± y γ y dirección de
llegada con resolución de 1-2 grados
9 supercapas de Pb intercaladas con fibras
centelladoras. Cada supercapa: 10 planos
de Pb
Reconstrucción
cascada con
alta
granularidad Extender la separación
leptón/hadrón hasta 1 TeV con
poder de rechazo de 10-4
El detector de radiación de transición (TRD)
Ulterior separación leptón/hadrón y conversión de los fotones γ en par
e+e-
20 capas de módulos de straw tubes con gas
(Xe y CO2) y radiadores de fibra de
polipropileno donde se emite la radiación de
transición
Separación leptón/hadrón en el intervalo 1.5300 GeV con poder de rechazo de 102-103
El detector Cherenkov (RICH)
• Objetivos del RICH:
1- medida adicional de la velocidad de partículas
relativistas con alta precisión  medida de la
masa de isótopos ligeros con AMS
2- medida de Z: mejora de la identificación de los
elementos en un amplio rango de carga
• Técnica Ring Imaging Cherenkov, basada en la
reconstrucción del imagen del suceso en el plano
de detección y cálculo del ángulo de emisión de la
luz Cherenkov.
Factor determinante en el cálculo de la
masa:
σ(m)/m = (σ(p)/p)  γ2(σ(β)/β)
Muy buena precisión en la masa hasta γ≈3-4
 separación de isótopos hasta Ek~10
GeV/n
H = 46 cm
Dados los parámetros del RICH  σ(β)
≈1‰ (30 veces mejor del ToF)
El radiador
aerogel
Mayor parte de la superficie del radiador: aerogel de
silicio n = 1.05 → umbral de emisión de luz
Cherenkov: 3 GeV/c para p
Parte central: fluoruro de sodio (NaF) n = 1.332 →
umbral emisión para p: 1.1 GeV/c
– Ampliar el rango dinámico hacia bajas energías
– Aumentar aceptancia parte central detector
NaF
Aerogel  único material con
1.0018 (gas) < n <1.27 (liquido)
Pero: material poroso, frágil y
causa dispersión Rayleigh.
Uso del aerogel en el espacio 
necesidad de pruebas
(@CIEMAT)
Medidas sistemáticas
de transmitancia en
diferentes condiciones:
ciclos térmicos, vacío,
contaminantes,
envejecimiento
Claridad = cantidad que
parametriza la dispersión
Rayleigh
Transmitancia ajustada con T
= A e –Cl
L / **4
El plano de detección
•
•
680 PMs Hamamatsu R7600-M16-00 multiánodo (4x4
canales). Compactos, alta ganancia (G=106 para 800
V). Amplio rango dinámico, buena resolución a 1 sólo
fotón capacidad de contar fotones
Respectivas guías de luz formadas por 16 toberas
individuales, de material plástico
Presencia de campo magnético residual (hasta 300 G) =>
apantallamiento magnético individual para cada celda
unidad (PM+guia+chip FE = celda unidad)
divisor de
tensión
PM Hamamatsu R7600
Guía de luz
ADC
ASIC
Electrónica de front-end: circuito integrado de 16 canales (un canal  pixel
del PM) que integra y digitaliza la carga del ánodo. Digitalización en 2
ganancias (x1 y x5)
Control y procesado de la señal y lectura: tarjetas encargadas de reducción
de datos, lectura y almacenamiento datos
El espejo reflector
Objetivo del espejo del RICH: reflejar los fotones hacia el plano de detección
para aumentar la eficiencia de detección.
Requisitos: alta reflectividad (R>85% a λ=420 nm) y rugosidad reducida
comportamiento especular para no deteriorar la resolución de los fotones
reflejados.
Consta de:
Estructura en fibra de carbono + revestimiento de resina + capa de Al
Pulido + recubrimiento con material antioxidante
90
89
d = 120 cm
88
87
H = 46.3
cm
d = 134 cm
86
85
84
83
82
R% 15°
R% 30°
R% 45°
R% 60°
81
80
350 370 390 410 430 450 470 490
Medidas de laboratorio:
reflectividad (%) en función de
λ (medida sobre un prototipo)
Estado del RICH en febrero 2006
Todos los materiales caracterizados
Los componentes probados y cualificados para el espacio.
El ensamblaje en ejecución en el CIEMAT.
