Publicação

Design and benchmark of an innovative concept to measure light charged particles in the R3B/FAIR experiment using RPCs

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Este trabalho focou-se no comportamento de um detetor de Câmara de Placas Resistivas (RPC, do inglês Resistive Plate Chamber) em combinação com o calorímetro eletromagnético CALIFA para a experiência Reações com Feixes Radioativos Relativisticos (R3B, do inglês Reactions with Relativistic Radioactive Beams), localizada no FAIR, utilizando o R3BRoot como ferramenta de simulação e análise. R3BRoot é uma ferramenta essencial no FAIR que permite modelar e manipular simulações complexas. A análise deste trabalho está repartida em três partes: a primeira é focada na integração do calorímetro CALIFA na simulação e o seu efeito; a segunda parte adiciona um bloco de silício à RPC para melhor simular condições reais, onde existem dispositivos e cabos eletrónicos no caminho das partículas, que afetam as suas características, dispositivos estes essenciais ao funcionamento dos detetores; por último, a análise das resoluções da RPC, onde foi estudado a influência de diferentes resoluções para tempo e posição na reconstrução do momento. No fim juntou-se a influência do bloco de silício e o efeito das resoluções da RPC. Adicionalmente, foi feito um estudo para o conceito do Espetrómetro da linha de protões (PAS, do inglês Proton-Arm Spectrometer), utilizando RPCs como alternativa ao sistema pretendido inicialmente. As RPCs são um tipo de detetor gasoso utilizado em física de partículas e de altas energias para detetar a passagem de partículas carregadas. O seu funcionamento baseia-se no processo de ionização de gases onde, ao atravessar o gás, uma partícula carregada ioniza partes deste. O campo elétrico criado por duas placas resistivas paralelas cria uma avalanche de ionização, gerando um sinal elétrico que é captado por elétrodos posicionados nas placas. Devido à sua alta resistividade, a corrente resultante é mantida localmente permitindo uma ótima resolução na deteção da posição e do tempo de passagem da partícula tornando-as ideais para experiências que exigem medições rápidas e precisas. A integração do calorímetro CALIFA (CALorimeter for In-Flight detection of gamma-rays and high-energy charged pArticles) em conjunto com a RPC foi um dos primeiros objetivos deste trabalho. O CALIFA é essencial na experiência R3B, projetado para medir com precisão fotões de alta energia e partículas carregadas leves. Encontra-se posicionado antes do dipolo magnético GLAD e a envolver o local onde se coloca o alvo da experiência. Este calorímetro é composto por 2560 cristais de CsI(Tl), divididos em duas secções: o Barrel, cobrindo ângulos polares de 43º a 140º, e o Forward Endcap, de 7º a 43º. A escolha destes cristais deve-se à sua elevada densidade e eficiência de deteção, que são fundamentais para a absorção completa da energia das partículas. No entanto, existem partículas que são suficientemente energéticas e atravessam completamente os cristais do CALIFA, não sendo devidamente detetadas. Aqui entra a aplicação da RPC explorada neste trabalho. Ao colocar uma RPC por trás do CALIFA, é possível reconstruir o momento das partículas que o atravessam, utilizando a informação do seu tempo de voo medido na RPC. Este momento tem um desvio em relação ao momento original da partícula devido à presença do CALIFA. Na segunda parte introduziu-se um bloco de silício no modelo experimental, essencial para perceber de que forma a eletrónica associada ao CALIFA afeta a reconstrução do momento. Este bloco de silício foi utilizado para replicar as interações que as partículas carregadas teriam com materiais reais antes de alcançarem a RPC e o impacto destas nas partículas que o atravessam. A escolha do silício como material deve-se à sua densidade, semelhante à densidade média destes materiais eletrónicos. As simulações indicaram que a introdução do bloco de silício ajudou a replicar os efeitos de dispersão e perda de energia que seriam encontrados em condições reais, proporcionando uma base sólida para esta aplicação. Estas simulações mostraram que este bloco também introduz um desvio no momento reconstruído, mas é menos relevante que o desvio provocado pelo CALIFA. A