Medida de las Eficiencias Relativas y Monitorización de las Ganancias de los Fotomultiplicadores del Detector RICH de AMS-02 Experimento AMS significa.

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1 Medida de las Eficiencias Relativas y Monitorización de las Ganancias de los Fotomultiplicadores del Detector RICH de AMS-02 Experimento AMS significa Alpha Magnetic Spectrometer, aquí se muestra una foto de la ISS (estación Internacional Espacial) y dónde estaría situado, en ella. Cristina de la Guía David Crespo

2 OBJETIVOS CIENTÍFICOS AMS:
Estudio de la naturaleza y composición de los RC Estudio de la abundancia relativa de los isótopos de núcleos ligeros Búsqueda de Antimateria Búsqueda de Materia Oscura Estudios de Astrofísica Medidas múltiples e independientes son requeridas: Medidas |Z| con: Tracker, RICH, TOF. Momento y Signo de carga Z medido en tracker (8 puntos). Velocidad b medida en TOF, RICH. Separación Hadrón/electrón en TRD, ECAL AMS Tiene como Objetivos: Estudio de los Rayos Cósmicos: su composición, mecanismos de aceleración y propagación por el medio interestelar Búsqueda de Materia Oscura: Se buscan productos últimos de la aniquilación del neutralino: p, antip, e, e+, gammas.. ( ¿¿Q ES UN WIMP: weakly interacting massive particle?? ), ppal candidato a materia oscura Búsqueda de antimateria: en concreto núcleos de AntiHelio!! Se espera ampliar el rango hasta ahora medido: 10 6núcleos medidos sin haberse detectado, aún ni un solo núcleo de Antihelio ( si detectáramos un solo núcleo de Antihelio dejaría abierta la posibilidad de la existencia de Antiestrellas, antigalaxias…????) Estudio de la abundancia de núcleos ligeros : B/C: buscamos núcleos de átomos de Boro como producto de la espalación del Carbono cdo interacciona con la materia interestelar…e.i. el Boro sería un prodcuto de la espalación del carbono….) Haremos medidas redundantes y complementarias, de magnitudes como la velocidad, la carga de las partículas que lo atraviesan… Aumentaremos la rigidez: medida del momento con respecto a la carga… hasta los 0.5 TV Mediremos la carga con el : tracker( detector de trazas de Silicio) , RICh y el TOF el signo de la carga sólo se conseguirá con un aumento de la rigidez,gracias al imán superconductor que alcanza una curvatura de 0.86 T lo cual provocará un aumento en la curvatura de las partículas cargadas que lo atraviesen La velocidad será medida de modo independiente por el TOF(3%) y por el RICH(0.1% para Z=1) ( el RICH dará una medida mucho más precisa que el TOF). La separación Hadrón /leptón vendrá dada por el TRD y el Calorímetro. Búsqueda de Antimateria : No conservación del número bariónico,Violación de CP

3 RICH (Ring Imaging Cherenkov)
EL RICH DE AMS-02 Objetivo: Medida de la velocidad  con una precisión ~0.1%/Z y de la carga hasta Z=26 RICH (Ring Imaging Cherenkov) Radiador: aerogel de sílice (n=1.05) y NaF (n=1.334). Plano de detección: conjunto de 680 fotomultiplicadores Hamamatsu R M16 (4x4 píxeles/canales). Reflector: capa reflectiva de 100 nm de aluminio y 300 nm de SiO2. Reflectividad del 85% a =420 nm 60 cm 67 cm 46.8 cm

