Universita degli Studi di BolognaFa olta di S ienze Matemati he Fisi he e NaturaliDottorato di Ri er a in Fisi a, XVII Ci loTesi di dottoratoRealizzazione dei sistemi di qualita nella ostruzionedei rivelatori basati sulle MRPC (Multigap ResistivePlate Chamber) per il sistema di Tempo di Volo(TOF) dell'esperimento ALICE ad LHC.Dr. Andrea Ali i

Relatore:Chiar.mo Prof.Maurizio Basile Coordinatore:Chiar.mo Prof.Roberto SoldatiBologna, Italy, 2005

Universita degli Studi di BolognaFa olta di S ienze Matemati he Fisi he e NaturaliDottorato di Ri er a in Fisi a, XVII Ci loTesi di dottoratoRealizzazione dei sistemi di qualita nella ostruzionedei rivelatori basati sulle MRPC (Multigap ResistivePlate Chamber) per il sistema di Tempo di Volo(TOF) dell'esperimento ALICE ad LHC.Dr. Andrea Ali i

Relatore:Chiar.mo Prof.Maurizio Basile Coordinatore:Chiar.mo Prof.Roberto SoldatiKey words: ALICE, TOF, MRPC, Identi azione Parti elle, Sistemi di qualitaBologna, Italy, 2005

Elwood :Sono 126 miglia per Chi ago, abbiamoil serbatoio pieno, mezzo pa hettodi sigarette, e buio e portiamotutti e due gli o hiali da sole.Jake:Vai!The Blues Brothers

Indi eIntroduzione 11 L'esperimento ALICE 31.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.1 Connamento e simmetria hirale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Collisioni di ioni pesanti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2.1 Prove inemati he . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.2 Prove elettromagneti he . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.3 Soppressione degli stati legati di quark pesanti . . . . . . . . . . . . 171.2.4 Aumento della stranezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.2.5 Perdita di energia dei partoni e jet quen hing . . . . . . . . . . . . . 201.3 Il rivelatore di ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.3.1 Rivelatori entrali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.3.2 Lo spettrometro per muoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.3.3 Rivelatori a grandi rapidita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.4 Prestazioni di ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.4.1 Tra iamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.4.2 Identi azione di parti elle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.4.3 Coppie di leptoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.4.4 Jet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 Il sistema di TimeOfFlight di ALICE 352.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.1.1 Prin ipi fondamentali delle te ni he di TOF . . . . . . . . . . . . . . 352.2 Il sistema di TOF di ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.3 Il rivelatore per il TOF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.3.1 Le Parallel Plate Chamber (PPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.3.2 I ontatori Pestov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.3.3 Le amere a piani resistivi multigap . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.4 Gli MRPC per il TOF di ALICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54i

INDICE3 Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip 653.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.2 Preparazione dei materiali e sistemi semiautomati i . . . . . . . . . . . . . . 673.3 Test sui materiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.3.1 Misure di planarita sui PCB e pannelli di honey omb . . . . . . . . 683.3.2 Misure di resistivita super iale sui vetri esterni . . . . . . . . . . . 703.4 Misure dei parametri degli MRPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.4.1 Misura dell'ampiezza dei gap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.4.2 Test di impulsaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.4.3 Test di alta tensione in aria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953.5 Prove sui moduli del TOF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964 Test sugli MRPC della produzione 994.1 Prova su fas io al PS del CERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.1.1 Metodologia di analisi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1004.1.2 Risultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.2 Misure sugli MRPC on i raggi osmi i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.2.1 La stazione per raggi osmi i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084.3 Analisi dei dati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.3.1 Tra iamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.3.2 Risoluzione temporale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.3.3 EÆ ienza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134.4 Risultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.4.1 Prima serie di misure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1144.4.2 Se onda serie di misure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.4.3 Con lusioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.5 Controllo di pressione e temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Con lusioni 131Bibliograa 131

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0

IntroduzioneALICE (A Large Ion Collider Experiment) e l'esperimento al Large Hadron Collider (LHC)del CERN dedi ato allo studio della materia nu leare in ondizioni di densita e tempera-tura estremamente elevate. ALICE si propone di studiare le interazioni tra ioni pesantiultrarelativisti i, in parti olare 208Pb 208Pb, per energie nel entro di massa no a 5.5TeV per oppia di nu leone, fornendo in questo modo uno strumento essenziale per lo stu-dio del Modello Standard ed in parti olare della teoria he regola le interazioni tra quarke gluoni (QCD); nel dettaglio, ALICE er hera prove dell'eventuale transizione della ma-teria nu leare ordinaria allo stato di quarkgluon plasma (QGP).Sara di estrema importanza in tale esperimento l'identi azione, evento per evento, dimigliaia di adroni ari hi (;K e p) in stati nali ontenenti de ine di migliaia di parti elle.Il rivelatore prin ipalmente dedi ato a questo s opo e il grande apparato di Time of Flight(TOF), he permettera di identi are, on una separazione di 3 , e K in un intervallodi impulsi tra ir a 500 MeV/ e 2.5 GeV/ (e K=p no a 4 GeV/ ), tramite la te ni a dimisura del tempo di volo.Il sistema di TOF e basato sulla te ni a innovativa dei rivelatori a piani resistivi mul-tigap (MRPC), he onsentono di ottenere prestazioni e ellenti, on risoluzioni temporaliintrinse he inferiori a 50 ps e on una eÆ ienza di rivelazione prossima al 100%. Il sistemadi TOF onterra 1638 rivelatori MRPC, all'interno di 90 moduli oprenti una regione i-lindri a di quasi 160 m2 di super ie (a ettanza polare j 90o j< 45o e piena operturadell'angolo azimuthale ).La trasposizione delle e ellenti prestazioni ottenute on i prototipi di MRPC a rive-latori assemblati su larga s ala sara una sda importante della produzione di massa deirivelatori per il TOF di ALICE. L'obiettivo di questa tesi e la des rizione delle metodi hehardware e software sviluppate per il ontrollo di funzionalita degli MRPC per il rivelatoreTOF.Il lavoro di tesi si arti ola in quattro apitoli: nel primo apitolo viene fornita unavisione generale della si a degli ioni pesanti e dell'esperimento ALICE, riassumendo lemotivazioni e gli obiettivi si i pressati, e mettendo prin ipalmente in lu e le motivazioni he sono alla base dei requisiti ri hiesti al rivelatore he ostituira il sistema di TOF.Nel se ondo apitolo viene des ritta la struttura del rivelatore TOF ed illustrati i prin- ipi di funzionamento di un MRPC, insieme alle sue prestazioni e aratteristi he prin ipali.Nel terzo apitolo vengono des ritti l'ideazione e la realizzazione di una serie di ontrolli1

Introduzionedi qualita nella ostruzione dei rivelatori basati sugli MRPC. Le pro edure, automati he esemiautomati he, illustrate in questo apitolo, permettono la misura, la registrazione ed il onfronto, rispetto alle spe i he di riferimento, delle aratteristi he funzionali di ias unrivelatore. I risultati di tali misure, eettuate su ampioni di MRPC della produzione,sono riportati ome veri a dell'ottimizzazione della pro edura di assemblaggio dei rive-latori.Nel quarto apitolo, inne, vengono riportati i risultati di test eettuati su fas io diparti elle al PS del CERN su un ampione di MRPC della produzione, per veri are leprestazioni dei rivelatori e, quindi, la qualita delle pro edure di assemblaggio e delle me-todi he di ontrollo. Viene inoltre des ritto il funzionamento di un teles opio per raggi osmi i, realizzato nei laboratori INFN di Bologna, he verra utilizzato per misurare dei ampioni di MRPC, s elti a aso tra quelli prodotti; questo teles opio servira ome ulterio-re strumento di ontrollo sullo stato della produzione, e onsentira di avere un termometro ontinuo della situazione, senza dovere ri orrere a laboratori esterni on a eleratori.

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Capitolo 1L'esperimento ALICE1.1 IntroduzioneALICE (A Large Ion Collider Experiment) [1[2 e l'esperimento al Large Hadron Colli-der (LHC) del CERN dedi ato allo studio della materia nu leare in ondizioni di densitae temperatura estremamente elevate. A dierenza degli altri esperimenti in programmaad LHC (CMS, ATLAS ed LHCb), he utilizzeranno ollisioni protoneprotone alla ri- er a di parti elle supersimmetri he, del bosone (o dei bosoni) di Higgs e di fenomeni diviolazione dell'invarianza CP, ALICE e stato progettato ed ottimizzato per ollisioni diioni pesanti ultrarelativisti i, on una energia nel entro di massa, nel aso estremo in uivengano fatti ollidere ioni di piombo, di ps 5.5 TeV per oppia di nu leone. Questovalore e un fattore quasi 30 volte maggiore rispetto all'energia raggiungibile al Relativisti Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory (BNL) di New York, i uiesperimenti (STAR, BRAHMS, PHENIX e PHOBOS) stanno portando avanti un intensostudio di ollisioni di ioni pesanti ad energie no a 200 GeV per oppia di nu leone [3.Allo stato attuale, il Modello Standard delle interazioni fondamentali (SM) rappre-senta una teoria sperimentalmente ben veri ata delle parti elle elementari e delle lorointerazioni fondamentali. La si a degli ioni pesanti si appli a soprattutto a quella partedel Modello Standard he des rive l'interazione forte (teoria della Cromo Dinami a Quan-tisti a QCD), ossia la forza fondamentale della natura he regola l'interazione tra quarkattraverso lo s ambio di gluoni, i bosoni mediatori di tale forza. La QCD e una teorianon abeliana (esistono, ioe, le interazioni tra i bosoni di gauge) ed asintoti amente libera(ovvero, la ostante di a oppiamento S , he denis e l'intensita dell'interazione, tendea zero per grandi momenti trasferiti). Lo s opo della si a degli ioni pesanti onsiste nel-l'esplorare ed estendere il Modello Standard a sistemi omplessi in evoluzione dinami a:studiare e apire ome le proprieta ma ros opi he della materia nu leare ordinaria, he omprende molti gradi di liberta, possano emergere dalle leggi mi ros opi he delle parti- elle elementari.In questo ontesto, i fenomeni piu aas inanti e onos iuti he verranno studiati in ALI-CE sono il de onnamento e la rottura della simmetria hirale. A temperature o densitadi energia basse, quark e gluoni sono ostretti dall'interazione forte a rimanere onnati in3

L'esperimento ALICEoggetti neutri rispetto alla ari a di olore forte subnu leare, gli adroni. Cal oli su reti olodi QCD prevedono pero he ad una temperatura riti a dell'ordine di QCD 200 MeV, ui orrisponde una densita di energia di C 1 GeV/fm3, avvenga una transizione difase dalla materia nu leare ordinaria ad uno stato di plasma di quark e gluoni. In queste ondizioni inoltre la simmetria hirale e approssimativamente ripristinata, e i quark risul-tano privati delle masse dinami he (o eettive) di ui sono dotati all'interno degli adroni.ALICE studiera il ruolo della simmetria hirale nella generazione delle masse degli adronie la si a della materia nu leare per densita di energia 11000 GeV/fm3, ampliandole onos enze attuali sulla struttura del diagramma di fase di QCD.La si a di LHC, e di ALICE in parti olare, non si esauris e pero nella sola si asubnu leare. Se ondo il modello osmologi o standard [4, la temperatura della radiazione osmi a di fondo e stata superiore ai 200 MeV per i primi 10 s susseguenti al Big Bang;nel entro di ollisione degli ioni PbPb verra quindi ri reata la situazione dell'universoprimordiale. Al uni aspetti del nostro universo, ome l'asimmetria materiaantimateriao la struttura su grande s ala la distribuzione delle galassie, sono legate alle proprieta aratteristi he di questa transizione di fase e del QGP. Inne, l'energia massima raggiun-gibile ad LHC orrisponde a 1017 eV nel sistema di riferimento del laboratorio; si potrannoquindi apportare ontributi importanti nel ampo della si a dei raggi osmi i di energiemaggiori, soprattutto nella zona del \gino hio" (1015 1016 eV).1.1.1 Connamento e simmetria hiraleConnamentoIl termine onnamento esprime l'osservazione sperimentale he quark e gluoni non si ma-nifestano in natura isolati, ma solo all'interno di stati adroni i neutri rispetto alla ari adi olore forte subnu leare: i barioni (stati qqq) e i mesoni (stati qq).Il modo in ui quark e gluoni interagis ono tra loro e des ritto, all'interno del ModelloStandard, dalla teoria della CromoDinami a Quantisti a, la ui ostante di a oppiamen-to puo essere al primo ordine os espressa:S(Q2) 12(33 2nf )ln( Q22QCD ) (1.1)dove Q2 e il quadriimpulso relativisti o he denis e la s ala di energia, nf rappresenta ilnumero di sapori di quark e QCD puo essere interpretata ome la s ala d'energia per uil'interazione forte diventa importante. Per la sua parti olare natura, l'interazione forte e aratterizzata da due omportamenti opposti:1. a brevi distanze o grandi quadriimpulsi Q trasferiti, il gauge oupling eettivo Sde res e logaritmi amente, ovvero quark e gluoni sono debolmente a oppiati;2. a grandi distanze o pi oli quadriimpulsi, l'a oppiamento eettivo diventa moltoforte. In parti olare, il potenziale attrattivo qq e di tipo elasti o, Vqq(r) r on4

1.1 | Introduzione

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

50

100

150

200

250

early universe

LHC

RHIC

baryonic chemical potential µB [GeV]

tem

per

atu

re T

[MeV

]

SPS

AGS

SIS

atomicnuclei neutron stars

chemical freeze-out

thermal freeze-out

hadron gas

quark-gluonplasma

deconfinementchiral restoration

Figura 1.1: Diagramma di fase della materia nu leare in funzione della temperatura e delpotenziale himi o barioni o. ' (425MeV)2 tensore di stringa. Se due quark si allontanano no ad una distanzadi ir a 1 fm, il potenziale diventa abbastanza elevato da reare una oppia quark-antiquark dal vuoto; questo e il me anismo base per ui non si possono osservarequark isolati.Il onnamento segue dalla natura non abeliana di QCD, ma non e una proprieta fonda-mentale della teoria; esso, infatti, e legato all'esistenza in natura di quark on massa moltopi ola. D'altra parte, se la materia ordinaria fosse omposta da soli quark top, on mt 170 GeV, avremmo S(300GeV)2 6 102, e onsiderate le debite s ale, non avremmopiu il onnamento, in quanto il quark top si potrebbe allontanare di una distanza moltosuperiore a t ' (200GeV)1, mentre il range di QCD e rQCD ' (200MeV)1.Una delle previsioni piu aas inanti di QCD e he, all'aumentare della temperatura, leinterazioni tra partoni avvengono a distanze sempre minori, aratterizzate da un pi olovalore di S , mentre le interazioni a grande raggio vengono dinami amente s hermate,attraverso un me anismo simile a quello he avviene per il plasma QED (s hermaturadi Debye). Si assiste quindi ad una transizione di fase da uno stato della materia, quelloordinario, verso uno in ui i partoni sono de onnati, denominato QuarkGluonPlasmaQGP. In gura 1.1 e riportato il diagramma di fase della materia nu leare in funzione della 5

L'esperimento ALICEtemperatura e del potenziale himi o barioni o B, denito ome la derivata dell'energialibera di Gibbs rispetto al numero di parti elle del sistema; questa grandezza e stretta-mente legata alla densita barioni a B , ma analogamente alla temperatura ed al ontrariodi B, ha il vantaggio di essere ontinua durante la transizione di fase, e di essere unaquantita termodinami a misurabile.Dal gra o di gura 1.1 emerge he la transizione verso il QGP puo essere indotta siaaumentando la temperatura he la densita barioni a. Ad LHC la densita netta di bario-ni nel entro della ollisione sara prati amente nulla, rendendo le ondizioni sperimentaliprossime a quelle dei al oli di QCD su reti olo e a quelle presenti nelle fasi primordialidell'universo. La natura di tale transizione dipende dal numero di sapori di quark oinvoltie dalle loro masse [6.A basse temperature ed a grandi valori per il potenziale himi o barioni o, le pro-prieta prin ipali della materia adroni a possono essere interpretate in termini di un gasdi Fermi degenere. An he in questo aso, al oli basati su modelli approssimati mostranouna transizione di fase del primo ordine verso uno stato di QGP. Qualitativamente, si puoimmaginare he omprimendo la materia adroni a in modo he la distanza fra gli adronisia onfrontabile on la loro stessa dimensione, si ottenga una regione estesa in ui quarke gluoni possono muoversi liberamente; questo e quello he si pensa avvenga all'internodei nu lei di al une stelle a neutroni e nelle prime fasi dell'esplosione delle supernovae.La strategia della si a degli ioni pesanti e quella di omprimere quanta piu materiapossibile alle massime energie disponibili in modo da ottenere, nella zona di interazione,una densita di energia superiore alla soglia teori a prevista per la reazione del QGP.Al uni esperimenti ondotti negli ultimi anni al CERN, in parti olare quelli on ollisioniPbPb su bersaglio sso all'SPS, e soprattutto quelli in orso al RICH, hanno gia permessodi superare i valori di densita e temperatura riti i; dai loro dati sono gia emerse evidenzesperimentali ri ondu ibili alla formazione di uno stato di QGP [3[5.Simmetria hiraleLa hiralita (o eli ita) e una quantita he lega tra loro spin ~ e direzione del moto ~p diuna parti ella; essa e denita ome: = ~ ~pj ~ ~p jLa hiralita e una quantita onservata solo nel aso di parti elle on massa nulla; intuitiva-mente, se una parti ella possiede una erta massa diversa da zero, essa non puo muoversi he ad una velo ita inferiore a quella della lu e nel vuoto, ed e quindi sempre possibiletrovare un sistema di riferimento in ui la stessa parti ella ha impulso diretto in versoopposto. AÆn he la hiralita possa essere una legge di simmetria globale valida per QCDquindi, i quark dovrebbero avere massa nulla. Essa e iononostante ben giusti ata se si onsiderano solo i quark u e d, le ui masse sono molto pi ole, solo qual he MeV, soprat-tutto in onfronto a QCD e alla tipi a s ala barioni a ( 1 GeV), e possono quindi essere on buona approssimazione tras urate.6

1.1 | IntroduzioneSe si suppone he an he lo stato di vuoto di QCD sia invariante rispetto alla hiralita,allora gli autostati dell'Hamiltoniana, orrispondenti alle parti elle si amente osservabili,devono essere raggruppati in rappresentazioni del gruppo hirale; l'aspetto importante e he tutte le rappresentazioni, e etto quella triviale, impli ano ne essariamente doppiettidi parita. Questo signi a he per ogni barione o mesone on determinati numeri quanti ie parita, deve esistere un altro barione o mesone on gli stessi numeri quanti i ma paritaopposta, degenere ol primo. Nel aso dei mesoni, questo impli herebbe, ad esempio, heil pione ed il mesone f0 fossero appunto degeneri, osa sperimentalmente non veri ata.Questo signi a he la Lagrangiana di QCD non e piu invariante per il gruppo di simmetria hirale nella stato di vuoto QCD; la legge di simmetria e quindi spontaneamente rotta.La rottura spontanea di una legge di simmetria ri opre un ruolo di estrema importan-za nella si a moderna, on fenomeni ben noti an he alle s ale ma ros opi he; ne sonoesempi la rottura di invarianza per traslazioni in un reti olo ristallino, per rotazioni inun ferromagnete, ed il fenomeno della super onduttivita.Il vuoto QCD e aratterizzato dal valore non nullo di due operatori, solitamente hia-mati ondensati del vuoto, he rispe hiano le proprieta si he nonperturbative del vuotoQCD:- il ondensato di gluoni < SGG > (500 MeV)4;- il ondensato hirale < > (235 MeV)3;Il ondensato gluoni o misura la densita di oppie gg nel vuoto QCD ed e la manifesta-zione della rottura dell'invarianza di s ala di QCD per eetti quantisti i. Il ondensato hirale des rive inve e la densita di oppie quarkantiquark presenti nel vuoto QCD, ed eespressione della rottura della simmetria hirale.Una formulazione oggi molto a reditata del fenomeno di rottura della simmetria hi-rale e quella he Nambu e JonaLasinio (modello NJL [7) hanno sviluppato in analogia ol modello BCS per la super onduttivita. Essi, partendo da una Lagrangiana on quark on massa nulla, hanno dimostrato he l'interazione attrattiva tra i quark \nudi", e heporta nello stato di vuoto ad un valore diverso da zero del ondensato hirale, puo essereriassorbita all'interno di una massa di quasiparti elle, intese ome sovrapposizioni di fer-mioni on hiralita opposta ma stessa ari a e numero fermioni o. Tali quasiparti elle,identi ate on i quark all'interno degli adroni, a quistano una massa dinami a he dipen-de dal valore del ondensato di quark < > e dalla forza on ui i quark interagis onotra loro: m = 2G < > (1.2)La quantita < > e rinormalizzabile a patto di introdurre un uto 1 GeV; permomenti j~pj si ottiene [8:< >= m2 Z 0 dp ~p 2p~p 2 +m2 (1.3) 7

L'esperimento ALICEIl ondensato hirale e quindi il parametro d'ordine 1 per questa transizione, in quanto< > ( > 0 , fase a simmetria rotta; j~pj (oppure T < TC)= 0 , fase simmetri a; j~pj > (oppure T > TC)Inserendo l'eq. 1.2 all'interno dell'eq. 1.2, otteniamo:m = 2Gm2 Z 0 dp ~p 2p~p 2 +m2 (1.4)La soluzione di tale equazione denis e il valore della massa dinami a ( ir a 300 MeV)a quisita dai quark, in aggiunta alla loro massa \nuda", all'interno degli adroni.Dalla simmetria hirale dipendono gli aspetti riti i della transizione di fase QCD ; inparti olare, l'ordine della transizione e legato al numero di sapori di quark leggeri. Cal olisu reti olo hanno dimostrato he la transizione e del primo ordine per nf 3 e del se ondoordine per nf=2 [6. An he la temperatura riti a dipende dal numero di sapori di quark he entrano in gio o nel ripristino della simmetria hirale. I al oli piu re enti danno:TC = ( 170 MeV nf = 2 150 MeV nf = 3La massa dinami a dei quark non e l'uni o eetto e latante della rottura della simmetria hirale in QCD; il teorema di NambuGoldstone aerma infatti he la rottura spontaneadi una legge di simmetria globale porta, ome inevitabile onseguenza, all'esistenza di(n2f 1) bosoni di Goldstone, on massa nulla. Nel aso di QCD on nf=2 sapori, ilbosone di Goldstone viene identi ato on il mesone .In questo disegno, la massa diversa da zero del pione (m 140 MeV) deriva dalfatto he la simmetria hirale e una legge di simmetria espli itamente rotta dal pi olo,ma non nullo, valore delle masse dei quark u e d. Questo non vuol dire he il fenomenosopra enun iato si esauris a in una pura spe ulazione matemati a. Osservando lo spettro dimassa dei nu leoni e itati, si puo vedere he, per masse superiori a ir a 1.7 GeV, appaionoevidenti al une regolarita; stati on lo stesso spin ma parita opposta sono degeneri [9. Lastessa osa a ade per gli stati e itati mesoni i di e f0, il he indi a he un ripristinodella simmetria hirale avviene eettivamente. E an he importante notare he, ome per il aso del onnamento, il ruolo della rottura spontanea della simmetria hirale nel generarela massa degli adroni diventa progressivamente meno importante all'aumentare di q2. Perpro essi he oinvolgono momenti trasferiti superiori ad 1 GeV2 (deep inelasti s attering),i quark leggeri si omportano, all'interno degli adroni, ome se fossero eettivamente senzamassa e de onnati.1Il parametro d'ordine di una transizione di fase e l'osservabile ma ros opi o he indi a lo stato diordine o disordine del sistema. In parti olare esso assume un valore nullo o non nullo a se onda he lagrandezza, da ui dipende la transizione, sia maggiore o minore di un dato valore riti o.8

1.2 | Collisioni di ioni pesanti1.2 Collisioni di ioni pesantiLe ollisioni di ioni pesanti ad LHC apriranno nuove prospettive nello studio del QGPin laboratorio. Il sistema formato nel punto di interazione passa attraverso diverse fasievolutive, durante le quali esso raggiunge prima uno stato di equilibrio termi o, per poiespandersi e rareddarsi.Prime fasi della ollisioneNelle primissime fasi della ollisione, prima an ora he si formi uno stato di QGP, avvienela produzione di parti elle ad alto impulso trasverso pT 1 GeV/ . Fino alle energiedell'SPS, questa e l'uni a fase in ui si puo assistere alle reazione di parti elle on impulsitrasversi os elevati, mentre dalle energie di RHIC in poi, si puo assistere ad urti adalto pT an he nelle fasi su essive. Le altre parti elle emesse in queste prime fasi sono i osiddetti fotoni diretti, sia reali he virtuali (in questo se ondo aso essi si materializzanoin oppie leptoneantileptone e+e o +).Termalizzazione ed espansioneLa dierenza prin ipale tra gli urti di ioni rispetto alle ollisioni protoneprotone, e henel primo aso i nu leoni non possono fuorius ire liberamente dalla zona di interazione,ma ollidono ontinuamente tra loro. In questo modo, essi reano una regione densa diparti elle interagenti he, se termalizza on una densita di energia suÆ ientemente elevata,da vita ad uno stato di QGP.L'energia a disposizione si materializza sotto forma di quark e soprattutto gluoni;questo sistema evolve velo emente verso una fase di equilibrio in ui il plasma si omporta ome un gas di StefanBoltzmann, ed i quark ed i gluoni possono essere visti ome i gradidi liberta del sistema, in uenzandone la temperatura e la pressione. Ad LHC, la densita diquesto plasma sara = 25 , in un volume 10 volte maggiore rispetto alle energie dell'SPS;la vita media di questo stato potra arrivare ad un massimo di 10 fm/ . Un sistema inequilibrio termi o eser ita sul vuoto ir ostante una erta pressione, he porta ad unaespansione del sistema on un onseguente rareddamento.Adronizzazione e rareddamentoEspandendosi, il sistema si raredda no a quando, ritornato alla densita riti a, i quarked i gluoni si ondensano in adroni.Quando la distanza media tra gli adroni diventa maggiore del raggio dell'interazioneforte, le interazioni tra gli adroni essano; da questo punto in poi l'abbondanza relativadelle varie spe ie di parti elle prodotte non ambiera piu sensibilmente (freezeout himi- o) an he se, in realta, gli adroni ontinuano ad interagire no a temperature di ir a 120MeV (freezeout ineti o). La sezione d'urto adroni a e fortemente dominata dagli statidi risonanza, ome ad esempio + N ! ! + N ; tali risonanze hanno la tendenza 9

L'esperimento ALICEa de adere esattamente negli stessi adroni he le hanno prodotte, per ui le abbondanzerelative si ssano a T TC , e la loro misura fornis e una stima di questo valore.Molte delle prove piu importanti sulla dinami a del QGP dovranno fuorius ire at-traverso un mezzo denso di adroni, rendendo an ora piu diÆ ile la loro rivelazione. Lamoltepli ita di parti elle ari he prodotte in ollisioni PbPb ad LHC, ome da un'e-strapolazione dai dati dell'SPS e di RICH, dovrebbe essere ompresa in un intervallo di20008000 per unita di rapidita (dN h=dy = 8000 2).In tabella 1.1 sono riportati al uni dei parametri aratteristi i del sistema reato in ollisioni ioneione, riferiti alle energie dell'SPS, del RICH ed di LHC.La sda sperimentale onsiste nel rius ire a determinare se, nel punto di interazione, sisia eettivamente reato uno stato de onnato, o solamente uno stato di materia nu learee ezionalmente denso. Esiste una lunga serie di fenomeni, ipotizzati e studiati durantegli ultimi de enni, addu ibili a prove del QGP. In seguito e riportato un breve elen o dial une di esse. SPS RHIC LHCpsNN (GeV) 17 200 5500QGP0 (fm/ ) 1 0.2 0.1T/TC 1.1 1.9 3.0 4.2(GeV/fm3) 3 5 15 60QGP (fm/ ) 2 2 4 10fo(fm/ ) 10 20 30 30 40Vfo(fm3) qual he 103 qual he 104 qual he 105Tabella 1.1: Confronto tra al uni parametri aratteristi i, in ollisioni ioneione, per glia eleratori SPS, RICH ed LHC. In parti olare QGP0 rappresenta il tempo ditermalizzazione, QGP misura la vita media del QGP, mentre fo e il tempodi freezeout.2la rapidita e denita ome y = 12 lnE + pzE pz = tanh1 pzE In seguito viene utilizzata an he la pseudorapidita denita ome: = 12 lnp+ pzp pzAlle alte energie le due denizioni danno luogo a valori numeri i quasi identi i, ma e piu fa ile damisurare, in quanto o orre solo misurare l'angolo fra la direzione dell'asse z e quella della parti ellaus ente (pz = p os )10

1.2 | Collisioni di ioni pesanti1.2.1 Prove inemati heIl dissolvimento di adroni massivi in quark e gluoni a T = TC porta ad un aumento al-quanto rapido della densita di energia (vedi gura 1.2). Per un gas di quark e gluoniapprossimativamente tutti senza massa, la densita di energia e proporzionale a T 4. La ostante di proporzionalita ri ette il numero dei gradi di liberta, rappresentati da 2(eli- ita) 8( olore)=16 gradi di liberta gluoni i e 2(spin) 3( olore) 2(q + q)=36 peri quarkantiquark. Vi ino a TC , il rapporto =T 4 rolla rapidamente di un fattore 10;questo eetto e dovuto al pro esso di adronizzazione. Per studiare il diagramma di fasedi QCD bisogna ri avare la densita di energia , la pressione P 3 e la densita di entropia sin funzione della temperature T e del potenziale himi o barioni o B . Come prova dellatransizione di fase verso il QGP i si aspetta di trovare un rapido aumento del numero digradi di liberta espressi dai rapporti =T 4 o s=T 3. Gli osservabili sperimentali orrelati allevariabili T , s e sono rispettivamente il momento trasverso medio < pT >, la distribuzionein rapidita degli adroni dN=dy e l'energia trasversa dET =dy.In gura 1.2 sono riportati al uni re enti al oli dei rapporti p=T 4 ed =T 4. Poi he ilquark s ha una massa ms TC , esso ontribuis e alla termodinami a del sistema solo pertemperature superiori a quella riti a; alle temperature attualmente raggiungibili (e perquelle ipotizzabili in un futuro prossimo), non vi e nessun ontributo dovuto ai quark ; be t.Un esempio di ome siano orrelate grandezze termodinami he ed osservabili inema-ti he e fornito dal al olo della temperatura di freezeout. La moltepli ita di ogni tipo diparti ella prodotta , in funzione della sua massa trasversa e della rapidita, puo essere osespressa: d2NdmTdy = f(y) mT exp(mTT ) (1.5)dove mT e la massa trasversa denita ome mT = q(m2 + p2T ). Assumendo la distribu-zione in rapidita piatta nella regione di a ettanza interessata, si puo quindi ri avare latemperatura dalla distribuzione in massa trasversa delle varie spe ie di parti elle prodotte.1.2.2 Prove elettromagneti heFotoni e oppie di leptoni permettono di estrarre informazioni sulle fasi iniziali e piu aldedel plasma, non in uenzate da interazioni on gli stati adroni i nali. Sfortunatamente,queste prove sono diÆ ili da ri onos ere per he devono ompetere on un fondo relativa-mente alto. Ciononostante esse sono di fondamentale importanza per poter ri avare al uni3Per la liberta asintoti a di QCD, la pressione tende al aso di un gas ideale per temperature innite.Si hanno quindi due s ale dierenti [6PT 4 = ( 3290 ; T ! 0(16 + 212 nf )290 ; T !1 11