resolução obtida foi semelhante à resolução do momento quando o bloco não está presente. A terceira e última parte concentrou-se na análise das resoluções temporais e de posição da RPC, que até então estavam a ser consideradas como ideais. Para fazer este estudo foi acrescentado pequenas variações temporais e espaciais nos valores obtidos. Realizou-se também um estudo mais detalhado para protões de 500 MeV/u utilizando uma matriz de resoluções e que permitiu avaliar as melhores combinações de resoluções de tempo e posição. A análise deste mapa indicou que a resolução de tempo desempenha um papel mais importante na determinação do momento das partículas, do que a resolução de posição, contudo é desafiante construir uma RPC em que a sua resolução temporal seja abaixo dos 50 picosegundos. Já a resolução espacial apresenta uma menor variação nos valores de resolução de momento e apenas valores de resolução espacial acima dos 3 cm resultam em valores de momento não tão desejados. Para quase todos os valores de resoluções estudados (resolução temporal entre 0 ps e 250 ps e espacial entre 0 cm e os 5 cm), a resolução em momento manteve-se abaixo dos 10% para as partículas estudadas. Para as energias e partículas restantes estudadas, a análise foi menos abrangente, mas os resultados obtidos reforçam a observação de que a resolução do tempo tem um impacto mais significativo na resolução do momento do que a de posição. Por exemplo, as partículas alfa, sendo cerca de quatro vezes mais massivas que os protões, exibiram um comportamento semelhante, apenas com um desvio em valor absoluto cerca de 0.5 a 1 pontos percentuais acima. O equilíbrio entre a resolução temporal e a resolução espacial é essencial para otimizar o desempenho do detetor, garantindo ao mesmo tempo que o sistema seja viável do ponto de vista prático e económico. Além deste estudo principal, foi também explorada a utilização de RPCs para o conceito do ProtonArm Spectrometer (PAS), um dos três braços principais da experiência do R3B, formando uma parte essencial da configuração experimental. O PAS é uma parte crítica para a deteção de protões e outras partículas carregadas leves com alta precisão posicionado após o GLAD. Originalmente, o PAS foi projetado para utilizar paredes de tubo de palha (do inglês Straw-Tube Walls (STW)), como uma contribuição da Rússia. Estes detetores estavam projetados para alcançar uma resolução de momento da ordem de 10−3, com uma resolução angular inferior a 1 mrad e uma precisão de posição abaixo dos 150 µm. Estas especificações são vitais para garantir que o sistema possa detetar com precisão as trajetórias das partículas em ambientes de alta energia, como aqueles encontrados no R3B. Contudo a contribuição russa deixou de ser viável, e portanto foi necessário arranjar uma solução alternativa. Para isso foi estudada a possibilidade de usar RPCs como conceito de deteção alternativo. A exploração de alternativas aos STWs levou à avaliação de três configurações utilizando fibras e RPCs: um setup apenas com fibras, uma combinação de fibras com RPCs e um setup apenas com duas RPCs. Neste trabalho são apresentados os resultados referentes à configuração com as duas RPCs com o principal foco na resolução em momento alcançada. As simulações foram feitas em ambientes de vácuo, hélio e ar e revelaram que o método de ajuste Multi-Dimensional (MDF) dependente do Tempo de Voo (ToF) ofereceu melhores resoluções de momento do que o método dependente da posição. No entanto, nenhum dos métodos alcançou o objetivo de resolução em momento de 0,1% para o PAS, com os melhores resultados do MDF dependente do ToF a atingirem 0,68%. O meio em que se realizou as simulações teve um papel significativo no método dependente da posição, sendon o ar o meio com o pior desempenho, enquanto o método dependente do ToF manteve-se robusto em diferentes ambientes. O design baseado em RPCs não foi selecionado para o PAS, optando-se antes por um setup de três planos de fibras, que demonstrou um desempenho superior, alinhando-se com os resultados originais dos tubos de palha. Em conclusão, o trabalho desenvolvido nesta dissertação ajudou a promover o desenvolvimento de tecnologias de deteção de partículas em física de altas energias, ao usar RPCs na experiência R3B.
