Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/10888
Title: Analysis and estimation of the scientific performance of the GAMMA-400 experiment
Authors: Cumani, Paolo
Supervisore/Tutore: Bonvicini, Valter
Longo, Francesco
Gregorio, Anna
Issue Date: 20-Mar-2015
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Per uno studio completo che parte dalla materia oscura e va all'origine e propagazione dei raggi cosmici, quello multi canale è uno degli approcci migliori per risolvere i quesiti irrisolti della fisica delle astroparticelle. GAMMA-400, grazie alla sua natura duale, dedita allo studio di raggi cosmici (elettroni fino alle energie del TeV e protoni e nuclei fino a 10^{15}-10^{16} eV) e raggi gamma (da 50 MeV fino a qualche TeV), si dedicherà allo studio di questi problemi. Lo scopo di questa tesi è lo studio delle prestazioni di GAMMA-400 per l'osservazione dei raggi gamma. Due diverse configurazioni della geometria sono state studiate: la "baseline" e la cosiddetta configurazione "enhanced". Le principali differenze tra queste due configurazioni si trovano nel tracciatore e nel calorimetro. Il tracciatore della "baseline" è composto da dieci piani di silicio, otto dei quali comprendono anche uno strato di ~0.1 X_0 di tungsteno. Il tracciatore della configurazione "enhanced" è invece composto da 25 piani di silicio inframezzati da uno strato di tungsteno di ~0.03 X_0. Il calorimetro della "baseline" è diviso in due sezioni: una parte composta da due piani di ioduro di cesio e silicio (chiamata "pre-shower") e una seconda parte composta da 28x28x12 cubi di ioduro di cesio. Il calorimetro della configurazione "enhanced" è invece composto solo da 20x20x20 cubi di ioduro di cesio. Per stimare le prestazioni ho sviluppato un algoritmo di ricostruzione della direzione del raggio gamma incidente. La ricostruzione può fare uso delle informazioni provenienti dal tracciatore, dal "pre-shower" o dal calorimetro, sia combinandole che singolarmente. Le direzioni ottenuta grazie alle informazioni del solo "pre-shower" o del solo calorimetro, anche se di minor risoluzione, possono essere utili per aumentare il numero di fotoni visti ad alta energia e per fornire le informazioni necessarie all'osservazione di transienti con i telescopi Cherenkov a terra. La risoluzione angolare utilizzando il tracciatore è migliore nel caso della configurazione "enhanced". A basse energie ciò è possibile grazie al minore tungsteno, e di conseguenza minor "scattering" multiplo, presente all'interno del tracciatore. Il calorimetro più piccolo, e più profondo, seppur ostacolando la ricostruzione dell'energia di fotoni ad alta energia, produce anche un numero minore di particelle di "backsplash" che peggiorano la ricostruzione delle tracce. L'area efficace totale della "baseline", potendo contare su un calorimetro più grande ed il "pre-shower", è più grande rispetto alla configurazione "enhanced". La risoluzione angolare, l'area efficace e la strategia di osservazione dello strumento contribuiscono alla sensitività per sorgenti puntiformi. La sensitività totale dello strumento è migliore per la "baseline" per energie maggiori di 5 GeV. Ho implementato un set prelminare di condizioni di "trigger" per lo studio dei raggi gamma tramite l'utilizzo delle informazioni del tracciatore. La necessità di rigettare la maggior parte delle particelle cariche deriva dall'elevato fondo presente in orbita (~10^6 protoni per raggio gamma) e una capacità di "downlink" limitata (~100 GB/day). Tra le due configurazioni si nota una differenza di meno dell'1% nel numero rimanente di protoni. Seppur promettente, tale risultato deve essere migliorato e possibili miglioramenti sono descritti nella tesi. Gli algoritmi di ricostruzione e "trigger" sono applicati all'analisi della possibilità di studiare "gamma-ray burst" (GRB) con la principale strumentazione a bordo di GAMMA-400. Una stima del numero di eventi non ricostruiti, perchè avvengono nel tempo morto tra due "trigger", è effettuata tramite la simulazione di un ipotetico GRB accoppiata ai tempi di arrivo dei fotoni presi dai dati reali di due GRB osservati da Fermi. In nessuna delle due configurazioni è visibile una percentuale significativa di "pile-up". Anche aumentando il flusso dei GRB la percentuale di eventi non ricostruiti non supera mai il 6%. Nonostante questo risultato, molto dipenderà dal disegno finale dell’elettronica di lettura dei rivelatori che potrebbe aumentare i tempi morti dello strumento.
Ciclo di dottorato: XXVII Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN FISICA
Description: 2013/2014
Keywords: GAMMA-400
Direction Reconstruction
Trigger
Gamma-rays
Simulations
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: FIS/04 FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE
NBN: urn:nbn:it:units-13685
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