dati - Dipartimento di Fisica

Software di analisi dati
dello spettrometro
magnetico di PAMELA
Massimo Bongi
Esame di passaggio al terzo anno del
Dottorato in Fisica, XVIII ciclo
Sesto Fiorentino, 16/12/2004
Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA
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Massimo Bongi
-
16/12/2004
Raggi cosmici
• Spettro che si estende su più di 13 ordini di
grandezza
1 particella
/ (m2×secondo)
• Massimo tra 100 MeV/n and 1 GeV/n
Sciami
• Sopra il atmosferici
massimo, legge di potenza:
F  E –2.7 fino
al “ginocchio” (~ 1015 eV/n)
Ginocchio
Palloni
e satelliti
1 particella
/ (m2×anno)
F  E –3.0 fino alla “caviglia” (~ 1019 eV/n)
• Composizione: 98% nuclei, 2% elettroni,
Caviglia
tracce di
1 particella / (km2×anno)
altre componenti
1 particella
• Specie
nucleari: 87% H, 12% He, 1% Z > 2
/ (m ×secolo)
2
• Modulazione solare sotto circa 1 GeV/n
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Massimo Bongi
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16/12/2004
Antimateria nei raggi cosmici
Flusso di antiprotoni
ANTINUCLEI
Frazione indicazione
di positroni
possibile
dell’esistenza di antimateria
su larga scala nell’Universo
(antigalassie)
origine secondaria
ANTIPROTONI e POSITRONI
possibile indicazione
dell’esistenza di sorgenti
esotiche :


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-
annichilazione di particelle
supersimmetriche
evaporazione di buchi neri
primordiali
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16/12/2004
Obiettivi dell’esperimento PAMELA
STUDIO DELL’ANTIMATERIA NEI RAGGI COSMICI
Particella
Numero in 3 anni
 Misura dello spettro di protoni e antiprotoni
Protoni
3•108
 Misura dello spettro di elettroni e positroni
Intervallo di energia
80 MeV – 700 GeV
 Misura
dello spettro dei nuclei con Z<7
e ricerca di antinuclei
Antiprotoni
> 3•104
80 MeV – 190 GeV
OBIETTIVI SECONDARI
Elettroni
6•106
50 MeV – 2 TeV
•Studio della modulazione dei GCR nell’Eliosfera
Positroni
> 3•105
50 MeV – 270 GeV
7•10-8
80 MeV/n – 30 GeV/n
•Studio delle Particelle Solari Energetiche (SEP)
•Studio della magnetosfera terrestre
Limite He/He
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Massimo Bongi
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16/12/2004
La missione spaziale PAMELA
posizione durante
la presa dati
posizione durante
il lancio e le
manovre orbitali
Orbita
ellittica
(altitudine
Massa totale per
l’esperimento:
minima 350 km, massima
600 km)
440 kg
quasi polare (inclinazione 70,4°)
Potenza disponibile:
350 W
con periodo di circa 93 minuti.
misura della parte di bassa energia
dello
spettro
(taglio
geomagnetico)
PAMELA
verrà
installato
a bordo
del satellite russo
ResursDK1 che sarà portato in orbita con un razzo
Soyuz lanciato dal cosmodromo di Baikonur.
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Massimo Bongi
-
16/12/2004
LaROMA
missione
2004 spaziale PAMELA
CERN 2003
CERN 2003
CERN 2000
CERN 2002
ROMA 2003
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16/12/2004
La struttura del rivelatore
RIVELATORE DI
RADIAZIONE DI
TRANSIZIONE
SISTEMA DI
MISURA DEL
TEMPO DI VOLO
SPETTROMETRO
MAGNETICO
SISTEMA DI
ANTICOINCIDENZA
CALORIMETRO
ELETTROMAGNETICO
SCINTILLATORE
INFERIORE
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RIVELATORE DI
NEUTRONI
-
Massimo Bongi
-
16/12/2004
Principio di funzionamento del rivelatore
• misura del tempo di volo e
trigger
• misura di