4 sstat ssys s sys: ~1%-2%. Nexp (Z=1)
Cálculo de Z Nexp (Z=1) sstat ssys sstat s sys: ~1%-2%. Contribuyen distintas incertidumbres Para el cálculo de la carga contamos el número de fotones que componen el anillo Cherenkov y los comparamos con el número de fotones que tendría para una partícula con carga Z=1. Tenemos dos contribuciones al error total , que son: los errores ESTADÍSTICOS y los SISTEMÁTICOS. ESTADÍSTICOS: 1+ SIGMA_SPE: representa el error que cometemos al contar fotones; NEXP es simplemente una constante. SISTEMÁTICOS: vienen dados por: error en la determinación de Nexp( con Montecarlo), y debido a las no UNIFORMIDADES del plano de detección. Todos las incertidumbres anteriores están ya determinadas sólo nos queda saber CUÁL es el ERROR PMT A PMT. Lo importante, lo que nos concierne es la precisión con la que somos capaces de calcular la carga. La incertidumbre en la reconstrucción de la carga depende tanto de los errores estadísticos como de los sistemáticos. En cuanto a los errores Estadísticos , que es el primer término: vemos que NO DEPENDE de la carga de la partícula. El término de los sistemáticos tiene una dependencia lineal con la Z:carga. Notar que, aunque la contribuciones a los sistemáticos aumenta linealmente con la carga de la partícula, el efecto de la contribución a la incertidumbre total, de σCH y σPM están escalados inferiormente por (NCH)1/2 and (NPM)1/2 respectively. SIGMA_spe:es la incertidumbre en la resolución del PMT en detectar un sólo fotoelectrón, es decir niveles bajos de luz. Es del orden de 0.5. PARA UNA GEOMETRÍA DADA DEL DETECTOR, NCH Y NPM ESTÁN EN BUENA CORRELACIÓN CON Nexp. Medimos Eficiencias Calibramos/ monitorizamos Ganancias

5 MEDIDA DE LAS EFICIENCIAS RELATIVAS DE LOS FOTOMULTIPLICADORES DEL RICH DE AMS-02

6 Procedimiento: Iluminamos con la misma cantidad de luz a todos los PMT
Objetivo Principal: Medida de la eficiencia relativa para la detección de luz de cada fotomultiplicador del plano de detección. Estudiar viabilidad del método con un módulo principal del plano de detección. Procedimiento: Iluminamos con la misma cantidad de luz a todos los PMT y calculamos la luz detectada por los PMT Nuestro principal objetivo: es la medida de la EFiciencia Relativa para la detección de la luz Y probar la viabilidad de nuestro método, para aplicarlo al resto de rejillas del plano de detección. Lo que hemos hecho ha sido iluminar los PMTs con la misma cantidad de luz y calcular cuánta luz han detectado cada uno de Utilizaremos como ESTIMADOR el número de Fotolectrones .

7 HV Fuente de alto voltaje
Este es el montaje utilizado para las medidas. Se empleó esta caja estanca a la luz para realizar todas las medidas. Para ellos empleamos 4 Dispositivos PONER INCLUIR FOTO DEL CAPUCHON!!!! DE JAVIER BERDUGO REJILLA_G

8 Obtención de la Eficiencia:
Rango de fotón único. Cálculo del número medio de fotoelectrones por canal. Trabajaremos en el rango de un sólo fotón, o lo que es lo mismo en el rango de niveles bajos de luz. Aquí mostramos los histogramas obtenidos para un PMT completo, con cada uno de sus 16 canales que lo componen. Tomamos un total de sucesos por Run y calculamos el número medio de Fotolectrones por CANAL.

9 Cálculo de la Eficiencia
Obtención del número medio de fotoelectrones ( m ) Estadística de Poisson: Pr = ( e-m mr ) / r! P0 = ( e-m ) ; P0= N sucesos pedestal/ Ntot sucesos; Estimador: Si=1,16 mi Metodología: Para obtener los estimadores, como estamos trabajando con niveles bajos de luz, el número de fotoelectrones incidentes será muy bajo. Y la probabilidad de detectar r- FOTOELECTRONES incidentes viene dada por una distribución de POISSON, donde: mu: es el número medio de fotoelectrones N : es el número total de sucesos. Mu : está dado por la probabilidad de NO tener ningún FOTOElectrón incidente. Ese (Po) ha sido calculado como el número de sucesos en el ( si ajustamos El pedestal a una gaussiana y tomamos su media +3SIGMAS) sobre el número total de sucesos (en nuestro caso : sucesos) Hago un análisis con un dispositivo y lo repetiré para los dispositivos con los que se tomaron las medidas de la eficiencia. Como tengo 4 medidas para convertirlo todo a las mismas “unidades” tomo un PMT y lo mido con los 4 dispositivos, y los comparo entre ellos. How have we taken the measurements? We have iluminated each PMT, each of its channels with the SAME amount of light As we have taken all the measurements with 4 devices we need to make 4 independent analyses Cuatro dispositivos que iluminan siempre los 16 canales con la misma cantidad de luz.