Radiador: caracterizado por medio de pruebas de varios tipos en el CIEMAT
El material de vuelo en proceso de entrega.
Espejo: depositado en el CIEMAT, preparado para ensamblaje.
Caracterizado con medidas de laboratorio.
Plano de detección y electrónica:
Front-end: terminada la producción
de los chips.
PM calibrados individualmente.
Tarjetas de Lectura: modelo de vuelo
en producción
Ensamblaje: primera rejilla (estructura
mecánica de soporte + celdas unidad)
ensamblada.
Test de calificación (vibración, ciclos
térmicos, …) + tests funcionales
planificados
Software de simulación y reconstrucción
del RICH
partícula
Carga Z
Velocidad 
Software integrado de AMS:
simulación y reconstrucción de
las partículas en el flujo de RC
y la respuesta de todos los subdetectores de AMS
Simulación autónoma
del RICH: resultados
Radiador
Espejo
Reflector
Fotodetectores
totalmente
compatibles, pero más
rápida
1. Medida de la velocidad (β) de la partícula:
La velocidad se calcula a partir del ángulo Cherenkov de los fotones
emitidos en el radiador:
cos(θ) = 1/ (n )
2. Medida de la carga eléctrica (Z) de la partícula:
El numero total de f.e. detectados es proporcional al cuadrado de Z:
Nf.e. ~ Z2 1/ (1 – 1/n2 2)
Algoritmo de reconstrucción de la velocidad
Un suceso consta de un conjunto de N
señales: Qi, (xi,yi)
• Algoritmo de β: identificar las
señales debidas a fotones
Cherenkov y calcular la mejor
estimación de la β del suceso
• El algoritmo consta de 3 partes:
– Para cada señal detectada→3
valores de β (βs). Fotones de
señal + ruido (electrónico +
dispersión Rayleigh)
– Para cada señal se construyen
agrupamientos de señales tales
que: |βi-βj|<Δg. Se elige el
agrupamiento de señales más
significativo.
– la β del suceso = valor medio de
las βs de las señales del grupo
elegido →distribución gaussiana
β por señal
β reconstruida
Algoritmo de β: resultados
σ(β) vs Z
Z>1
El número de señales
detectadas aumenta con Z
hasta un límite de
saturación debido al
tamaño finito del canal de
detección.
 σβ

 β
 σβ

  
 z 1  β

1
 *
N
 z 1
Número de
señales
detectadas
σβ(Z)= A/Z  B
La resolución mejora como 1/√N (→ 1/Z)
Para los parámetros previstos para el RICH (geometría del RICH, altura de
expansión H=46 cm, granularidad del plano de detección d=8.5 mm, radiador con
índice en intervalo 1.03-1.05) σ(β) ≈1‰ para Z=1.
El valor exacto depende en gran parte del radiador empleado (índice de
refracción, dispersión Rayleigh y dispersión superficial, grosor de la pieza).
Importancia de ajustar la simulación del radiador sobre datos reales
Algoritmo de reconstrucción de la carga
•
Número de f.e. producidos por una partícula de carga Z proporcional a Z2:
Nf.e. (Z) = Z2 Nf.e.(Z=1)
El algoritmo calcula el número de f.e. esperados (Nesp) para una partícula equivalente (=
misma β y mismos parámetros de la traza). Luego la Z se calcula a partir del estimador:
Z = √Nfe/Nesp
Donde: Nfe= num. total de f.e. detectados en el anillo
Cherenkov
Nesp= resultado del cálculo del algoritmo
Nesp se calcula integrando la ecuación diferencial:
(Previamente, se tiene que conocer β)
d2N = 2πα q(λ)sin2θ(β) eff(r, u)
dxdλ
λ2
I
II
I: término del espectro Cherenkov. La
variable x se integra a lo largo del
recorrido en el radiador, λ entre 260 y
680 nm
II: término de eficiencia geométrica 
todos los factores que determinan la
probabilidad de detección de un fotón
con esa trayectoria
Algoritmo de la carga (II)
Aceptancia muy poco homogénea del RICH → el cálculo de Nesp se tiene que hacer
suceso por suceso.
Distribución del número de fotones efectivos a lo largo del detector (aerogel de 2.5
cm de grosor, n=1.05
A nivel de
generación
A salida del radiador.