AC
• misura dell’impulso e
del segno della carica
• identificazione della particella e
Bottom
scintillator
misura dell’energia per leptoni
Neutron detector
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16/12/2004
Spettrometro magnetico
Sistema tracciante di rivelatori al silicio nel campo magnetico
prodotto da un magnete permanente
• 5 moduli magnetici di lega
sinterizzata Nd-Fe-B alloggiati in
una struttura di alluminio
• cavità (132 x 162 x 445) mm3
• fattore geometrico 20.5 cm2sr
• campo medio B = 0.4 T
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16/12/2004
Spettrometro magnetico
•6
piani di rivelatori
di 300 m di spessore
•6
al
silicio
sensori a microstrisce
silicio per ogni piano
di
• ogni
sensore ha doppia faccia
e doppia metallizzazione
• passo
di lettura: 51 m sulla
vista X (direzione di curvatura) e
67 m sulla vista Y
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16/12/2004
Principio di funzionamento dello spettrometro
•
il sistema magnetico
– produce una regione di intenso campo magnetico in cui le particelle
cariche seguono traiettore curve
•
il sistema tracciante
– misura le coordinate di sei punti nella cavità magnetica,
permettendo di ricostruire la traiettoria, e da lì l’impulso e il
segno della carica
e+
B
• impulso
p = qBr
• rigidità
R = p/q = Br
• deflessione
(r = raggio di curvatora) nel
caso di B  p e B uniforme
h = 1/R = q/p
• ∆p/p = ∆R/R = ∆h/h = R∆h
(∆h = constante  risoluzione spaziale)
• massima rigidità misurabile:
MDR  R ΔR 1
R
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-
16/12/2004
Schema dell’analisi
RAW DATA
CALIBRATION
PARAMETERS
READRAW
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
RUNINFO
LEVEL 0:
RAW DATA
calibration
data subset:
h and charge
PREANALYSIS
h CORRECTION
REDUCTION
LEVEL 1:
CLUSTERS
HISTOGRAMS
calibration
data subset:
alignment
ALIGNMENT
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
ANALYSIS
ALIGNMENT PARAMETERS
LEVEL 2:
TRACKS
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16/12/2004
READRAW: estrazione dei dati
• verifica della qualità della trasmissione
• estrazione del flusso dati dal protocollo di trasmissione
• conversione del flusso dati in file:
• estrazione
del
pacchetto
dati
dello
RAW DATA
READRAW
spettrometro
YODA...
• verifica della qualità dei dati
• interpretazione
dell’header
(parametri
di
acquisizione, parametri di compressione, numero
dell’evento, etc...)
» se
dati:
immagazzinamento
in
Ntupla
LEVEL 0:
RAW DATA
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
HBOOK
» se calibrazione: immagazzinamento valori
dei piedistalli, del rumore e delle strisce bad
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16/12/2004
Segnale, piedistallo, rumore
Il valore di un canale ADC è:
 il valore di base di quel canale (piedistallo, PED)
che fluttua con un rumore intrinseco , a cui si
somma
 una fluttuazione variabile da evento a evento ma
uguale per tutti i canali di una certa sezione del
rivelatore (rumore di modo comune, CN), e
 l’eventuale segnale S dovuto alla ionizzazione di
una particella.
S  ADC - PED - CN
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16/12/2004
Compressione dei dati
La trasmissione dei dati da satellite impone una compressione dei dati
dello spettrometro
Zero Order Predictor (ZOP):
∆ = ADC - PED - CN
• Il primo valore è sempre trasmesso; i seguenti se si discostano più di 4 volte il loro
rumore  dall’ultimo trasmesso.
• Insieme al valore si trasmette anche l’indirizzo di una striscia, a meno che la
precedente non sia stata trasmessa.
Lo ZOP è corredato di un algoritmo cerca picchi che, nel caso un valore superi 7
impone la trasmissione di 2 strisce prima e dopo il massimo.
L’algoritmo
è
irreversibile,
,
ma
assicura un fattore di compressione
circa
del
94%
senza
perdita
risoluzione e di efficienza.
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16/12/2004
di
Schema dell’analisi
RAW DATA
CALIBRATION
PARAMETERS
READRAW
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
RUNINFO
LEVEL 0:
RAW DATA
calibration
data subset:
h and charge
PREANALYSIS
h CORRECTION
REDUCTION
LEVEL 1:
CLUSTERS
HISTOGRAMS
calibration
data subset:
alignment
ALIGNMENT
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
ANALYSIS
ALIGNMENT PARAMETERS
LEVEL 2:
TRACKS
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16/12/2004
REDUCTION: ricerca dei cluster
• decompressione dei dati:
ADC i  PED i  ADC i-1 - PED i-1
LEVEL 0:
RAW DATA
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
• calcolo del segnale di ogni striscia:
S  ADC - PED- CN
Nev
PED  
128
CN  
REDUCTION
ADC - CN
Nev
ADC - PED
128
LEVEL 1:
CLUSTERS
1 Nev
σ
(ADC - PED - CN) 2