10 Eficiencias Relativas
Repetibilidad de la medida de la luz proporcionada por cada dispositivo. Es capaz de repetir la medida mejor que el 2%. Estabilidad Temporal < 1% Dispersión del número medio de fotoelectrones en diferentes momentos Repetibilidad Eficiencias Relativas Queremos un Montaje que nos aporte la suficiente estabilidad. Para estar seguros de ello repetiremos las medidas con los PMT en distintos momentos o días. Necesitamos una repetibilidad en la cantidad de luz dada por cada dispositivo dentro del 2% Aquí se muestran, a modo de ejemplo, la dispersión del promedio de la luz detectada por cada PMT en distintos días(o momentos). Podemos ver que los resultados de las cantidades de luz medidas repiten dentro del 1% // To be sure of it we repeated the PMT measurements at the very begining and at the end of each shift //We need a repeatability of the measured light provided by each device within less than 2% //Here we show, as an example, the dispersion of the average of the detected light by some PMTs on differents days/moments. //We can see that they repeat their results within less than 1%. RMS:5.8%

11 Eficiencias Relativas de Detección para el plano de detección del RICH
The left graph shows the results making the measurements in the cleaning room for all the detection plane, taking a unique reference to get the efficiencies. The detection plane is unifrome within less than 6 percent At the right we can see the comparison between the previous results and those which we have at the Data Base There are 4 died PMTs that we show in black Red squares represent PMTs which compared efficiencies are below than 10 percent Blue squares: represent a compared efficiencies above ( higher than) the 10 % Green ones represents the comparison between efficiencies not loer nor higher than 10% Plano de detección es uniforme dentro del 5-6 % Las medidas han sido incorporadas a la base de datos.

12 MONITORIZACIÓN DE LAS GANANCIAS DE LOS FOTOMULTIPLICADORES DEL RICH DE AMS-02

13 MOTIVACIÓN Plano de detección Detección de los anillos Cherenkov
Reconstrucción de la velocidad y de la carga Fotomultiplicadores Variación de la ganancia Factores ambientales: variación de la temperatura (entre -20 ºC y +30 ºC => -0.4%/ ºC en ganancia Vibración despegue: puede afectar a la geometría dínodos. Largo plazo: envejecimiento fotomultiplicadores. Incertidumbre en Determinación de la Carga Conocer la ganancia de los canales con una precisión mejor que el 10% No existe un sistema de calibración independiente para el RICH en vuelo Se necesita desarrollar un sistema de monitorización y calibración utilizando los sucesos registrados

14 MONITORIZACIÓN (caso nominal)
Simulación de protones para un tiempo de toma de datos equivalente a 1 órbita (90 minutos). Reconstrucción de las variables físicas asociadas al RICH (velocidad y carga.) Selección de sucesos (criterio geométrico, de calidad y de señal). Selección de señales en el intervalo [0.25 , 1.75] fotoelectrones. Señales seleccionadas 85% Media = 1 Anchura = 0.03 (precisión en la determinación de la ganancia)

15 MONITORIZACIÓN (caso realista) Carga media ≡ Factor de corrección
Simulación de sucesos con ganancias modificadas para 90 minutos (variación realista) Reconstrucción de la velocidad y carga a partir de las ganancias nominales. Selección de sucesos (criterio geométrico, de calidad y de señal). Selección de señales en el intervalo [0.25 , 1.75] fotoelectrones. Ganancias reajustadas (1ª aproxima.) Media = 1 Anchura = 0.064 Carga media ≡ Factor de corrección Gan. reajus. = Factor de correción x Gan. nominal

16 CALIBRACIÓN (método iterativo)
Sesgo tiende a 0 Precisión: 2.3 veces peor en 1 órbita (amplificación estadística).

17 MÉTODO ITERATIVO (3 órbitas)
sesta: error estadístico ssist: error sistemático del algoritmo La precisión sigue un comportamiento puramente estadístico (3.8% para 270min) El error sistemático es consistente con 0 Se necesita acumular estadística durante 5 órbitas para recuperar la precisión inicial.