L'esperimento ALICE

0

1

2

3

4

5

100 200 300 400 500 600

T (MeV)

p / T

4

3 flavours2+1 flavours

2 flavours pure gauge

0

2

4

6

8

10

12

14

16

100 200 300 400 500 600T (MeV)

Tc = (175 ±15) MeV [ ] εc ~ 0.7 GeV/fm3

RHIC

LHC

SPS 3 flavours

2 flavours2+1-flavours

ε / T

4

εSB / T4a) b)

Figura 1.2: Pressione (a) e densita di energia (b), in QCD on 0, 2 e 3 sapori di quarkdegeneri, e on 2 quark leggeri ed uno piu pesante (strange).parametri riti i, ome ad esempio la temperatura, e per studiare le proprieta dinami hedella materia prodotta in ollisioni di ioni pesanti.Coppie di leptoniLo studio delle oppie di leptoni deve ompetere on un fondo dovuto al me anismo diproduzione di Drell-Yan (q + q ! l+ + l) molto elevato, he limita il loro studio in unintervallo di masse ri ostruite intorno ai 5 10 GeV, in base al modello appli ato. Ingura 1.3 e riportato lo spettro di produzione di oppie leptoni he in funzione della massainvariante Me+e , in ui si possono distinguere tre dierenti regioni.Nella regione delle basse masse ri ostruiteMe+e < 1.5 GeV/ 2, lo spettro delle oppieleptoni he e dominato dai de adimenti dei mesoni vettoriali piu leggeri (de adimenti Dalitzdei mesoni neutri 0; ; 0 ! e+e ; ! ! 0e+e, e de adimenti diretti !; ; ! e+e);questa regione e di estremo interesse per lo studio di tali parti elle. Infatti, le loro pro-prieta, ome massa, larghezza e rapporti di de adimento, potrebbero essere modi atein presenza di un mezzo extradenso ome segnale del parziale ripristino della simmetria hirale. Il mesone (1020), solo 30 MeV al di sopra della soglia di produzione di due kaoni,e aspettato essere estremamente sensibile a tutto io; ambiamenti nel valore della massadel mesone K possono ris ontrarsi in variazioni della larghezza della , o in un'alterazionedei suoi rapporti di de adimento ! KK e ! ee+ (o ! +). An he il mesone(770) gio a un ruolo importante, in quanto il suo de adimento e+e e un fattore ir a10 volte maggiore rispetto alla ! (e ir a 5 rispetto alla ). Inoltre, la ha un partner hirale ben denito, il mesone a1(1260); nello studio del ripristino della simmetria hiralequindi e interessante osservare se e ome i due stati degenerino.In gura 1.4 sono riportati al uni risultati he evidenziano questo fenomeno. A sinistrae riportato lo spettro di massa invariante per oppie leptoni he nel aso di urti p Be, on energia del protone in idente di 450 GeV; in questo aso i punti sperimentali sono inottimo a ordo on le sorgenti adroni he aspettate. A destra e riportato lo stesso spettro12

1.2 | Collisioni di ioni pesanti

Figura 1.3: Sorgenti prin ipali di oppie leptoni he in funzione della massa invariante, in ollisioni di ioni pesanti ultrarelativisti i.per ollisioni S Au, ome misurato dall'esperimento CERES/NA45 all'SPS del CERN;in questo aso inve e si puo notare un aumento di oppie leptoni he rivelate nell'intervallo0.2 0.6 GeV, he puo essere interpretato ome un allargamento ed uno spostamento versomasse minori del pi o del mesone .Il gra o di gura 1.5 illustra la distribuzione in massa invariante per +, nel asodi interazioni Au Au periferi he, misurato dall'esperimento STAR a RICH. Questa e laprima misura diretta del de adimento ! + in ollisioni di ioni pesanti. Il pi o delmesone appare entrato sui 700 MeV. In questo aso pero, il parziale rispristino dellasimmetria hirale non e l'uni o me anismo he potrebbe spiegare tale risultato [10.Nella regione delle masse intermedie 1.5 2.5 GeV/ 2, il segnale termi o del QGP puoessere ri ollegato al de adimento di mesoniD. Il loro studio e importante ome riferimentoper il fenomeno della soppressione degli stati legati di quark pesanti; in questa otti a, essopuo fornire una misura del numero totale di harm prodotti.A masse piu elevate > 2.5 GeV/ 2, il numero di oppie di leptoni dipende fortementedal tempo di termalizzazione del QGP, di ui puo fornire uno strumento di misura. A que-sto intervallo, ome illustrato in gura 1.3, appartengono gli stati legati , he possonoessere studiati ome prova della formazione del QGP. 13

L'esperimento ALICE

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25

πo → e

eγ

ω →

ee

φ →

ee

ρ → ee

η → eeγ

η , → eeγ

ω → eeπ o

[GeV/c2]

[50

MeV

/c2 ]-1

(dN

ee/d

mee

) acc

/ (N

ch) ac

c.

invariant pair mass

p-Be 450 A GeV

p⊥ > 50 MeV/cαpair > 35 mrad2.1 < η < 2.65⟨Nch⟩acc.= 2.1

invariant pair mass [ GeV/c2]

(dN

ee /d

mee

) acc.

/ (N

ch ) ac

c.

[100

MeV

/c2 ]-1

CERES/NA45 S-Au 200 GeV/u

2.1 < η < 2.65p⊥ > 200 MeV/cαee > 35 mrad⟨dNch ⟩acc. = 69

charm

π →

eeγ

ρ/ω

→ e

e

φ →

ee

η → eeγ

η , → eeγ

ω → eeπo

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

0 0.5 1 1.5Figura 1.4: Numero di oppie ee misurate dall'esperimento CERES/NA45 all'SPS delCERN per ollisioni PbAu a psNN = 158 GeV.

) 2Invariant Mass (GeV/c0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

) 2

cou

nts

/(10

MeV

/c

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000 Sum0SK

ω*0K0ρ

0f

Star Preliminary

Peripheral Au+Au

< 0.8 GeV/cT p≤0.6

Figura 1.5: Distribuzione in massa invariante + per ollisioni AuAu periferi he alRICH. Il pi o del mesone (770) appare entrato sul valore di 700 MeV.14

1.2 | Collisioni di ioni pesantiSingolo elettroneLe misure di singolo elettrone sono uno strumento importante per poter studiare i de- adimenti semileptoni i dei mesoni on quark pesanti (D soprattutto e B). In ollisionipp all'Interse ting Storage Rings (ISR) del CERN (ps = 3060 GeV) fu osservata perla prima volta una produzione di singolo elettrone ( on e= 104) per pT > 1 GeV/ ,interpretata ome evidenza della produzione di open harm [12. In ollisioni AuAu alRICH il segnale dovrebbe essere maggiore poi he la produzione di harm aumenta onpsNN ; se, ome previsto in al uni modelli, l'eetto di perdita radiativa di energia, inun mezzo ultradenso di ari he di olore subnu leare, dovesse avere un impatto minoreall'aumentare della massa della parti ella, questo rapporto potrebbere aumentare ulterior-mente.L'esperimento PHENIX ha osservato un e esso signi ativo di elettroni, rispetto alfondo aspettato (soprattutto de adimenti Dalitz di 0; ; 0; ! e , de adimenti dielettro-ni i di ; ! e e onversione fotoni a), in ollisioni entrali e per pT > 0.6 GeV/ [13. Ingura 1.6 in alto, e riportato lo spettro misurato di elettroni, dopo aver sottratto il fondo,insieme alle urve teori he per la produzione di harm, al olate on il generatore di even-ti PYTHIA. Nel gra o ompaiono an he i ontributi teori i aspettati per de adimentiopen bottom (importanti solo per pT superiori a quelli misurati) e per onversioni di fotoni( he, omunque, possono spiegare al massimo il 10%20% del segnale). La sorgente ditale segnale puo quindi essere attribuita quasi ompletamente a de adimenti open harm;questo omporta he la rivelazione di eventi di singolo elettrone in questo intervallo diimpulsi trasversi, puo essere utilizzata per studiare la si a del quark harm (importanteper investigare gli eetti di perdita di energia in funzione della s ala di masse interessatae per lo studio della J= ). In gura 1.6 in basso, la sezione d'urto di singolo elettronee quella totale derivata per il harm, misurate da PHENIX e normalizzate per ollisionibinarie, sono onfrontate on le misure ottenute all'ISR, all'SPS ed al Fermilab. Le urve ontinue sono le sezioni d'urto al olate on PYTHIA in base ai parametri emersi negliesperimenti a bersaglio sso; l'a ordo tra misure e valori teori i aspettati e visibile.Fotoni direttiLa rivelazione di fotoni diretti e simile al aso delle oppie ll, ma on uno spettro piuampio. L'emissione di fotoni diretti avviene durante tutte le diverse fasi evolutive delsistema; due me anismi sono di parti olare interesse:1. nelle prime fasi della ollisione, prima an ora he si formi il QGP, fotoni on momentitrasversi elevati vengono prodotti in pro essi di urti tra quark e gluoni all'internodei nu leoni. Il numero di fotoni prodotti diminuis e on la potenza inversa di pT ; i si aspetta omunque di poter rivelare fotoni on impulsi trasversi no a qual he entinaio di GeV. La sorgente maggiore di fondo e rappresentata dal de adimento0 ! ;2. dopo la formazione del QGP, fotoni on momenti trasversi pT 2 5 GeV vengono 15

L'esperimento ALICE

(GeV/c)TP0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

-2d

y (G

eV/c

)T

/dp

2 d

NT

1/p

π1/

2ev

t1/

N

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

1

10

102

=130 GeV)NNs)/2 + X (-+e+

(e→Au+Au min. bias (x100)central

e (central,min.bias)→c e (central)→b

e (central)→" γ"direct

(GeV)s30 40 50 60 70 80 90100 200

)b

inar

yb

/Nµ

( c cσ

10-1

1

10

102

103

)b

inar

y/d

y (n

b/N

eσd

1

10

102

103

104

ccσ

<1.4 GeV/cT1.0<p

>1.4 GeV/cTp

ccσ

PHENIXSPS/FNAL

/dyeσdPHENIXCCRSBasile

e→c

Figura 1.6: In alto: spettro in pT di singolo elettrone, fondo sottratto, per ollisioniAuAu minimum bias (0%92%, s alate in alto di un fattore 100) e entrali(0%10%), onfrontato on i ontributi aspettati da de adimenti open harme open bottom. In basso: sezione d'urto di singolo elettrone de=dyjy=0 per ollisioni nu leonenu leone, onfrontate on misure in urti pp all'ISR e oni valori al olati on PYTHIA, insieme alla sezione d'urto totale derivata , onfrontata on i risultati dell'SPS e del Fermilab.16

1.2 | Collisioni di ioni pesanti

(GeV)Tp0 1 2 3 4 5 6

sim

)0 π / γ

/ (

mea

sure

d)0 π

/ γ(

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

(GeV)Tp0 1 2 3 4 5 6

sim

)0 π / γ

/ (

mea

sure

d)0 π

/ γ(

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

PbGl, peripheral

Error band indicates systematic errorσ1

(GeV)Tp0 1 2 3 4 5 6

sim

)0 π / γ

/ (

mea

sure

d)0 π

/ γ(

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

(GeV)Tp0 1 2 3 4 5 6

sim

)0 π / γ

/ (

mea

sure

d)0 π

/ γ(

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

PbGl, central

Error band indicates systematic errorσ1Figura 1.7: Rapporto =0 misurato su =0 aspettato in ollisioni AuAu on psNN =200 GeV (PHENIX, risultati preliminari).irradiati dal QGP, soprattutto in pro essi di urti gq ! q, a seguito di una fase ditermalizzazione.I fotoni diretti possono essere utilizzati ome sonde della formazione del QGP in due modi:a) per energie di qual he GeV, un e esso di fotoni rivelati rispetto a quelli aspettati onsiderando ome uni o me anismo di produzione quello des ritto al punto 1), puoessere onsiderato ome la prova di uno stato in equilibrio termi o on una enorme on entrazione di quark e gluoni (gura 1.7 [11);b) per fotoni di alte energie, sopra i 20 GeV, l'uni o me anismo di produzione e quellodi tipo 1). Solitamente essi sono prodotti in asso iazione on un jet di rin ulo, il ui sviluppo fortemente in uenzato dalle interazioni on la materia ir ostante. Inparti olare, ome illustrato in seguito, i jet tendono a perdere ompletamente la loroenergia, e ad essere quindi assorbiti, propagandosi all'interno di un volume ad altadensita gluoni a (fenomeno denominato jet quen hing). L'analisi della orrelazionetra fotoni energeti i e jet adroni i, ondotto nei asi di ollisioni nu leonu leo erapportato ai risultati ottenuti in urti protoneprotone, puo essere utilizzata perstudiare nel dettaglio tale tipo di eetto.1.2.3 Soppressione degli stati legati di quark pesantiA ausa della loro grande massa, i quark pesanti ( harm e bottom) vengono prodotti nellefasi iniziali piu alde della ollisione, soprattutto attraverso un pro esso di fusione gluoni agg ! qq. La s ala temporale e dell'ordine di 1=2 mq, he nel aso del harm e di ir a 0.1 fm/ . Questo tipo di sonde attraversano tutte le fasi dell'evoluzione del sistemaprodotto; quindi, se da una parte sono di estremo interesse, dall'altra sono deli ate poi herisentono di fenomeni legati sia alle fasi iniziali he a quelle nali. Di parti olare interesse 17

L'esperimento ALICEe lo studio degli stati legati (e bb); sebbene essi si possano formare an he durante la fasedi adronizzazione, e predominante il numero di quelli reati nelle fasi iniziali 4. Lo s enariosi presenta diverso a se onda he esso avvenga in un gas di adroni e ezionalmente densoo in uno stato di QGP. Nel se ondo aso infatti, la formazione di mesoni J= e 0 vienefortemente depressa da due me anismi. Gia per temperature T 0:9 TC , la dierenzatra l'energia ne essaria per separare una oppia da una distanza simile al raggio di unmesone J= ad una distanza innita e di soli 500 MeV, ompatibile on l'energia termi amedia dei gluoni nel QGP( 3TC). Inoltre, la presenza di un elevato numero di quanti di olore forte subnu leare modi a la forma della forza agente tra ed al punto he, pertemperature superiori a quella riti a , si ha:V (r) = =r + r! V (r) = =r eDr (1.6)dove D e la massa di Debye in analogia on quanto avviene per il plasma QED, denita ome [6 mD =r1 + nf6 g(T ) T (1.7)La produzione diretta di mesoni J= e inibita poi he, nel tempo ne essario alla sua for-mazione, la massa di Debye risulta superiore al valore di 0.7 GeV. Il numero di stati J= inizialmente prodotti si ridu e su essivamente per urti inelasti i nel mezzo denso; questopro esso viene indi ato ome soppressione normale della J= , mentre la riduzione indottadal QGP viene denominata soppressione anomala della J= . Prove di una soppressioneanomala sono gia state ra olte da al uni esperimenti all'SPS (NA38 ed NA50 [15, gura1.8).Per potere valutare un'eetto di soppressione di stati legati e ne essario avere unastima su quanti quark harm sono stati prodotti al momento della formazione del QGP; laquantita da studiare in tale eetto e quindi il numero di < J= > rivelati, normalizzato alnumero di harm prodotti inizialmente (R =< J= > =N ). Questa stima viene ri avatasoprattutto misurando la quantita di adroni harmati prodotti, in parti olare mesoni D(open harm). Gli stati D0 e D+ (e le loro antiparti elle) possono de adere solo tramitepro essi deboli, ed hanno quindi una lunghezza di de adimento di qual he entinaio dimi rons; la distanza tra il punto di interazione ed il verti e se ondario puo quindi esse-re misurata. In parti olare, i pro essi di de adimento D0 ! K+ e D+ ! K++, oinvolgenti solo adroni ari hi, onsentono l'identi azione diretta dello stato harmato al olando la massa invariante.All'LHC, lo studio del harmonio potra essere esteso an he alle famiglie del (bb); inquesto aso pero l'uni a ausa di soppressione anomala e dovuta a disso iazioni gluoni he.Nel tempo di formazione di un ( 0.01 fm/ ) infatti la massa di Debye s ende sotto4Questo e si uramente vero no alle energie dell'SPS. Altri modelli [14 prevedono la ri ombinazione diun grande numero di quark e durante la fase di adronizzazione; in questo aso, si assisterebbe ad unaumento degli stati legati . Al momento, gli esperimenti al RHIC non hanno an ora suÆ iente statisti aper fornire risultati su questo fenomeno.18

1.2 | Collisioni di ioni pesanti

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

ε (GeV/fm3)

Mea

sure

d / E

xpec

ted

J/ψ

sup

pres

sion

p - p(d) NA51p - A NA38S - U NA38Pb - Pb 1996Pb - Pb 1996 with Minimum BiasPb - Pb 1998 with Minimum Bias

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 20 40 60 80 100 120 140

ET (GeV)

Bσ(

J/ψ

) / σ

(DY

) 2.9-

4.5

Pb - Pb 1996

Pb - Pb 1996 with Minimum Bias

Pb - Pb 1998 with Minimum Bias

Figura 1.8: Soppressione anomala degli stati J= misurata agli esperimenti NA38 edNA50 all'SPS del CERN. In alto: numero di J= rivelati, normalizzato aquello aspettato onsiderando an he la riduzione per urti inelasti i nel mezzo,in funzione della densita di energia. In basso: numero di J= rivelati, nor-malizzato al numero di oppie di leptoni prodotte per Drell-Yan, in funzionedell'energia trasversa ET . 19

L'esperimento ALICEil valore di 1.6 GeV ne essario ad inibire tale legame [16. La temperatura ne essaria adinnes are il pro esso di disso iazione e 2.5 TC .1.2.4 Aumento della stranezzaNei normali pro essi di urti tra adroni, la reazione di stati ontenenti quark strange vienenormalmente soppressa dalla minore massa dei quark u e d; questa soppressione aumenta on l'aumentare del ontenuto in stranezza. In una fase di QGP inve e la produzionedi quark s e estremamente abbondante poi he, in seguito al parziale ripristino della sim-metria hirale, la loro massa torna ad essere quella \nuda" ms 150MeV, e per eettodell'elevato numero di gluoni suÆ ientemente energeti i presenti nel plasma (fenomeni difusione gluoni a ggg ! ss).L'aumento della stranezza e stato uno dei primi pro essi ipotizzati ome prova della reazione del QGP [17; la stranezza e un buon numero quanti o in quanto e onservatonelle interazioni forti; inoltre i quark strange de adono solo tramite l'interazione debole,tipi amente in 1010 s, un tempo non importante per la s ala dei tempi della fase di adro-nizzazione.La maggior parte dei quark s prodotti viene trasportata all'interno dei mesoni K, per ui un indi e importante sull'aumento di produzione di parti elle strane dovrebbe esseredato dal rapporto di produzione tra e K, onfrontato al aso di ollisioni p p (ingura 1.9 sono riportati al uni risultati di tali misure eettuati a RICH, in ui si ossevaun notevole aumento del rapporto K= in urti ioneione). Un ruolo importante e rivestitoan he dalla rivelazione del mesone (ss), per il fatto he esso viene prodotto prin ipal-mente all'interno del QGP, soprattutto tramite fusioni gluoni he; mentre il rapporto K=quindi puo risentire della fase di adronizzazione, il rapporto = e una sonda diretta dellaproduzione di stranezza all'interno del plasma. Un altro osservabile orrelato e dato dalrapporto =( + !).In gura 1.10 e visibile un hiaro aumento della produzione di barioni ();(),ed () misurato dall'esperimento WA97 all'SPS del CERN (in gura e riportata laquantita di parti elle strane prodotte normalizzato al valore trovato per ollisioni pBee pPb). In gura 1.11 inve e e rappresentato l'aumento del rapporto di produzione= all'aumentare dell'energia nel entro di massa. I vari esperimenti al RICH hannoultimamente fornito ulteriori onferme dell'aumento di produzione di parti elle strane in ollisioni ioneione [18 [19.1.2.5 Perdita di energia dei partoni e jet quen hingSoppressione di adroni ad alto impulso trasversoNelle primissime fasi della ollisione, prima an ora he si formi il QGP, si puo assisterealla reazione di parti elle ad alto impulso trasverso pT 1 GeV/ . Alle energie dell'SPS,questo e l'uni o me anismo di produzione di jet, poi he in media l'impulso trasverso delleparti elle reate e sotto i 2 GeV/ ; parti elle ad alto pT reate in ollisioni se ondarie20

1.2 | Collisioni di ioni pesanti

Figura 1.9: Misura del rapporto di produzione K= per urti ioneione al RHIC, onfrontati on i risultati ottenuti in urti protoneprotone.

1

10

1 10 102

103

pT > 0, |y-ycm| < 0.5

< Nwound >

Par

ticl

e / e

vent

/ w

. nuc

l. re

lati

ve t

o pB

e

Λ

Ξ-

pBe pPb PbPb

1

10

1 10 102

103

pT > 0, |y-ycm| < 0.5

< Nwound >

Par

ticl

e / e

vent

/ w

. nuc

l. re

lati

ve t

o pB

e

Λ

Ξ +

Ω-+Ω +

pBe pPb PbPb

Figura 1.10: Aumento della produzione di quark s misurato in ollisioni di ioni PbPb adWA97. Nwound rappresenta il numero di nu leoni olpiti ed e proporzionalealla moltepli ita di parti elle prodotte. 21

L'esperimento ALICE

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

10 102

s1/2 [GeV]

<φ>

/ <π± >

E917

NA49

NA49 preliminary

STAR

Figura 1.11: Rapporto = per ollisioni di ioni pesanti in funzione di psNN , dalleenergie dell'AGS a quelle di RICH.iniziano ad essere rilevanti dalle energie di RICH in poi. Queste parti elle, una volta reate, si propagano attraverso il QGP, perdendo gradualmente la loro energia; il modoin ui questo avviene dipende dalla natura del mezzo attraversato. In QCD, il pro essodominante tramite il quale partoni velo i on E 1 GeV perdono la loro energia e la osiddetta bremsstrahlung di gluoni indotta. La ari a di olore del partone interagis e on la ari a di olore del mezzo, emettendo un gluone di bremsstrahlung. Per la naturanon abeliana di QCD, il gluone emesso possiede an h'esso ari a di olore ed interagis eesso stesso on il mezzo; l'energia persa ha una dipendenza non lineare, ma quadrati a, on lo spessore L del mezzo.In a ordo on la liberta asintoti a di QCD, la produzione di partoni ad alto pTpuo essere al olata perturbativamente ed e proporzionale al numero di ollisioni en-trali nu leonenu leone. Nel aso di RICH, il numero medio di nu leoni parte ipanti nelle ollisioni entrali e hNparti = 344 (ovvero 172 volte maggiore he in urti pp), mentre ilnumero di ollisioni e hN olli = 1074 (1074 volte maggiore he in pp). Il rapporto trale moltepli ita dei pro essi a basso impulso trasverso (detti soft), he dipendono dal nu-mero di nu leoni parte ipanti, e quelli a grande impulso (detti hard), he dipendono dalnumero di ollisioni binarie, vale in questo aso 1074/172 = 6.2. Si denis e \fattore di22

1.2 | Collisioni di ioni pesantimodi azione nu leare" il rapportoRAA(pT ) = 1NAA oll d2NAA=dydpTd2Npp=dydpT : (1.8)Nel aso di RICH (197Au), RAA deve valere ir a 1 per parti elle ad alto impulso trasverso,e RAA 0:16 per parti elle a basso pT ; quindi i si aspetta he, in funzione di pT , RAAsia una funzione res ente, on un valore iniziale di ir a 1/6 ed uno asintoti o di 1 (inrealta, dati ra olti negli ultimi 25 al Fermilab dimostrano he per impulsi p & 2 GeV/ questa funzione raggiunge valori an he superiori ad 1).In ontrasto on i risultati ottenuti in urti pp, ollisioni AuAu ad energie di psNNdi 130 e 200 GeV indi ano una soppressione della produzione di adroni ad alto pT di unfattore almeno 5 (gura 1.12 [20). Il fatto he ollisioni dAu non presentino un talefenomeno, suggeris e he si debba trattare di un eetto legato agli stati nali extradensi reati in ollisioni di ioni pesanti. Si e trovato inoltre he la produzione di parti elle adalto pT e proporzionale a hNparti piuttosto he a hN olli. Questa osservazione suggeris eun'interpretazione geometri a del fenomeno: a ausa della densita approssimativamente ostante all'interno dei nu lei atomi i, il numero dei nu leoni parte ipanti e proporzionaleal volume della materia nu leare interessata dalla ollisione, Npart / VQGP . Il numerodelle ollisioni entrali s ala molto a uratamente on N oll / N4=3part, osi he il rapportoNpart=N oll = N1=3part / V 1=3QGP / 1=RQGP si puo interpretare ome un rapporto super iesu volume. Il numero di partoni ad alto pT prodotti in AuAu a RICH e in a ordo on lasempli e ipotesi he essi vengano emessi dalla super ie, mentre quelli prodotti all'internovengono in qual he modo assorbiti.I gra i riportati in pre edenza in gura 1.6 possono essere interpretati ome una veri- a di un eetto aspettato: l'entita della perdita radiativa di energia nel QGP diminuis eall'aumentare della massa dei partoni. Nel aso di adroni leggeri, il fattore di modi a-zione nu leare RAA si attesta ad un valore di ir a 0.2 per pT = 5 GeV/ (gura 1.12),e rimane presso he ostante per impulsi trasversi maggiori. In gura 1.13 e riportato ilfattore RAA previsto ad LHC per il mesone D in funzione di pT , ome simulato on metodiMonte Carlo [21. La perdita di energia e stata parametrizzata tramite il oeÆ iente ditrasporto nel mezzo q [22; la urva indi ata on q = 0 in lude solo pro essi di shadowingnu leare [23, he si manifestano ome una soppressione della produzione di harm a bassipT , mentre le due bande in ludono an he la perdita di energia radiativa, al olata nel aso di massa del nulla e pari a 1.2 GeV (linee rosse e blu rispettivamente). Da talisimulazioni emerge he il fattore di soppressione per i mesoni D vale approssimativamente0.2 per pT & 4 GeV; la massa del quark harm sembra non ridurre signi ativamente talesoppressione, in ontrasto on quanto aspettato.Jet quen hingUna veri a del modello sopra enun iato e rappresentata dallo studio dei jet. Un metodoper rivelare un jet onsisite nell'eettuare il trigger su di una parti ella velo e (4 pT 6 23

L'esperimento ALICE

(GeV/c)Tp0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

AA

R

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8 charged hadronsneutral pions

Au+Au

d+Au

Figura 1.12: Fattore di modi azione nu leare RAA, misurato dall'esperimento PHENIX,per pioni neutri ed adroni ari hi, in urti dAu ed AuAu entrali a psNN= 200 GeV.

[GeV]tp0 2 4 6 8 10 12 14

AA

mes

on R

0D

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

= 0q

= 0cm

/fm2> = 100 GeVq<

= 5.5 TeV, 0-10%NNsPb-Pb,

= 1.2 GeVcm

Figura 1.13: Fattore di modi azione nu leare RAA per mesoni D aspettato per olli-sioni PbPb ad LHC. La urva indi ata on q = 0 in lude solo pro essi dishadowing nu leare, mentre le due bande tengono onto an he della perditaradiativa nel mezzo (< q > 100GeV2/fm e il oeÆ iente di trasporto nelmezzo previsto ad LHC).24

1.2 | Collisioni di ioni pesantiGeV/ ), dopodi he si er ano orrelazioni on altri partoni on pT 2 GeV/ he, perla dinami a dei jet, si devono trovare in un ono angolare relativamente stretto. In QCDperturbativa, partoni di alta energia vengono prodotti in oppie on un angolo di 180o nelsistema del entro di massa. Questo porta ad una orrelazione on un pi o a = (visibile in gura 1.14 in alto per urti pp a 200 GeV; il se ondo pi o a 180o e piulargo solo per eetti di trigger). Questa orrelazione sopravvive per urti AuAu periferi ie dAu entrali, mentre s ompare se si onsiderano urti AuAu entrali (gura 1.14 inbasso). Questo importante risultato, emerso dagli esperimenti a RICH, puo essere spiegatoassumendo he tutti gli adroni ad alto pT su ui si eettua il trigger siano stati prodottivi ino alla super ie della zona alda in espansione. In questo modo si ries e a vedere solola omponente del jet he punta verso l'esterno, mentre l'altra viene assorbita perdendogradualmente la sua energia all'interno del volume del QGP. I jet he vengono originatipiu all'interno sono inve e ompletamente assorbiti.