Pérdida por la difusión
Rayleigh
Finalmente:
Muy buena
correlación entre
Nfe y Nesp.
En el área activa del
plano de detección.
Pérdidas en la parte
central no
instrumentada
Nesp a nivel de detección:
aplicando la eficiencia de
las guías de luz.
Distribución continua
de 4 a 10 f.e.
Eficiencia de las
guías en función
del tipo de tobera y
de los ángulos θ y
φ: muy fuerte
dependencia con la
dirección del fotón
Reconstrucción de la carga: resultados
Distribución continua de la carga reconstruida
Confusión de carga diferencial en función de Nesp
elemento
H (Z=1)
He (Z=2)
C (Z=6)
Al (Z=13)
σ(Z) (Nesp>4)
0.20
0.23
0.26
0.32
Conf. Carga
integral (Nesp>7)
0.6%
1.9%
2.9%
8.1%
Nesp: representa la
aceptancia
efectiva del RICH
para un suceso 
la c.c. sólo
depende de Nesp
Parte II
Estudio de las capacidades del RICH en la medida de β y Z con datos
reales, se ha construido un prototipo del detector.
El prototipo en haz de iones ha permitido:
• verificar las capacidades generales del RICH
• validar los algoritmos de reconstrucción con datos reales
• probar muchos componentes de la electrónica, los PMs, el espejo
reflector y más componentes hardware
• medir varias muestras de aerogel y comparar sus prestaciones, con
el fin de elegir el mejor para el RICH
En esta
sección:
•El prototipo del RICH
•Datos en un haz de iones
–Estudios de aerogel
–NaF
–Espejo
validación del diseño del RICH
El prototipo del RICH
El prototipo corresponde a 14% de los canales totales del RICH, y
consta de un plano de detección, un radiador a distancia regulable del
plano de detección
• Plano de detección
– 96 PM Hamamatsu (los mismos del
RICH)
– Guías de luz de forma piramidal
formadas por 16 (4x4) toberas, de
lado 3.1 cm
• Radiador
– Varias muestras de aerogel de silicio
de índice entre 1.03 y 1.05
– Una muestra de NaF
• Espejo
Un prototipo correspondiente a un sector del espejo cónico
• Electrónica: front-end: mismo chip del diseño de vuelo. Tarjetas de lectura
especialmente diseñadas.
Las pruebas en haz de iones
Área experimental H8 del acelerador CERN-SPS, Octubre
2002 y 2003
En 2003: En el mismo haz: prototipo de STD y ToF de AMS02
Los datos del STD sincronizados con el prototipo del RICH ->
selección externa de la carga de la partícula y alineamiento de la
posición del RICH
Trigger: 2 plásticos centelladores
Distancia de expansión
ajustada para obtener sucesos
totalmente contenidos
Configuración ortogonal
Con ángulo
Con espejo
Datos analizados
Número total de sucesos ~ 107, frecuencia de trigger 100 Hz
El haz: colisión de haz primario (In 158 GeV/n) contra blanco de Pb.
Selección haz secundario por análisis magnético (R=p/Z = const.)  haz
secundario con A/Z fijo, y monocromático (0.15% < Δp/p < 1.5%).
