Studi con laser sulla risoluzione per il miglioramento della ricostruzione delle tracce in una camera a proiezione temporale

Two large gaseous Time Projection Chambers (TPCs) were assembled at CERN (Geneva, Switzerland) and installed at the J-PARC laboratory (Tokai, Japan). These detectors were developed for the T2K Near Detector (ND280) Upgrade project, featuring a state-of-the-art design with lightweight composite materials. Each TPC has a precise geometry with a 1.7 × 0.8 m^2 instrumented anode surface, a 1m+1m drift length, and a central cathode. They operate with a fast-drift "T2K" gas mixture (Ar:CF_4:isoC_4H_{10} = 95:3:2), while maintaining minimal contamination. A sophisticated electrode structure ensures a uniform electric field, guiding ionization electrons toward the anode, where their position and charge are measured using Resistive MicroMegas sensor modules (ERAM). From Winter 2023 to Spring 2024, the installation of both TPCs was completed, their volumes were purged, and commissioning was performed using cosmic rays at J-PARC, with and without a magnetic field. The first neutrino beam data were collected in June 2024 for physics studies. A third full-scale TPC was produced and is currently operated at CERN, where it will be exposed to low-energy electron and hadron test beams at the CERN PS facility, along with intense pulsed UV laser beams, to evaluate its performance in track measurement and particle identification. This thesis presents the following research activities: Studies performed at LNL utilized a small-scale TPC prototype with an intense pulsed UV laser beam to investigate track formation, detection, and measurement. These studies achieved a high-precision assessment of spatial resolution and energy loss resolution, developing a strategy for future laser calibration campaigns with the full-scale FC0 detector (Chapters 4 and 5). Development of an improved tracking algorithm that connects physical track parameters to signal formation. Leveraging laser tracks with reduced systematic uncertainties, this new method enhances the current HATPC tracking reconstruction (Chapter 6). Investigation of scintillation light production in the T2K gas mixture. Although not observed at the beginning of this activity, such light could provide a direct trigger for primary scintillation. The analysis used data from the prototype TPC with a coincident PMT signal; however, no visible scintillation light was detected from cosmic muons (Chapter 7).

Due Camere a Proiezione Temporale (TPC) a gas sono state assemblate presso i laboratorio del CERN (Ginevra, Svizzera) e installate presso J-PARC (Tokai, Giappone). Le TPC sono state progettate e sviluppate come parte del progetto di aggiornamento del Near Detector T2K (ND280). Le TPC sono state sviluppate nell'ambito dell'aggiornamento del rivelatore vicino T2K, con un design all’avanguardia che utilizza materiali compositi leggeri. Il rivelatore presenta una geometria precisa, con una superficie anodica instrumentata di 1,7 × 0,8 m^2, una lunghezza di deriva di 1m + 1m e un catodo centrale. Funziona con una miscela di gas "T2K" a deriva rapida (Ar\:CF4\:isoC4H10 = 95:3:2), mantenendo una contaminazione minima. Una sofisticata struttura a strip garantisce un campo elettrico uniforme, guidando gli elettroni di ionizzazione verso l’anodo, dove la loro posizione e carica vengono misurate tramite moduli chiamati Encapsulated Resistive MICROMEGAS (ERAM). Dall’inverno 2023 alla primavera 2024, è stata completata l’installazione delle due TPC, sono stati purgati i volumi interni e sarà effettuata la messa in funzione utilizzando raggi cosmici presso J-PARC, sia con che senza campo magnetico. A giugno, si hanno i primi dati del fascio di neutrini presso J-PARC per studi di fisica. Un terzo rivelatore TPC a grandezza naturale è stato prodotto ed è attualmente in funzione presso il CERN, dove sarà esposto a fasci di elettroni e adroni a bassa energia presso l’impianto a bersaglio fisso PS del CERN, nonché a fasci intensi di luce UV pulsata, per valutare le prestazioni in termini di misura delle tracce e identificazione delle particelle. Inoltre, presso i Laboratori Nazionali INFN di Legnaro (LNL) verranno condotti studi dettagliati sulla formazione del segnale nei sensori resistivi MICROMEGAS ERAM, esponendo strutture MICROMEGAS dedicate a raggi X deboli e sorgenti di singoli elettroni. Questi studi mirano a caratterizzare con precisione la formazione delle valanghe nel gas T2K, permettendo simulazioni dettagliate del rivelatore a supporto delle misure di traccia e identificazione delle particelle. Questa tesi presenta le seguenti attività di ricerca: Sono stati condotti studi ai Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) utilizzando un prototipo di TPC di piccola scala, irradiato con un intenso fascio laser UV pulsato, per investigare la formazione, la rivelazione e la misura delle tracce. Questi studi hanno permesso una valutazione ad alta precisione della risoluzione spaziale e della risoluzione in perdita di energia, sviluppando una strategia per future campagne di calibrazione laser con il rivelatore a grande scala FC0 (Capitoli 4 e 5). Lo sviluppo di un algoritmo di tracciamento migliorato che collega i parametri fisici della traccia alla formazione del segnale è proposto. Sfruttando tracce laser con incertezze sistematiche ridotte, questo nuovo metodo migliora la ricostruzione di tracciamento delle HATPC attualmente in uso (Capitolo 6). Indagini sulla produzione di luce di scintillazione nella miscela di gas T2K sono state condotte. Sebbene non sia stata osservata all’inizio di questa attività, tale luce potrebbe fornire un segnale di trigger diretto per la scintillazione primaria. L’analisi ha utilizzato dati del prototipo di TPC con un segnale in coincidenza da un PMT; tuttavia, non è stata rilevata alcuna luce di scintillazione visibile dai muoni cosmici (Capitolo 7).