0

0.1

0.2 d+Au FTPC-Au 0-20%

d+Au min. bias

0

0.1

0.2 p+p min. bias

Au+Au central

1/N

trig

ge

r dN

/d(∆

φ)

∆φ (radians)0 π/2 π

(a)

(b)

h++h-

Figura 1.14: Correlazione angolare per jet ri ostruiti, nel aso di ollisioni p p, dAu entrali e minimum bias (in alto), e nel aso di ollisioni pp, dAu entralie AuAu entrali (in basso). Nel aso di ollisioni di ioni pesanti s omparela orrelazione a 180o.25

L'esperimento ALICE1.3 Il rivelatore di ALICEALICE e l'uni o esperimento ad LHC appositamente studiato per la si a della materianu leare e del QGP; per tale motivo esso dovra oprire il maggior numero di osservabilipossibili. A dierenza degli esperimenti ondotti all'SPS, progettati in modo da essere omplementari e da studiare ognuno un determinato aspetto, ALICE e stato on epitoper poter ra ogliere ed analizzare tutti i diversi fenomeni ri ondu ibili alla formazionedi uno stato di QGP, insieme alle informazioni globali he possono des rivere l'evoluzionedinami a del sistema reato nel punto di ollisione e la sua `termodinami a'. Il disegnodell'esperimento (di ui si puo vedere una rappresentzione artisti a in gura 1.15) e statoguidato da due onsiderazioni prin ipali. La prima e la ne essita di lavorare nelle on-dizioni di alta moltepli ita aspettata in ollisioni PbPb (in gura 1.16 e riportata lasimulazione di un event display per un evento entrale, he illustra la grande densita ditra e aspettata): ALICE e stato progettato per operare a moltepli ita no ad 8000 par-ti elle ari he per unita di rapidita, un numero he rappresenta un ragionevole marginedi si urezza rispetto ai valori attualmente aspettati. La se onda e he, per la perdita diioni dovuta a pro essi elettromagneti i, la massima luminosita on fas i di piombo saralimitata a 1027 m2s1. Data tale luminosita ed una sezione d'urto inelasti a di 8 b, siavranno ir a 8000 ollisioni minimum bias al se ondo. Una os bassa frequenza di inte-razione, unita all'elevata moltepli ita, ha suggerito la s elta di rivelatori lenti, ma on altagranularita, ome la amera a proiezione temporale (TPC) e rivelatori a deriva al sili io(SDD).In gura 1.15 e riportata un disegno artisti o di ALICE. Nei rivelatori entrali, adroni,fotoni ed elettroni verrano misurati nella regione di rapidita 0:9 0:9. In tale zonasi trova un omplesso sistema ostituito da rivelatori lenti ma on elevata granularita, eda rivelatori rivolti all'identi azione delle parti elle, il tutto immerso in un debole am-po magneti o solenoidale (B 0:5 T). La rivelazione di muoni verra eettuata da unospettrometro ad essa dedi ato, posto in avanti lungo la direzione del fas io (2:5 4),basato su un grande magnete di dipolo equipaggiato on amere di tra iamento e di trig-ger. L'insieme dei rivelatori e ompletato da un gruppo di pi oli rivelatori, posizionatinella regione delle alte rapidita, dedi ati alla misura di parametri legati alla geometriadell'evento.1.3.1 Rivelatori entraliLo s opo prin ipale dei rivelatori entrali e di eettuare il tra iamento e l'identi azionedelle parti elle prodotte nella ollisione. I rivelatori tra ianti prin ipali sono la TPC edil osiddetto sistema di tra iamento interno (ITS), omposto da rivelatori al sili io, oa-diuvati da informazioni provenienti dalle amere dei rivelatori a radiazione di transizione(TRD).La Time Proje tion Chamber (TPC) di ALICE, on i suoi 88 m3 di volume, e la piugrande del suo genere mai ostruita. Oltre al tra iamento ed alla misura dell'impulso,26

1.3 | Il rivelatore di ALICE

Figura 1.15: Disegno artisti o del rivelatore dell'esperimento ALICE. La parte entrale equella ra hiusa all'interno del magnete di L3 (struttura ottagonale rossa);partendo dall'interno verso l'esterno si trovano il sistema di ITS, la TPC, ilTRD e il sistema di TOF. Disposti diametralmente opposti lungo la verti alesi vedono il sistema di HMPID (in alto) e il rivelatore PHOS (in basso).La parte a destra al di fuori del magnete solenoidale rappresenta il grandemagnete di dipolo e l'insieme di apparati he ostituis ono lo spettrometroper muoni.27

L'esperimento ALICE

Figura 1.16: Event Display simulato per un evento entrale in urti PbPb ad LHC,assumendo dN h=dy = 8000.

Figura 1.17: Separazione (in deviazioni standard) per ;K e p, in funzione dell'impulso,ottenuta on la TPC, attraverso la misura della ionizzazione spe i a dE=dx.28

1.3 | Il rivelatore di ALICEessa e stata progettata per identi are parti elle tramite la loro perdita di energia dE=dx(gura 1.17). La forma del rivelatore e ilindri a, on un raggio interno di 90 m, adattoper una densita massima di tra e di 0.1 m2, ed uno esterno di 250 m. Questo ultimovalore e determinato dalla lunghezza ne essaria per ottenere una risoluzione nella misuradi dE=dx migliore del 10%. Per ottimizzare il suo funzionamento, la TPC opera on unamis ela al 90% Ne e 10% CO2; il numero di anali e 570000.Lo s opo dell'Inner Tra king System (ITS) e quello di ri ostruire verti i se ondari dide adimento per barioni e mesoni on quark pesanti, tra iare ed identi are parti elle abasso pT , e migliorare la risoluzione in impulso della TPC per parti elle ad alto impulso.Il sistema onsiste in sei strati ilindri i on entri i, posizionati intorno all'asse del fas io on raggi he vanno da 4 m a 44 m. A ausa della densita di parti elle, e per ottenereuna risoluzione sulla misura del parametro d'impatto migliore di 10 m, sono stati s eltirivelatori a pixel per i due strati piu interni, e rivelatori a deriva al sili io per i due stratiseguenti, mentre i due piu esterni onsistono di rivelatori a mi rostrip. Es lusi i primidue strati piu interni, gli altri quattro sono dotati di una lettura analogi a in modo dapoter eettuare l'identi azione della parti elle tramite dE=dx, osa he rende l'ITS unospettrometro indipendente per parti elle a basso pT .L'identi azione di parti elle a piu alti impulsi viene eettuata attraverso rivelatoriappositamente dedi ati, e in parti olare grazie a rivelatori di tempo di volo Time of Flight(TOF), al Transition Radiation Dete tor (TRD) e rivelatori RICH (Ring Imaging Che-renkov) per alti momenti (High Momentum Parti le Identi ation, HMPID).Il sistema di TOF e basato sulle amere a piani resistivi multigap (MRPC, des rittein dettaglio nel apitolo seguente), e opre una super ie ilindri a di ir a 160 m2 postaad una distanza di 3.7 m dall'asse del fas io. Esso permettera la separazione di ;K e pin un intervallo in impulso di 0.22.5 GeV/ (per K=p no a 4 GeV/ ), orrispondente adoltre il 97% delle parti elle ari he prodotte in interazioni PbPb ad LHC.L'identi azione di parti elle a piu alto impulso (no a 5 GeV per K=p) viene eet-tuata, per una area ristretta, dall'HMPID, un rivelatore RICH posizionato a ir a 4.5 mdalla beam pipe. L'HMPID onsiste di sette moduli, ognuno di 1:5 1:5m2, per un totaledi oltre 160000 anali di lettura.Il TRD e il rivelatore prin ipale per l'identi azione degli elettroni. Esso onsistein sei strati di materiale radiatore seguiti da Time Expansion Chambers, riempite onXenon/CO2. Tale rivelatore permette l'identi azione di elettroni per impulsi pT 1GeV/ , e ollabora on la TPC e l'ITS per una piu pre isa misura dell'impulso. In questomodo e possibile raggiungere la risoluzione nella misura della massa invariante ne essariaper l'identi azione dei mesoni vettoriali pesanti nel anale di de adimento e+e. Inoltre,grazie ad una rapida lettura dei segnali, il TRD puo essere usato per il trigger di elettronied adroni di alto impulso trasverso, essenziale per la selezione delle parti elle leading deijet. Il rivelatore riveste l'intera super ie esterna della TPC, on un raggio interno di ir a3 m, un'area di 800 m2 e ir a un milione di anali di elettroni a.Fotoni diretti, 0 ed vengono misurati nella spettrometro per fotoni (Photon Spe tro-meterPHOS), un alorimetro elettromagneti o ad alta risoluzione. Il PHOS e posizionato 29

L'esperimento ALICEad una distanza di 5 m dal punto di interazione, verti almente rispetto ad esso, ed e o-stituito da PbWO4, un ristallo on un pi olo raggio di Moliere (per ridurre l'o upan yed avere quindi un errore sistemati o minore) e on un grande guadagno di lu e in us ita.1.3.2 Lo spettrometro per muoniLo spettrometro per muoni misurera il anale di de adimento + dei mesoni di quarkpesanti. La s elta della geometria in avanti non permette la rivelazione di stati J= dibasso pT ; infatti, l'identi azione di muoni e possibile solo per momenti sopra i 4 GeV/ a ausa della grande quantita di materiale utilizzato per ridurre l'elevato usso di adroni he si ha in un pi olo ono attorno all'asse del fas io. Lo spettrometro e progettato perrivelare muoni in un intervallo angolare tra 2 e 9 gradi, orrispondente ad un intervallo dipseudorapidita di 2:5 4:0; esso onsiste in un assorbitore ( 10INT ), per assorbireadroni e fotoni provenienti dal verti e di interazione, seguito da un grande magnete didipolo ( on un ampo nominale di 0.7 T ed integrato di 3 T m), un sistema tra ianteformato da 10 piani on elevata granularita, ed un sistema di trigger formato da 4 piani,posizionato oltre un ltro passivo per muoni ( 10INT ). Il sistema tra iante e basatosu sottili amere a pad atodi he, disposte in inque gruppi di due amere: due si trova-no davanti al magnete, uno all'interno e i due rimanenti dietro. Il readout e altamentesegmentato, in modo da avere un'o upan y pari a 5%, he signi a ir a un milione di anali di lettura. Grazie ad una alta risoluzione spaziale, migliore di 100 m, e possibileottenere una risoluzione nella ri ostruzione della massa invariante pari a 70 MeV/ 2 perla J= (e di 100 MeV/ 2 per la ), in modo da poter identi are tutti i mesoni vettoriali ostituiti da quark pesanti. Lo s opo del sistema di trigger inve e e di selezionare eventi on una oppia di + ad alto pT ; i rivelatori usati sono RPC operanti in regime distreamer, he possono garantire una risoluzione temporale di 1 ns.1.3.3 Rivelatori a grandi rapiditaA pi oli angoli, ioe a grandi rapidita, in entrambe le direzioni del fas io, ALICE e om-pletato da una serie di pi oli rivelatori (ZDC, PMD, FMD, T0 e V0) posizionati, il uis opo e misurare al uni parametri generali dell'urto e fornire segnali di trigger he abilitinoil primo livello di selezione degli eventi.Il parametro d'impatto viene misurato da una serie di alorimetri a zero gradi (ZDC),posti a ir a 116 m dal punto di interazione. Ad una tale distanza, i protoni spettatorivengono spazialmente separati dai neutroni dagli elementi magneti i di LHC e vengono os rivelati in due dierenti alorimetri a bre di quarzo; la as ata generata dalla parti- ella in idente nell'attraversare un assorbitore denso (materiale passivo) produ e poi lu eCherenkov all'interno delle bre di quarzo (materiale attivo).Il rivelatore di moltepli ita per fotoni (PMD) misura inve e il rapporto tra fotoni eparti elle ari he prodotte, e viene inoltre utilizzato per determinare il piano di reazione.Esso onsiste di pi oli rivelatori gassosi, po hi m2 di area, he oprono un intervallo di30

1.4 | Prestazioni di ALICEpseudorapidita di 3:5 2:5.Il rivelatore di moltepli ita in avanti (FMD) misura la distribuzione in pseudorapiditadelle parti elle ari he prodotte su un grande intervallo (5:1 1:7 e 1:7 3:4),quasi omplementare a quello operto dall'ITS. Esso onsiste in un mosai o di rivelatoria pad di sili io disposti in inque dis hi attorno all'asse del fas io.Inne, lo s opo del sistema di ontatori Cherenkov T0 e di determinare il tempo del-l'evento on una pre isione migliore di 50 ns, mentre quello del sistema di s intillatori V0e di fornire una misura velo e della moltepli ita dell'evento e di lo alizzare il verti e diinterazione.1.4 Prestazioni di ALICE1.4.1 Tra iamentoLa determinazione del punto di interazione ostituis e il primo passo della pro edura ditra iamento, e viene eettuata nei due primi strati dell'ITS, ovvero nei rivelatori a pixeldi sili io. Essi onsentono di identi are il verti e di interazione on una pre isione di 5m in z, ossia lungo l'asse del fas io, e di 15 m in piano trasverso per ollisioni PbPb.Per le moltepli ita previste, l'eÆ ienza di tra iamento della TPC e superiore al 90%,quasi indipendente da pT no ad impulsi di 100 MeV/ . Per valori di moltepli ita piubassi inve e, l'eÆ ienza res e no a quasi il 97% sotto le 4000 parti elle ari he per unitadi rapidita. Utilizzando le informazioni dell'ITS e della TPC insieme a quelle del TRD,si raggiunge una risoluzione in impulso migliore dell'1.5% per impulsi tra 0.2 e 2 GeV/ ,e omunque pari al 12% no a 100 GeV/ . Una os buona risoluzione per alti impulsie fondamentale nella si a dei jet, onsentendo uno studio dettagliato delle funzioni diframmentazione.Un'altra importante funzione dell'ITS e l'identi azione di verti i se ondari; in questo aso, ru iale e la risoluzione sul parametro d'impatto. Essa migliora on l'aumento di pT ,no a 60 m per 1 GeV/ . Tale valore e adeguato per la rivelazione di mesoni B e D ( e dell'ordine di 100 e 300 m, rispettivamente).1.4.2 Identi azione di parti elleIl rivelatore prin ipalmente dedi ato a questo s opo e il grande apparato di TimeOfFlight (TOF) [24 [25, in grado di fornire il tempo di attraversamento di una parti ella ari a on un errore inferiore al de imo di nanose ondo. La ombinazione di questa misuraestremamente pre isa on quella della ionizzazione spe i a dE=dx eettuata dall'ITS edalla TPC, permettera l'identi azione di protoni, pioni e kaoni su tutta l'a ettanza dellaparte interna di ALICE; in parti olare, questo permettera una separazione di 3 per =Kda ir a 100 MeV/ no a 2.5 GeV/ (e di K=p no a ir a 4 GeV/ ), onsentendo diidenti are un numero suÆ iente di parti elle, per ogni ollisione PbPb, per studi eventoper evento (gure 1.18 e 1.19). Si potra quindi studiare, on una elevata statisti a, ladistribuzione in impulso trasverso pT per ;K e p, ed il loro pT medio, ri avando os 31

L'esperimento ALICEinformazioni sulla termodinami a del QGP, sulla temperatura di freezeout e sull'evolu-zione del sistema prodotto. Si potra inoltre indagare la formazione del QGP attraverso leseguenti misure:- studio dell'aumento della stranezza, attraverso la misura del rapporto di produzione(K=, K=p) e dell'abbondanza del mesone ;- rapporto di produzione e larghezza di de adimento ! K+K, per lo studio dellamodi a delle proprieta dei mesoni vettoriali nel QGP. In parti olare, grazie allabuona risoluzione in impulso ed angolare, il de adimento ! K+K potra esseremisurato on una risoluzione sulla massa invariante di 2 MeV/ ;- identi azione di parti elle on open harm (D0 ! K+;D+ ! K++) edopen bottom, ne essarie ome riferimento per lo studio della soppressione degli statidi quarkonia.In gura 1.18 sono riportati due simulazioni he illustrano la separazione in massa per;K e p ottenibile on il rivelatore TOF, onsiderando urti entrali ed assumendo unarisoluzione temporale globale di 80 ps. In gura 1.19, la separazione in massa per ;K ep e stata ottenuta ombinando le informazioni del TOF on la misura della ionizzazionespe i a fornita dalla TPC.L'altro rivelatore espressamente dedi ato alla identi azione di parti elle e il sistema diHMPID he, seppure per una pi ola area orrispondente al 15% dell'a ettanza di ALICE,estendera l'identi azione ad impulsi no a 3 GeV/ per =K e 5 GeV/ per K=p.1.4.3 Coppie di leptoniIn ALICE vengono misurati sia elettroni he muoni: i primi nella parte entrale tramiteil TRD, mentre i se ondi nello spettrometro dedi ato in avanti. Questo onsentira la ri-velazione dell'intero spettro per i mesoni dei quark pesanti (stati harmonio e bottomio)nei anali di de adimento e+e e +.An he se le prestazioni globali e la statisti a sono simili (po he migliaia di e qual he entinaio di migliaia di J= rivelate in un mese di presa dati in ollisioni PbPb), i duemetodi sono omplementari sotto al uni punti di vista. Prima di tutto, la nestra di rapi-dita operta (rapidita entrali per e+e ed alte rapidita per +). Un'altra dierenza erappresentata dalle diverse regioni di impulsi trasversi nelle quali avviene la rivelazione deimesoni pesanti; tale dierenza e dovuta a diversi tagli in pT appli ati a livello di trigger (3GeV/ per il TRD e 1 GeV/ per lo spettrometro di muoni). Questo impli a he nel TRDsi potranno rivelare mesoni J= no ad un minimo di pt 5 GeV/ . Inne, mentre onle informazioni provenienti dallo spettrometro per muoni risulta impossibile ri ostruire iverti i di de adimento, a oppiando il TRD on le informazioni dell'ITS, e possibile nel anale elettroni o distinguere tra J= primari e se ondari; mentre i primi sono importantiper lo studio del QGP, la rivelazione dei se ondi fornis e una misura diretta della sezioned'urto per la produzine di mesoni B. In aggiunta, la possibilita di ri ostruire i verti i di32

1.4 | Prestazioni di ALICE

)2

Mass (GeV/c0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

p (

GeV

/c)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

)2

Mass (GeV/c0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

10

210

310

Figura 1.18: Separazione in massa per ;K e p on il rivelatore TOF. Il gra o si riferis ea 60 eventi entrali (parametro d'impatto tra 0 e 3 fm), generati on HIJING,ed assumendo una risoluzione temporale globale di 80 ps.33

L'esperimento ALICE

]2

mas

s [G

eV/c

00.2

0.40.6

0.81

1.2

charge*momentum [GeV/c] -3-2-10123

dE

/dX

[au

]

0

50

100

150

200

250

300

Figura 1.19: Separazione in massa per ;K e p ottenuta ombinando le informazioni delTOF on la misura di dE=dx fornita dalla TPC (100 eventi HIJING entrali,B=0,4 T).de adimento puo essere utilizzata per identi are direttamente mesoni B e D tramite a-nali di de adimento semileptoni i.Il TRD e lo spettrometro per muoni possono an he operare ongiuntamente per iden-ti are e bb on oin idenze elettronemuone; questo metodo onsente di studiare statiopen harm in un intervallo di rapidita 1 y 3.La ombinazione di tutte le te ni he sopra enun iate permetteranno ad ALICE dimisurare la produzione di harm e bottom in un intervallo -1 y 4.1.4.4 JetI jet vengono misurati in ALICE ri ostruendo le parti elle ari he in un ono attorno aduna parti ella di alto impulso trasverso, maggiore di 4 GeV/ . Poi he il TRD permette diregistrare 106 eventi al mese per PbPb, per energie dei jet sopra i 100 GeV, ALICEra ogliera suÆ iente statisti a per permettere poi, grazie alle sue e ellenti apa ita ditra iamento e di identi azione di parti elle, uno studio dettagliato delle funzioni diframmentazione dei jet e del fenomeno di jet quen hing. Usando le misure del PHOS,ALICE potra an he studiare orrelazioni ba ktoba k tra fotoni e jet ; in questo modo,l'energia media del jet viene misurata dal PHOS e si puo quindi ri avare in maniera direttal'energia persa dal partone velo e. Da notare inne he e stata proposta la realizzazionedi un alorimetro elettromagneti o (EMCal), il ui utilizzo aumenterebbe lo spettro dienergie misurabili, e potrebbe migliorare an he il trigger per i jet.34

Capitolo 2Il sistema di TimeOfFlight diALICE2.1 IntroduzioneUna parti ella e identi ata quando ne viene determinata la ari a e la massa. Poi hequest'ultima non puo essere misurata in modo diretto, e ne essario ri avarla dalla misuraindipendente di due dierenti variabili inemati he, delle quali almeno una dipendentedalla massa della parti ella.Negli esperimenti alle alte energie si e soliti determinare l'impulso di una parti ella ari a misurando la deviazione della sua traiettoria di volo in un ampo magneti o; notoinfatti il valore del ampo B, l'impulso p di una parti ella di ari a elettri a q e dato dallaformula (per ampi magneti i ortogonali alla direzione di volo):p = q R B (2.1)In unita prati he si ha (per q =j e j= ari a del protone):p(GeV= ) = 0:30 R(m) B(T ) (2.2)La se onda variabile inemati a e molto spesso la velo ita; la s elta del metodo di misuradipende fortemente dal valore dell'impulso delle parti elle he si vuole identi are.Le parti elle abbondantemente prodotte nelle ollisioni tra ioni pesanti hanno momentirelativamente pi oli. In parti olare, ir a il 97% delle parti elle prodotte in ollisioni PbPb all'LHC avranno un impulso inferiore a 2 GeV/ . Per tali valori, la te ni a di Timeof Flight, he misura direttamente la velo ita delle parti elle, risulta essere una delle piuappropriate.2.1.1 Prin ipi fondamentali delle te ni he di TOFUn rivelatore di Time of Flight determina la velo ita di una parti ella ari a he lo at-traversa misurando il tempo di volo t lungo una distanza nota L. Noto il momento p, la35

Il sistema di TimeOfFlight di ALICEmassa e data dalla formula: m = p r 2t2L2 1 (2.3)Si vede fa ilmente he la risoluzione in massa di un rivelatore TOF risente di tre ontributiprin ipali: Æmm = ÆppÆmm = Em2 ÆttÆmm = Em2 Ælle he, per impulsi relativamente elevati, essa e ondizionata piu dall'errore sul tempo di voloe sulla lunghezza di tra ia ri ostruita he dall'errore nella determinazione dell'impulso.Infatti, onsiderando insieme i tre ontributi sopra elen ati, otteniamo la seguente formulaper l'errore sulla massa:Æm2 = mp 2 Æ2p + p2 +m2t2 Æ2t + p2 +m2l2 Æ2l (2.4)La dierenza tra il tempo di volo per due parti elle on lo stesso impulso e stessa l, mamassa dierente, e data da (per p m):t = L2 (m21 m22)p2 (2.5)L'abilita nel distinguere tra due diverse parti elle in un sistema di TOF e data da:nd;12 = tdt = L(m21 m22)2p2 dt (2.6)dove dt rappresenta la risoluzione temporale del rivelatore.In gura 2.1 e riportata la dierenza tra i tempi di arrivo per =K e K=p, misuratadopo un per orso di 4 metri, in funzione dell'impulso delle parti elle; il gra o simula lasituazione he si avra per l'apparato TOF di ALICE. Si puo vedere he per ottenere unaseparazione tra e K di almeno 3 e per impulsi no a ir a 2.5 GeV/ , e indispensabile he il rivelatore abbia una risoluzione temporale globale non superiore ai 100 ps.2.2 Il sistema di TOF di ALICEIl rivelatore TOF di ALICE [25 opre una super ie ilindri a di a ettanza polarej 90o j< 45o ( orrispondente alla regione entrale delle pseudorapidita j j 0:9), ed ededi ato all'identi azione di parti elle on impulso tra 0.2 e 4 GeV/ ; poi he la maggior36

2.2 | Il sistema di TOF di ALICE

Figura 2.1: Dierenze dei tempi di arrivo per =K e K=p, ome misurate da un rivelatoreposto ad una distanza di 4 metri dal punto di interazione.parte delle parti elle ari he prodotte varra emessa in questo intervallo, le prestazioni ditale rivelatore saranno di ru iale importanza per gli obiettivi si i dell'esperimento.Il disegno del TOF prevede una struttura modulare orrispondente a 18 settori in (l'angolo azimutale) e 5 settori in z (la oordinata longitudinale lungo l'asse del fas io).L'intero rivelatore e inserito in una struttura ilindri a (denominata spa e frame ed illu-strata in gura 2.2) on un raggio interno di 370 m ed uno esterno pari a 399 m; l'interospessore orrisponde a 20% di lunghezza di radiazione.Lungo z si trovano un modulo entrale, due intermedi e due esterni ( ontenenti ri-spettivamente 15, 19 e 19 MRPC strip), il ui insieme denis e un supermodulo (gura2.3). Tutti i moduli hanno la stessa larghezza (125 m) e lunghezza res ente dal entroverso l'esterno, per una lunghezza omplessiva di 750 m per settore. Ogni modulo on-siste in due volumi separati (gure 2.4): uno interno a tenuta stagna, ontenente il gased i rivelatori MRPC, realizzati in strip di 1220 mm di lunghezza e 130 mm di larghezza(una piu dettagliata esposizione delle aratteristi he degli MRPC viene data in x2.4), eduno esterno ontenente l'elettroni a di frontend (FE), on ampli atori e dis riminatori.In gura 2.4 si puo vedere una sezione trasversale di un modulo, quello entrale, in uisi illustra il posizionamento degli MRPC all'interno della zona a tenuta stagna (la zona olorata in giallo in gura) e la disposizione delle s hede di frontend. I rivelatori MRPC 37

Il sistema di TimeOfFlight di ALICE

Figura 2.2: Simulazione della struttura di supporto ilindri a (spa e frame) he ospiterai moduli del TOF di ALICE.

Figura 2.3: Parti olare dello spa e frame on un supermodulo inserito. Si puo osservarela struttura a inque moduli, ed i rate on l'elettroni a di readout e di ontrollo, posizionati ai due api del supermodulo.38

2.2 | Il sistema di TOF di ALICEsono posizionati trasversalmente rispetto alla direzione z, e ruotati in modo da essere inmedia ortogonali alle parti elle us enti dal punto di interazione (geometria puntante). Talea orgimento e stato adottato allo s opo di minimizzare il numero di parti elle he attra-verseranno i rivelatori obliquamente, reando un eetto di induzione del segnale in analiadia enti, aumentando in tal modo l'o upan y e degradando in generale la risoluzionetemporale. In parti olare, l'angolo rispetto all'asse del ilindro aumenta progressivamenteda 0o nella parte entrale ( = 90o) del TOF, no a ir a 45o all'estremita dei modulipiu esterni ( = 45o). Per evitare zone morte, le strip adia enti sono disposte in mododa avere una sovrapposizione di 2 mm tra le rispettive aree attive. La granularita delTOF e un requisito fondamentale per poter identi are il maggior numero di parti elle ari he possibile, an he a moltepli ita elevate. Simulazioni dettagliate hanno dimostrato he, utilizzando pad di lettura sugli MRPC di 3.5 2.5 m2 e la geometria puntante, sipuo limitare l'o upan y a . 13%, an he assumendo dN h=d = 8000 e B=0.2 T .I moduli sono stati progettati in modo da minimizzare la perdita di area sensibile lungoz, nei punti ioe di passaggio da un modulo all'altro. Il disegno adottato infatti prevededei bordi on angoli omplementari, in modo da potersi in astrare tra loro. La soluzioneillustrata in gura 2.5 assi ura una zona d'ombra limitata e la possibilita di ruotare onangoli dierenti le strip posizionate in vi inanza del bordo.In gura 2.6 e riportata un disegno di un modulo del TOF di ALICE. La zona internae separata da quella esterna attraverso un pannello di honey omb di 1.3 m di spessore,rivestito da una pelli ola spessa 1 mm di alluminio (tutto il modulo e ri operto on ma-teriale onduttivo, in modo da realizzare una gabbia di Faraday e poterlo os s hermaredal rumore elettromagneti o esterno). I segnali provenienti dagli MRPC arrivano all'elet-troni a di frontend tramite parti olari s hede di interfa ia; tali s hede sono in ollate alpiano di honey omb, e presentano da un lato i onnettori per ri evere i avi segnale dagliMRPC, e dall'altro i onnettori su ui vengono inserite le s hede di FE.Tali s hede devono essere posizionate il piu possibile vi ino ai rivelatori, per evitare he i segnali si degradino per orrendo avi di e essiva lunghezza; esse devono pro essareil segnale in us ita dai rivelatori, ampli andolo e dis riminandolo, per generare l'hit heverra poi inviato ai TDC. Allo s opo di esaltare le e ellenti risoluzioni temporali degliMRPC, e stato sviluppato e realizzato, all'interno del progetto ALICE TOF, un ASICdedi ato (NINO ASIC [26). Le aratteristi he prin ipali di questo hip sono:- una struttura ompletamente dierenziale, dall'input all'output;- la s heda e ottimizzata per operare on una apa ita di ingresso di 30 pF;- l'us ita digitale e in logi a LVDS ( per ompatibilita on l'ingresso delle s hede diTDC);- la larghezza del segnale digitale in us ita dalla s heda e data dal tempo he il segnalein ingresso rimane al di sopra della soglia del dis riminatore (TimeOverThreshold,TOT) ed e proporzionale all'ampiezza del segnale indotto sulla strip. Poi he la 39

Il sistema di TimeOfFlight di ALICE

Figura 2.4: Diposizione delle MRPC strip all'interno di un modulo (in questo aso eriportato un modulo entrale). Gli MRPC sono ruotati in modo da essere inmedia ortogonali alla direzione di volo delle parti elle us enti dal entro diinterazione.