Composición: He
(65%), luego B
(3.5%) C (3.5%), N
(2.2%)
hasta Z~30
Radiadores usados
Dos proveedores de aerogel:
Instituto de Catálisis de Novosibirsk (CIN)
Matsushita Electric Works (MEC)
Dos tipos de haz:
Sección
de haz
R
(GV)
A/Z
β
~ 1 mm2
316
2
~1
~ 1 cm2
276.5
7/4
~1
radiador (sigla)
n
grosor (cm)
CIN103
1.03
3
MEC103
1.03
3*1.1
CIN105
1.05
2.5
Fluoruro de
sodio (NaF)
1.33
0.474
Selección de la muestra analizada
1- Corte preliminar
en la traza →<eff> =
40%
2- Corte en el número
de partículas
detectadas →<eff> =
80%
3- Corte en la
probabilidad Probkl
→<eff> = 99%
βRICH
Ajuste de la simulación MC sobre los datos
Proceso de ajuste de la
simulación (geometría,
calibración y parámetros del
radiador)  MC reproduce
los datos con buena precisión
(~1%)
Medida de la velocidad (β)
Resolución en β para Z=2, H=33.5 cm
radiador
CIN103
MEC103
CIN105
σ(β) x103
0.441±0.001
0.480±0.001
0.470±0.001
Resolución en β en función de Z
H=42.3
H=42.3
H=37.5
Todos los radiadores cumplen los requisitos del RICH con respecto a la
resolución en β
Producción de luz
La producción de luz se estima como en numero de f.e. esperados para una
partícula de β=1 y Z=1
Para incidencia
normal:
CIN103
MEC103
CIN105
10.4±0.2
11.0 ±0.2
14.7±0.2
En función del ángulo: leve dependencia con el
ángulo (2-4 %) , reproducida por el MC
El aerogel Novosibirsk 1.05 produce una cantidad de luz
significativamente mayor
Estudios de uniformidad del aerogel:
uniformidad en la producción de luz
La uniformidad se estima a partir de la luz producida por muestras de Z=2
Gran escala (2-3 cm)
Loseta del
Radiador
se comparan datos de
barrido de la loseta
Pequeña escala (1 mm)
Datos con haz extenso.
La sección del haz mide ~
0.7x1.2 cm2 y se ha
dividido en una rejilla
de lado 1 mm
Uniformidad en la
producción de luz %
CIN103
0.5±0.1
MEC103
0.6±0.1
CIN105
tamaño de
radiador no
suff.
CIN103
1.0±0.2
MEC103
1.4±0.4
CIN105
1.0±0.3
Sección del haz
Todos los radiadores muestran una uniformidad a nivel de 1-2%
Uniformidad del índice de refracción
Dada la relación: Δβ/β=Δn/n
estimación directa de la uniformidad del índice a partir del valor medio
de la β reconstruida
CIN103
Radiador
Δnx103
Haz extenso
CIN103
0.06±0.04
MEC103
0.05±0.04
CIN105
0.06±0.04
La medida de β a alto Z impone un limite superior Δn<0.05x10-3
todos los radiadores muestran no uniformidades
despreciables del índice de refracción
Resolución en carga
• Muestras seleccionadas con ambos STD y centelladores
para hacer la selección de carga
•Resolución en Z estimada con un ajuste a una gaussiana a
la distribución de carga continua.
•Buen acuerdo entre datos y MC a bajo Z.
•Ligero empeoramiento de los datos a alto Z (consistente
con un desconocimiento a nivel de 1-2% en la producción de
luz)
CIN1.03
MEC1.03
CIN1.05
La mejor prestación en la medida de la carga es con el aerogel de
Novosibirsk 1.05, debido a su alta producción de luz
Datos con NaF
Debido al alto índice de refracción (n = 1.33)
• Grandes ángulos de incidencia de los fotones respecto a las guías (62 grados)
• Distancia de expansión muy reducida H=7.2 cm (para el diseño de vuelo H=46
cm)
Para Z = 2
Medida de β
σ(β )=3.1e-3
σ(β ) en función de
Z (STD y cent.)
Resolución en β
reconstruida en datos reales
y simulados es compatible
en todo el intervalo de Z
Los datos reconstruidos con NaF presentan una resolución en β
compatible con lo esperado de la simulación
Datos con NaF: producción de luz
Cantidad de luz producida: exceso significativo de los datos respecto al MC
Número
de
señales
para He
Diseño de vuelo
más fotones de lo
esperado por la
simulación sufren
X-talk: Guías
trabajando fuera
de su rango
funcional (62o)
Datos del prototipo
datos con
aerogel:
ángulos<
35o
Simulación de la respuesta de las guías:
verificada hasta inclinación de 30o con datos
con aerogel.
