Il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) è un futuro esperimento di oscillazione a lunga distanza progettato per affrontare alcune questioni aperte nella fisica dei neutrini. I suoi obiettivi principali sono stabilire se in natura vi sia violazione della simmetria $CP$ nel settore leptonico e, in tal caso, misurare la fase $\delta_{CP}$, determinare l’ordinamento di massa dei neutrini e migliorare la precisione sulla misura di $\theta_{23}$ e del suo ottante. DUNE utilizzerà un fascio di (anti)neutrini muonici di alta intensità, prodotto al Fermilab (FNAL), e misurerà le oscillazioni sia nei canali di appearance sia in quelli di disappearance mediante due rivelatori collocati in siti vicino (near) e lontano (far) rispetto al punto di produzione del fascio. Il rivelatore lontano a 1300 km, sarà costituito da un rivelatore basato sulla tecnologia di camera a proiezione temporale ad argon liquido, con una massa di $\SI{68}{\kilo\tonne}$. Il complesso del near detector (ND) al FNAL combinerà tre sottosistemi complementari per misurare il flusso di neutrini prima che le oscillazioni abbiano luogo e vincolare le incertezze sistematiche dovute al flusso e al modello di interazione, che attualmente limitano l’estrapolazione del rate di eventi al far a partire dalle misure del near detector. SAND (System for on-Axis Neutrino Detection) è uno dei tre rivelatori del ND e sarà collocato lungo la direzione del fascio fungendo da monitor principale durante la presa dati. SAND utilizzerà sia il magnete superconduttore da $\SI{0.6}{\tesla}$ che il calorimetro elettromagnetico a campionamento (ECal) dell’esperimento KLOE. L’ECal circonderà quasi completamente il volume interno del detector, che sarà occupato da un sistema combinato di target nucleari e tracciatore a bassa densità. Un rivelatore ad argon liquido di circa $\sim\SI{1}{\tonne}$ chiamato GRAIN (GRANular Argon for Interaction of Neutrinos) sarà collocato a valle del tracciatore per ricostruire immagini delle interazioni di neutrino utilizzando unicamente la luce di scintillazione. SAND ha un ampio programma di fisica che include misure di flusso di (anti)neutrino, la riduzione delle sistematiche che influiscono sulla misura del rate al far detector e misure delle sezioni d’urto $\nu$–nucleo sui diversi bersagli che verranno collocati in SAND. Il ruolo dell’ECal risulta quindi cruciale per la ricostruzione e identificazione delle particelle presenti nello stato finale. In questa tesi viene sviluppata la catena di simulazione, ricostruzione e analisi per l’ECal di SAND, a partire dalla modellizzazione dei depositi di energia nelle fibre scintillanti fino ai cluster ricostruiti e alla loro associazione con la verità Monte Carlo. Gli algoritmi di digitizzazione, clustering e truth-matching sono stati implementati e integrati nel framework software di SAND e la risposta del segnale del calorimetro è stata caratterizzata sia per gli sciami elettromagnetici che per i muoni. Sono inoltre stati determinati il fattore di calibrazione tra energia attiva e totale e la risoluzione energetica, fornendo una validazione quantitativa della catena di ricostruzione dell’ECal. L'infrastruttura sviluppata verrà utilizzata per futuri studi di calibrazione, prestazione e per implementare l'algoritmo globale di identificazione di particelle, integrando anche la ricostruzione degli altri sub-detectors di SAND. È stata inoltre sviluppata una procedura di selezione dedicata per il tagging dei neutroni nel canale CCQE antineutrino su idrogeno nei target a tracciatore di SAND. Sono quantificate l’efficienza di segnale dell’ECal, la purezza e la reiezione del fondo non dovuto all’idrogeno, ottenendo una selezione con neutroni taggati e arricchita in idrogeno, adatta alle analisi di interazioni neutrino–idrogeno e allo studio delle sistematiche per le misure del flusso e di sezione d’urto nel programma di analisi di oscillazione di DUNE.
The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is a future long-baseline oscillation experiment designed to address long-standing open questions in neutrino physics. Its primary goals are to establish whether nature violates CP symmetry in the lepton sector and, if so, to measure the phase $\delta_\text{CP}$, to determine the neutrino mass ordering, and to improve the precision on $\theta_{23}$ and its octant. DUNE will use a high-intensity muon (anti)neutrino beam, produced at Fermilab (FNAL), and will measure oscillations in both appearance and disappearance channels using two detectors located at near and far sites with respect to the beam production point. The far detector, installed at the Sanford Underground Research Facility in South Dakota, will consist of a modular $\SI{68}{\kilo\tonne}$ liquid-argon time projection chamber detector. The near detector (ND) complex at FNAL will combine three complementary subsystems to measure the unoscillated neutrino flux and to constrain the interaction and flux systematics that currently limit the extrapolation of event rates from near to far. SAND (System for on-Axis Neutrino Detection) is one of the three ND sub-detectors and will be permanently located on-axis, acting as DUNE’s primary beam monitor. It will host a $\SI{0.6}{\tesla}$ superconducting magnet and a lead–scintillating fiber sampling electromagnetic calorimeter (ECal), both refurbished from the KLOE experiment. The ECal will provide nearly hermetic coverage of the inner volume, which will be instrumented with a low-density target–tracker system and a $\sim\SI{1}{\tonne}$ liquid-argon detector, GRAIN (GRANular Argon for Interaction of Neutrinos), to image neutrino interactions via scintillation light. SAND is expected to carry out a broad physics program, including measurements of (anti)neutrino fluxes using interactions on hydrogen, constraints on the systematic uncertainties entering the far-detector rate prediction, and measurements of $\nu$–nucleus cross sections on several targets. The successful operation of the ECal in particle reconstruction and identification is therefore crucial. This thesis develops a complete simulation-to-analysis chain for the SAND ECal, from the modeling of energy deposits in the scintillating fibers to high-level reconstructed clusters and their association with Monte Carlo truth. Dedicated digitization, clustering, and truth-matching algorithms are implemented and integrated in the SAND software framework, and the calorimeter response is characterized for both electromagnetic showers and muons. The active–to–total energy calibration factor and the energy resolution compatible with the performance achieved by KLOE have been found, providing a quantitative validation of the ECal reconstruction chain and an infrastructure for future calibration, performance, and particle-identification studies. Building on this framework, a dedicated selection procedure for neutron tagging in $\bar{\nu}_\mu + p \rightarrow \mu^{+} + n$ channel on hydrogen in the SAND tracker targets is developed. The ECal signal efficiency, purity and non-hydrogen background rejection are quantified, yielding a neutron-tagged, hydrogen-enriched selection suitable for neutrino–hydrogen analyses and for constraints on flux and cross-section systematics in the DUNE oscillation program.