Figura 2.5: Dettaglio della sovrapposizione dei bordi di un modulo entrale e di unointermedio.40

2.2 | Il sistema di TOF di ALICEs heda di FE ha solo il segnale digitale in us ita, questa aratteristi a e indispensabileper poter eettuare la orrezione per eetto di time slewing sul tempo di arrivo delsegnale del rivelatore;- l'ampli azione e velo e per minimizzare il time jitter ;- una bassa impedenza in ingresso (50 per adattarsi in maniera ottimale on le lineedi trasmissione);- una soglia del dis riminatore regolabile in un intervallo di 10 100 fC;- una bassa potenza dissipata, ir a 30 mW per anale;- la s heda presenta 8 anali di I/O per ogni hip ASIC.Il segnale in us ita dalla s heda di FE trasporta due informazioni: l'inizio del segnale(fronte di salita o leading edge) fornis e il tempo dell'hit, mentre la sua larghezza (TOT)equivale ad una misura della sua ampiezza. Poi he in ALICE non verranno utilizzatiADC, questa informazione risulta indispensabile. In gura 2.7 e illustrata l'intera atenadi lettura ed a quisizione: dalle s hede di FE, il segnale viene inviato tramite spe iali avi AmphenolTM , lunghi da 2 ad 5 metri a se onda della posizione delle strip all'internodel supermodulo, ai moduli ontenenti le s hede TDC (TDC Readout Modules, TRM),posizionati in appositi rate ai api di ogni supermodulo (visibili in gura 2.3).Le s hede TDC (s hematizzate in gura 2.8) sono basate su di un hip ASIC, l'HPTDC(High Performan e TDC ) [25 [27, sviluppato dal gruppo di mi roelettroni a del CERNappositamente per appli azioni in esperimenti ad LHC. L'HPTDC e un TDC multihit, ingrado di misurare sia il tempo di inizio he di ne (fronte di dis esa o trailing edge) delsegnale, estraendo quindi dalla sua durata il valore di TOT; utilizzato in modalita VeryHigh Resolution Mode, ome nel aso di ALICE TOF, ogni hip integra 8 anali on unLSB (Last Signi ant Digit) di 24.4 ps.Gli HPTDC registrano gli hit per ogni anale; all'arrivo del segnale di trigger L1,essi si posizionano indietro di un erto intervallo di tempo ( 6.2 s, denito ome L1trigger laten y) e ri er ano hit per un nestra temporale programmabile, dell'ordine di 100ns (mat hing window), spostandoli su essivamente all'interno di una FIFO di readout.L'operazione di lettura viene in seguito eseguita da una FPGA.Un parametro riti o per il funzionamento di un HPTDC e il tempo minimo misurabiletra due impulsi su essivi, misurato in ir a 6 ns; per avere una informazione ompletasu di un segnale, per le ragioni sopra espresse, e indispensabile poterne rivelare entrambii fronti, sia di salita he di dis esa. Per questo motivo e stato realizzato, sulla s heda diFE, un ir uito in grado di allungare il segnale in us ita di almeno 10 ns.La digitalizzazione dei tempi sugli HPTDC e basata su di un lo k esterno. Durantel'esperimento, il tempo del bun h rossing dell'LHC sara ontrollato direttamente dallasala di ontrollo generale, he distribuira un lo k di 40 MHz di frequenza a tutti i variesperimenti attraverso bre otti he. La dispersione temporale di tale segnale sara di ir a 41

Il sistema di TimeOfFlight di ALICE80 ps. Il lo k esterno verra moltipli ato e ltrato attraverso una Phase Lo ked Loop(PLL) interna, he fornira inne un lo k di 10 ps di dispersione temporale.Dal gra o di gura 2.1 emerge he, per rispondere ai suoi obiettivi si i, il rivelatoredel TOF deve avere una risoluzione temporale globale inferiore ai 100 ps. Le diverseparti di elettroni a sopra illustrate ontribuis ono on le loro indeterminazioni all'erroretotale sulla determinazione del tempo misurato dal TOF; e quindi fondamentale he larisoluzione temporale intrinse a del rivelatore sia molto inferiore ai 100 ps ri hiesti dalTOF. In parti olare, i ontributi esterni alla risoluzione temporale del rivelatore sono stati al olati in:- jitter temporale della s heda di frontend FEE 15 ps;- indeterminazione introdotta dalle s hede di TDC, sia sul leading edge he sul trailingedge TCD 2 30 ps;- errore sulle ostanti di alibrazione. Ogni anale di a quisizione avra un suo tempo aratteristi o, per via delle diverse lunghezze dei avi e delle piste sulle s hede di

Figura 2.6: S hema di un modulo del TOF di ALICE. Si ri onos ono: (A) la box on-tenete il gas e le MRPC strip; (B) le s hede di interfa ia tra i avi at hetrasportano il segnale proveniente dagli MRPC e l'elettroni a di frontend ;(C) i onnettori su ui vengono inserite le s hede di elettroni a; (D) le s hededi frontend ; (E) i pannelli ed (F) i tubi per il rareddamento delle s hede.42

2.2 | Il sistema di TOF di ALICEScheda HPTDC

240 canali inun crate VME

Scheda di front - endcon amplificatori e

discriminatori - 24 canali

Cavo segnale (da 2 a 5 mt.)

Cavo flat

Figura 2.7: S heda dell'interna linea di readout : i segnali degli MRPC arrivano alles hede di FE tramite avi at e parti olari s hede di inerfa ia. Attraversospe iali avi segnale, lunghi da 2 ad 5 metri, a se onda della posizione dellestrip all'interno del supermodulo, il segnale arriva agli HPTDC posizionatinei rate ai bordi del supermodulo.

Figura 2.8: Disegno on ettuale di un modulo TRM. 43

Il sistema di TimeOfFlight di ALICEelettroni a. Nelle prime fasi dell'esperimento si dovra a umulare statisti a perdeterminare il valore di tali tempi, il ui errore sul valore medio sara dato da =(valore medio)=pNeventi. Per motivi soprattutto di tempo, si e de iso di onsiderareun numero di eventi tale da limitare questo errore a al 30 ps;- errore sulla distribuzione del lo k, he omprende i ontributi dovuti alla trasmis-sione dello stesso attraverso il sistema TTC [28 e alla sua distribuzione sui moduliTRM Clo k + ClTRM 2 20 ps- errore sull'assegnazione del t0 dell'evento t0 50 ps. 12.3 Il rivelatore per il TOFIn vari esperimenti si e rius iti, on rivelatori a s intillazione e buoni fotomoltipli atori,a raggiungere risoluzioni temporali al di sotto dei 100 ps; tale s elta non risulta peroper orribile, soprattutto per motivi e onomi i, nel aso si voglia realizzare apparati dinotevoli dimensioni. L'uni a possibilita, per ostruire un sistema di ir a 160 m2 di area,e l'utilizzo di rivelatori gassosi a ionizzazione. La ne essita di avere risoluzioni temporalidell'ordine del entinaio di pi ose ondi ha portato allo sviluppo di tali rivelatori on unageometria a piani paralleli. In questo modo il ampo elettri o e uniforme su tutto il volumesensibile del rivelatore; gli elettroni liberati nel gas dal passaggio di una parti ella ari aionizzante danno, per ampi elettri i suÆ ientemente intensi, immediatamente inizio alpro esso di moltipli azione \a valanga". Non 'e quindi al un eetto di deriva di elettroniin zone di basso ampo elettri o, ome avviene inve e ad esempio nelle amere a li, in uiil ampo elettri o e radiale, on intensita E 1=r, ed e suÆ ientemente intenso solo in unazona ir os ritta attorno al lo; piu in generale, non i sono eetti legati al punto in ui eavvenuta la ionizzazione primaria, a patto ovviamente he la valanga possa per orrere unadistanza suÆ iente a dare un segnale rivelabile, dipendente dalla soglia del dis riminatore.Infatti, il segnale sugli elettrodi di pi kup si genera per induzione dal moto degli elettronie degli ioni all'interno del rivelatore; indipendentemente da dove e iniziata la valanga,non appena essa onterra un numero suÆ ientemente elevato di elettroni da superare lasoglia del dis riminatore, il segnale verra rivelato. La s elta della soglia non in uis e sullarisoluzione temporale, ma solo sul tempo t0 tra il passaggio della parti ella e l'arrivo delsegnale. Il punto in ui e avvenuta la prima ionizzazione ha in idenza solo sulla ari aprodotta (per ui tale tipo di rivelatori non possono dare informazioni sulle dE=dx), e1Qui i si riferis e al valore legato alla misura del rivelatore T0. Durante l'esperimento sara omunquepossibile ridurre questa indeterminazione a ir a 5 ps, utilizzando un metodo ombinatorio su un set di Ntra e misurate e ri ostruite dal TOF, basato sulla ri er a della ombinazione Cbest(m1; :::mN ) miglioretra le 3N ipotesi di massa (;K; p), minimizzando2(C) = Xi=1;::N t0i (mi) < t0(C) >22idove t0i (mi) = texpi (mi) tTOFi .44

2.3 | Il rivelatore per il TOFsull'eÆ ienza.Le in ertezze he a ompagnano la formazione del segnale sul rivelatore dipendonoprin ipalmente da due sorgenti di indeterminazioni:- uttuazioni nel numero di oppie primarie generate dal passaggio delle parti ellein identi;- uttuazioni nello sviluppo della valanga.Il pro esso di reazione di oppie elettroneione positivo all'interno di un gas al passaggiodi una parti ella ari a e regolato dalla statisti a di Poisson; questo pro esso e puramentestatisti o e dipende quindi dal tipo di gas utilizzato, mentre e totalmente indipendentedal ampo elettri o presente nel rivelatore. Dato un parti olare tipo di gas, quello he si onos e e il numero medio di oppie prodotte per unita di lunghezza, tradu ibile in unadistribuzione di probabilita sul punto in ui si e avuta la ionizzazione primaria. Infatti, seassumiamom il numero medio di oppie reate per unita di lunghezza, allora l = 1=m sarala distanza media tra le oppie lungo il ammino della radiazione in idente. La probabilitadi avere prima ionizzazione ad una distanza d dal punto in ui la radiazione e penetratanel volume di gas e distribuita on una legge esponenziale, ed e data da:P (d) = 1l ed=lLa natura dei pro essi di moltipli azione he si innes ano all'interno del volume gassosodipendono inve e fortemente dal valore del ampo elettri o presente. In gura 2.9 vieneriportato, ome esempio, il numero di ioni ra olti sugli elettrodi in funzione della tensio-ne appli ata, per una amera a li; la urva presenta diversi andamenti al variare dellatensione, ognuno manifestazione di un diverso pro esso originatosi all'interno del gas.S orrendo il gra o di gura 2.9 per valori di tensione res enti, si arriva, dopo una faseiniziale in ui la urva ha un andamento res ente, ad una regione in ui il numero di ionira olti si mantiene presso he ostante ed indipendente dalla tensione appli ata (regioneII in gura); questo omportamento orrisponde alla ondizione per ui, per azione del ampo elettri o presente nel rivelatore, tutte le oppie elettroneione positivo, prodotteper ionizzazione primaria nel gas, vengono ra olte sugli elettrodi. All'aumentare dell'in-tensita del ampo elettri o, gli elettroni sono soggetti ad a elerazioni sempre maggiori,no al punto da raggiungere essi stessi una energia suÆ iente per dare luogo a pro essidi ionizzazione negli urti on gli atomi del gas; gli elettroni liberati in tali ionizzazionise ondarie sono a loro volta a elerati, in modo da reare un eetto di moltipli azione \avalanga" delle ari he presenti nel gas. Maggiore e l'intensita del ampo elettri o e minoree la distanza he gli elettroni devono per orrere prima di poter ionizzare gli atomi delgas; questa fase, orrispondente alla regione III, viene hiamata regime proporzionale, inquanto il numero di ari he ra olte e approssimativamente proporzionale al valore dellatensione.Continuando a salire in tensione, si nota prima una zona in ui questa proporzionalita 45

Il sistema di TimeOfFlight di ALICE

Figura 2.9: Numero di ioni ra olti sugli elettrodi di un rivelatore a ionizzazione in funzio-ne del ampo elettri o appli ato [29; il gra o si riferis e alla ari a ra oltain una amera a li.viene persa, e il numero di ari he aumenta in maniera piu rapida (zona a proporzionalitalimitata), seguita da un'altra in ui l'andamento della urva sembra essere nuovamenteindipendente dal valore della tensione. Questo fenomeno viene ri ollegato alla formazionedi streamers, ovvero valanghe di dimensioni elevate. La natura del pro esso he portaalla formazione di tali streamers e piuttosto ompli ato. L'idea orrente e he, quando ilnumero di ari he diventa suÆ ientemente elevato, il ampo elettri o laterale spinge glielettroni verso la zona piu interna della valanga, reando un sottile lamento di plasma onduttivo. Non e omunque an ora ben apito per he gli streamers abbiano tutti piu omeno la stessa ampiezza, ir a 20 volte maggiore rispetto alla ari a prodotta in regimeproporzionale. Aumentando an ora di piu la tensione appli ata, si arriva inne alla rea-zione di una s ari a tra anodo e atodo del rivelatore. Nell'esposizione he segue vengono onsiderati solo i pro essi si i inerenti la zona proporzionale.Il pro esso di moltipli azione a valanga in regime proporzionale e regolato dal oef- iente di Townsend = 1=, denito ome l'inverso del ammino libero medio di unelettrone all'interno del gas, ovvero ome la distanza ne essaria per he l'elettrone a quistisuÆ iente energia da ionizzare esso stesso il gas. Nel gas avviene an he un pro esso di46

2.3 | Il rivelatore per il TOF

Figura 2.10: Andamento del oeÆ iente di Townsend e del oeÆ iente di atta hment in funzione del ampo elettri o appli ato, per diverse mis ele di gas. I al oli sono stati eettuati on il programma di simulazione IMONTE perT = 296.15 K e p = 1013 mbar.

Figura 2.11: Velo ita di deriva degli elettroni in funzione del ampo elettri o appli ato,per diverse mis ele di gas. I al oli sono stati eettuati on il programmadi simulazione Magboltz per T = 296.15 K e p = 1013 mbar. 47

Il sistema di TimeOfFlight di ALICEri ombinazione tra elettroni ed atomi per formare ioni negativi; l'intensita di tale pro es-so dipende dalla sezione d'urto di attura elettroni a dei vari omponenti presenti nellamis ela di gas, ed e quanti ato dal valore del oeÆ iente di atta hment . Sia he dipendono dal valore del ampo elettri o, ome illustrato in gura 2.10; in generale, ilnumero medio di elettroni reati in un pro esso di moltipli azione a valanga e dato dan(x) = N0 e() x (2.7) on N0 numero iniziale di elettroni. I pro essi he avvengono durante lo sviluppo dellavalanga nel gas non si esauris ono qui e sono, in generale, di omplessa des rizione. Nellatrattazione he segue verranno ignorati i ontributi dovuti, ad esempio, ad emissione eriassorbimento di fotoni ultravioletti o ad elettroni di kno kdown (raggi Æ).Se si onsidera un singolo elettrone primario, la distribuzione del numero di elettronidopo una distanza d, e data, nel aso di ampi elettri i molto intensi, dalla osiddettalegge di Polya: (n; d) = 1 + (1 + )n(d) n(1 + )n(d) en(1+)=n(d) (2.8)dove e la funzione di Gamma di Eulero, e un parametro libero he des rive la posizionedel pi o della distribuzione e dipende dall'intensita del ampo elettri o e dal tipo di gas,e n e il numero medio di elettroni denito in eq. 2.7.Dei due pro essi des ritti (prima ionizzazione e moltipli azione a valanga), il primoha in uenza solo sull'eÆ ienza del rivelatore, mentre il se ondo ne determina an he larisoluzione temporale. Il segnale sugli elettrodi di pi kup infatti e originato dal moto delle ari he elettri he all'interno del volume gassoso, e dipende dal valore del ampo elettri o,dal numero di ari he in movimento e dalla velo ita di deriva degli elettroni (in gura 2.11e riportato l'andamento della velo ita di deriva, per diverse mis ele di gas, in funzionedel ampo elettri o). Nei rivelatori a geometria planare, non solo ma an he la velo itadi deriva vD e ostante; il numero medio di elettroni presenti nella valanga, ed espressodall'eq. 2.7, puo quindi essere ris ritto ome:n(t) = N0 e() vDt (2.9)La risoluzione temporale del rivelatore e data dall'indeterminazione sul tempo ne essarioaÆn he il numero di elettroni sia tale da generare un segnale superiore alla soglia deldis riminatore. Senza riportare la forma analiti a della distribuzione di tale tempo, si puo omunque dimostrare he la sua larghezza e esprimibile ome [30[31:t 1( ) vD (2.10)dipendente solo dal oeÆ iente di Townsend eettivo eff = e dalla velo ita dideriva degli elettroni.Dai primi anni '70 sono stati sviluppati diversi rivelatori gassosi a geometria planare,48

2.3 | Il rivelatore per il TOFtra ui le amere a piani paralleli metalli i (PPC), il ontatore Pestov e le amere a pianiparalleli resistivi (RPC). Queste esperienze hanno permesso di giungere all'idea degli RPCMultigap, i rivelatori s elti per la realizzazione del TOF di ALICE.2.3.1 Le Parallel Plate Chamber (PPC)Le amere a piani paralleli (PPC) onsistono sempli emente in due piani metalli i, o onduttivi in generale, paralleli tra loro e ra hiudenti un volume riempito on una mis elagassosa. Le PPC, per via degli elettrodi metalli i, devono operare in regime strettamenteproporzionale; infatti l'insorgere di streamer puo fa ilmente degenerare in s ari he he,oltre a diminuire le prestazioni del rivelatore ome eÆ ienza e rate apability, potrebberodanneggiare seriamente il rivelatore e l'elettroni a di lettura. Il potenziale ai api dellePPC quindi e impostato in modo da avere un guadagno di ir a 103 104 elettroni. Losvantaggio prin ipale di tali rivelatori e he i segnali sono bassi ( 100 fC), on un pi olorapporto di segnale/rumore, e ne essitano di una elettroni a di frontend he ne ampli hinotevolmente il segnale. Inoltre la tolleranza me ani a e molto stringente; valori tipi iper le PPC sono 0.52 mm di distanza tra i piani (gap), on una tolleranza di 510 m,ed inferiore ai 10 m sulla planarita degli elettrodi, on ampi elettri i di 26 kV/mm.Un vantaggio e he questi rivelatori possono sopportare ussi an he di 107Hz= m2.Un miglioramento nelle prestazioni e stato fatto on la ongurazione a doppio gap, on un anodo entrale e due atodi disposti in maniera simmetri a ad una distanza di 0.6mm ias uno [24; in questo modo si sono ottenute eÆ ienze dell'ordine di 95% 100%, erisoluzioni temporali di 150 200 ps.2.3.2 I ontatori PestovA dierenza delle PPC, i ontatori Pestov (illustrati in gura 2.12) operano in regimedi s ari a. Per fare io, essi onsistono in un atodo metalli o e di un anodo di mate-riale resistivo (uno spe iale vetro semi onduttore, on resistivita volumetri a dell'ordinedi 109 1010 m), ed utilizzano una mis ela gassosa on un elevato oeÆ iente di as-sorbimento di fotoni. Con la s elta del materiale resistivo, la s ari a viene ontenutalateralmente, e la tensione sull'elettrodo si abbassa solo su un'area lo alizzata attorno allas ari a, mentre quella restante rimane sensibile alla rivelazione del passaggio di parti elle.Lo sviluppo he dalla prima ionizzazione porta alla reazione di una s ari a puo esseres hematizzato in quattro step: 1) si rea un eetto di moltipli azione a valanga; 2) lavalanga si evolve in regime di streamer ; 3) all'interno della valanga, dove la densita dielettroni e maggiore, si forma una sorta di lamento di plasma onduttivo; 4) si rea unas ari a.In prin ipio, ognuno di questi step ontribuis e on le proprie uttuazioni al tempo he inter orre tra il passaggio di una parti ella ari a ionizzante e la sua rivelazione. Glistreamers sono almeno un ordine di grandezza piu velo i della valanga proporzionale, per ui le loro uttuazioni non ontribuis ono alla risoluzione temporale nale, he quindi efortemente in uenzata dalle uttuazioni in regime proporzionale, ome per le PPC. 49

Il sistema di TimeOfFlight di ALICEI ontatori Pestov hanno tipi amente gap dell'ordine di 100 m, anodi ostituiti damateriale on ir a 109 m di resistivita volumetri a, ed una mis ela di gas tenuta aduna pressione di 12 bars, per arrivare ad eÆ ienze intorno al 96%. Tali rivelatori ries onoad operare a ampi elettri i estremamente intensi per ui, dall'eq. 2.10, possono darerisoluzioni temporali e ellenti, an he intorno ai 25 ps. Il problema e rappresentato dalle ode nello spettro temporale di tali rivelatori (9% degli eventi fuori dalla gaussiana inter-polante, e 0.5% oltre 500 ps dal valore medio), he rendono il loro utilizzo problemati o,soprattutto in esperimenti in ui vengano ri er ati fenomeni rari (gura 2.13); l'origine diqueste ode e attualmente an ora ontroversa.

Figura 2.12: Rappresentazione s hemati a di un ontatore Pestov.2.3.3 Le amere a piani resistivi multigapAgli inizi degli anni '80 sono apparsi i primi prototipi di amere a piani resitivi (RPC) [32[33. Un RPC e un rivelatore dal disegno relativamente sempli e, e onsiste essenzialmentein due elettrodi piani paralleli, ostituiti da materiale ad elevata resistivita, ra hiudential loro interno un volume di gas a pressione atmosferi a. L'alta tensione e appli ata adegli elettrodi posti esternamente rispetto ai due piani resistivi; ome nel aso del rivela-tore Pestov, l'alto valore di resistivita dei piani permette di operare per valori del ampoelettri o estremamente elevati.Gli RPC sono stati utilizzati in diversi esperimenti ome rivelatori di trigger, graziead eÆ ienze prossime al 100 % e risoluzioni temporali dell'ordine del nanose ondo. Illoro utilizzo ome rivelatori TOF e pero pre luso da due problemi: avere simultaneamen-te risoluzioni temporali dell'ordine di entinaia di pi ose ondi ed una elevata eÆ ienza e50

2.3 | Il rivelatore per il TOF

Figura 2.13: Distribuzione dei tempi di arrivo in un ontatore Pestov, per diverse mis eledi gas. La risoluzione e denita ome la larghezza di tale distribuzione; eevidente la oda a destra della distribuzione. apa ita di sopportare ussi di parti elle in identi elevati.Per poter operare eÆ ientemente ad alti ussi, un tale tipo di rivelatore deve operarein regime proporzionale, he signi a ir a 108 elettroni prodotti nella valanga. Infatti,la ari a reata all'interno del rivelatore si deposita sui piani resistivi e viene dissipatadalle deboli orrenti he ir olano su di essi; la velo ita di tale pro esso e inversamen-te proporzionale al valore della loro resistivita volumetri a, tipi amente dell'ordine di1011 1013 m. Durante questa fase, il ampo elettri o viene lo almente ridotto dallapresenza di tali ari he, ed il rivelatore perde in prestazioni. Per aumentare la apa itadi sopportare ussi intensi, si puo intervenire sulla velo ita del pro esso di dissipazione osulla quantita di ari a prodotta. Nel primo aso, per a elerare l'eliminazione della ari ae ne essario diminuire il valore di resistivita dei piani; in tale modo pero si va in ontro adun allargamento dell'impronta della valanga sugli elettrodi, reando un eetto di induzionedel segnale su piu pad di lettura. Per poter sopportare ussi di almeno 50 Hz/ m2, omequelli aspettati per il TOF di ALICE, e ne essario quindi limitare la quantita di ari aprodotta ed operare quindi in regime proporzionale.Negli RPC a singolo gap, si puo ottenere una tale ondizione utilizzando gap pi ole o ampi elettri i non troppo intensi. Ambedue le s elte omportano pero delle limitazioni;infatti, utilizzando gap troppo pi ole si perde in eÆ ienza, in quanto il pro esso di pri-ma ionizzazzione dipende solo dalla quantita di gas e non dal valore del ampo elettri o 51

Il sistema di TimeOfFlight di ALICEappli ato, mentre nel se ondo aso si ottiene una risoluzione temporale peggiore, in baseall'eq. 2.10. In on lusione, on gli RPC a singolo gap e impossibile operare in regimeproporzionale ed avere, ontemporaneamente, eÆ ienze elevate e risoluzioni temporali di 102 ps.Questo problema e stato risolto on lo sviluppo delle amere a piani resistivi multigap(MRPC), il ui primo prototipo fu realizzato nel 1996 all'interno del progetto LAA delCERN [34. Un MRPC onsiste essenzialmente in un RPC in ui vengono inseriti deipiani resistivi equidistanziati, dello stesso materiale di quelli piu esterni e paralleli ad essi,in modo da suddividere la distanza tra i due elettrodi in tanti intervalli uguali ed indi-pendenti. Questi piani interni non sono onnessi on l'alta tensione; essi omunque sonoforzati elettrostati amente a prendere il valore del potenziale in modo da suddividere latensione appli ata ai due elettrodi in maniera uguale per ogni gap. Una parti ella minimoionizzante he attraversi un tale rivelatore puo dare origine ad un fenomeno di ionizza-zione, e su essivamente di moltipli azione a valanga, in uno o piu dei vari gap; l'elevatovalore di resistivita volumetri a dei piani interni li rende trasparenti al segnale indotto dalmovimento delle ari he nel rivelatore. Il segnale prelevato sugli elettrodi di pi kup sarala somma analogi a di tutti i segnali indotti dalle singole valanghe.A dierenza degli RPC a singolo gap, gli MRPC possono operare in regime proporzio-nale an he appli ando ampi elettri i estremamente elevati, a patto di avere gap pi ole;la valanga infatti viene limitata dalla pi ola distanza he puo per orrere nel gas. Questopermette, in a ordo on l'eq. 2.10 di avere risoluzioni temporali elevate. D'altra parteil volume attivo del rivelatore e denito dalla somma di tutte le singole gap, per ui sipossono, aumentando il numero di gap, ottenere eÆ ienze prossime al 100%.In gura 2.15 e s hemati amente illustrata la dierenza tra un RPC ed un MRPC. Inun RPC, la radiazione in idente da ionizzazione lungo tutto il suo per orso ma, poi he ledimensioni della valanga res ono esponenzialmente on la distanza per orsa, il ontributodato dalla prima valanga he si e formata e predominante nella formazione del segnale.In un MRPC inve e, i piani interni formano delle barriere allo sviluppo della valanga;i pro essi he si originano all'interno di ogni singola gap sono indipendenti, per ui ilsegnale he si ottiene e la somma analogi a di tanti segnali indipendenti. Questo eettosi ri ette sulle prestazioni del rivelatore. In parti olare, lo spettro di ari a in un RPCe di tipo esponenziale, mentre in un MRPC ha la forma di una distribuzione , similead una distribuzione di Landau, on un pi o ben separato dal pedestallo (gura 2.14).Inoltre, la forma della distribuzione dei tempi di arrivo del segnale tende ad allontanarsida quella della distribuzione di Polya, illustrata in eq. 2.8, per tendere a quella di una urva gaussiana.I piani interni di un RPC multigap sono elettri amente uttuanti; essi quindi possono ari arsi per il deposito di ari he in seguito al passaggio di una radiazione ionizzante.Poi he il ampo elettri o nelle due gap attorno ad un piano ha la stessa intensita, la ari a netta depositata sara in media nulla (le valanghe originatesi nei due gap hanno inmedia la stessa ampiezza). Se, in seguito a qual he uttuazione, uno dei suddetti pianidovesse trovarsi ad un diverso valore del potenziale, l'intensita del ampo elettri o intorno52

2.3 | Il rivelatore per il TOF

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1 2 3 4 5 6 7charge (pC)Figura 2.14: Spettro di ari a per un MRPC, in ui e stato sottratto il pedestallo.

ad esso non sara piu uguale. Con la su essiva ionizzazione quindi, la quantita di ari adepositata sara tale da riportare il potenziale del piano al valore iniziale. Se inve e si onsiderano disuniformita nell'ampiezza di un gap, i sarebbero zone del rivelatore a piualto o piu basso ampo elettri o. An he in questo aso pero, ampi elettri i piu intensi orrisponderebbero a zone in ui la gap e piu pi ola, e vi eversa. La quantita di ari a reata nel gas, per l'eq. 2.7, tende ad essere sempre la stessa. Il pro esso di equipartizionedel ampo elettri o in un MRPC e quindi sostanzialmente stabile, e le ottime prestazionidi tali rivelatori possono essere viste ome una prova di io.Come gia a ennato, regime proporzionale signi a eL 108, dove L e l'ampiezza diuna singola gap. Se si appli ano ampi intensi E 100 kV/ m, si hanno 100mm1(vedi gura 2.10); le dimensioni delle gap devono essere quindi submillimetri he L 101mm. Per ampi os elevati si hanno velo ita di deriva dell'ordine di ir a 100 m/ns, equindi, dall'eq. 2.10 si ottengono risoluzioni temporali intorno ai 100 ps. 53

Il sistema di TimeOfFlight di ALICE

Figura 2.15: Dierenze s hemati he tra un RPC (a) ed un RPC Multigap (MRPC) (b).2.4 Gli MRPC per il TOF di ALICEIl disegno degli MRPC per il TOF di ALICE e del tipo a doppio sta k, on un anodo en-trale e due atodi disposti in maniera simmetri a attorno ad esso (la sezione trasversale diun MRPC a doppio sta k e riportata in gura 2.16). Rispetto ad un disegno asimmetri o, on un solo anodo ed un solo atodo, e on lo stesso numero e stesso spessore dei gap, lasoluzione adottata presenta diversi vantaggi. In primo luogo, essa onsente di ottenere lastessa intensita del ampo elettri o all'interno del rivelatore, appli ando meta della ten-sione ri hiesta nel aso asimmetri o. Poi he i segnali sono la somma di quelli indotti inentrambi gli sta k, la loro l'ampiezza e la stessa in entrambi i asi. Inoltre, gli elettrodisono piu vi ini tra loro, per ui l'impronta della valanga su di essi risulta minore; il segnalee indotto su di un'area limitata, ridu endo gli eetti di bordo tra pad adia enti.Gli MRPC verranno assemblati in strip di 122 13 m2 di dimensione ( on 120 7.4 m2 di area attiva), on 5 + 5 gap di 250 m di ampiezza. Ogni rivelatore omprende96 pad di lettura, disposte su 2 le da 48, ias una di 3.7 2.5 m2 di area; tali padvengono realizzate su ir uiti prestampati (Printed Cir uit Board, PCB) in vetronite, heservono an he per isolarle dagli elettrodi di alta tensione. I piani resisitivi sono realizzati on vetro \sodalime", prodotti dalla ditta Glaverbel 2, on una resisitvita volumetri adi 1013 m; quelli esterni hanno uno spessore di 550 m, mentre quelli interni sonospessi 400 m. La super ie esterna dei piani esterni e rivestita on una pittura resistiva2Glaverbel VERTEC sales, 166 Chaussee de La Hulpe, 1170 Brussels, Belgium54