Nev -1
• identificazione dei cluster di particella:
S  Ccl  σ
con Ccl=7
S  Cincl  σ
con Cincl=4
• calcolo del segnale totale del cluster:
dE
 z2
dx
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16/12/2004
Schema dell’analisi
RAW DATA
CALIBRATION
PARAMETERS
READRAW
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
RUNINFO
LEVEL 0:
RAW DATA
calibration
data subset:
h and charge
PREANALYSIS
h CORRECTION
REDUCTION
LEVEL 1:
CLUSTERS
HISTOGRAMS
calibration
data subset:
alignment
ALIGNMENT
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
ANALYSIS
ALIGNMENT PARAMETERS
LEVEL 2:
TRACKS
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16/12/2004
PREANALYSIS: calibrazione h
calibration
data subset:
h and charge
LEVEL 1:
CLUSTERS
h CORRECTION
PREANALYSIS
HISTOGRAMS
A ogni cluster di carica deve essere associato un punto di
impatto
S1 della particella. Il metodo scelto è l’algoritmo h.
η
S0  S1
xlin  xL  P  η ,
S  2  S2
η3  1
S0  S1  S2
con η 
SR
SR  SL
 Selezione di un sottoinsieme di dati per la calibrazione:
 2  Scluster
 3  S per vista
• unS solo
S S S S
• striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad
• molteplicità minore di 5
η4 
1
0
2
1
3
2
3
 Calcolo della distribuzione della variabile h ai diversi angoli:
xη
 dN 

dη 
0
dη  

 xL  P 
1  dN 
0  dη  dη 

η
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16/12/2004
PREANALYSIS: calibrazione correlazione di carica
calibration
data subset:
h and charge
LEVEL 1:
CLUSTERS
PREANALYSIS
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
 Se per un certo evento su un piano sono presenti più clusters, l’associazione x-y non è
y
univoca.
 Analizzando
la correlazione fra la carica totale dei cluster sulle viste x e y di uno
stesso sensore si ricava un criterio che aiuta ad associare i cluster a formare una coppia
di coordinate.
X
 Due cluster proveninenti dalla stessa particella avranno carica simile (lacune+elettroni):
• selezione di un campione di tracce “pulite”
• calcolo della distribuzione delle distanze dalla retta Sy = k Sx
un taglio:
solo cluster
per vista
• scelta• del
4
• striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad
• molteplicità minore di 5
Mcl
Scl   Si
i1
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16/12/2004
Schema dell’analisi
RAW DATA
CALIBRATION
PARAMETERS
READRAW
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
RUNINFO
LEVEL 0:
RAW DATA
calibration
data subset:
h and charge
PREANALYSIS
h CORRECTION
REDUCTION
LEVEL 1:
CLUSTERS
HISTOGRAMS
calibration
data subset:
alignment
ALIGNMENT
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
ANALYSIS
ALIGNMENT PARAMETERS
LEVEL 2:
TRACKS
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Massimo Bongi
-
16/12/2004
Allineamento del sistema tracciante
L’analisi svolta fino a questo momento riguarda un
singolo sensore:
carica rilasciata → cluster → coordinate del punto di
impatto sul sensore
Per mettere in relazione le coordinate sui diversi sensori è
necessario conoscere le loro posizioni reciproche.
La posizioni dei sensori sono note dal progetto meccanico,
ma...