Autores principais:	Miguel, Diogo André Afonso
Assunto:	Resolução de momento RPC CALIFA R3B/FAIR Física de altas energias Teses de mestrado - 2024
Ano:	2024
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	Este trabalho focou-se no comportamento de um detetor de Câmara de Placas Resistivas (RPC, do inglês Resistive Plate Chamber) em combinação com o calorímetro eletromagnético CALIFA para a experiência Reações com Feixes Radioativos Relativisticos (R3B, do inglês Reactions with Relativistic Radioactive Beams), localizada no FAIR, utilizando o R3BRoot como ferramenta de simulação e análise. R3BRoot é uma ferramenta essencial no FAIR que permite modelar e manipular simulações complexas. A análise deste trabalho está repartida em três partes: a primeira é focada na integração do calorímetro CALIFA na simulação e o seu efeito; a segunda parte adiciona um bloco de silício à RPC para melhor simular condições reais, onde existem dispositivos e cabos eletrónicos no caminho das partículas, que afetam as suas características, dispositivos estes essenciais ao funcionamento dos detetores; por último, a análise das resoluções da RPC, onde foi estudado a influência de diferentes resoluções para tempo e posição na reconstrução do momento. No fim juntou-se a influência do bloco de silício e o efeito das resoluções da RPC. Adicionalmente, foi feito um estudo para o conceito do Espetrómetro da linha de protões (PAS, do inglês Proton-Arm Spectrometer), utilizando RPCs como alternativa ao sistema pretendido inicialmente. As RPCs são um tipo de detetor gasoso utilizado em física de partículas e de altas energias para detetar a passagem de partículas carregadas. O seu funcionamento baseia-se no processo de ionização de gases onde, ao atravessar o gás, uma partícula carregada ioniza partes deste. O campo elétrico criado por duas placas resistivas paralelas cria uma avalanche de ionização, gerando um sinal elétrico que é captado por elétrodos posicionados nas placas. Devido à sua alta resistividade, a corrente resultante é mantida localmente permitindo uma ótima resolução na deteção da posição e do tempo de passagem da partícula tornando-as ideais para experiências que exigem medições rápidas e precisas. A integração do calorímetro CALIFA (CALorimeter for In-Flight detection of gamma-rays and high-energy charged pArticles) em conjunto com a RPC foi um dos primeiros objetivos deste trabalho. O CALIFA é essencial na experiência R3B, projetado para medir com precisão fotões de alta energia e partículas carregadas leves. Encontra-se posicionado antes do dipolo magnético GLAD e a envolver o local onde se coloca o alvo da experiência. Este calorímetro é composto por 2560 cristais de CsI(Tl), divididos em duas secções: o Barrel, cobrindo ângulos polares de 43º a 140º, e o Forward Endcap, de 7º a 43º. A escolha destes cristais deve-se à sua elevada densidade e eficiência de deteção, que são fundamentais para a absorção completa da energia das partículas. No entanto, existem partículas que são suficientemente energéticas e atravessam completamente os cristais do CALIFA, não sendo devidamente detetadas. Aqui entra a aplicação da RPC explorada neste trabalho. Ao colocar uma RPC por trás do CALIFA, é possível reconstruir o momento das partículas que o atravessam, utilizando a informação do seu tempo de voo medido na RPC. Este momento tem um desvio em relação ao momento original da partícula devido à presença do CALIFA. Na segunda parte introduziu-se um bloco de silício no modelo experimental, essencial para perceber de que forma a eletrónica associada ao CALIFA afeta a reconstrução do momento. Este bloco de silício foi utilizado para replicar as interações que as partículas carregadas teriam com materiais reais antes de alcançarem a RPC e o impacto destas nas partículas que o atravessam. A escolha do silício como material deve-se à sua densidade, semelhante à densidade média destes materiais eletrónicos. As simulações indicaram que a introdução do bloco de silício ajudou a replicar os efeitos de dispersão e perda de energia que seriam encontrados em condições reais, proporcionando uma base sólida para esta aplicação. Estas simulações mostraram que este bloco também introduz um desvio no momento reconstruído, mas é menos relevante que o desvio provocado