2.4 | Gli MRPC per il TOF di ALICEactive area

74 mm

130 mm

active area

74 mm130 mm

A

B

B

C

H

D

E

F

G

I

Figura 2.16: Sezione trasversale di un MRPC a doppio sta k. Si ri onos ono i seguentielementi: (A) pannello di honey omb; (B) PCB on le pad atodi he; (C)viti di plexiglass, utilizzate per la stesura del lo di nylon; (D) vetri esterni;(E) vetri interni; (F) gap di 250 m di ampiezza; (G) PCB entrale onle pad anodi he; (H) pin metalli i, utilizzati per trasportare i segnali dai atodi al PCB entrale e per mantenere ompatta la strip; (I) onnettoreper avi at, attraverso i quali il segnale viene prelevato dal rivelatore edinviato all'elettroni a di frontend. 55

Il sistema di TimeOfFlight di ALICE

Figura 2.17: Foto delle MRPC strip durante al une fasi del loro assemblaggio. In par-ti olare, nella foto in basso si ri onos ono i PCB (i piani verdi), la serie divetri, le viti di plexiglass attorno alle quali viene ssato il lo spaziatore dinylon, ed il lo stesso.56

2.4 | Gli MRPC per il TOF di ALICE3, ottenuta on una verni ie a rili a su ui sono impiantati ossidi di metallo, on valori diresistivita super iale di qual he M=. Tramite tali vetri viene appli ata l'alta tensioneal rivelatore. I due piani piu esterni, he fungono da elettrodi, sono onnessi all'alta ten-sione grazie ad al une piazzole rettangolari metalli he realizzate alle estremita dei PCB ead una olla epossidi a he, oltre a mantenere me ani amente atta ati i vetri ai PCB,garantis e il ontatto metalli o. I gap vengono ottenuti disponendo un lo di nylon, dellospessore di 250 m, sui vetri. Per agevolare questa operazione, sono state inserite delleviti di plexiglass nei PCB (rappresentate nel disegno di gura 2.16 e visibili in gura 2.17),attorno alle quali il lo viene steso ortogonalmente alla lunghezza dei vetri; il lo vienefatto passare sui vetri ogni 2.5 m, in orrispondenza della zona tra due pad attigue. Ivetri interni vengono ssati solo alle loro estremita attraverso delle pi ole stris e a trestrati di nastro biadesivo mylar nastro biadesivo.I onnettori attraverso i quali i segnali vengono prelevati, ed inviati all'elettroni a difrontend, si trovano sul PCB entrale; i segnali atodi i arrivano su questo PCB tramitedei pin metalli i, he servono an he per mantenere ompatto il rivelatore. La rigidita alsistema viene assi urata da due pannelli di honey omb, di 10 mm di spessore, in ollati suidue PCB esterni.Prestazioni degli MRPC per ALICETOFIn gura 2.18 e riportata la distribuzione temporale di un prototipo di MRPC misurata,utilizzando un fas io di pioni mono romati i di impulso pari a 6 GeV/ , al PS del CERN[36. I gra i si riferis ono ad una singola pad, ed illustrano la risoluzione temporale primae dopo la orrezione per eetto di time slewing. Questa orrezione e ne essaria per elimi-nare l'ulteriore dispersione nei tempi di arrivo dei segnali, he si origina nel dis riminatoredelle s hede di FE e he e dovuta al fatto he segnali di ampiezza maggiore inter ettanola soglia prima di quelli on ampiezza minore. Le distribuzioni omprendono an he leindeterminazioni riferite al segnale di start ( 30 ps) ed all'elettroni a ( 20 ps solo perla s heda di FE), he ontribuis ono in quadratura alla larghezza di tali distribuzioni.In gura 2.19 sono inve e riportate eÆ ienza e risoluzione temporale, in funzione dellatensione appli ata, per un ampione di nove MRPC misurate al CERN in Ottobre del2003. Le aratteristi he he emergono dai gra i di gura 2.19 sono, oltre agli ottimivalori di eÆ ienza prossima al 100 % e di risoluzione temporale, l'e ellente uniformita dirisultati (tutte le strip hanno infatti valori di risoluzione temporale ompresi tra 40 e 50ps), e l'ampiezza della zona di plateau4 ( ir a 1.5 kV tra il gino hio della urva di eÆ ien-za e l'insorgere di streamers, ri onos ibile da una leggera degradazione della risoluzionetemporale).3DETEC di Orietti M.L., viale E. Thovez 16/a, 10131 Torino, Italy4Per poter onfrontare tali risultati on quelli riportati in seguito in questa tesi, e ne essario spe i are he i risultati riportati in gura 2.19 sono stati ottenuti on una mis ela di gas omposta al 90 % daC2H2F4, al 5 % da SF6 ed al 5 % da C4H10. La rimozione dell'isobutano dalla mis ela ha omportatouno spostamento del plateau di ir a 500 1000 V verso valori piu alti. 57

Il sistema di TimeOfFlight di ALICE

Figura 2.18: Distribuzione dei tempi di arrivo del segnale per una pad di un MRPC. Idue gra i illustrano questa distribuzione prima (in alto) e dopo (in basso)la orrezione per time slewing.La mis ela di gasLa omposizione della mis ela di gas e stata denita alla ne di una intensa serie di studi[37; la mis ela piu largamente usata negli ultimi anni e omposta al 90% da C2F4H2, al5% da C4H10 ed al 5% da SF6.Il C2F4H2 (suva 134a) e un parti olare tipo di freon, pesante ( ir a 20 volte piu pesantedell'argon, un altro gas largamente utilizzato nei rivelatori ad ionizzazione, on ir a 100 oppie di ioni/ m prodotte da una parti ella minimo ionizzante) e non inammabile.L'esa uoruro di zolfo (SF6) e un gas fortemente elettronegativo; parte degli elettronipresenti nei lati della valanga vengono atturati per reare ioni negativi, limitandone ledimensioni laterali. Sperimentalmente si e inoltre trovato he l'aggiunta di questo gas allamis ela inibis e sensibilmente la formazione di streamer [38. Sono state provate mis ele on diverse on entrazioni di SF6; in generale, alte on entrazioni permettono di operarea ampi elettri i piu elevati, on quindi oeÆ ienti di Townsend maggiori. L'SF6 porta58

2.4 | Gli MRPC per il TOF di ALICE

Figura 2.19: EÆ ienza e risoluzione temporale in funzione della tensione appli ata pernove MRPC strip, misurate su fas io di parti elle al PS del CERN in Ottobredel 2003.pero an he alla diminuzione del numero di oppie elettroneione primarie, on onseguentedegradazione della risoluzione temporale. Dati questi due pro essi ontrastanti, i risultatimigliori sono stati ottenuti on una per entuale di SF6 del 5% [39.L'isobutano e un idro arburo a mole ola omplessa on una elevata sezione d'urto di attura di fotoni ultravioletti, he vengono emessi nel gas per ri ombinazione di elettronie ioni positivi. Tali fotoni sono emessi in direzioni asuali, e possono dare ionizzazione inaltre parti del rivelatore; il loro numero e inoltre legato alla formazione di s ari he.In generale, tutti i omponenti della mis ela hanno un alto potere di assorbimento;questa s elta e guidata dalla ne essita di avere ampi elettri i molto intensi e di operarein regime proporzionale. 59

Il sistema di TimeOfFlight di ALICE

Figura 2.20: EÆ ienza e risoluzione temporale per due MRPC strip in funzione del ussodi parti elle in identi, misurate al GIF del CERN. Le misure sono riportateper una tensione, sia appli ata he eettiva, di 11.4 kV presente ai api delrivelatore.Capa ita di sopportare ussi intensiAl suo passaggio attraverso il rivelatore, una parti ella ari a puo reare oppie elettroneione in una o piu gap (la probabilita di avere una valanga in tutte e die i le gap e 10%).La ari a prodotta nel pro esso di moltipli azione si deposita sui piani resistivi e tende aridurre lo almente il valore del ampo elettri o presente nel rivelatore, deteriorandone leprestazioni; questa riduzione e proporzionale alla quantita di ari a depositata.Per eetto del ampo elettri o, le ari he si diondono attraverso il piano; se e avvenu-60

2.4 | Gli MRPC per il TOF di ALICEta ionizzazione in entrambe le gap attorno ad un vetro interno, le ari he di segno oppostosi ri ombinano al suo interno, dissipando in tal modo la ari a depositata, e ripristinandole ondizioni iniziali del rivelatore. Se inve e la valanga ha avuto luogo in una delle gapesterne, le ari he diondono nel vetro no agli elettrodi, dopodi he vengono dissipate sudi essi. Un altro pro esso he puo in uenzare la apa ita di sopportare ussi intensi elegato alla formazione del segnale indotto sugli elettrodi. Le ari he in movimento nel ri-velatore infatti provo ano, per attrazione o repulsione elettromagneti a, uno spostamentodi elettroni sull'elettrodo resistivo. Questo provo a un ambiamento del valore del poten-ziale su una regione ristretta dell'elettrodo he indu e, per a oppiamento apa itivo, unsegnale sulla pad. Quando la valanga si arresta su di un piano, le ari he sull'elettrodoresistivo tendono a ridistribuirsi, riportando il piano ad una situazione di equipotenzialita;la velo ita di tale pro esso dipende dal valore di resistivita super iale dell'elettrodo. Eimportante he il tempo di questo pro esso sia inferiore al tempo atteso tra il passaggiodi due parti elle su essive, per non reare situazioni di hit multipli e di errata identi a-zione. Per quanto on erne il rate apability inve e, l'eetto della resisitivita super ialee tras urabile rispetto al pro esso di dissipazione di ari he sui piani resistivi.In gura 2.20 vengono illustrati i risultati di al une misure eettuate al Gamma Irra-diation Fa ility (GIF) del CERN, in ui le prestazioni di al uni MRPC sono state valutateutilizzando un fas io di muoni di 150 GeV/ e, ontemporaneamente, irradiando i rivelato-ri on raggi gamma provenienti da una sorgente radioattiva di 137Cs. I valori di eÆ ienza edi risoluzione temporale sono riportati in funzione del usso di parti elle ari he in identi,per una tensione, sia appli ata he eettiva, di 11.4 kV presente ai api del rivelatore. Peril al olo della tensione eettiva si e sottratto, alla tensione appli ata, la aduta di poten-ziale all'interno dei vetri resistivi, ri avata dal valore della loro resistivita volumetri a edalla misura della orrente assorbita dagli MRPC. I gra i indi ano he, utilizzando piani on una resistivita eettiva di 1012 m di resistivita, non si osserva una degradazionesensibile delle prestazioni degli MRPC per valori del usso di radiazione in idente no aquasi 1 kHz/ m2 [40 (il rate aspettato per il TOF di ALICE e stato valutato in ir a 50Hz/ m2).Eetto di spa e hargeUtilizzando le eq. 2.7 e 2.8, ed inserendo i parametri e le aratteristi he degli MRPC diALICE TOF illustrati in x2.4, otteniamo, dalle simulazioni, dei segnali in ari a di am-piezza 1:8 107 pC [31, ontro i ir a 2 pC misurati sperimentalmente [25. Le stessesimulazioni riprodu ono pero valori di eÆ ienza e risoluzione temporale prossimi ai datisperimentali [31. Questo sembra es ludere he parametri, ome il oeÆ iente di Townsendo la velo ita di deriva degli elettroni, si dis ostino in maniera sostanziale dai valori teori iriprodotti in gura 2.10. Per spiegare questa \anomalia" e stato introdotto il on etto dispa e harge ee t.Quando il numero di ari he elettri he presenti nella valanga inizia ad essere onsi-stente, il ampo elettri o prodotto dalle ari he stesse puo modi are lo almente il ampo 61

Il sistema di TimeOfFlight di ALICEelettri o all'interno del rivelatore. Se si assume una sfera on 106 elettroni, di raggio 20m, otteniamo un ampo elettri o sulla sua super ie di ir a 36 kV/ m; per valori intornoa 106 107 elettroni quindi, il ampo elettri o nella valanga inizia ad essere onfrontabile on quello del rivelatore. Una rappresentazione gra a del fenomeno e riportata in gura2.21. Le ari he presenti nel gas provo ano un aumento del ampo elettri o nella testa enella oda della valanga; poi he la quantita R E ds deve essere ostante lungo il gap, nerisulta he il ampo elettri o nel entro della valanga viene diminuito. La maggior partedegli elettroni si trova nel entro della valanga; essi risentono quindi di un ampo elettri ominore he rallenta il fenomeno di moltipli azione, dis ostandolo da quello espresso in eq.2.10. Le simulazioni indi ano he, per valori del oeÆ iente di Townsend di ir a 100mm1, ome quelli he si ottengono negli MRPC di ALICE TOF, il numero di ari hepresenti nella valanga non aumenta piu esponenzialmente, bens linearmente, on l'aumen-tare della tensione appli ata. Si puo vedere questo eetto in gura 2.22, in ui si riportala ari a totale prodotta in un RPC on un gap da 2 mm ed in un MRPC on 10 gap da250 m di ampiezza.Un altro modo per veri are sperimentalmente questo eetto onsiste nel misurare ilrapporto tra l'ampiezza della omponente velo e del segnale indotto, dovuta al movimentodegli elettroni nel gas, sul segnale indotto totale, dovuto inve e quasi es lusivamente almoto degli ioni positivi [41. In assenza di eetti di spa e harge, tale rapporto e espri-mibile ome 1= D, dove D rappresenta la distanza per orsa dalle ari he. Se si assume he, da un erto punto in poi, la valanga diminuis a notevolmente la sua apa ita dimoltipli azione, si ha he il grosso degli ioni positivi non per orre piu l'intera distanzaanodo atodo, ma una distanza minore. Il rapporto tra omponente velo e e ari a totalein funzione della tensione appli ata quindi dovrebbe aumentare, ome illustrato in gura2.23, dove tale rapporto e gra ato in funzione del valore della omponente velo e delsegnale indotto.L'eetto di spa e harge ha importanti riper ussioni sul omportamento del rivelatore.In un RPC on un ampo elettri o di 50 kV/ m, una variazione del ampo elettri o di 1%, dovuta ad esempio a disomogeneita nello spessore del gap, provo a un'alterazionedella ari a prodotta di un fattore 20 [41. In un MPRC on un ampo elettri o di ir a100 kV/ m, si ha una regione ampia an he piu di 700 V in ui la valanga res e on unadipendenza lineare, anzi he di tipo esponenziale, on il ampo elettri o. Questo signi a he gli MRPC sono meno sensibili a variazioni del ampo elettri o e, di onseguenza, avariazioni dello spessore delle gap; la tolleranza geometri a e maggiore, e il plateau dieÆ ienza ampio an he 2 kV. Inoltre, per le argomentazioni espresse in pre edenza, si haun miglioramento an he nel rate apability ed, in generale, una riduzione di eetti diinve hiamento.62

2.4 | Gli MRPC per il TOF di ALICE

Figura 2.21: Variazione del ampo elettri o all'interno di un MRPC allo sviluppo dellavalanga.

Figura 2.22: Cari a totale prodotta in funzione della tensione appli ata. Nel aso degliRPC, la tensione e appli ata alla singola gap. Gli MRPC sono del tipo adoppio sta k, on 10 gap da 250 m; la tensione indi ata in gura e appli ataa 5 gap.63

Il sistema di TimeOfFlight di ALICE

Figura 2.23: Rapporto tra la omponente velo e del segnale indotto sul segnale totaleindotto, in funzione della omponente velo e.

64

Capitolo 3Controlli di qualita per laproduzione di MRPC strip3.1 IntroduzioneIl disegno denitivo degli MRPC per il TOF di ALICE (gura 2.16) e stato ottenuto dopoun intenso programma di sviluppo he ha permesso, nel orso degli ultimi anni, di miglio-rare progressivamente ed in maniera sensibile le funzionalita di tali rivelatori [25[42[36.Le prestazioni dei prototipi realizzati (eÆ ienza prossima al 100% e risoluzione temporaledi ir a 50 ps, elettroni a ompresa) sono e ellenti e perfettamente adeguate alle ri hiestesi he del rivelatore TOF. La trasposizione di tali e ellenti prestazioni a rivelatori assem-blati su larga s ala sara una sda importante della produzione di massa delle MRPC. Inparti olare, sara di estrema importanza rius ire a tenere sotto ontrollo tutte le diverse fasidi assemblaggio di tali rivelatori, dal ontrollo delle spe i he e dello stato dei materialiutilizzati, alla misura di parametri fondamentali del rivelatore; per ias uno degli oltre1600 rivelatori he dovranno essere realizzati, sara ru iale la registrazione ed il onfrontodi tali misure rispetto a spe i he di riferimento, emerse durante lo sviluppo di questianni. Questa fase di ontrollo dovra essere integrata on la ne essita di sviluppare sistemiautomati i, o semiautomati i, he permettano la realizzazione di tutti i rivelatori ne essariper l'apparato di TOF, entro i limiti temporali imposti dalla Collaborazione ALICE.S hematizzando, i ontrolli di qualita he dovranno essere appli ati alla produzione dimassa possono essere lassi ati ome segue:a) ontrolli sui materiali: questi ontrolli omprendono le misure di planarita sui om-ponenti \rigidi" delle MRPC, ovvero pannelli di honey omb e PCB, e le misuredi resistivita sui vetri on la spe iale pittura resistiva he fungono da elettrodi delrivelatore;b) test sulle aratteristi he del singolo MRPC prodotto: queste prove omprendono lamisura dell'ampiezza dei gap, i ontrolli sulle onnessioni elettri he e la misura della orrente assorbita a 3 kV in aria; 65

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.1: Pianta dei laboratori INFN approntati a Bologna in via Q. Majorana 3/5 perla produzione di massa delle MRPC di ALICE TOF.

Figura 3.2: Foto della amera pulita utilizzata per l'assemblaggio e lo sto aggio delleMRPC strip.66

3.2 | Preparazione dei materiali e sistemi semiautomati i ) test sulle prestazioni degli MRPC; questi ontrolli prevedono essenzialmente la mi-sura della eÆ ienza e della risoluzione temporale dei rivelatori prodotti, prima heessi vengano inseriti nei moduli del TOF.Per la produzione di massa degli MRPC di ALICE TOF sono stati realizzati a Bolognadei nuovi ed appositi laboratori INFN (in gura 3.1 e riportata la loro pianta); una amerapulita di quasi 200 m2 (fotograa in gura 3.2) viene utilizzata per l'assemblaggio e lo sto - aggio delle MRPC, mentre gli altri vani ospitano le appare hiature per la preparazionee il deposito dei materiali.3.2 Preparazione dei materiali e sistemi semiautomati iTutti i materiali provenienti dalle varie ditte di produzione vengono sto ati all'internodei laboratori ed ispezionati per avere una prima stima della loro qualita.Prima di poter essere utilizati per gli MRPC, i vetri interni devono essere a urata-mente puliti per non introdurre polvere, o impurita in generale, all'interno dei gap delrivelatore. Per poter eettuare in maniera rapida ed eÆ iente tale operazione, e statorealizzato un sistema omprendente tre vas he ed un forno (una fotograa del sistema eriportata in gura 3.3). I vetri vengono alloggiati su di un apposito supporto, in grado di ontenerne no a 75; in un giorno possono essere eettuati in media tre i li, per un totalequindi di 225 vetri ( 28 strip). Il sistema omprende:- una prima vas a (a sinistra in gura), in ui i vetri vengono lavati on uno spe ialedetergente, sotto l'azione di onde d'urto ad ultrasuoni;- due vas he per il ris ia quo a freddo dei vetri. Si utilizzano due vas he in serie perassi urare la totale rimozione dei residui di detergente dai vetri;- un forno per l'as iugatura dei vetri a 50 oC.In gura 3.4 sono riportate al une foto he illustrano la ma hina realizzata per stendere inmaniera semiautomati a il lo di nylon, utilizzato ome spaziatore nelle strip. Il lo vienetenuto in tensione grazie ad una frizione a gravita, sotto l'azione di un leggero peso da200 g; in questo modo il lo viene adagiato on la stessa tensione lungo tutto il vetro. Latesta della ma hina e ollegata a tre motori passopasso, he garantis ono la possibilitadi movimento in tutte e tre le direzioni. Questa ma hina impiega solo po hi minuti perstendere il lo sopra un intero vetro, e durante questa operazione non ri hiede la presenzadi un operatore; si ottiene os un notevole risparmio di tempo e di risorse umane. Lama hina eettua omunque solo della stesura dello lo, mentre la posatura dei vetri e deiPCB deve essere fatta da un operatore (gura 3.5). 67

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.3: Vista del sistema, omprendente tre vas he ed un forno as iugatore, realizzatoper pulire in maniera automati a i vetri interni degli MRPC.3.3 Test sui materiali3.3.1 Misure di planarita sui PCB e pannelli di honey ombLe ottime prestazioni di un RPC Multigap sono legate alla forma del ampo elettri o inter-no ed all'ampiezza, ed uniformita, dei gap; in generale quindi, dipendono dalla pre isione on ui i vetri ed i PCB sono posti parallelamente gli uni agli altri. Per assi urare lamigliore planarita agli elementi del rivelatore, i omponenti rigidi dello stesso (pannelli dihoney omb e PCB) devono, a loro volta, essere il piu planari possibile.La planarita di tali oggetti viene valutata misurando, tramite diversi spessori, l'even-tuale altezza d del omponenente da un piano di ris ontro in granito posto all'interno della amera pulita (foto in gura 3.6). Le misure vengono eettuate in inque diversi punti,per entrambe le fa ie. E ammessa un'altezza massima di 0.2 mm; i omponenti he nonrispondono a questo requisito vengono rigettati e rispediti alla ditta fornitri e. Tutti ipannelli ed i PCB vengono misurati e atalogati; le misure ottenute, ome tutte le altremisure eettuate durante i ontrolli di qualita, ed illustrate in seguito, vengono inseriteall'interno di un database he permettera, in futuro, un rapida e ompleta onsultazionedi tutte le aratteristi he di ogni singola strip.68

3.3 | Test sui materiali

Figura 3.4: Foto on diverse prospettive della ma hina per la latura automati a.

Figura 3.5: Posatura dei vetri interni durante la fase di latura di un MRPC.69

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.6: Foto del piano in granito utilizzato per la misura della planarita dei ompo-nenti rigidi di un MRPC (a sinistra) e dello strumento usato per misurarel'eventuale altezza di tali omponenti dal piano.3.3.2 Misure di resistivita super iale sui vetri esterniIl valore di resistivita super iale della pittura appli ata ai vetri esterni e un parametroimportante per il funzionamento di un MRPC. Come illustrato nel apitolo pre edente,esso determina la forma del segnale indotto sugli elettrodi, ed in uenza il tempo duranteil quale la pad rimane \a esa". AÆn he la risposta del rivelatore sia ostante su tutta lasua area attiva, e ne essario he la resistivita degli elettrodi sia il piu possibile uniformelungo tutto il vetro.La pittura e omposta da una verni e a rili a on impurita metalli he (ossidi di romoe zin o), on l'aggiunta di un atalizzatore he fa ilita il pro esso di polimerizzazione. Ilvalore di resistivita viene regolato tramite la quantita di atalizzatore aggiunto. Dopol'appli azione della verni e, i vetri vengono posizionati su di un nastro mobile e fatti tran-sitare, molto lentamente, all'interno di un forno lungo ir a 8 metri (in tutto il passaggioimpiega una de ina di minuti); la temperatura del forno e res ente, per non provo are unosbalzo termi o e essivo sui vetri, e raggiunge, nella sua parte on lusiva, valori intornoai 100 oC. Questa operazione serve per ssare denitivamente la tintura sui vetri e pera elerare il pro esso di polimerizzazione.Sono state eettuate numerose serie di misure sui primi vetri giunti in laboratorio, alne di studiare le aratteristi he della pittura e di valutare la sua uniformita e stabilitanel tempo. Ogni vetro e stato misurato in inque punti, e per diversi intervalli di tempo,tra Giugno 2003 e Maggio 2004. In gura 3.7 sono riportati, in funzione del tempo, ilvalore medio di resistivita per ogni vetro e la varianza spe i a, denita ome il rapportotra lo s arto quadrati o medio e la media. Si puo hiaramente osservare he il valore diresisitvita dei vetri tende a diminuire ol tempo, no a giungere ad un valore ostante dopoqual he mese; il pro esso e a ompagnato da un miglioramento della varianza. La ausapiu probabile per un tale omportamento e da ri er arsi nel pro esso di polimerizzazione70

3.3 | Test sui materiali

Figura 3.7: Variazione della media e della varianza spe i a, al olate su inque puntiper ogni vetro esterno, della resistivita super iale, in funzione del tempotras orso dall'appli azione della pittura resistiva.71

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.8: Variazione della resistivita, misurata in inque punti per un vetro ampione,in funzione della durata del trattamento termi o ad alta temperatura.del omposto utilizzato he, evidentemente, non si ompleta all'interno del forno usatodalla ditta.E evidente he, volendo avere un quadro ompleto delle aratteristi he di tutti i om-ponenti usati nell'assemblaggio di ogni strip, non si possono utilizzare i vetri prima heessi siano giunti al loro stato di equilibrio. Si e de iso quindi di provare ad a elerare ilpro esso di polimerizzazione servendosi del forno as iugatore presente nei laboratori edutilizzato per il lavaggio dei vetri interni degli MRPC. Il gra o di gura 3.8 si riferis e amisure eettuate su di un vetro ampione, tenuto all'interno del forno per diversi intervallidi tempo ed ad una temperatura di 90 oC; il valore di resistivita misurato nei inque puntie riportato in funzione dei minuti tras orsi all'interno del forno. I dati dimostrano he, onun tale trattamento, i vetri raggiungono il loro valore di stabilita dopo ir a 1000 minuti.Nel orso del 2004 sono state sperimentate diverse te ni he di verni iatura dei vetriesterni. I risultati riportati in tabella 3.1 si riferis ono a due te ni he in parti olare:- nella te ni a denominata \a velo", i vetri sono posti su di un nastro mobile heviene fatto passare sotto ad una \ as ata" di verni e ad alta velo ita;- nella te ni a denominata \a spray", i vetri sono posizionati su di un nastro mobilelento he viene fatto passare al di sotto di uno spray , he si muove ortogonalmenteai vetri.72

3.3 | Test sui materialivetri te ni a per entuale valore deviazione varianza atalizzatore medio (M=) standard (M=) (in %)TA a velo 14 % 2.38 0.96 40 %TB a velo 15 % 7.46 2.03 27 %TC a velo 16 % 18.3 6.14 34 %TE a spray 10 % 1.89 0.25 13 %TI a spray 13 % 3.33 0.30 8 %TH a spray 13 % 3.35 0.36 11 %Tabella 3.1: Valor medio di resistivita super iale, deviazione standard e varianza peral uni ampioni di vetri esterni realizzati on diverse te ni he di pittu-ra e quantita di atalizzatore. I vetri TI e TH sono stati dipinti utiliz-zando, rispettivamente, supporti ontenenti un singolo vetro ed otto vetrisimultaneamente.In entrambi i metodi, la quantita di pittura depositata e regolata attraverso la velo ita delnastro mobile; tipi amente si appli ano ir a 100 g/m2. Insieme alle due te ni he, i datiriportati in tabella sono suddivisi an he in base alla quantita di atalizzatore utilizzato.I risultati riportati si riferis ono a misure eettuate una volta terminato il trattamentotermi o ad alta temperatura.In gura 3.9 e rappresentata la varianza dei vetri TI e TH in funzione del valore medio;i quattro gruppi del gra o ri ettono l'ordine on ui i vetri sono stati inseriti nel fornodopo il loro arrivo nei laboratori. Si vede he i primi vetri trattati si sono stabilizzati adun valore di resistivita maggiore. Dal gra o di gura 3.10 risulta he, dopo ir a duesettimane, tale eetto s ompare ed i vetri tendono tutti ad un valore medio asintoti o hedipende es lusivamente dalla quantita di atalizzatore.I dati riportati in tabella 3.1 dimostrano he il metodo di verni iatura \a spray" (il-lustrato an he in gura 3.11) e quello in grado di garantire una maggiore omogeneita distesura della pittura. I vetri utilizzati per la produzione hanno una per entuale di ata-lizzatore del 13 %, e sono trattati termi amente dopo ir a due settimane dalla data dellaproduzione, in a ordo on quanto sopra enun iato.Una volta ultimato il trattamento termi o ad alta temperatura, tutti i vetri devonoessere misurati, per veri are il valore di resistivita super iale e la sua uniformita, primadi venire utilizzati nell'assemblaggio di un MRPC.La misura della resistivita super iale s si ridu e alla misura di una resistenza. Infatti,partendo dalla legge di Ohm in due dimensioni~E = s ~jse dall'espressione per la orrente dI = ~js ~n dl 73

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.9: Varianza in funzione del valore medio di resistivita per i vetri TI e TH,raggruppati se ondo l'ordine del loro trattamento termi o.