18 PROCEDIMIENTO GENERAL DE GALIBRACIÓN
No se aplica la calibración Sí se aplica la calibración

19 CONCLUSIONES

20 Medida de las eficiencias relativas
Se ha determinado la eficiencia relativa de detección de los fotomultiplicadores del RICH. La precisión de las medidas obtenidas está dentro del 2%, por lo que no se espera una contribución significativa a la incertidumbre en la medida de la carga. Se ha probado la viabilidad del método con una rejilla y ha sido aplicado al resto del plano de detección. Las medidas obtenidas para todo el plano de detección son uniformes dentro del 6%.

21 Monitorización de las ganancias
Se ha desarrollado un método de monitorización y calibración de las ganancias de los fotomultiplica-dores utilizando los sucesos registrados. El algoritmo propuesto proporciona una determi-nación de las ganancias de los canales individuales con una precisión del 3%. La monitorización de la respuesta de los canales individuales se realiza utilizando la muestra acu-mulada a lo largo de 1 órbita (90 min). La identificación y calibración de canales con variaciones significativas de ganancia requiere la muestra equivalente a 5 órbitas.

22 OTRAS DIAPOSITIVAS

23 Cristina De La Guía, CIEMAT
Detección de  Conversión  : Detección de pares e+e- en el Tracker Calorimetro : Diploma Estudios Avanzados Cristina De La Guía, CIEMAT 23

24 TRD (Detector radiación de transición ) Star Tracker
Separación e± de p < en GeV Star Tracker Mide orientación de AMS en espacio ToF (Tiempo de Vuelo) 1º y 2º plano Velocidad v, dE/dX, fast trigger Imán Superconductor ( 0.86 T) ACC veta partículas que entran de abajo a arriba Tracker de Silicio 8 x-y planos con resolución 10/30m, dE/dX determinación de P y carga ToF 3º y 4º plano Estos son los subdetectores que componen AMS: UN TRD: un detector de la radiación de transición UN TOF: que da el trigger al experimento, da una medida de la velocidad El imán superconductor y el Tracker de Silicio: medida del momento ( al tener mayor curvatura se puede medir el momento hasta energías más altas); el tracker nos dará una medida de la carga. ACC: el contador de anticoincidencia: evita que las partículas atraviesen el detector de manera transversal RICH: detector de Anillos Cherenkov: precisión de la velocidad del ¿¿0.3%???, medida de la carga.. ECAL: calorímetro electromagnético RICH (Ring Imaging Cerenkov Counter) Precisión en medida - separación isótopos, Z ECAL (Calorímetro Electromagnético) Separación e± de p < Peso Total: ~ 6 tons; Poder Consumición: ~2 kW. 24

25 Cristina De La Guía, CIEMAT
Características: Mínima cantidad de materia que atraviese hasta ECAL Larga duración (3 años). Aceptancia de 0.5 m2 sr. Alta estadística Medida velocidad / = 0.1 % distinguir: 9Be,10Be, 3He,4He isótopos. Rigidez R= pc/|Z|e (GV) de 0.5 TV y Factor de Identificación Antihelio/Helio 10-10 Medidas múltiples e independientes son requeridas: Medidas |Z| con: Tracker, RICH, TOF. Signo de carga Z medido en tracker (8 puntos). Velocidad  medida en TOF, RICH. Separación Hadrón/electrón en TRD, ECAL Haremos medidas redundantes y complementarias, de magnitudes como la velocidad, la carga de las partículas que lo atraviesan… Aumentaremos la rigidez: medida del momento con respecto a la carga… hasta los 0.5 TV Mediremos la carga con el : trcaker, RICh y el TOF el signo de la carga sólo se conseguirá con un aumento de la rigidez,gracias al imán superconductor que alcanza una ¿¿¿¿curvatura de 0.86 T???? lo cual provocará un aumento en la curvatura de las partículas cargadas que lo atraviesen La velocidad será medida de modo independiente por el TOF y por el RICH ( el RICH dará una medida mucho más precisa que el TOF). La separación Hadrón /leptón vendrá dada por el TRD y el Calorímetro. Diploma Estudios Avanzados Cristina De La Guía, CIEMAT 25