pelo CALIFA. A resolução obtida foi semelhante à resolução do momento quando o bloco não está presente. A terceira e última parte concentrou-se na análise das resoluções temporais e de posição da RPC, que até então estavam a ser consideradas como ideais. Para fazer este estudo foi acrescentado pequenas variações temporais e espaciais nos valores obtidos. Realizou-se também um estudo mais detalhado para protões de 500 MeV/u utilizando uma matriz de resoluções e que permitiu avaliar as melhores combinações de resoluções de tempo e posição. A análise deste mapa indicou que a resolução de tempo desempenha um papel mais importante na determinação do momento das partículas, do que a resolução de posição, contudo é desafiante construir uma RPC em que a sua resolução temporal seja abaixo dos 50 picosegundos. Já a resolução espacial apresenta uma menor variação nos valores de resolução de momento e apenas valores de resolução espacial acima dos 3 cm resultam em valores de momento não tão desejados. Para quase todos os valores de resoluções estudados (resolução temporal entre 0 ps e 250 ps e espacial entre 0 cm e os 5 cm), a resolução em momento manteve-se abaixo dos 10% para as partículas estudadas. Para as energias e partículas restantes estudadas, a análise foi menos abrangente, mas os resultados obtidos reforçam a observação de que a resolução do tempo tem um impacto mais significativo na resolução do momento do que a de posição. Por exemplo, as partículas alfa, sendo cerca de quatro vezes mais massivas que os protões, exibiram um comportamento semelhante, apenas com um desvio em valor absoluto cerca de 0.5 a 1 pontos percentuais acima. O equilíbrio entre a resolução temporal e a resolução espacial é essencial para otimizar o desempenho do detetor, garantindo ao mesmo tempo que o sistema seja viável do ponto de vista prático e económico. Além deste estudo principal, foi também explorada a utilização de RPCs para o conceito do ProtonArm Spectrometer (PAS), um dos três braços principais da experiência do R3B, formando uma parte essencial da configuração experimental. O PAS é uma parte crítica para a deteção de protões e outras partículas carregadas leves com alta precisão posicionado após o GLAD. Originalmente, o PAS foi projetado para utilizar paredes de tubo de palha (do inglês Straw-Tube Walls (STW)), como uma contribuição da Rússia. Estes detetores estavam projetados para alcançar uma resolução de momento da ordem de 10−3, com uma resolução angular inferior a 1 mrad e uma precisão de posição abaixo dos 150 µm. Estas especificações são vitais para garantir que o sistema possa detetar com precisão as trajetórias das partículas em ambientes de alta energia, como aqueles encontrados no R3B. Contudo a contribuição russa deixou de ser viável, e portanto foi necessário arranjar uma solução alternativa. Para isso foi estudada a possibilidade de usar RPCs como conceito de deteção alternativo. A exploração de alternativas aos STWs levou à avaliação de três configurações utilizando fibras e RPCs: um setup apenas com fibras, uma combinação de fibras com RPCs e um setup apenas com duas RPCs. Neste trabalho são apresentados os resultados referentes à configuração com as duas RPCs com o principal foco na resolução em momento alcançada. As simulações foram feitas em ambientes de vácuo, hélio e ar e revelaram que o método de ajuste Multi-Dimensional (MDF) dependente do Tempo de Voo (ToF) ofereceu melhores resoluções de momento do que o método dependente da posição. No entanto, nenhum dos métodos alcançou o objetivo de resolução em momento de 0,1% para o PAS, com os melhores resultados do MDF dependente do ToF a atingirem 0,68%. O meio em que se realizou as simulações teve um papel significativo no método dependente da posição, sendon o ar o meio com o pior desempenho, enquanto o método dependente do ToF manteve-se robusto em diferentes ambientes. O design baseado em RPCs não foi selecionado para o PAS, optando-se antes por um setup de três planos de fibras, que demonstrou um desempenho superior, alinhando-se com os resultados originais dos tubos de palha. Em conclusão, o trabalho desenvolvido nesta dissertação ajudou a promover o desenvolvimento de tecnologias de deteção de partículas em física de altas energias, ao usar RPCs na experiência R3B.