Figura 3.10: Andamento del valore medio asintoti o di resistivita dei vetri TI e TH infunzione del giorno, a partire dall'arrivo in laboratorio, in ui e iniziato iltrattamento termi o ad alta temperatura nel forno as iugatore.74

3.3 | Test sui materiali

Figura 3.11: S hema del metodo utilizzato per appli are la pittura resistiva ai vetri ester-ni. Il supporto on lo spruzzatore si muove nella direzione ortogonale almoto del nastro mobile on i vetri. Nelle ultime verni iature eettuate, sie utilizzato un supporto he permette di appli are la pittura a otto vetri ontemporaneamente.si ottiene, onsiderando una regione rettangolare di dimensioni XY :R = VI = R X0 ~E d~xRY0 ~js xdy = R X0 s ~js xdxR Y0 ~js xdy = s RX0 jsdxRY0 jsdy = sXY (3.1)Da questa relazione, si nota he la resistivita super iale ha le dimensioni di una resistenza(viene misurata in = solo per ri ordare he si tratta di una misura bidimensionale). Peruna regione quadrata, la resistenza misurata orrisponde alla resistivita.Questa relazione indi a an he un modo per misurare la resistivita. Il metodo piu sem-pli e onsiste nel realizzare un sensore on due parti onduttive parallele he denis onoun'area quadrata dell'oggetto he si vuole misurare. Appli ando una dierenza di po-tenziale a tali elettrodi e misurando la orrente he passa attraverso la super ie, si puorisalire al valore di resistivita. Le due parti metalli he devono trovarsi ad una distanzapari alla larghezza dell'oggetto, ed essere possibilmente piu lunghe, in modo he non siaabbia un usso di orrente esterno al sensore.L'enorme quantita di vetri resistivi da dover misurare (ogni strip ne essita di quattrovetri di questo tipo) ha reso indispensabile la realizzazione di un sistema he permettesse 75

Controlli di qualita per la produzione di MRPC stripuna misura rapida e semiautomati a, on la possibilita di memorizzare ed ar hiviare i datira olti.Metodo di misuraA questo s opo e stato realizzato il sistema s hematizzato in gura 3.12. Il sensore e osti-tuito da un supporto di plexiglass a base quadrata, di dimensioni 100 100 10mm3; suuna delle sue fa e sono state appli ate due stris e di nastro adesivo di rame, di larghezza13 mm e lunghezza 100 mm. I vetri esterni degli MRPC sono larghi 85 mm, mentre lapittura opre una stris ia interna larga 74 mm, he orrisponde all'area attiva del rivela-tore; il bordo serve ome protezione verso possibili s ari he tra gli elettrodi.Il sensore e ollegato ad un pi oamperometro Keithley 6487, in grado di fornire unatensione in us ita no a 10 Volt e di misurare la orrente he ir ola sul piano on 1pA di risoluzione; questo onsente di misurare la resistivita super iale dei vetri esterni on una pre isione dell'ordine dell'1 %. Tale strumento permette l'interfa iamento on al olatori attraverso lo standard seriale RS232, tramite il quale si possono ontrollare lesue funzionalita in modalita remota. Il software he permette di a quisire i dati dal pi- oamperometro e memorizzarli nella memoria di massa di un al olatore e uno strumentovirtuale implementato on il linguaggio di programmazione visuale LabVIEW della Na-tional Instruments.In gura 3.13 a sinistra si puo vedere una foto della stazione di misura. Per ogni ve-tro vengono eettuate inque misure in punti equidistanti; per evitare he, a ausa dellarugosita del vetro, non i sia un buon ontatto tra lo stesso ed il sensore, viene posto suquest'ultimo un peso da 5 kg. Il sensore viene spostato a mano e posizionato nel puntodesiderato utilizzando un regolo posto sul piano di lavoro. In gura 3.13 a destra e inve eillustrato il pannello frontale dello strumento virtuale, tramite il quale si puo ongurarelo strumento ed eettuare le misure di resistivita; una volta terminate, i dati sono im-mediatamente salvati su le ed inviati ad un database. Dai test su al uni prototipi diMRPC, e risultato he la prestazioni di questi ultimi non variano in maniera apprezzabilein funzione del valore assoluto di resistivita degli elettrodi, se si rimane all'interno di un erto intervallo di a ettanza. E risultato inve e piu importante un buon a oppiamentotra i valori di resistivita delle oppie anodo atodo. In gura 3.14 sono riportati al unirisultati riguardanti test su fas io di parti elle di prototipi di MRPC, eettuati al CERNnel Maggio 2004. An he se la statisti a e molto bassa, si puo vedere he la strip b4, in uigli elettrodi non erano stati s elti simili tra loro, ha un omportamento diverso dalle altrestrip (tutte le strip sono state ostruite on la stessa pro edura di assemblaggio e nellostesso periodo).La s elta dei quartetti per ogni MRPC viene fatta automati amente, utilizzando unsempli e algoritmo he trova il vetro on la migliore uniformita, e poi a oppia ad esso itre vetri he hanno i valori di resistivita, misurati nei inque punti, piu simili a quelli delvetro s elto.76

3.3 | Test sui materiali

V source

Amperometro

LO

LO

HI

HI

Sensore

Figura 3.12: S hema del metodo utilizzato per misurare la resistivita super iale dei vetriesterni.

Figura 3.13: Foto della stazione per la misura della resistivita (a sinistra) e del pannellofrontale (a destra) del programma di a quisizione e memorizzazione dellemisure eettuate. 77

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

0

20

40

60

80

100

120

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14H.V. (kV)

reso

luti

on

(p

s)

strip b6strip b7strip b8strip b3strip b9strip b4

Figura 3.14: Risoluzione temporale di al uni prototipi di MRPC strip misurata su fas iodi parti elle al PS del CERN, durante test eettuati nel Maggio del 2004.Intervallo di a ettanzaLa pittura resistiva e l'elemento he permette di appli are l'alta tensione agli elettrodi.Le pad di pi kup degli MRPC, su ui si genera il segnale, sono paralleli agli elettrodi edisolati da un piano di 0.8 mm di vetronite (lo spessore del PCB); i due elementi sono ina oppiamento apa itivo tra di loro. E importante he il valore di resistivita della pitturaquindi sia abbastanza elevato, in modo he il segnale indotto dal movimento di ari henel rivelatore non si disperda troppo su di esso e non indu a quindi su piu pad di lettura.D'altra parte il valore di resistivita non puo essere troppo elevato: il segnale indotto suipad infatti si s ari a on un tempo he e proporzionale al valore di resistivita del piano.Se si onsidera un elemento di lunghezza dx di un onduttore innito, on resisten-za per unita di lunghezza L e apa ita per unita di lunghezza , otteniamo le seguentiespressioni per:la aduta di potenziale sull'elemento dxU = ILx78

3.3 | Test sui materialila orrente he attraversa la apa ita CI = xUtImponendo la ondizione di ontinuita per la ari a nel onduttore rI = qt , otteniamol'equazione di diusione: Ut = 1L 2Ux2 (3.2)La soluzione dell'equazione dierenziale on ondizioni inizialiq(x; t) = ( Q0 x = t = 0;0 8x 2 (1;+1); t = 0; (3.3)e la distribuzione di ari a q(x;t) valida per t > 0q(x;t) = Q0pr tL expL t x2 (3.4)L'eq. 3.4 fornis e lo strumento adeguato per valutare il giusto valore di resistivita. Ilfattore q tL , dimensionalmente una super ie, denis e l'ordine di grandezza della zonain ui si indu e il segnale, e deve essere inferiore alle dimensioni di una pad, per evitare he la s ari a indu a su piu di una pad. Il tempo L d2, dove d indi a la meta dellalunghezza dell'elettrodo, deve essere inferiore a 100 s, he orrisponde alla frequenza diinterazione per urti ioneione ad LHC. Inserendo per il valore di = ("R"0=l) le dimensionied i materiali spe i i degli MRPC, otteniamo un valore di resistivita ottimale ompresotra 2 e 10 M=.In gura 3.15 sono riportate le misure su 20 vetri del tipo TH; i risultati sono estre-mamente omogenei, on un dierenza tra il valore massimo e quello minimo misurato di1,92 M, pari al 60 % del valore medio del ampione. In gura 3.16 e inve e riportato ilgra o dei valori medi di resistivita per ogni vetro; i dati hanno una dispersione minima, on una varianza dell'11 %.L'ultimo ontrollo sui vetri esterni avviene durante la fase di assemblaggio degli MRPC;si misura, prima di in ollare i vetri alle piazzole metalli he dei PCB, il valore di resistenzatotale ai api di ogni elettrodo. Tale operazione viene ripetuta al termine della ostruzio-ne, per a ertare he non si siano veri ate rotture nei vetri. In un MRPC, l'alta tensioneviene appli ata ad entrambi i api degli elettrodi, osi he an he la rottura in un punto delvetro esterno non pregiudi a il orretto funzionamento del rivelatore; se pero dovesseroveri arsi rotture in piu punti, i potrebbero essere zone del rivelatore in ui il ampoelettri o e notevolmente ridotto. Se, durante questo ultimo ontrollo, un vetro dovessedare un valore di resistenza sensibilmente diverso da quello pre edentemente ottenuto, lastrip viene s artata. 79

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.15: Resistivita super iale della pittura appli ata ai vetri esterni degli MRPC,misurata in inque diversi punti del vetro. Ogni linea orrisponde ad unvetro, per un totale di 20 vetri del tipo TH.

Figura 3.16: Distribuzione della resistivita media dei vetri del tipo TH; il gra o e statoottenuto onsiderando 36 vetri.80

3.4 | Misure dei parametri degli MRPC3.4 Misure dei parametri degli MRPC3.4.1 Misura dell'ampiezza dei gapCome illustrato nel apitolo pre edente, una delle aratteristi he he on orrono alle e - ezionali prestazioni di un MRPC e il fatto he il segnale indotto sulle pad e la sommadi tanti segnali indipendenti; questo garantis e uno spettro di ari a non esponenziale eduna distribuzione dei tempi di arrivo, una volta orretta per eetto di slewing, di tipogaussiano. AÆn he questo avvenga, e ne essario he i gap siano il piu possibili identi i;se infatti un gap fosse piu ampio degli altri, una valanga he si sviluppi al suo internoavrebbe un in idenza dominante su tutte le altre, ed il rivelatore tenderebbe a perderequelle aratteristi he he lo dierenziano da un RPC a singolo gap. L'ampiezza dei gap diun MRPC e quindi un parametro da dover tenere sotto ontrollo, per garantire la perfettafunzionalita del rivelatore.Durante la realizzazione dei prototipi studiati negli ultimi anni, tale operazione veni-va eettuata tramite un mi ros opio otti o on una s ala graduata posta su uno dei dueo ulari; l'intervallo tra due ta he su essive orrisponde a 25 m. La quantita di strip dadover misurare durante la fase di produzione di massa ha imposto, an he in questo aso,lo sviluppo di un sistema di misura automati o. Rispetto al aso pre edente, oltre allane essita di avere un sistema he permetta di eettuare tali misure in maniera sempli e evelo e, si vuole an he eliminare la dis rezionalita introdotta dall'utente in fase di misura.L'apparato strumentale realizzato per misurare in maniera automati a lo spessore deigap e ostituito da un sistema otti o ui e appli ata una amera CCD. Il sistema otti oe ostituito da un dispositivo otti o NAVITAR Zoom 6000, omposto da una lente di at-ta hment 0.5x, uno zoom 6.5X ed una lente adattatri e 0.5x (le spe i he del dispositivosono elen ate in tabella 91); la amera CCD da 1/2 polli e (12.52 mm) ha un'area sen-sibile di 6.35 4.81 mm2, orrispondenti a 1392 1040 pixel eettivi. Il segnale della amera CCD viene a quisito su PC tramite il frame grabber IMAQ 1409 della NationalInstruments, e viene pro essato utilizzando il software LabVIEW. L'idea e di utilizzare le apa ita di questo software di a quisire, ltrare ed elaborare le immagini provenienti dalla amera CCD, per ottenere in maniera automati a la misura delle dimensioni degli oggettida misurare.In gura 3.17 si vede una foto del sistema ideato per misurare i gap. Gli MRPC sonossati a dei supporti, inseriti su di un arrello mobile, posto sotto l'asse del sistema otti o.Tali supporti sono in grado di bas ulare leggermente, per allineare il piano su ui gia ionoi vetri on l'asse otti o del sistema, e sono dotati di una morsa he agis e sui pannelli dihoney omb; le misure vengono eettuate in inque dierenti punti lungo la strip.Il disegno degli MRPC illustrato in questa tesi presenta una aratteristi a notevolmentesvantaggiosa per questo tipo di msure. I vetri esterni infatti sono piu larghi di quelli1N.B. Al momento dell'a quisto, le spe i he dello Zoom 6000 erano state erroneamente indi ate dallaNavitar. In parti olare, il sistema formato dai tre omponenti sopra des ritti, era indi ato garantire unaprofondita di ampo di 7.3 0.80 mm, poi orretta dalla stessa ditta nei valori attuali riportati in tabella9. 81

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.17: Foto del sistema utilizzato per la misura dell'ampiezza delle gap.Navitar Zoom 6000 - 0.5x + 6.5X + 0.5xApertura Limite Dimensione Profondita diNumeri a (N:A:) risolutivo (m) pixel (m) ampo (mm)L. M. H. M. L. M. H. M. L. M. H. M. L. M. H. M.0.01 0.04 28.5 9.4 2.5 5.3 3.66 0.4Tabella 3.2: Spe i he dello Zoom 6000. L. M. signi a Low Magni ation, H. M. HighMagni ation.interni, ir a 5 mm per lato. Per poter osservare distintamente entrambi i bordi, il sistemaotti o deve avere una profondita di ampo, denita appunto ome la distanza entro uil'immagine rimane a fuo o, pari almeno a 5 mm. La profondita di ampo pero res e inmaniera inversamente proporzionale alla risoluzione del mi ros opio. L'apertura numeri a(N:A:) e denita ome la misura dell'angolo solido operto da un'obiettivo. Se e ilsemiangolo di apertura dell'obiettivo, allora N:A: = sen. Il limite no al quale duepi oli oggetti vengono visti an ora separati e la misura del potere di risoluzione di unmi ros opio. Si usa spesso esprimere tale apa ita in unita oppie di linee per millimetro, he rappresenta una misura dell'abilita di un sistema otti o di riprodurre i vari dettaglida un oggetto all'immagine (grado di ontrasto dell'immagine). Il potere risolutivo di un82

3.4 | Misure dei parametri degli MRPCmi ros opio viene approssimativamente al olato ome2Risoluzione in oppie di linee per mm = (3000 N:A:) (3.5)mentre la profondita di ampo ha la seguente dipendenza dall'apertura numeri aProfondita di ampo (mm) = 0:0005=(N:A:)2 (3.6)Esiste quindi un limite si o alla possibilita di avere simultaneamente un potere risolutivoelevato ed una profondita di ampo ampia.Un altro problema emerso durante le prime prove eettuate riguarda l'illuminazione.Come si puo vedere dalla foto di gura 3.18, il bordo dei vetri presenta mi ros heggiature he vengono evidenziate on una lu e troppo intensa, reando problemi al programma hedeve individuare automati amente il bordo dei vetri. Per ridurre tale problema, la solu-zione piu eÆ a e si e rivelata l'illuminazione per diusione da un piano posto sotto gliMRPC. In gura 3.19 e riportata una foto dei gap di un MRPC on tale te ni a di illu-minazione; la foto e stata fatta mettendo a fuo o i vetri interni.I problemi sulla profondita di ampo e sull'illuminazione pongono seri limiti alla pos-sibilita di misurare on pre isione l'ampiezza dei gap. In gura 3.19 infatti, i bordi deivetri esterni sono irri onos ibili. La soluzione migliore, per avere una misura piu pre isa, onsiste nel mettere lo strumento in ondizioni di massima risoluzione, e di posizionare ilpiano fo ale ad una distanza intermedia tra le altezze dei vetri interni ed esterni. In questomodo, il prolo dei vetri non sara visto ome un bordo ripido, ma avra un andamento, infunzione dell'intensita luminosa, ome quello di gura 3.20. Regolando in modo orrettola soglia del programma he deve individuare il bordo, si dovrebbero introdurre menoerrori rispetto al aso in ui si usi una profondita di ampo maggiore, ma una risoluzionepeggiore; in questo aso, la non orretta attribuzione di un pixel puo portare ad errorimaggiori. Un altra possibilita onsiste inve e nell'eettuare due misure distinte, on duedistanze fo ali regolate sulle altezze dei vetri interni ed esterni rispettivamente.Per ovviare a questi problemi, sono stati studiati due metodi indipendenti per la misuradei gap: uno denominato \metodo rettangoli" ed uno \metodo gradiente".Il primo metodo (una immagine del pannello frontale dello strumento virtuale he uti-lizza questa funzione e riportata in gura 3.21) si basa su di una utility di LabVIEW, heri onos e bordi verti ali entro aree rettangolari denite dall'utente. Il al olatore analizzal'andamento dei livelli di grigio; il ontrasto e una funzione he in orrispondenza di ognipixel appartenente ad una retta assume un valore dato dalla dierenza tra l'intensita me-dia dei pixel he lo pre edono e quella dei pixel he lo seguono. Il bordo viene individuatoin orrispondenza del massimo della funzione di ontrasto.Il se ondo metodo inve e pro essa l'immagine a quisita appli ando un ltro gradienteSobel [43, he evidenzia i ontorni di una immagine a partire dall'individuazione di ungradiente di intensita (in gura 3.22 e riprodotta una immagine dei gap di un MRPCelaborata on tale pro edimento). Per ogni regione 3 3 di pixel si veri a la presenza2Il limite risolutivo riportato in tabella 9 e l'inverso di questa grandezza 83

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.18: Foto dei vetri interni di un MRPC, presa on una foto amera digitale edun teles opio otti o. I bordi dei vetri presentano numerose mi rofratture,messe notevolmente in risalto da una illuminazione troppo intensa.di un gradiente e, onfrontando l'intensita del gradiente on un dato valore di soglia, side ide se il pixel entrale appartiene o meno ad un bordo. L'utente s eglie una linea orto-gonale agli spigoli dei vetri, lungo la quale studiare l'andamento dell'intensita luminosa.In orrispondenza dei bordi dei vetri ompaiono dei pi hi di intensita (vedi gura 3.23), el'ampiezza dei gap e al olata valutando la distanza tra i due massimi di pi hi adia enti.In gura 3.24 e riportato un gra o di dispersione tra due ampioni di misure eettuate on i due metodi sopra esposti. I dati indi ano he nessuna delle due te ni he introdu esovrastime o sottostime sistemati he, e he i risultati sono in buon a ordo tra loro.Rimane omunque il problema della denizione di risoluzione dello strumento. Comeveri a e stato misurato, on un mi rometro me ani o digitale da 1 m di risoluzione, lospessore di un ampione di vetri interni, e si e onfrontato il risultato on quello ottenutoutilizzando lo strumento otti o automati o. In gura 3.25 sono riportati i risultati ottenuti on le due misure (in alto on il sistema otti o ed in basso on il mi rometro digitale).Nonostante le misure eettuate on il sistema otti o presentino un erto numero di valorisuperiori ai 420 m, non presente nel gra o in basso, 'e omunque un buon a ordo trai valori medi, e sul fatto he nessuno dei due metodi ha dato risultati sotto i 380 m.Almeno per quello he riguarda le misure eettuate su oggetti posti sullo stesso piano84

3.4 | Misure dei parametri degli MRPC

Figura 3.19: Foto dei vetri interni a quisiti on il sistema automati o, on una illumina-zione ottenuta per diusione da una super ie s ura posta al di sotto degliMRPC. Il piano fo ale e posizionato sul piano ontenente i bordi dei vetriinterni; il bordo di quelli esterni e presso he irri onos ibile.

Figura 3.20: Gra o dell'intensita luminosa in orrispondenza del bordo di un piano. Ef-fettuando misure on risoluzioni troppo basse, ovvero on pixel di dimensionie essive, si possono avere errori piu grandi he utilizzando una imagine piusfo ata, ma regolando in maniera opportuna la soglia del programma diidenti azione del bordo. 85

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.21: Individuazione automati a dei bordi verti ali on LabVIEW. I rettangoliverdi sono quelli deniti dall'utente, mentre le linee rosse rappresentano ibordi ri ostruiti.

Figura 3.22: Immagine dei gap di un MRPC a quisita on il sistema otti o ed elaborata, on un ltro sobel, per mettere in risalto i bordi degli oggetti.86

3.4 | Misure dei parametri degli MRPC

Figura 3.23: Diagramma dell'intensita luminosa al olata lungo una retta di pixel, ap-pli ata ad una immagine elaborata on un ltro sobel ; i massimi dei pi hi orrispondono ai bordi dei vetri.fo ale, il sistema sembra non introdurre eetti sistemati i.Misure e prospettiveDa prove sperimentali eettuate e risultato he le prestazioni degli MRPC non varianosensibilmente per dimensioni dei gap da 220 a 280 m [25. Questi 30 m rappresentanouna tolleranza sull'ampiezza dei gap, riferita pero al aso di gap tutti identi i; all'internodi un MRPC on gap da 250 m, la tolleranza e si uramente minore. Per le ragioni sopraesposte e pero diÆ ile individuare l'esatta risoluzione dell'apparato otti o.Al momento di saldare i pin metalli i (vedere x2.4), vengono posti sulle strip 6 pesi dipiombo di ir a 10 kg ias uno; il lo spaziatore e steso dalla ma hina automati a on unatensione molto bassa, per ui e diÆ ile immaginare qual osa di interno al rivelatore hepossa opporsi alla pressione eser itata dai blo hi di piombo. Inoltre, una volta saldati i pinmetalli i, tutti i vari omponenti della strip non possono piumuoversi. Come lo spaziatoresi utilizza un normale lo da pes a ommer iale il ui diametro, misurato ripetutamente eda uratamente, misura 251 5.7 m. Ciononostante, e omunque importante a ertarsi he le dimensioni dei gap siano tutti entro un pre iso range.Si e quindi de iso di eettuare in ogni aso una serie di misure sui gap degli MRPC; sie abbastanza ondenti, per le pro edure di assemblaggio adottate sopre esposte, e per lemisure eettuate in passato on il mi ros opio otti o, he il numero di gap on dimensioninotevolmente diverse da 250 m sia piuttosto ridotto. Viene preso quindi ome intervallo 87

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.24: Gra o di dispersione dei risultati ottenuti misurando le ampiezze dei gapdi al uni MRPC on i due metodi denominati \rettangolo" e \gradiente".di a ettanza il valore medio del risultato della serie di misure 3; le strip in ui vienetrovato un gap on ampiezza al di fuori di tale intervallo sono s artate.Il gra o di gura 3.26 riporta le misure dei gap interni eettuate su 4 prototipi diMRPC, realizzati nell'Ottobre del 2003, on entrambi i metodi. I dati sono distribuiti onun andamento he si approssima molto bene ad una urva gaussiana, on un valore mediodi 250 m ed una sigma di 5,4 m. La pro edura di assemblaggio di tali rivelatori sidis osta da quella adottata in produzione per il fatto he il peso appli ato alle strip, in fasedi saldatura, era di 40 kg. In gura 3.27 e inve e riportata la stessa misura eettuata su4 MRPC della produzione; la distribuzione e an ora di tipo gaussiano, ma i valori (media= 242,4 m) sono inferiori rispetto alle dimensioni del lo misurato on il mi rometrodigitale. In base a quanto detto in pre edenza, deniamo il nostro intervallo di a ettanzaa 242 18m.In gura 3.28 sono inve e riportati i risultati delle misure riferite ai gap esterni; lemisure sono state eettuate on due messe a fuo o dierenti per i due vetri. I dati indi anouna sistemati a sottostima del valore \vero", in quanto e diÆ ile pensare he tali gap sianoeettivamente diversi dagli altri, per i motivi sopra esposti.Al momento, il metodo illustrato puo essere utilizzato orrettamente solo per i gapinterni. Sono in fase di approfondimento l'utilizzo di strumenti otti i di altre mar he, undiverso tipo di software non he te ni he di ispezione alternative.88

3.4 | Misure dei parametri degli MRPC

Figura 3.25: Confronto tra le misure di spessore dei vetri interni eettuate on il sistemaotti o realizzato in laboratorio (in alto) e on un mi rometro digitale on 1m di risoluzione (in basso).89

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.26: Misure delle ampiezze dei gap interni per al uni prototipi di MRPC realizzatidurante l'autunno 2003.

Figura 3.27: Misure delle ampiezze dei gap interni per al uni MRPC della produzione.90

3.4 | Misure dei parametri degli MRPC

Figura 3.28: Misure delle ampiezze dei gap esterni per al uni MRPC della produzione.3.4.2 Test di impulsaggioSu ogni MRPC strip devono essere eettuate 1664 saldature, he orrispondono ai pinmetalli i utilizzati per trasportare il segnale atodi o sul PCB entrale, ed ai onnettoriper i avi segnale (in gura 3.29 e riportata una foto in ui si possono vedere al une diqueste saldature). Per veri are lo stato di tali saldature, e per ontrollare he non i sianoerrori di fabbri azione sui PCB, e stata inserita nel disegno di questi ultimi una pista di50 di impedenza (foto in gura 3.30), tramite la quale e possibile impulsare dall'esternodei segnali direttamente sulle singole pad del rivelatore.Lo s opo di tali prove e essenzialmente quello di indurre un segnale su tutte le paddi un MRPC, e di andare a vedere se ompare il orrispondente segnale in us ita dai onnettori. In gura 3.31 e riportata una immagine a quisita on un os illos opio, in uisi vedono l'impulso generato on un impulsatore (la linea verde s uro) e due segnali (lineeverde e nera) orrispondenti a due pad di un MRPC; i segnali sono presi in us ita dalles hede di interfa ia. In gura, l'assenza di segnale per la linea nera puo indi are unmalfunzionamento della pad, del avo at he trasporta il segnale dalla strip alla s hedadi interfa ia, o della stessa s heda (questo malfunzionamento e stato simulato sta andoil avo segnale dalla strip).Per eseguire queste prove si e de iso di utilizzare uno strumento he fosse in grado da solodi impulsare gli MRPC, a quisire ed analizzare i segnali in us ita e memorizzare su lesi risultati ottenuti. Il sistema realizzato onsiste in un modulo PXI1052 della NationalInstruments, he e uno strumento versatile e ompatto, in grado di gestire segnali di 91

Controlli di qualita per la produzione di MRPC stripI/O sia analogi i he digitali; questo strumento e dotato di un pro essore interno, su uie stato installato il sistema operativo Windows XP, e al uni tra i piu diusi standardindustriali di omuni azione e gestione di strumenti elettroni i (tra ui seriale RS232,USB e GPIB). Gli MRPC sono impulsati utilizzado una terminaliera a li SCB68 dellaNational Instruments, gestita dal PXI1052, ed un avo LEMO da 50 di impedenza. Isegnali in us ita dalle strip vengono a quisiti ed analizzati tramite il software LabVIEW,preinstallato sul PXI1052. In gura 3.32 si possono vedere una foto del modulo PXI1052 (in alto), una fase del test (a sinistra) ed una immagine del pannello frontale delprogramma realizzato on LabVIEW (a destra), he permette di valutare l'eÆ ienza dirisposta di ias una pad. Durante tali prove vengono inviati 100 segnali, in 10 se ondi, suquattro onnettori ontemporaneamente, orrispondenti a 12 pad del rivelatore; l'eÆ ienzae denita ome il numero di segnali in us ita rispetto al numero di segnali impulsati per ias una pad. L'operazione e ripetuta per tutte le 96 pad di ogni MRPC strip. Le proveeettuate sulle prime 60 strip della produzione hanno fornito una eÆ ienza del 100 %per ogni pad misurata, non indi ando quindi nessun problema o malfunzionamento deirivelatori.Questa operazione di ontrollo verra eettuata an he sui moduli del TOF, per veri arela funzionalita di tutti i anali. Per fare io, su ogni modulo sono stati montati tre onnettori LEMO, sul pannello di honey omb he delimita le due zone del modulo; isegnali verranno poi ripartiti in modo da servire tutte le strip presenti nel modulo.L'insieme di questi a orgimenti onsentira il ontrollo dell'intera atena di readout delTOF di ALICE, he omprende i avi at dagli MRPC alle s hede di interfa ia, i analidella s heda di FE, i avi tra tale s heda ed i TDC ed inne i anali di questi ultimi.

Figura 3.29: Parti olare delle saldature presenti su un MRPC.92

3.4 | Misure dei parametri degli MRPC

Figura 3.30: Parti olare di un MRPC in ui si vede la pista utilizzata per le prove diimpulsaggio.