26 Cristina De La Guía, CIEMAT
Diseño: Estudio señales en intensos ruidos (backgrounds) Reducir cantidad de material atravesado Repetidas medidas de la carga y velocidad Condiciones Operacionales en Shuttle y en ISS  niveles radiación y condiciones vacío   : -60º y 40º Vibraciones cambios aceleración masa < 6T Consumir < 2 KW El experimento que estará instalado en la ISS tomará un gran número de datos durante al menos 3 años , estará sometido a altos niveles de radiación, sometido a grandes gradientes de temperatura: entre -60 º y 40 º. Además sufrirá grandes variaciones en la aceleración. Durante el despegue y en el aterrizaje… Al estar en la ISS tendrá algunas limitaciones de tamaño y de consumo de potencia. Diploma Estudios Avanzados Cristina De La Guía, CIEMAT 26

27 sPM= 7.8% ESTIMACIÓN DE LA INCERTIDUMBRE PMT A PMT
Fabricante (Hamamatsu) nos da valores eficiencia cuántica con una dispersión: sPM= 7.8% Existen otros factores que influyen en la eficiencia de detección: Eficiencia guías ópticas Contacto óptico Nesp=7 sstat=0.21 sPM= 7% El fabricante de los PMT, nos da una precisión en la incertidumbre PM a PM del orden del 7,8%; pero si introduzco ese valor como SIGMA_PM me provocaría un error sistemático superior al estadístico. POR lo que vamos a medirlo a ver si puedo conseguir una precisión mejor del 7% porque como se observa en la gráfica inferior la caraga máxima que podemos alcanzar es Z=19. Pero como vemos en la gráfica inferior no existe una clara relación entre la SENSIBILIDAD del FOTOCÁTODO y LA EFICIENCIA DE DETECCIÓN ( influye más cosas como las variaciones en las guías ópticas, en el contacto óptico de la ventana y el fotocátodo de cada PMT..) Por lo que SIGMA _PM es desconocida, tenemos que conocer cómo influye este valor en la incertidumbre total de la carga…. //(pero se ha estimado que necesitamos una incertidumbre total en la determinación de la carga de 0,3, para ser capaces de distinguir entre núcleos de cargas consecutivas. Para ello el error Pm a PM no debe ser superior al 5%.) Es necesario medir la eficiencia de detección PMT a PMT. Necesitamos: sPM<5% Zmax=19

28 Medidas eficiencias tomadas
Repetibilidad de la medida de la luz proporcionada por cada dispositivo. Es capaz de repetir la medida mejor que el 2%. Estabilidad/repetibilidad: Dispersión del número medio de fotoelectrones en diferentes momentos < 1% Medidas eficiencias tomadas por un dispositivo Queremos un Montaje que nos aporte la suficiente estabilidad. Para estar seguros de ello repetiremos las medidas con los PMT en distintos momentos o días. Necesitamos una repetibilidad en la cantidad de luz dada por cada dispositivo dentro del 2% Aquí se muestran, a modo de ejemplo, la dispersión del promedio de la luz detectada por cada PMT en distintos días(o momentos). Podemos ver que los resultados de las cantidades de luz medidas repiten dentro del 1% // To be sure of it we repeated the PMT measurements at the very begining and at the end of each shift //We need a repeatability of the measured light provided by each device within less than 2% //Here we show, as an example, the dispersion of the average of the detected light by some PMTs on differents days/moments. //We can see that they repeat their results within less than 1%. RMS 4.5%