precisioni meccaniche
tolleranze nell’assemblaggio
spostamenti durante la fase di lancio del satellite
spostamenti durante le manovre orbitali
procedura per correggere il
disallineamento in volo
La presenza del magnete permanente implica che
l’algoritmo di allineamento faccia uso di tracce curve.
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Massimo Bongi
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16/12/2004
Principio alla base della procedura di
allineamento
nel caso di tracce dritte
Un fit rettilineo permette di ricavare le correzioni alle posizioni dei piani.
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Massimo Bongi
-
16/12/2004
Principio alla base della procedura di
allineamento
nel caso di tracce curve
Gli scostamenti dei sensori rispetto alle posizioni previste vengono determinati confrontando le
coordinate misurate dei punti di passaggio con quelle attese in base alla conoscenza dell’impulso.
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16/12/2004
Algoritmo di allineamento
 selezione di un campione di tracce a impulso noto + fit rettilineo:
• un solo cluster per vista
• striscia del massimo del cluster e prime vicine non bad
• molteplicità minore di 5
+ taglio sul 2 del fit per escludere tracce affette da scattering multiplo
 calcolo dei punti di impatto usando l’algoritmo h
LEVEL 1:
CLUSTERS
a seconda dell’angolo


d 2r
 dr  
m 2  q  B 
dt
magnetico non uniforme, noto l’impulso:
 dt

 ricostruzione della traccia nel campo
 calcolo della somma dei quadrati degli scarti fra le
calibration
data subset:
alignment
h CORRECTION
HISTOGRAMS
coordinate misurate corrette per il disallineamento
e quelle ricostruite:
 ~  2
 ~  2
N ev 6 



x
A

x
A
y
A
 yij A 
ij
ij
ij
2



 

χ A  




 

σ
σ
j 1 i 1 
xi
yi
 
 


 