Figura 3.31: Immagine a quisita on un os illos opio LeCroy, in ui si vedono il segnaleimpulsato sugli MRPC (verde s uro) e due segnali in us ita dalle pad. Ilmalfunzionamento indi ato dal segnale nero e stato simulato rimuovendo il avo at he porta i segnali dal rivelatore all'elettroni a di FE.93

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.32: Test di impulsaggio sugli MRPC. In alto: il modulo PXI1052 della NationalInstruments utilizzato per impulsare un segnale sulle pad dei rivelatori eper a quisirne la risposta. In basso a sinistra: una fase della misura. Ilnumero di anali a disposizione sulla terminaliera a li SCB68 permettedi a quisire ontemporaneamente i segnali di 12 pad. In basso a destra:immagine del pannello frontale del programma realizzato on il softwareLabVIEW, tramite il quale si eettuano le misure.I moduli presenti nel rate ai bordi dei supermoduli onsentono di generare segnali on una ampiezza massima di 3 V; una volta ripartiti, on un sempli e partitore passivorealizzato in modo da uguagliare l'impedenza vista da ias una us ita, i segnali avrannouna ampiezza al minimo di 0.5 V. La gura 3.33 riporta una prova eettuata in laboratorioper veri are he, on un segnale in ingresso di una tale ampiezza, si ries a ad ottenereun segnale in us ita dalle s hede di FE; i segnali presi on l'os illos opio rappresentanoil segnale impulsato on l'impulsatore (la linea s ura) e quello, in logi a LVDS, in us itadalla s heda di FE (la linea viola).94

3.4 | Misure dei parametri degli MRPC

Figura 3.33: Immagine a quisita on un os illos opio LeCroy, in ui si vedono il segnaleimpulsato sugli MRPC (verde s uro), ed il segnale, in logi a LVDS, in us itadalla s heda di elettroni a di frontend (viola).3.4.3 Test di alta tensione in ariaL'ultima veri a he viene eettuata su un MRPC serve ad a ertarsi he non i sianoproblemi ma ros opi i legati ad eventuali attivi isolamenti di parti elettri he, he potreb-bero portare a s ari he nelle strip. Data l'impossibilita, per motivi soprattutto temporali,di provare tutte le strip in gas alla tensione di lavoro di 6.5 kV, si e s elto di appli areuna minore tensione al rivelatore in aria, monitorando la orrente assorbita dagli MRPCper i diversi voltaggi. Per evitare di danneggiare in qual he modo le strip on questaoperazione, si de ide di appli are una tensione no ad un massimo di 3 kV, per po himinuti. Alla ne vengono a ettate le strip he non mostrano una orrente superiore a ir a 1 A. Gli MRPC he dovessero avere un valore di orrente troppo elevato, vengonomessi in standby per essere in futuro nuovamente provati in ondizioni di lavoro standard,e ioe in gas e no a tensioni di 6.5 kV.Per fornire l'alta tensione alle strip si usa un alimentatore CAEN SY3527 (gura 3.34a sinistra), on 20 nA di risoluzione, he e gestibile dal programma di omuni azioneHyperterminal di Windows. Il SY3527 e ollegato tramite un avo nullmodem alla portaseriale del modulo PXI1052, he in questo aso viene utilizzato ome sempli e al olatore.Per rendere tali prove realmente aÆdabili, le pad degli MRPC non devono esserelas iate elettri amente uttuanti, ma devono essere onnesse a massa, in modo da veri are he non i sia un usso di orrente da uno degli elettrodi verso le pad. Le strip sonoaggan iate al oper hio di una box di metallo (gura 3.34 a destra), in ui sono inserite le 95

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.34: Foto del modulo CAEN SY3527 utilizzato per fornire tensione agli MRPCdurante le prove di alta tensione (a sinistra) e di una strip atta ata al oper hio metalli o on le s hede di interfa ia, utilizzato in tali prove permettere le pad dei rivelatori a massa on l'alimentatore (a destra).s hede di interfa ia. Su tali s hede, tutte le pad sono ollegate, tramite delle resistenzeda 1 M, alla massa del oper hio he, a sua volta, e posto al ground dell'alimentatoreattraverso i avi di alta tensione.In gura 3.35 sono riportati i risultati su 15 strip della produzione, in funzione dellatensione appli ata: la linea rossa orrisponde alla orrente assorbita dal atodo, mentrequella blu dall'anodo. In gura 3.36 gli stessi risultati sono rappresentati in istogrammi.Le due s hede di alimentazione hanno una rumorosita diversa; mentre i anali del modulopositivo indi ano sempre una orrente nulla quando non viene fornita tensione, i analidel modulo negativo hanno valori tra i 0.02 ed i 0.06 A. I risultati riportati nel gra odimostrano he i rivelatori assorbono una orrente inferiore a 0.1 A.3.5 Prove sui moduli del TOFUna volta superati tutti i ontrolli, le strip vengono sistemate in appositi spazi all'inter-no della amera pulita, in attesa di essere inserite nei moduli del TOF di ALICE. Taleoperazione verra eettuata all'interno della amera pulita stessa, in modo tale he le strip96

3.5 | Prove sui moduli del TOF

Figura 3.35: Corrente assorbita in funzione della tensione appli ata, misurata su 15 MR-PC della produzione. I anali della s heda negativa, su ui si misura la or-rente assorbita dal atodo, indi ano, an he a zero tensione, valori ompresitra i 0.02 ed i 0.06 A.possano rimanere sempre in un ambiente pulito, preservando le loro funzionalita.Sono state elaborate una serie di prove da eettuare an he sui moduli del TOF; al unedi esse sono gia state appli ate ai prototipi di moduli realizzati negli s orsi anni. Le proveriguarderanno i seguenti punti:- ontrollo di ontinuita sul rivestimento metalli o esterno, per assi urarsi he il mo-dulo sia eettivamente una gabbia di Faraday;- test di impulsaggio di tutti gli MRPC all'interno del modulo, per veri are he non i siano stati errori nell'inserimento dei avi at sul rivelatore o sulla s heda diinterfa ia;- prova di tenuta di gas del modulo. La prova e onsiderata rius ita se il modulo perdemeno di 1 2 mb/ora se tenuto ad una sovrapressione di 5 mb;- prova di alta tensione. Viene appli ata una tensione di 3 kV a tutti gli MRPCin aria all'interno del modulo, per vedere se si dovessero presentare orrenti tra irivelatori ed la massa del modulo, o addirittura s ari he.Dopo queste prove, i moduli verranno inviati al CERN dove, prima di essere installatisullo spa e frame di ALICE TOF, ognuno di loro sara studiato on i raggi osmi i in unastruttura appositamente allestita. 97

Controlli di qualita per la produzione di MRPC strip

Figura 3.36: Corrente assorbita misurata su 15 MRPC della produzione. I anali dellas heda negativa, su ui si misura la orrente assorbita dal atodo, indi ano,an he a zero tensione, valori ompresi tra i 0.02 ed i 0.06 A.98

Capitolo 4Test sugli MRPC della produzione4.1 Prova su fas io al PS del CERNNel Luglio del 2004 un ampione di 18 MRPC strip della produzione e stato portato alCERN, per essere misurato on un fas io di parti elle ari he. Le prove sono state eettua-te nella zona sperimentale T10 della East Hall, usando un fas io di parti elle ari he ( e) estratte dal PS, on impulso di 7 GeV/ . Gli MRPC sono stati inseriti in ontenitoridi alluminio, in modo da poterli mantenere immersi nella mis ela di gas e per s hermarlidal rumore elettromagneti o presente nella zona sperimentale; le s hede di interfa ia sonostate inserite direttamente sui oper hi dei ontenitori. La box, ontenente 5 strip, e stataposizionata su di un supporto posto lungo l'asse del fas io, ed ortogonale ad esso; in questomodo tutte e inque le strip possono essere misurate ontemporaneamente. Il supportome ani o e azionato da motori he permettono di muoverlo dall'interno della sala di on-trollo, e onsentono quindi di posizionare i rivelatori, on una pre isione millimetri a, sulfas io.In queste prove, oltre alla misura dell'eÆ ienza e della risoluzione temporale degliMRPC, si e voluta provare an he l'intera atena di lettura he verra utilizzata in ALICE, omprendente la s heda di frontend on il hip ASIC e l'us ita in logi a LVDS, i avisegnale Amphenol e le s hede di TDC on gli HPTDC.L'area sperimentale, s hematizzata in gura 4.1, omprende la seguente serie di rive-latori: un pi olo MRPC a singola pad (5 gap da 230 m) di 10 m2 di area, postoimmediatamente dopo l'us ita del fas io dai magneti ollimatori, he agis e omepretrigger ; tre rivelatori tra ianti (TC1, TC2, TC3) ostituiti ognuno da due piani (1020 m2)di stris e on 4 mm di passo, posizionati lungo la direzione di volo del fas io, unaavanti e due dietro il supporto mobile on gli MRPC. Il ompito di tali rivelatori equello di ri ostruire il prolo trasversale del fas io, on una pre isione di ir a 1 mmin entrambe le direzioni; 99

Test sugli MRPC della produzioneStart chamber

I tracking chamber

S1S2S3S4P3P4

5 MRPC box

II tracking chamber

P1P2

III tracking chamber

single MRPC box

0 cm23233895275510211648188

Distanze relative tra i rivelatori all’interno

della zona sperimentale T10Figura 4.1: Disposizione dei rivelatori all'interno dell'area sperimentale T10 alla East Halldel CERN, utilizzata per le prove degli MRPC su fas io di parti elle. due oppie (P1P2 e P3P4) di s intillatori di forma rettangolare, disposti a ro e inmodo da denire un'area rispettivamente di 11 m2 e 22 m2. Le due oppie sonodisposte una avanti e una dietro la box on gli MRPC; la loro oin idenza fornis e iltrigger all'a quisizione e lo STOP agli HPTDC; due s intillatori velo i (2210 m3) equipaggiati ognuno on due fotomoltipli atori(S1S2, S3S4), he fornis ono il riferimento temporale per il al olo della risoluzionetemporale.I segnali provenienti dai fotomoltipli atori S1, S2, S3 ed S4 sono in parte inviati a degliADC CAMAC LRS 2249W, ed in parte dis riminati tramite Constant Fra tion Dis ri-minator, per avere un tempo piu a urato, ed inviati al rate VME ontenente le s hede on gli HPTDC, utilizzate an he per gli MRPC. Lo STOP ai TDC ed il GATE agli ADCviene fornito dal pretrigger, mentre l'avvio alla a quisizione e dato dalla oi idenza deiquattro s intillatori P1, P2, P3 e P4.I segnali in us ita dalle s hede di FE vengono inviati agli HPTDC, he operano inmodalita di STOP omune; questo onsente di avere avi non e essivamente lunghi tra ilrivelatore e l'elettroni a di readout.4.1.1 Metodologia di analisiOltre he per funzioni di trigger, le informazioni provenienti dai vari rivelatori presenti nellazona sperimentale vengono utilizzate per monitorare il prolo trasversale e l'intensita delfas io, e per eettuare tagli di pulizia generali sugli eventi. I seguenti tagli sono appli atia tutti i dati:100

4.1 | Prova su fas io al PS del CERN1. per poter valutare la risoluzione temporale degli MRPC sotto studio, e ne essarioavere un tempo di riferimento dato da un altro rivelatore presente nel setup, in mododa eliminare l'indeterminazione sullo STOP dei TDC; ome riferimento si utilizzala media dei tempi dei quattro fotomoltipli atori S1, S2, S3 ed S4. Per ottenere unriferimento temporale estremamente pre iso, si rigettano gli eventi he, negli spettridi ADC di ias un fotomoltipli atore, hanno un valore nelle ode delle distribuzioni(si rigettano il 5 % degli eventi a piu basso ADC ed il 10 % a piu alto). Con questitagli, la risoluzione temporale della media dei quattro tempi e di ir a 30 ps;2. vengono rigettati gli eventi on piu di un luster in almeno uno dei sei piani delle amere tra ianti;3. ogni amera tra iante fornis e informazioni nelle due direzioni perpendi olari al-l'asse del fas io, tramite le quali vengono ri ostruite le tra e di tutte le parti elle.In questo modo e possibile ri ostruire il prolo trasverso del fas io nel piano in uisi trovano gli MRPC; gli eventi he si trovano al di fuori di 2 dal valore mediodelle distribuzioni, in entrambe le direzioni ortogonali all'asse del fas io, vengonorigettati.Per la maggior parte dei test, il fas io (di po hi mm2 di area) e stato posizionato al entrodelle pad he si desiderava studiare; le prove hanno riguardato prin ipalmente la misuradell'eÆ ienza e della risoluzione temporale degli MRPC per piu pad e per dierenti valoridella tensione appli ata, in modo da valutare l'uniformita tra le varie pad di ogni MRPCe tra i vari rivelatori del ampione. L'eÆ ienza si al ola a partire dallo spettro di TDCdi ogni singola pad, ed e denita ome il numero di segnali arrivati in un intervallo di 3ns attorno al valore medio della pad, sul numero totale di eventi he sono sopravissuti aitagli sopra elen ati. L'errore sulla stima dell'eÆ ienza e al olato ome: = pn (1 )n (4.1)dove e l'eÆ ienza del rivelatore ed n e il numero di eventi totali.Per poter ottenere una misura migliore della risoluzione temporale di un MRPC, ene essario orreggere i tempi di arrivo misurati per l'eetto di timeslewing. Tale eettosi origina in fase di dis riminazione del segnale, e rappresenta il jitter temporale aggiuntivodovuto al fatto he segnali di ampiezza minore inter ettano la soglia del dis riminatore,presente nelle s hede di FE, piu tardi rispetto a segnali di ampiezza maggiore (a paritadi tempo di passaggio della parti ella). Per eettuare tale orrezione, non disponendo diADC per gli MRPC, si utilizza, ome misura dell'ampiezza del segnale, il tempo in uilo stesso rimane al di sopra della soglia (TOT). In gura 4.2 in alto, e rappresentata la orrelazione tra i tempi di arrivo del segnale, a ui e stato sottratto ome riferimento lamedia dei quattro fotomoltipli atori S1, S2, S3, S4 t0 = t (tS1 + tS2 + tS3 + tS4)=4,misurato dagli HPTDC, ed il valore di TOT.La orrezione si eettua suddividendo lo spettro di TOT (gura 4.2 in basso) in tanti 101

Test sugli MRPC della produzione

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

14 14.5 15 15.5

Time (ns)

Time Over Threshold (ns)

0

50

100

150

200

14 14.5 15 15.5

Time Over Threshold (ns)Figura 4.2: In alto: andamento dei tempi di arrivo degli MRPC, sottratta la media dei 4fotomoltipli atori, in funzione del tempo in ui il segnale e rimasto al di sopradella soglia del dis riminatore (TOT). In basso: spettro di TOT per una paddi un MRPC.102

4.1 | Prova su fas io al PS del CERN

0

50

100

150

200

250

300

-1 -0.5 0 0.5 1

Entries 2070

Constant 258.9Mean -0.7559E-01

Sigma 0.7766E-01

Time (ns)

entr

ies/

25ps

050

100150200250300350400

-1 -0.5 0 0.5 1

Entries 2070Constant 344.4

Mean -0.2288E-02

Sigma 0.5895E-01

Time (ns)

entr

ies/

25ps

(a)

(b)

Figura 4.3: Distribuzione dei tempi di arrivo di una pad prima (a) e dopo (b) la orrezioneper eetto di time slewing.intervalli on un uguale numero di eventi ( 50); per ognuno di questi intervalli si al olala media dei tempi di arrivo, on la relativa dispersione, dopodi he si er a una funzione he possa approssimare l'andamento di tali valori medi in funzione del TOT. In questeprove si e er ato di valutare nel miglior modo possibile le prestazioni degli MRPC. Si ede iso quindi di utilizzare, ome funzione di orrezione per l'eetto di slewing, un metodo he assi urasse la migliore interpolazione dei dati, indipendentemente dalla possibilita diutilizzare lo stesso metodo nel orso dell'esperimento. Il metodo migliore per perequareuna serie di dati onsiste nell'utilizzare le smoothing spline ome funzioni di orrezione.Una smoothing spline ubi a [44 e una funzione omposta da (n 1) tratti di polinomialidi terzo grado, dove n e il numero di punti he ompongono la serie, ontinua e onle derivate prime e se onde ontinue nei punti di ra ordo; essa e denita ome l'uni a 103

Test sugli MRPC della produzione

0

20

40

60

80

100

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5

High Voltage (kV)

Effi

cien

cy (

%)

20

40

60

80

100

120

140

11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5

High Voltage (kV)

Res

olut

ion

(ps)

Figura 4.4: EÆ ienza (in alto) e risoluzione temporale (in basso), in funzione dellatensione appli ata, misurata per 76 pad di 18 diversi MRPC.104

4.1 | Prova su fas io al PS del CERNfunzione f he minimizza la quantitanXi=1 yi f(xi)wi 2 + Z 11(f 00)2dx (4.2)dove, nel aso spe i o, yi sono i valori medi dei TDC ri avati in pre edenza, wi sono ledeviazioni standard, f 00 e la derivata se onda della funzione e 2 [0; 1 e il parametrodi smoothness he ri ette l'importanza da dare ai due ontrastanti obiettivi di rimanerevi ini ai punti yi e di avere una funzione \dol e"; infatti, per = 0 si ottiene la splineinterpolatri e, ovvero una funzione he interpola esattamente tutti i punti, mentre per =1 si trova ome soluzione una linea retta. L'algoritmo utilizzato per il al olo della splinepermette di individuare automati amente, dagli errori sui punti da perequare, il valoremigliore per il parametro .In gura 4.3 sono riportate due distribuzioni he rappresentano, rispetivamente, i tem-pi di arrivo del segnale di una pad prima (in alto) e su essivamente alla orrezione perslewing (in basso). Una volta determinata la funzione di orrezione f(TOT ), ogni tempomisurato t0 viene orretto ome t orr = t0f(TOT ); questo e il motivo per ui la distribu-zione dei tempi orretti e entrata a zero (la distribuzione dei tempi non orretti e stataTest di stabilita’ e di errore sulla risoluzione temporale

0

1

2

3

4

5

6

7

8

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

funzione di fit y2 = res2/(2N) + (Esist)2

N. eventi ’after cuts’

RUN 5000 ev

Figura 4.5: Stima dell'errore da asso iare alle misure di risoluzione temporale ottenuteal T10. I punti rappresentano le deviazioni standard dei valori ottenuti indiversi run, e sono rappresentati in funzione del numero di eventi di ias unrun. 105

Test sugli MRPC della produzionearbitrariamente entrata a zero per rendere piu sempli e un raronto tra le due distribu-zioni). Lo spettro dei tempi t orr e molto ben approssimabile on una urva gaussiana; larisoluzione temporale di una pad e presa ome la deviazione standard della urva gaussia-na interpolante. A questo valore deve essere inne sottratto in quadratura la risoluzionetemporale del riferimento MRPC =q2t orr 2S1;S2;S3;S4; tale valore viene misurato perogni run di presa dati, e vale in media 30 ps. I gra i in gura 4.3 si riferis ono ad unarisoluzione non orretta di ir a 70 ps e orretta di ir a 50 ps. Questo valore ompren-de an he l'indeterminazione della s heda di FE ( he in media vale 20 ps per anale) edell'HPTDC.4.1.2 RisultatiIn gura 4.4 sono riportate le misure di eÆ ienza e di risoluzione temporale, in funzionedella tensione appli ata, per i 18 MRPC studiati, al olati su di un totale di 76 pad. Idati sono stati presi ad intervalli di 500 V, e on run di ir a 5000 eventi. Si puo vedere he il gino hio della urva di eÆ ienza e raggiunto molto prima del punto di lavoro, hepuo essere s elto a 13.5 kV, in modo da ottimizzare la risoluzione temporale. Gia ad unatensione di 12.5 kV tutte le pad hanno un'eÆ ienza superiore al 95 %, e sono prossimeal 100 % per valori di tensione superiori; gli errori sulle misure sono all'interno delladimensione del punto. I valori orrispondenti alla risoluzione temporale indi ano, oltrea valori assoluti e ellenti, una ottima uniformita tra strip diverse, on una dispersionemassima, alla tensione di lavoro di 13.5 kV, di 20 ps, e on (valore massimo valoreminimo)/(valore medio) = 40 %. Gli errori sulla misura della risoluzione non sono statiriportati per non appesantire la gura. La loro entita pero puo essere stimata ome=pNeventi, poi he la risoluzione e al olata ome la sigma di una distribuzione gaussiana,piu un errore sistemati o da valutare. Per onos ere l'ordine di grandezza di tale errore si epro eduto nella seguente maniera: sono stati presi diversi run in ondizioni identi he, ma on un diverso numero di eventi. Per ognuno di questi si e al olata la risoluzione temporalee gra ata la sua dispersione in funzione del numero di eventi del run. In gura 4.5 sonorappresentate tre urve appartenenti a tre MRPC, in ui si vede he l'andamento delledeviazioni standard dei valori di risoluzione ottenuti e parametrizzabile on un funzioney =q2=2Nev + 2sist. I risultati ottenuti indi ano he on 5000 eventi siamo gia sul valoreasintoti o. An he onsiderando ome errore sistemati o 3 volte questo valore, otteniamoun errore di 6 ps per ogni misura.In gura 4.6 sono riportati i valori di eÆ ienza e di risoluzione temporale misuratialla tensione di lavoro di 13.5 kV. In entrambi i asi i risultati ottenuti sono ottimi, onun'eÆ ienza di oltre il 99.9 % per tutte le pad, ed una risoluzione temporale intorno ai50 ps. In parti olare, i dati riguardanti la risoluzione temporale indi ano un altissimogrado di uniformita, sia all'interno dello stesso MRPC he dell'intero ampione, on unavarianza spe i a = < tres > 11 %.106

4.1 | Prova su fas io al PS del CERN

0

5

10

15

20

25

30

35

95 96 97 98 99 100 101

Entries

Mean

RMS

76

99.94

0.6605E-01

Efficiency (%)

entr

ies/

0.06

%

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 20 40 60 80 100 120 140

Entries

Mean

RMS

76

48.20

5.437

Resolution (ps)

entr

ies/

2 ps

Figura 4.6: EÆ ienza (in alto) e risoluzione temporale (in basso) misurate per 76 pad di18 diversi MRPC alla tensione di lavoro di 13.5 kV.107

Test sugli MRPC della produzione4.2 Misure sugli MRPC on i raggi osmi iPer ontrollare lo stato della produzione, un ampione di inque strip ogni ir a 30 rea-lizzate, s elte a aso tra quelle presenti in laboratorio, verra misurato on i raggi osmi iutilizzando una stazione appositamente realizzata nei laboratori INFN a Bologna. La sta-zione ha preso dati per tutto il 2004 on prototipi di MRPC pre edentemente misurati sufas io al CERN, allo s opo di ottimizzare sia il setup hardware he le pro edure di analisi.4.2.1 La stazione per raggi osmi iIl teles opio onsiste in 5 MRPC strip disposte orizzontalmente una sull'altra, on i pianiparalleli tra loro (g. 4.7). Le strip sono montate all'interno di una box di alluminio didimensioni 129 48 21 m3 (la stessa utilizzata per i test al CERN) visibile in gura4.8, he serve ome supporto per i rivelatori, per mantenerli immersi in una opportunamis ela di gas e ome gabbia di Faraday ontro il rumore elettromagneti o presente nellaboratorio. Il oper hio della box e an orato on delle viti ad un trali io metalli o, rea-lizzato on prolati ad estrusione in alluminio dall'oÆ ina me ani a della sezione INFNdi Bologna, e he ostituis e la struttura portante della stazione. Le strip sono ssate al oper hio on dei supporti di plexiglass (gura 4.10), su ui si trovano an he i distributori he portano l'alta tensione ai rivelatori; il fondo della box quindi e libero e puo essererimosso fa ilmente per eettuare ontrolli sulle strip, oppure sostituirle.I segnali degli MRPC vengono ampli ati e dis riminati da s hede di frontend mon-tate direttamente sulla box metalli a. Le s hede di FE attualmente in uso nella stazioneutilizzano preampli atori ommer iali a transimpedenza MAXIM 3760 [25, hanno 12 anali di I/O e fornis ono in us ita informazioni sulla leading edge e sulla trailing edgedell'impulso, in logi a ECL, e sulla sua ampiezza. I segnali es ono dagli MRPC su dei avi at e arrivano alle s hede di FE tramite s hede di interfa ia montate sul oper hio dellabox (gura 4.8 e 4.10).Tutte le informazioni ne essarie al trigger, tra iamento e per il al olo dell'eÆ ienzae risoluzione temporale delle strip sono ri avate dagli stessi MRPC, senza l'ausilio di nes-sun altro rivelatore esterno al teles opio. Le s hede di FE sono munite di un'us ita herappresenta l'OR di tutti i 12 anali e he viene inviata ad una programmable logi unit,in un rate CAMAC. Tale unita e programmata per segnalare la oin idenza di almenoquattro segnali, ondizione indispensabile per il al olo dell'eÆ ienza. Da qui, due segnalivengono inviati ad una dual timer he genera i segnali di GATE e CLEAR per gli ADCCAMAC CAEN C205, mentre un altro fornis e lo STOP ai TDC VME CAEN V775; iTDC hanno una risoluzione per anale pari a 35 ps, e funzionano in modalita di STOP omune.Il readout viene fatto tramite un PC Linux on una s heda PCI-VME, e on il pro-gramma di a quisizione DATE[45.108

4.3 | Analisi dei dati

Flat cables Plexiglasspanel

Gas IN

Gas OUT

Leading and Trailing Edge toTDC, Pulse Height to ADC

FE electronics

HV connectors anddispenser

Low Voltage+5V, -5V, +2V, GND

strip 1

strip 2

strip 3

strip 4

strip 5

Figura 4.7: Disposizione delle MRPC strip (visione frontale e laterale) he ostitus ono ilteles opio per raggi osmi i realizzato nei laboratori INFN di v.le BertiPi hata Bologna.4.3 Analisi dei dati4.3.1 Tra iamentoLa prima parte dell'analisi omprende la selezione degli eventi e la ri ostruzione delle tra-iettorie delle parti elle in identi. Si inizia denendo ome 'buono' un segnale on un valoredi ADC superiore al pedestallo e on un tempo di arrivo ompreso entro 3 deviazionistandard dal valore medio. A questo punto si impone, per il al olo dell'eÆ ienza, healmeno 4 strip abbiano dato un segnale buono, mentre per il al olo della risoluzione tem-porale tale ondizione deve essere estesa a tutti e 5 gli MRPC del teles opio. Per potereettuare tali tagli ad ogni run di presa dati, e per ogni strip, si al olano, ome preana- 109

Test sugli MRPC della produzionelisi, gli spettri di pedestallo e le distribuzioni temporali di tutte le pad, onsiderando soloeventi verti ali ( orrispondenza tra le pad di tutte le strip). Se si onsidera il aso del al olo della risoluzione temporale, questo sempli e taglio preliminare obbliga a rigettareoltre il 50% degli eventi a quisiti (tabella 4.1). Unitamente al basso rate di raggi osmi i, io determina tempi di presa dati piuttosto lunghi per ra ogliere suÆ iente statisti a, onrun di oltre una settimana di durata.A questo punto, per ogni strip, vengono prese due informazioni: la pad he presenta ilvalore di ADC maggiore, onsiderata ome quella attraverso la quale e passata la parti el-la ionizzante, e la posizione `teori a' in ui essa e transitata, ri avata ome media pesatatra i entri delle pad `a ese' (nella stessa strip) on i loro valori di ADC. Consideratoil basso valore di moltepli ita, gran parte degli eventi viene erroneamente ri ostruito al entro delle pad ; questo rappresenta il limite intrinse o al potere tra iante del teles opio.Per assi urare l'uni ita della parti ella in idente, si impone he almeno una strip abbianon piu di 4 pad a ese, tangenti una all'altra.Ottenute in questo modo 5 oppie di oordinate (xi; yi), si prati a un t 2 lineare pertrovare i punti `reali' in ui la parti ella ha attraversato le strip; se tali punti si trovanotutti all'interno delle pad selezionate, l'evento viene onsiderato ri ostruito e quindi a et-tato.Nella tabella 4.1 sono riportate la per entuale di eventi he sopravvivono ai tagli e lamoltepli ita media per strip. Da tali valori puo gia essere estratto un primo risultato: ilvalore di moltepli ita medio per strip e di 1.13, he oin ide on la probabilita di doppiohit ( 13%) ri avata nei test su fas io di parti elle al PS del CERN (in gura 4.9 sono ri-portati due gra i he illustrano tali misure), dove pero tale valore e stato estrapolato, perdue pad attigue, da misure fatte in diverse posizioni lungo una pad, ma mai illuminando ompletamente la sua super ie.tagli eventi per entuale eventi moltepli itaresidui ai tagli media MRPCtutti glieventi 186016 100 2.1almeno 1 hitper ogni strip 72181 38.8 1.7almeno 1 hit'buono' per ogni strip 61648 33.1 1.2uni itatra ia 61617 33.1 1.2eventori ostruito 47733 25.7 1.1Tabella 4.1: EÆ ienza di selezione per l'algoritmo di ri ostruzione delle tra e (RUN6393)110

4.3 | Analisi dei dati

Figura 4.8: Vista degli elementi he ompongono il teles opio per raggi osmi i: boxmetalli a, s hede di FE, alimentatori LV ed HV, rate CAMAC e VME.4.3.2 Risoluzione temporaleUna volta eettuato il tra iamento si pro ede al al olo delle due quantita di maggiorinteresse: risoluzione temporale ed eÆ ienza.Nel teles opio ogni strip e ontemporaneamente rivelatore sotto test e riferimento tem-porale per gli altri. Se si onsidera il tempo di volo tra due MRPC (ad esempio tra le strip1 e 2), la sua dispersione e data da 212 = 21 + 22 (4.3)dove i rappresenta la risoluzione temporale della strip iesima.S egliendo 5 tempi di volo opportuni si puo impostare un sistema di 5 equazioni linear-mente indipendenti in 5 in ognite, la ui soluzione rappresenta la risoluzione temporaledei 5 MRPC; ad esempio 1 =r212 223 + 234 245 + 2152 (4.4)Per ottenere una stima migliore della risoluzione e ne essario orreggere i tempi misuratiper il loro andamento in funzione della ari a rilas iata nel rivelatore dalla radiazione in- idente (eetto di time slewing).Si aratterizza il tempo misurato da ias una pad di ias una strip ome t0i = ti ai=pQi bi, on ti tempo misurato in laboratorio e t0i tempo orretto, e si al olano, infase di preanalisi, i valori medi ij di tutti i tempi di volo misurabili nel sistema, ovvero 111

Test sugli MRPC della produzione

0

20

40

60

80

100

-10 -5 0 5 10 15Distanza dal bordo (mm)

Efficienza (%)

Probabilita’ didoppio hit del

13 %

1

10

10 2

10 3

10 4

10 5

2 4 6 8 10 12

EntriesMeanRMS

66506 1.132 0.3532

molteplicita’

hit in una stripper trigger

Figura 4.9: In alto: andamento dell'eÆ ienza per due pad adia enti, misurata al PS delCERN. L'ampiezza dell'area olorata orrisponde ad una probabilita he en-trambe le pad rivelino la stessa parti ella di 13%. In basso: moltepli itaper una strip misurata on i raggi osmi i. La misura indi a il numero di pad he hanno dato un segnale al passaggio di una singola parti ella ionizzante.112

4.3 | Analisi dei datitra tutte le pad di tutte le strip (ne bastano 4 12 12, gli altri devono essere ri avabilida questi e vengono al olati ome veri a). A questo punto si onsiderano i 10 tempi divolo misurabili tij = ti tj ij tra le pad iesima e jesima di due MRPC.Per il al olo dei parametri di orrezione si onsiderano solo eventi verti ali; l'eet-to di slewing e originato dalla soglia del dis riminatore e non dipende, almeno in primaapprossimazione, dall'angolo di in idenza della radiazione. I 10 tempi di volo tij, quindi,vengono presi in orrispondenza di pad disposte verti almente una sull'altra. A questopunto, i parametri ai; bi orrispondenti a 5 pad, una per strip, vengono al olati minimiz-zando simultaneamente le distribuzioni tij utilizzando la libreria MINUIT di PAW; questaoperazione viene ripetuta 12 volte, una per ogni serie di 5 pad allineate verti almente. Iparametri ai; bi, al olati on tale pro edura, devono essere validi an he per il al olo dellarisoluzione temporale on tra e in linate.Le distribuzioni t0ij = t0it0j ij vengono alla ne interpolate on delle urve gaussiane,le ui deviazioni standard sono le ij he ompaiono nell'eq. (4.4).4.3.3 EÆ ienzaL'eÆ ienza di ias un MRPC nel teles opio viene valutata utilizzando le informazionifornite dagli altri quattro MRPC per determinare su quale pad i si aspetta sia passatala parti ella in idente, e viene al olata ome il rapporto tra i asi in ui esso ha dato un

Figura 4.10: Parti olare di ome sono alloggiate le MRPC strip all'interno della box dialluminio. Si ri onos ono il pannello di plexiglass, i onnettori ed i distribu-tori di HV, i avi at e le s hede di interfa iamento tra rivelatori e s hededi FE. 113