Para ángulos mayores (30-60o) estudio con
datos con NaF y ángulo: gradual desacuerdo
respecto a la simulación
Medida en el CIEMAT con un aparato
especialmente diseñado
Datos con espejo
• Un prototipo del espejo incorporado al aparato
experimental  sucesos con parte del anillo
reflejado
• Gran variedad de configuraciones realizadas:
– índice de refracción (1.03, 1.05)
– ángulo entre el detector y la línea del haz
(0,5,15 y 20 grados)
– Distancia de expansión (42.3 - 38. cm etc)
– Distancia entre espejo y matriz de los PM
Dos ejemplos de imagen en el plano de detección
Reflectividad del espejo probada en una área extensa y para un
amplio intervalo de ángulos de incidencia de los fotones
Reflectividad del espejo
La reflectividad se calcula imponiendo
que el valor medio de la carga
reconstruida en la parte directa y en la
parte reflejada del anillo sean iguales
run
rad
H (cm)
Θ(deg)
575
CIN105
42.6
15
580
MEC105
39
20
581
MEC105
39
15
586
MEC103
42.3
10
587
MEC103
42.3
20
espejo final: recubrimiento de SiO2
 reflectividad media a nivel de 85%
La reflectividad estimada con los datos del prototipo está de acuerdo con
la medida directa de laboratorio
Medida de β y Z con el espejo
Medida de β
Z=2 Rad. CIN105
La resolución en la β por señal: muy
similar para fotones directos y
reflejados. Un ligero deterioro ( ~
4%) no degrada la resolución final,
vista la proporción de señales
reflejadas
Medida de Z
Buena separación de
los picos de carga en
todo el intervalo de Z
alcanzado
Z=2 Rad. CIN105
Espectro de Z en
datos con 13%
de fotones
reflejados
Medida de β y Z compatible con la simulación MC, donde el espejo es una
superficie reflectante perfectamente especular
Conclusiones de la prueba en haz de iones
Resultados obtenidos en la prueba en haz con el prototipo:
• Aerogel:
– todos los radiadores (CIN103, CIN105 y MEC103) cumplen los requisitos
del AMS-RICH en cuanto a la medida de velocidad y carga
– estudios de uniformidad:
• uniformidad del Aerogel en la cantidad de luz producida estimada a
nivel de 1-2%
• uniformidad en índice de refracción Δn <0.05x10-3
• NaF:
– La resolución en β muestra buen acuerdo con lo esperado de la
simulación
– La eficiencia de detección todavía en estudio (debido al gran ángulo de
incidencia de los fotones en las guías de luz)
• Espejo:
– La medida de β y Z concuerda con lo esperado de la simulación MC
– Medida la reflectividad del espejo: resultados de acuerdo con la medida
directa de laboratorio
validación del diseño sobre la base de datos reales
Parte III
Resultados para el diseño del vuelo:
–usando la simulación del RICH validada con los datos
del prototipo  prestaciones del RICH en AMS02.
–Comparación de resultados de la simulación con 2
aerogeles n = 1.05 vs n = 1.03 por:
•Eficiencia de reconstrucción
•Medida de la velocidad, y separación en masa
•Medida de la carga eléctrica
+ resultados de pruebas de laboratorio @CIEMAT
Elección del radiador
–Conclusiones generales de este trabajo:
•capacidades previstas para el RICH en AMS
Muestras generadas
Software autónomo del RICH.
Configuración con radiador mixto:
Partículas: H, He, Be. Para cada partícula
2 tipos de muestras:
•
Naf + Aerogel (agl n=1.03 3 cm y
agl n=1.05 2.5 cm)
1.
•
H=46.3 cm, radio superior espejo
60 cm, inferior 66.8 cm
puntos fijos de energía: 10 puntos de
energía entre 1.5 y 200 GeV-nucleón.
20x103 sucesos por punto.
2.
distribución de energía según la
observada en los RC. Parámetros de
órbita de AMS tenidos en cuenta.
•
680 PMs, G=125 cuentas por f.e.,
σ/Q=60%.
Eficiencia de reconstrucción
Dirección de llegada generada
uniformemente en la aceptancia del
imán de AMS.
Eficiencia de reconstrucción: porcentaje de sucesos que pasan
por el área del radiador cubierta de aerogel, y que se
reconstruyen con al menos 3 señales y más de 1 f.e. esperado
Eficiencia E>10
GeV/nucleón
Par n=1.05 n=1.03
H
0.80
0.66
He
0.95
0.91
Be
0.95
0.92
Resolución en velocidad
Distribución de β
reconstruida para
H, He y Be a
E=200 GeV/n.
σ(β) vs Ek/nucleón: el agl 1.03 da mejor resultados en todo el
rango de energía. El agl n=1.05 tiene un umbral de emisión
más bajo.