29 sStat sSys sNEXP : incertidumbre sistemática que afecta a todo el
Cálculo de Z sStat sSys sspe : resolución del PMT, para detectar un sólo fotoelectrón; es ~50%. sNEXP : incertidumbre sistemática que afecta a todo el anillo detectado; es ~1%-2%. Para el cálculo de la carga contamos el número de fotones que componen el anillo Cherenkov y los comparamos con el número de fotones que tendría para una partícula con carga Z=1. Tenemos dos contribuciones al error total , que son: los errores ESTADÍSTICOS y los SISTEMÁTICOS. ESTADÍSTICOS: 1+ SIGMA_SPE: representa el error que cometemos al contar fotones; NEXP es simplemente una constante. SISTEMÁTICOS: vienen dados por: error en la determinación de Nexp( con Montecarlo), y debido a las no UNIFORMIDADES del plano de detección. Todos las incertidumbres anteriores están ya determinadas sólo nos queda saber CUÁL es el ERROR PMT A PMT. Lo importante, lo que nos concierne es la precisión con la que somos capaces de calcular la carga. La incertidumbre en la reconstrucción de la carga depende tanto de los errores estadísticos como de los sistemáticos. En cuanto a los errores Estadísticos , que es el primer término: vemos que NO DEPENDE de la carga de la partícula. El término de los sistemáticos tiene una dependencia lineal con la Z:carga. Notar que, aunque la contribuciones a los sistemáticos aumenta linealmente con la carga de la partícula, el efecto de la contribución a la incertidumbre total, de σCH y σPM están escalados inferiormente por (NCH)1/2 and (NPM)1/2 respectively. SIGMA_spe:es la incertidumbre en la resolución del PMT en detectar un sólo fotoelectrón, es decir niveles bajos de luz. Es del orden de 0.5. PARA UNA GEOMETRÍA DADA DEL DETECTOR, NCH Y NPM ESTÁN EN BUENA CORRELACIÓN CON Nexp. Incertidumbres a nivel del canal: sCH; es < 10% Calibración ganancias Incertidumbres a nivel del PMT: sPM Medida Eficiencias

30 Obtención de los Estimadores:
Rango de fotón único. Cálculo del número medio de fotoelectrones por canal. Trabajaremos en el rango de un sólo fotón, o lo que es lo mismo en el rango de niveles bajos de luz. Aquí mostramos los histogramas obtenidos para un PMT completo, con cada uno de sus 16 canales que lo componen. Tomamos un total de sucesos por Run y calculamos el número medio de Fotolectrones por CANAL.

31 Cálculo de los Estimadores
Obtención del número medio de fotoelectrones ( m ) Estadística de Poisson: Pr = ( e-m mr ) / r! P0 = ( e-m ) ; P0= N sucesos pedestal/ Ntot sucesos; Estimador: Si=1,16 mi Metodología: Un dispositivo que ilumina siempre los canales con la misma cantidad de luz. Tenemos 4 dispositivos de medida 4 análisis independientes Para obtener los estimadores, como estamos trabajando con niveles bajos de luz, el número de fotoelectrones incidentes será muy bajo. Y la probabilidad de detectar r- FOTOELECTRONES incidentes viene dada por una distribución de POISSON, donde: mu: es el número medio de fotoelectrones N : es el número total de sucesos. Mu : está dado por la probabilidad de NO tener ningún FOTOElectrón incidente. Ese (Po) ha sido calculado como el número de sucesos en el ( si ajustamos El pedestal a una gaussiana y tomamos su media +3SIGMAS) sobre el número total de sucesos (en nuestro caso : sucesos) Hago un análisis con un dispositivo y lo repetiré para los dispositivos con los que se tomaron las medidas de la eficiencia. Como tengo 4 medidas para convertirlo todo a las mismas “unidades” tomo un PMT y lo mido con los 4 dispositivos, y los comparo entre ellos. How have we taken the measurements? We have iluminated each PMT, each of its channels with the SAME amount of light As we have taken all the measurements with 4 devices we need to make 4 independent analyses