Test sugli MRPC della produzionesegnale `buono' (in questo aso pero la nestra sul TDC e denita ome 5 deviazionistandard attorno al valore madio) su tutti quelli aspettati. Rispetto al aso pre edente 'e un piano in meno per eettuare il tra iamento; onsiderando he e fondamentale heesso sia il piu a urato possibile, si impone la ondizione di massimo 4 pad a ese tangentiuna all'altra su tutte e 4 le altre strip.La geometria del sistema rende impossibile una stima orretta dell'eÆ ienza delle 2strip piu esterne; e possibile infatti he una parti ella attraversi gli altri 4 MRPC e fuories apoi dalla box lateralmente. Ciononostante il loro studio puo essere omunque utile perdeterminare, ad esempio, la presenza di eventuali pad meno eÆ ienti.4.4 Risultati4.4.1 Prima serie di misureAll'inizio del 2003 mettiamo all'interno della stazione 5 MRPC ostruiti a Bologna e stu-diati su fas io di parti elle al PS del CERN nell'Ottobre del 2002 (dall'alto verso il bassodi gura 4.7 rispettivamente s6, s7, s5, s9 e s4).In tabella 4.2 sono riportati i valori di eÆ ienza al olati per sole tra e verti ali e pertutte quelle ri ostruite; il run di riferimento e il 6929, la tensione appli ata agli MRPC edi 13 kV e la soglia delle s hede di FE e di 2 V. In realta, per la geometria del sistema,non 'e una grande dierenza tra gli angoli di in idenza nei due asi; semmai, utilizzandotra e passanti per pad non allineate verti almente, e piu probabile he il raggio osmi opassi vi ino ai bordi delle pad. Come si vede l'eÆ ienza in questo se ondo aso e piubassa. Se pero si guardano le pad aÆan o a quella selezionata, si trovano asi in ui unadi loro ha fatto registrare un evento `buono'; questo potrebbe indi are he la ri ostruzionedell'evento, eettuata on sole quattro strip, non e molto pre isa (se si prendono in on-siderazione an he questi eventi, il valore dell'eÆ ienza aumenta di ir a lo 0.5 %). Dataquesta in ertezza, il valore dell'eÆ ienza verra in seguito al olato utilizzando solo tra everti ali.Per il al olo della risoluzione temporale la situazione e piu omplessa. Si onsiderinotra e verti ali; on 5 strip si hanno 10 tempi di volo misurabili e quindi 24 possibili siste-mi di 5 equazioni in 5 in ognite linearmente indipendenti. Sperimentalmente si trova pero he sistemi diversi danno risultati diversi (gura 4.11), e questo in evidente disa ordo onl'assunzione di eq. (4.3). Il fenomeno non dipende dal tipo di analisi in quanto omparegia on i tempi di volo non orretti, e si manifesta ome un aumento della dispersione deltempo di volo tra due strip on la distanza tra di esse all'interno della box. Dalla gura4.12 tale eetto appare evidente: rispetto ad un riferimento omune ed equidistante, lestrip nelle posizioni 3 e 5 mostrano una risoluzione molto simile, mentre onsiderando ome riferimento la strip nella posizione 1, la risoluzione della strip 5 peggiora sensibil-mente (di ir a 30 ps). Se fosse un eetto sistemati o (ad esempio multiple s attering),dovrebbe in idere in ugual maniera su ogni singola misura; proviamo a onsiderare allorala media tra i tempi di due eventi su essivi. Si ome gli eventi sono distribuiti presso -114

4.4 | Risultati he uniformemente su una pad, mediare signi a raggruppare il punto in ui la parti ellain idente ha olpito la pad verso il entro della stessa; i risultati di questa sempli e provaindi ano un'attenuazione del fenomeno ( onsiderando l'esempio pre edente, la risoluzionedella strip 5 peggiora di ir a 10 ps). Il fenomeno sembra quindi essere legato al punto diimpatto del raggio osmi o sulla pad.Seppure ol basso potere tra iante del teles opio, er hiamo delle orrelazioni tra iltempo di arrivo del segnale e la posizione del punto di impatto sulla pad (time walk).Il risultato e riportato in gura 4.13, onfrontato an he on quanto misurato ai test alPS del CERN di Luglio 2003, su di una generazione di strip pero su essiva a quelle he ompongono il teles opio. La pendenza della linea tratteggiata e di 50 ps= m, e si riferis eall'eetto lungo l'asse y della pad (il lato da 3.7 m), alla ui estremita si trovano i onnet-tori he ra olgono il segnale indotto. L'eetto lungo l'asse x e molto meno a entuato epiu lo alizzato vi ino al bordo, e puo essere spiegato in termini di time slewing per eventi on ari a suddivisa tra pad adia enti.Simuliamo la risposta del teles opio aggiungendo questo eetto (per sempli ita assu-miamo 5 MRPC strip on risoluzione temporale di 100 ps, time walk lineare lungo la pade traiettorie rettilinee, senza ioe s attering tra una strip e l'altra). Il risultato e espressoin gura 4.14, da ui emerge he la sigma delle distribuzioni dei tempi di volo tra i varirivelatori del teles opio non dipende piu solamente dalle loro risoluzioni temporali, ma omprende an he un jitter Æ ostante di ir a 13 ps tra una strip e quella su essiva. Leequazioni 4.3 e 4.4 diventano quindi2ij = 2i + 2j+ j i j j Æ2 (4.5)1 =r212 223 + 234 245 + 215 + 4 Æ22 (4.6)Riferendosi al gra o in alto di gura 4.11, la risoluzione della strip s6 e, in questo aso,sovrastimata di quasi 10 ps. Fortunatamente, per ogni strip si puo trovare un sistema in ui questo ontributo viene an ellato e non ompare nell'eq. (4.6); nell'analisi quindi larisoluzione temporale di ogni strip viene al olata utilizzando il sistema di equazioni `adho '.In tabella 4.3 sono riportati i valori di risoluzione temporale per le 5 MRPC sotto test,nel aso di sole tra e verti ali e per tutte quelle ri ostruite. La dispersione dei risultatinel primo aso e maggiore a ausa della minore statisti a; a parte questo i risultati sonomolto simili. Come stima dell'errore, avendo solo 12 punti per strip, utilizziamo il valoredi RMS dato da PAW. In tabella 4.4 e inve e riportato il onfronto tra i risultati ottenuti, on gli stessi rivelatori, a Bologna on i raggi osmi i e su fas io di parti elle al PS delCERN.In gura 4.15 sono riportate eÆ ienza e risoluzione temporale per i 5 MRPC sottostudio, per una tensione di 13 kV. Per le tre strip al entro del teles opio, i risultatidieris ono di po o da quelli ottenuti al CERN. La situazione e peggiore per le due strip 115

Test sugli MRPC della produzione

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80

pad number

resolution (ps)

s6 s7 s5 s9 s4

<σ>=112ps <σ>=71ps <σ>=91ps <σ>=62ps <σ>=132ps

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80

pad number

resolution (ps)

s6 s7 s5 s9 s4

<σ>=97ps <σ>=90ps <σ>=91ps <σ>=85ps <σ>=118ps

Figura 4.11: Risoluzione temporale degli MRPC del teles opio ottenuta on due dierentisistemi di equazioni; ome si vede, per la stessa strip si possono avere oltre20 ps di dierenza.116

4.4 | Risultati

TOF plane 34

0

100

200

300

400

500

600

700

-100 -50 0 50 100

Constant 575.7Mean -0.4947Sigma 5.376

35ps/binTOF plane 45

0

100

200

300

400

500

600

700

-100 -50 0 50 100

Constant 559.3Mean -0.3343Sigma 5.495

35ps/bin

TOF plane 13

0

100

200

300

400

500

600

700

-100 -50 0 50 100

Constant 541.6Mean -0.4405Sigma 5.700

35ps/binTOF plane 15

0

100

200

300

400

500

600

-100 -50 0 50 100

Constant 503.4Mean -1.362Sigma 6.163

35ps/binFigura 4.12: Distribuzioni dei tempi di volo tra le strip s5 ed s4 e due diverse strip diriferimento (RUN 6329). In gura l'espressione TOF plane 34 signi atempo di volo tra le strip nelle posizioni 3 e 4.117

Test sugli MRPC della produzionepiu esterne; per la geometria del sistema pero, gli MRPC esterni sono quelli on piu eventinei bordi delle pad.MRPC strip tra e verti ali (%) tra e ri ostruite (%) eÆ ienza (%) al< >= 88:4o < >= 81o PS CERNs7 99.2 0.2 98.6 0.3 99.5 0.2s5 99.8 0.1 98.9 0.2 99.6 0.2s9 99.4 0.2 98.8 0.2 99.7 0.2Tabella 4.2: EÆ ienza delle 5 MRPC strip misurata a Bologna ed al PS del CERN.MRPC strip tra e verti ali (ps) tutte le tra e (ps)s6 94 12 97 9s7 77 15 76 10s5 78 11 74 9s9 68 15 73 9s4 110 26 118 27Tabella 4.3: Risoluzione temporale delle MRPC strip al olata onsiderando solo tra everti ali e tutte le tra e ri ostruite.

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 35y axis (mm)

tim

e (p

s)

Figura 4.13: Tempo di arrivo del segnale in funzione del punto di impatto, ri ostruito,della parti ella in idente sulla pad. I punti neri si riferis ono a valori misurati on i raggi osmi i, quelli rossi on fas i di parti elle al PS del CERN.118

4.4 | Risultati

TOF 12

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

-40 -20 0 20 40

Constant 0.1239E+05Mean 0.2909Sigma 4.064

35ps/binTOF 13

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

-40 -20 0 20 40

Constant 0.1227E+05Mean 0.5899Sigma 4.105

35ps/bin

TOF 14

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

-40 -20 0 20 40

Constant 0.1204E+05Mean 0.8862Sigma 4.185

35ps/binTOF 15

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

-40 -20 0 20 40

Constant 0.1176E+05Mean 1.177Sigma 4.284

35ps/binFigura 4.14: Tempi di volo simulati onsiderando 5 MRPC strip on risoluzione temporaleintrinse a di 100 ps all'interno del teles opio. Si vede he la dispersioneaumenta on la distanza tra le strip.119

Test sugli MRPC della produzione

80

82.5

85

87.5

90

92.5

95

97.5

100

2 4 6 8 10 12

efficiency (%)

pad number

strip s7strip s5strip s9

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80pad number

resolution (ps)

s6 s7 s5 s9 s4

<σ>=97ps <σ>=76ps <σ>=74ps <σ>=73ps <σ>=118ps

Figura 4.15: EÆ ienza e risoluzione per i 5 MRPC del teles opio, H.V. = 13 kV e sogliasulla s heda di FE = 2 V (run6329).120

4.4 | RisultatiMRPC strip risoluzione (ps) risoluzione (ps) risoluzione (ps)RUN 6329 RUN 6335 PS CERNs6 97 9 96 9 74 9s7 76 10 79 15 69 7s5 74 8 68 9 67 9s9 73 9 68 12 52 3s4 118 27 105 22 67 6Tabella 4.4: Risoluzione temporale delle 5 MRPC strip al olata a Bologna ed al PS delCERN.4.4.2 Se onda serie di misureVerso la ne del 2003 vengono operate delle sostituzioni nella stazione (gura 4.16): sisostituis ono le strip s7 ed s5 rispettivamente on una (JA) ostruita a Bologna nel Mag-gio 2003 e sottoposta ad inve hiamento al Gamma Irradiation Fa ility (GIF) del CERNe on una assemblata, sempre a Bologna, nel Settembre 2003 (SE); si invertono inoltrele posizioni di s4 ed s9 tra loro, per er are di apire se l'andamento della s4 di gura4.15 dipenda o meno dalla sua posizione nel teles opio. I nuovi MRPC hanno, rispetto ailoro prede essori, una resistenza da 50 Ohm tra i segnali di anodo e atodo, in modo daa oppiarsi meglio on la nuova s heda di FE on il hip ASIC (vedi x2.2). Nei preampli- atori MAXIM, il segnale atodi o degli MRPC viene messo a `terra'; questo determinauna sensibile riduzione del segnale analogi o per queste strip, tale da rendere impossibilean he la orrezione per time slewing (in gura 4.17 sono riportati gli spettri di ADC peri 5 MRPC presenti nel teles opio; lo spettro dei due nuovi MRPC appare s hia iato sulpedestallo); nei dati he seguiranno quindi le risoluzioni di tali rivelatori andranno sempre onsiderate non orrette. Vengono presi dati a diverse tensioni: 13 kV (run 6390 e 6393),13.5 kV (6407 e 6408) e 14 kV (6410 e 6411). I gra i di gura 4.18 rappresentano lemisure di eÆ ienza e risoluzione temporale riferiti al run 6407; in base a quanto dettoper gli spettri di ari a delle strip SE e JA, si e ostretti a rimuovere la ondizione suipedestalli degli ADC nell'algoritmo he al ola l'eÆ ienza degli MRPC.Dalla tabella 4.5 si vede he, alzando la tensione ai api del rivelatore, la s4 si riallineaai valori di risoluzione temporale ottenuti su fas io. Il valori di 80 e 100 ps di risoluzionenon orretta per la JA e la SE sono onfrontabili on quelli ottenuti nei test al PS delCERN (in gura 4.19 sono riportate le misure di risoluzione temporale non orrette perslewing per la JA ottenute sia on i osmi i a Bologna he al CERN (in alto), insieme allemisure di risoluzione temporale orretta ottenute al PS).4.4.3 Con lusioniIn gura 4.20 sono riportate le misure di eÆ ienza e di risoluzione temporale eettuate, on i raggi osmi i, sulla strip s9; per la risoluzione temporale vengono riportate, ome 121

Test sugli MRPC della produzioneMRPC strip risoluzione (ps) risoluzione (ps) risoluzione (ps)H.V. = 13 kV H.V. = 13.5 kV H.V. = 14 kVs6 85 11 98 11 93 16JA 81 8 79 10 88 12SE 105 13 97 15 88 10s4 97 15 72 18 80 12s9 53 7 64 7 71 10Tabella 4.5: Risoluzione temporale delle MRPC strip a diverse tensioni per la se ondaserie di misure.strip s6

strip JA

strip SE

strip s4

strip s9

Figura 4.16: Disposizione delle MRPC strip all'interno del teles opio per la se onda seriedi misure. onfronto, an he le misure eettuate sullo stesso rivelatore al PS del CERN (distribuzionedi olore blu in gura). Le distribuzioni indi ano una eÆ ienza di rivelazione superiore al99% ed una risoluzione temporale di 60 ps, on una deviazione standard di 10 ps. Perquanto riguarda la risoluzione temporale, i risultati sono leggermante peggiori di quelliottenuti nei test al CERN, ma presi in ondizioni molto diverse e sfavorevoli, dal puntodi vista delle prestazioni degli MRPC; run di presa dati di oltre 7 giorni di durata e onsiderando l'intera area dei pad.L'entita della dierenza di valori tra i risultati ottenuti nelle due misure (la dierenzatra i valori medi delle due distribuzioni in gura 4.20 e minore di 10 ps) e pienamentespiegabile on le diverse ondizioni in ui esse sono state eettuate; io dimostra heil teles opio per raggi osmi i puo essere utilizzato ome uno strumento attendibile, eperfettamente omplementare ai test su fas io di parti elle, per il ontrollo di qualita122

4.5 | Controllo di pressione e temperatura

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250 300

charge (ADC bin)Figura 4.17: Spettri di ADC dei 5 MRPC omponenti il teles opio dal Novembre 2003.Gli spettri 's hia iati' sono quelli delle nuove strip on le resistenze da 50 tra anodo e atodo (JA ed SE).durante la produzione delle MRPC strip per il TOF di ALICE.4.5 Controllo di pressione e temperaturaA ausa della lunga durata dei run di presa dati, le ondizioni limati he all'interno dellaboratorio possono variare in maniera sensibile e potrebbero in uenzare le misure deirivelatori. Lo sviluppo della valanga all'interno degli MRPC e dominato dal fattore diTownsend ome n = n0 exp(x), on n numero di elettroni e n0 numero di oppieprimarie. Il valore di dipende, a sua volta, da temperatura e pressione.Per monitorare le ondizioni del laboratorio e stato utilizzato un modulo Fieldpointdella National Instrument. Fieldpoint (gura 4.21) e un sistema modulare di I/O in-dustriale per appli azioni di misura, ontrollo e data logging. Nel laboratorio sono statiinstallati un modulo di ontrollo FP1000 ed un modulo di base FPTB10, in ui possono 123

Test sugli MRPC della produzione

80

82.5

85

87.5

90

92.5

95

97.5

100

2 4 6 8 10 12

efficiency (%)

pad number

strip JAstrip SEstrip s4

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80

pad number

resolution (ps)

s6 JA SE s4 s9

<σ>=98ps <σ>=79ps <σ>=97ps <σ>=72ps <σ>=64ps

Figura 4.18: EÆ ienza e risoluzione temporale delle 5 MRPC strip omponenti il teles o-pio dal Novembre 2003, H.V.= 13.5 kV e soglia sulle s hede di FE = 2 V(RUN 6407).124

4.5 | Controllo di pressione e temperatura

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Cosmics Bologna<σ> = 95.7 ps

PS CERN<σ> = 92.5 ps

Entries/5 ps

resolution (ps)

No slewing correction

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

PS CERN<σ> = 56.1 ps

Entries/5 ps

resolution (ps)

Slewing correction

Figura 4.19: In alto: distribuzioni dei tempi non orretti per eetto di slewing per la stripJA, ottenute su fas io di parti elle al PS del CERN e on i raggi osmi ia Bologna. In basso: distribuzione dei tempi orretti per la JA ottenute alCERN.125

Test sugli MRPC della produzione

0

5

10

15

70 75 80 85 90 95 100

entries/0.5%

efficiency (%)

0

2.5

5

7.5

10

0 50 100 150resolution (ps)

entries/3ps

Figura 4.20: In alto: eÆ ienza di rivelazione della strip s9 misurata on la stazione perraggi osmi i. In basso: misure di risoluzione temporale per la strip s9 eet-tuate al PS del CERN (distribuzione blu) e on i raggi osmi i (distribuzionegialla).126

4.5 | Controllo di pressione e temperaturaessere inseriti no a 6 moduli di I/O dual hannel. L'FP1000 omuni a on un PC Linuxattraverso lo standard seriale RS232; la omuni azione tra il programma di interfa iautente, realizzato in NI LabVIEW, ed il modulo di ontrollo avviene tramite librerie VISAdi basso livello e on il proto ollo Optomux. I due sensori sono:- un sensore di temperatura Resistan e Temperature Dete tor FPRTDPT100;- un barometro Dru k RPT 410A, il ui segnale viene ltrato e ampionato on unADC 12 bit.Per non interferire on il programma DATE, l'a quisizione del Fieldpoint viene fatta onun altro PC Linux presente nel laboratorio; questo PC (server) s rive i valori di pressio-ne e temperatura su una zona di memoria ondivisa dove il PC on DATE ( lient) va aprelevare i dati.In gura 4.22 si puo vedere l'andamento dell'eÆ ienza e della risoluzione temporaleper gli MRPC in funzione del rapporto Pressione/Temperatura; appare evidente omel'eÆ ienza sia sensibile alle ondizioni del laboratorio. All'aumentare di P/T, e per valori ostanti del ampo elettri o, diminuis e il fattore di moltipli azione all'interno del rivela-tore, e quindi l'ampiezza del segnale; i valori di eÆ ienza per le tre strip sono piu bassirispetto a quelli riportati pre edentemente per he, per avere piu statisti a, si utilizzanotutte le tra e ri ostruite e non solo quelle verti ali. La risoluzione temporale sembraessere meno in uenzata da tali variazioni.L'eetto delle ondizioni limati he sulle misure in laboratorio e illustrato an he ingura 4.23, dove si vede ome la strip JA diventi man mano piu ineÆ iente all'aumentaredel rapporto P/T. I pad non sembrano omportarsi tutti allo stesso modo; e probabile he io dipenda da ome si distribuis e la soglia del dis riminatore all'interno della s heda diFE.In gura 4.24 viene riportato l'andamento della frequenza di onteggi per le strip s6e JA in funzione del rapporto pressione su temperatura misurato nel laboratorio. Si puovedere he, ome aspettato, il numero di onteggi de res e all'aumentare di P/T.

127

Test sugli MRPC della produzione

Figura 4.21: Vista del modulo di a quisizione Fieldpoint on i sensori RTD e barometri o,e del PC Linux on il programma di interfa ia utente.

80

82.5

85

87.5

90

92.5

95

97.5

100

40 42 44 46 48 50 52 54

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

P/T (mbar/*C)

efficiency (%) resolution (ps)

Figura 4.22: Andamento di eÆ ienza e risoluzione temporale in funzione del rapportoP/T. Per l'eÆ ienza: JA (tondi rossi), SE (quadrati verdi) e s4 (triangoliblu). Per la risoluzione: s6 (tondi rossi), s4 (quadrati verdi) e s9 (triangoliblu).128

4.5 | Controllo di pressione e temperatura

80

82.5

85

87.5

90

92.5

95

97.5

100

2 4 6 8 10 12pad number

efficiency (%)

P/T < 45

45 < P/T < 50

P/T > 50

Figura 4.23: EÆ ienza delle pad della strip JA per diversi valori del rapporto pressionesu temperatura (RUN 6408).

0

0.5

1

1.5

2

30 35 40 45 50 55 60 65 70(mbar/oC)

(Hz)

strip s6strip JA

Figura 4.24: Andamento del numero di onteggi al se ondo per strip in funzione delrapporto pressione su temperatura (RUN 6408). 129

130

Con lusioniIn questa tesi sperimentale e des ritta l'ideazione e la realizzazione di una serie di ontrollidi qualita nella ostruzione dei rivelatori basati sugli MRPC per il sistema di Time ofFlight dell'esperimento ALICE ad LHC. Questi ontrolli sono di ru iale importanza pergarantire he le e ezionali prestazioni emerse nei test di prototipi di MRPC, studiatidurante gli ultimi anni su fas io di parti elle al PS del CERN (eÆ ienze di rivelazioneprossime al 100% e risoluzioni temporali intrinse he inferiori a 50 ps), possano essereestese an he a rivelatori prodotti su larga s ala. Queste pro edure, oltre al ontrollo suimateriali on ui sono assemblati i rivelatori ed alla misura delle aratteristi he funzionalidi ias uno di essi, omprendono an he la veri a delle prestazioni di ampioni di MRPC,s elti tra quelli realzzati, ad intervalli di tempo regolari. A tale s opo e stato realizzatoun teles opio, des ritto in questo lavoro, he permette di studiare ontemporaneamenteil omportamento di 5 MRPC on i raggi osmi i, in laboratorio a Bologna. Inoltre, nelLuglio del 2004, un ampione di 18 MRPC nella ongurazione nale di produzione e statomisurato su fas io di parti elle al PS del CERN.Tutte queste misure permettono di trarre le seguenti on lusioni:- gli e ellenti risultati ottenuti nei re enti test su fas io indi ano he le diverse fasidella produzione degli MRPC, dal ontrollo sui materiali a quello delle aratteristi hefunzionali, sono pienamente sotto ontrollo;- il fatto he non siano mai stati osservati valori fuori dai limiti di a ettazione, denitiin fase di elaborazione dei ontrolli di qualita, nelle misure dei vari parametri deirivelatori indi a he la pro edura di assemblaggio degli MRPC, emersa dopo unlungo ed intenso lavoro di sviluppo, e stata ottimizzata.

131

Bibliografia

132

Bibliograa[1 ALICE Collaboration, Te hni al Proposal, CERN/LHCC/95-71.[2 ALICE Collaboration, ALICE: Physi s Performan e Report, Volume I, J. Phys. G:Nu l. Part. Phys. 30 15171763.[3 http://www.bnl.gov/ri h/.[4 E. Kolb e M.S. Turner, The Early Universe (Addisonwesley, Redwood City, 1990).[5 U. Heinz, M. Ja ob, nu l-th/0002042, 16/02/2000.[6 F. Kars h, Latti e QCD at High Temperature and Density, Le t. Notes Phys. 583(2002) 209249.[7 Y. Nambu e G. JonaLasinio, Dynami al Model of Elementary Parti les Based on anAnalogy with Super onduttivity, Phys. Rev. 122, 345 (1961); 124, 246(1961).[8 U. Vogl e W. Weise, The Nambu and JonaLasinio Model: Its Impli ations forHadrons and Nu lei, Prog. Part. Nu l. Phys. 27, 195 (1991).[9 L. Ya Glozman, Restoration of Chiral Symmetry in Ex ited Hadrons, hepph/0410194, 13/10/2004.[10 P. Fa hini, Resonan e Produ tion, J. Phys. G 30, (2004) S735S742.[11 PHENIX ollaboration, Suppressed 0 Produ tion at Large Transverse Momentum inCentral Au+Au Collisions at psNN = 200 GeV, Phys. Rev. Lett. 91, 072301 (2003).[12 M. Basile et a., Nuovo Cimento So . Ital. Fis. 65A, 421 (1981).[13 PHENIX ollaboration, Measurement of Single Ele trons and Imli ations for CharmProdu tion in AuAu Collisions at psNN = 130 GeV, Phys. Rev. Lett. 88, (2002).[14 R. L. Thews, M. S hroedter e J. Rafelski, Enhan ed j= Produ tion in De onnedQuark Matter, Phys. Rev. C 63, 207 (2001).[15 NA50 ollaboration, Eviden e for De onnement of quarks and gluons from the J/psiSuppression Pattern measured in PbPb ollision at the CERNSPS, Phys. Lett. B477(2000) 2836. 133

BIBLIOGRAFIA[16 B.K. Patra e D.K. Srivastava, J= suppression: gluoni disso iation vs. olours reening, Phys. Lett. B 505(2001) 11318.[17 J. Rafelski e B. Muller, Strangness produ tion iin the QuarkGluonPlasma, Phys.Rev. Lett. 48(1982) 1066.[18 STAR ollaboration, Kaon Produ tion and Kaon to Pion Ratio in Au + Au Collisionsat psNN = 130 GeV, Phys. Rev. Lett. 89(2004) 143.[19 STAR ollaboration,MultiStrange Baryon Produ tion in AuAu Collisions at psNN= 130 GeV, Phys. Rev. Lett. 92(2004) 182301.[20 PHENIX ollaboration, HighpT Charged Hadron Suppression in AuAu Collisionsat psNN = 200 GeV, Phys. Rev. C 69, 034910 (2004).[21 A. Dainese, Charm Quen hing in HeavyIon Collisions at the LHC, hepph/0501292,31012005.[22 R. Baier, D. S hi e B. G. Zakharov, Energy Loss in Perturbative QCD, Ann. Rev.Nu l. Part. S i. 50, 37.[23 B. Z. Kopeliovi h e A. V. Tarasov, Gluon Shadowing and Heavy Flavor Produ tionof Nu lei, Nu l Phys. A 710(2002), 180217.[24 ALICE ollaboration, Time of Flight Te hni al Design Report, CERN/LHCC 200012.[25 ALICE ollaboration, Time of Flight Addendum to the Te hni al Design Report,CERN/LHCC 2002016.[26 F. Anghinol, P. Jarron, A.N. Martemiyanov, E. Usenko, H. Wenninger, M.C.S.Williams e A. Zi hi hi, NINO: an UltraFast and LowPower FrontEnd Ampli-er/Dis riminator ASIC Designed for the Multigap Resistive Plate Chamber, Nu l.Instr. Meth. in Phys. Res. A 533(2004) 183187.[27 ALICE TOF Group (A. Akindinov et al.), Design Aspe t and Prototype Test of aVery Pre ise TDC System Implemented for Multigap RPC of the ALICETOF, Nu l.Instr. Meth. in Phys. Res. A 533(2004) 178182.[28 B. G. Taylor, see http://tt .web. ern/TTC/intro.html[29 A.C. Melissinos, Experiment in Modern Physi s (A ademi Press, New York 1966).[30 A. Mangiarotti e A. Gobbi, On the Physi al Origin of Tail in the Time Response ofSpark Counters, Nu l. Instr. Meth. in Phys. Res. A 482(2002) 192215.[31 W. Riegler, C. Lippmann e R. Veenhof, Dete tor Physi s and Simulation of ResistivePlate Chambers, Nu l. Instr. Meth. in Phys. Res. A 500(2003) 144162.134

BIBLIOGRAFIA[32 R. Santoni o e R. Cardarelli, Development of Resistive Plate Chamber, Nu l. Instr.Meth. A 187(1981) 377-380.[33 R. Cardarelli, R. Santoni o, A Di Biagio e A. Lu i, Progress in Resistive PlateChamber, Nu l. Instr. Meth. A 263(1988) 20-25.[34 E. Cerron Zeballos, I. Crotty, D. Hatzifotiadou, J. Lamas Valverde, S. Neupane,M.C.S. Williams e A. Zi hi hi, A New Type of Resistive Plate Chamber: the MultigapRPC, Nu l. Instr. Meth. A 374(1996) 132-135.[35 A. Colu i, E.Gorini, F. Gran agnolo e M. Primavera: Measurement of Drift Velo ityand Ampli ation CoeÆ ient in C2H2F4isobutane Mixture for Avalan heoperatedResistive Plate Counters, Nu l. Instr. Meth. A 425(1999) 8491.[36 D. Hatzifotiadou, Latest Results on the Performan e of the Multigap Resistive PlateChamber Used for the ALICE TOF, VII Workshop on Resistive Plate Chamber andRelated Dete tors, ClermondFerrand, O tober 2022, 2003 e Nu l. Instr. Meth. A533(2004) 7478.[37 ALICE TOF Group (A. Akindinov et al.), Operation of the Multigap Resistive PlateChamber Using a Gas Mixture Free of Flammable Components, Nu l. Instr. Meth. A531(2004) 515519.[38 E. Cerron Zeballos, D. Hatzifotiadou, D.W. Kim, S.C. Lee, J. Lamas Valverde, J.Roberts, E. Platner, M.C.S. Williams e A. Zi hi hi, Ee t of Adding SF6 to theGas Mixture in a Multigap Resistive Plate Chamber, Nu l. Instr. Meth. A 419(1998)475-478.[39 ALICE TOF Group (A. Akindinov et al.), Study of Gas Mixtures and Ageing of theMultigap Resistive Plate Chamber Used for the ALICE TOF, Nu l. Instr. Meth. A533(2004) 9397.[40 ALICE TOF Group (A. Akindinov et al.), A Study of the Multigap RPC at theGamma Irradiation Fa ility at CERN, Nu l. Instr. Meth. A 490(2002) 5870.[41 ALICE TOF Group (A. Akindinov et al.), Spa e Charge Limited Avalan he Growthin Multigap Resistive Plate Chambers, EPJdire t A1, 111(2003).[42 ALICE TOF Group (A. Akindinov et al.), Results from a Large Sample of MRPCStrip Prototypes for the ALICE TOF Dete tor, Nu l. Instr. Meth. A 532(2004) 611621.[43 V. Cappellini, Elaborazione Numeri a delle Immagini, Boringhieri, Torino 1985.[44 Craven, Peter and Wahba, Gra e, Smoothing noisy data with spline fun tions, Numer.Math. 31, 377-403 (1979). 135

BIBLIOGRAFIA[45 CERN ALICE DAQ Group, ALICE DATE User's Guide DATE V3.5, ALICE/9946, Internal Note DAQ

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