σ(β)x103 para
E>20
GeV/nucleón
Par n=1.05 n=1.03
H
1.28
0.99
He
0.74
0.62
Be
0.48
0.40
¿Cómo se traducen estos resultados en términos de resolución
en masa?
Resolución en masa
Masa reconstruida para los isótopos
del Be, con aerogel n=1.05
(resolución del tracker tenida en
cuenta)
A altas energías: determinación de la masa en AMS gracias a la medida de β del
RICH. n=1.03 vs 1.05: Ambos dan una medida de β con precisión satisfactoria.
El agl n=1.03 aventaja ligeramente el de 1.05 rango dinámico mas extenso de
~1GeV/n
Ek/n (GeV/n) a la
que σ(m)=0.35 uma
Par
n=1.05
n=1.03
H
10.5
11
He
9
10
Be
7
8
Separación de isótopos
Medida precisa de la masa  capacidad de separación de
isótopos
Muestras con distribución continua de energía
Tiempo
equivalente
Isótopos y número
de sucesos
1 día
4He
1 año
9Be
n=1.03
Experimentos
precedentes:
Emax~ 2 GeV/n
(ISOMAX)
n=1.05
1.68Mev.
3He 0.34Mev.
0.70Mev.
10Be 0.15Mev.
n=1.03
n=1.05
Rango energético alcanzado para la
separación de isótopos:
n=1.03 11 GeV/n y n=1.05 10 GeV/n
10Be/9Be:
directamente relacionada con
parámetros de los modelos de
propagación (  tconf )
Medida de la carga eléctrica
σ(Z) vs Ek/A para He y Be
estimada aplicando un ajuste a
una gaussiana a la distribución
continua de carga reconstruida
E>10 GeV/n
elemento
σ(Z) (en
unidades de
carga)
Confusión de
carga %
He
0.29
0.25
9.1
6.0
Be
0.30
0.27
10.8
7.5
Resultados para:
Aerogel n=1.03
Aerogel n=1.05
Contribución a la
medida de
secundarios/primarios
La resolución en carga
depende esencialmente
de la cantidad de luz
detectada  el aerogel
n=1.05: mejores
resultados en todo el
rango de energía debido
a la mayor producción
de luz
Elección del radiador
Novosibirsk: material hidrofilico. Losetas del grosor deseado
Matsushita: hidrofóbico. Losetas de grosor 1 cm  necesidad de apilar
Medidas de laboratorio de transmitancia, envejecimiento, resistencia mecánica, ciclos
térmicos y al vacío ambos válidos
Resultados de la prueba en haz  CIN103, CIN105, MEC103 válidos
n = 1.03 vs n = 1.05
Eficiencia de detección: ventaja del n=1.05 para Z=1, debido a mayor producción de luz
Resolución en β: ligera ventaja de n=1.03  rango energético (de ~1 GeV/n) más extenso
para la separación de isótopos
Resolución en Z: mejor prestación del n=1.05, debido a mayor producción de luz
Resultados con n: 1.03, 1.05→prestaciones de física similares
Importancia de tener un alta cantidad de fotones Cherenkov: buena eficiencia de
detección para Z=1, aun en caso de parcial pérdida de eficiencia durante la misión de 3 años
en el espacio  n=1.05
Aerogel de Novosibirsk n=1.05
el RICH cumple los requisitos: detector diseñado para operar en el espacio, σ(β) de
1‰, buena precisión en Z, alta eficiencia de detección durante toda la misión.
Conclusiones
Objetivos de este trabajo: estudiar las capacidades del RICH de AMS02
en la medida de la β y Z de los rayos cósmicos
• Uso de herramientas software (para la simulación del detector en el
espacio) y de datos reales tomados con el prototipo del RICH
• El prototipo del RICH ha demostrado la viabilidad del proyecto
y sus datos han validado la simulación MC del RICH
un detector RICH apto a funcionar en la ISS (estrés mecánico,
cambios de temperatura, vacío, imposibilidad de mantenimiento):
Capaz de medir la velocidad de partículas cargadas en un amplio
intervalo de momento, con alta precisión, alta eficiencia, gran
aceptancia geométrica.
Capacidad de contar fotones  medida de la carga eléctrica.
Contribución fundamental a la medida de la masa de los RC en AMS
 separación de isótopos y medida del tiempo τconf y otros
parámetros necesarios para modelizar con precisión el flujo de los RC