Reconstruction algorithms and particle detection performance of the electromagnetic calorimeter of SAND at DUNE near detector complex
CASAZZA, DENISE
2026
Abstract
Il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) è un futuro esperimento di oscillazione a lunga distanza progettato per affrontare alcune questioni aperte nella fisica dei neutrini. I suoi obiettivi principali sono stabilire se in natura vi sia violazione della simmetria $CP$ nel settore leptonico e, in tal caso, misurare la fase $\delta_{CP}$, determinare l’ordinamento di massa dei neutrini e migliorare la precisione sulla misura di $\theta_{23}$ e del suo ottante. DUNE utilizzerà un fascio di (anti)neutrini muonici di alta intensità, prodotto al Fermilab (FNAL), e misurerà le oscillazioni sia nei canali di appearance sia in quelli di disappearance mediante due rivelatori collocati in siti vicino (near) e lontano (far) rispetto al punto di produzione del fascio. Il rivelatore lontano a 1300 km, sarà costituito da un rivelatore basato sulla tecnologia di camera a proiezione temporale ad argon liquido, con una massa di $\SI{68}{\kilo\tonne}$. Il complesso del near detector (ND) al FNAL combinerà tre sottosistemi complementari per misurare il flusso di neutrini prima che le oscillazioni abbiano luogo e vincolare le incertezze sistematiche dovute al flusso e al modello di interazione, che attualmente limitano l’estrapolazione del rate di eventi al far a partire dalle misure del near detector. SAND (System for on-Axis Neutrino Detection) è uno dei tre rivelatori del ND e sarà collocato lungo la direzione del fascio fungendo da monitor principale durante la presa dati. SAND utilizzerà sia il magnete superconduttore da $\SI{0.6}{\tesla}$ che il calorimetro elettromagnetico a campionamento (ECal) dell’esperimento KLOE. L’ECal circonderà quasi completamente il volume interno del detector, che sarà occupato da un sistema combinato di target nucleari e tracciatore a bassa densità. Un rivelatore ad argon liquido di circa $\sim\SI{1}{\tonne}$ chiamato GRAIN (GRANular Argon for Interaction of Neutrinos) sarà collocato a valle del tracciatore per ricostruire immagini delle interazioni di neutrino utilizzando unicamente la luce di scintillazione. SAND ha un ampio programma di fisica che include misure di flusso di (anti)neutrino, la riduzione delle sistematiche che influiscono sulla misura del rate al far detector e misure delle sezioni d’urto $\nu$–nucleo sui diversi bersagli che verranno collocati in SAND. Il ruolo dell’ECal risulta quindi cruciale per la ricostruzione e identificazione delle particelle presenti nello stato finale. In questa tesi viene sviluppata la catena di simulazione, ricostruzione e analisi per l’ECal di SAND, a partire dalla modellizzazione dei depositi di energia nelle fibre scintillanti fino ai cluster ricostruiti e alla loro associazione con la verità Monte Carlo. Gli algoritmi di digitizzazione, clustering e truth-matching sono stati implementati e integrati nel framework software di SAND e la risposta del segnale del calorimetro è stata caratterizzata sia per gli sciami elettromagnetici che per i muoni. Sono inoltre stati determinati il fattore di calibrazione tra energia attiva e totale e la risoluzione energetica, fornendo una validazione quantitativa della catena di ricostruzione dell’ECal. L'infrastruttura sviluppata verrà utilizzata per futuri studi di calibrazione, prestazione e per implementare l'algoritmo globale di identificazione di particelle, integrando anche la ricostruzione degli altri sub-detectors di SAND. È stata inoltre sviluppata una procedura di selezione dedicata per il tagging dei neutroni nel canale CCQE antineutrino su idrogeno nei target a tracciatore di SAND. Sono quantificate l’efficienza di segnale dell’ECal, la purezza e la reiezione del fondo non dovuto all’idrogeno, ottenendo una selezione con neutroni taggati e arricchita in idrogeno, adatta alle analisi di interazioni neutrino–idrogeno e allo studio delle sistematiche per le misure del flusso e di sezione d’urto nel programma di analisi di oscillazione di DUNE.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