A  xi , yi , zi , i ,  i , i 


xij 
ALIGNMENT
xij  i yij 
yij  i xij 
xi
yij 
yi
zij    i xij   i yij  zi  zi
ALIGNMENT PARAMETERS
con i=indice del piano, j=indice dell’evento
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Massimo Bongi
-
16/12/2004
Risultato dell’allineamento
Usando le tracce di protoni
acquisiti durante la prova su
fascio del 2003 al CERN, sono
stati ricavati i parametri di
allineamento delle sei colonne di
sensori.
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-
Massimo Bongi
-
16/12/2004
Parametri di allineamento
plane
1
2
3
4
5
6
parameter
1_omega
1_beta
1_gamma
1_dx
1_dy
1_dz
2_omega
2_beta
2_gamma
2_dx
2_dy
2_dz
3_omega
3_beta
3_gamma
3_dx
3_dy
3_dz
4_omega
4_beta
4_gamma
4_dx
4_dy
4_dz
5_omega
5_beta
5_gamma
5_dx
5_dy
5_dz
6_omega
6_beta
6_gamma
6_dx
6_dy
6_dz
sensor 1
value
error
1406
20
3030
720
2500
1300
-240,19
0,30
-1895,70
0,85
708
11
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
252
29
200
1100
1370
990
19,09
0,26
-581,73
0,60
65
10
110
36
-1000
1100
3100
750
160,33
0,22
525,47
0,62
139,4
8,9
-2370
44
600
1300
-1760
840
161,30
0,25
682,71
0,70
-57
14
-1436
38
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
sensor 2
value
error
1425
21
6200
770
5200
1300
-316,71
0,28
-1878,50
0,83
593
11
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
211
32
400
1200
-90
950
-20,94
0,27
-577,75
0,57
46
10
-26
41
240
1200
2460
770
100,00
0,22
533,00
0,60
103,0
9,0
-2333
44
-3300
1300
-5270
860
245,88
0,24
670,80
0,68
-84
14
-1581
38
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
sensor 3
value
error
260
18
2100
700
4350
830
-274,82
0,27
-1844,20
0,82
428
13
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
-163
23
1040
890
-900
760
-28,54
0,21
-565,08
0,61
-25,5
6,7
-294
32
280
920
1060
580
140,28
0,19
565,50
0,59
42,7
6,2
-2325
42
50
930
90
450
166,21
0,21
613,64
0,63
-51,5
6,3
-1726
40
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
Software di analisi dati dello spettrometro magnetico di PAMELA
sensor 4
value
error
406
18
6490
760
4440
660
-262,94
0,27
-1846,20
0,88
423,1
7,4
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
-17
23
-810
760
520
680
-51,33
0,22
-569,29
0,60
26,6
6,6
-134
32
-1390
880
940
590
95,40
0,20
555,82
0,64
24,3
7,6
-2252
43
-700
1100
320
470
235,37
0,24
611,25
0,65
14,7
9,2
-1608
40
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
-
sensor 5
value
error
80
17
3860
620
-2800
2300
-271,83
0,29
-1864,70
0,90
583
35
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
433
23
4800
970
-3400
1700
29,10
0,23
-529,70
0,62
17
15
71
34
-200
1100
100
1400
139,60
0,24
578,32
0,65
-68
10
-2243
47
1300
1300
4800
1200
155,56
0,31
562,83
0,70
-165
10
-1415
45
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
Massimo Bongi
-
sensor 6
value
error
126
17
7770
670
-4400
2300
-253,07
0,30
-1866,30
0,82
673
34
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
498
23
3030
960
-1100
1700
-26,40
0,22
-529,02
0,64
61
14
243
35
200
1100
1600
1300
79,52
0,25
586,20
0,66
-44,7
9,5
-2196
49
1700
1300
1500
1100
236,98
0,30
560,74
0,70
-79
10
-1364
45
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
0
fixed
16/12/2004
Schema dell’analisi
RAW DATA
CALIBRATION
PARAMETERS
READRAW
PEDESTALS, SIGMAS AND
BAD STRIPS MAPS
RUNINFO
LEVEL 0:
RAW DATA
calibration
data subset:
h and charge
PREANALYSIS
h CORRECTION
REDUCTION
LEVEL 1:
CLUSTERS
HISTOGRAMS
calibration
data subset:
alignment
ALIGNMENT
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
ANALYSIS
ALIGNMENT PARAMETERS
LEVEL 2:
TRACKS
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-
Massimo Bongi
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16/12/2004
ANALYSIS: ricostruzione della traccia
LEVEL 1:
CLUSTERS
h
CORRECTION
HISTOGRAMS
ANALYSIS
ALIGNMENT PARAMETERS
CHARGE CORRELATION
HISTOGRAMS
LEVEL 2:
TRACKS
• calcolo dei punti di impatto usando l’algoritmo h per i differenti angoli
• correzione delle coordinate per il disallineamento dei piani
• nel caso di più cluster per piano, associazione dei cluster x e
y, sfruttando anche
l’informazione sulla correlazione di carica...
• ricostruzione della traccia nel
campo magnetico non uniforme
 impulso e carica della particella
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Allineamento complessivo dello spettrometro
 determinare
come
variano
i
parametri
di
allineamento dei sensori di ogni colonna in funzione
dei parametri presi come riferimento...
 allineare tutti i sensori rispetto a una coppia...
 uso delle misure delle posizioni reciproche dei
sensori di ogni piano...
PLANE 1
Sensor 1
Strip 950
x
y
Strip 500
Sensor 2
Strip 50
Strip 950
Strip 500
Sensor 3
Strip 50
Strip 950
Strip 500
Strip 50
-136,2813 -136,2797 -136,2736 -136,2707 -136,2666 -136,2666 -136,2747 -136,2850 -136,2982
-76,9510
-53,9957
-31,0453
-22,9363
0,0170
22,9658
31,1105
54,0604
77,0073
-0,4242
-0,4504
-0,4256
-0,4506
-0,4433
-0,4050
-0,3815
-0,4142
-0,4457
-70,0273
-70,0264
-70,0194
-70,0155
-70,0093
-70,0102
-70,0178
-70,0296
-70,0435
-76,9657
-54,0102
-31,0620
-22,9430
0,0103
22,9591
31,1398
54,0902
77,0384
z
-0,2155
-0,2387
Sensor 4
-0,2113
-0,2853
-0,3025
Sensor 5
-0,2556
-0,2321
-0,3016
Sensor 6
-0,3012
x
-66,2709
-66,2635
-66,2610
-66,2566
-66,2564
-66,2548
-66,2634
-66,2762
-66,2885
-76,9693
-54,0183
-31,0666
-22,9501
-0,0013
22,9485
31,1427
54,0935
77,0415
-0,2129
-0,2386
-0,2232
-0,2873
-0,3084
-0,2895
-0,2236
-0,3030
-0,3147
x
-0,0165
-0,0141
-0,0076
-0,0022
0,0000
0,0006
-0,0074
-0,0217
-0,0351
y
-76,9851
-54,0316
-31,0814
-22,9518
0,0000
22,9497
31,1775
54,1273
77,0765
z
0,1350
0,0893
0,0222
-0,0204
0,0000
-0,0616
-0,0297
-0,0556
-0,0797
z
x
y
y
z
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