L'APPARATO DEI PMT DI ICARUS E IL SUO SISTEMA DI "SLOW CONTROL".

The significant effects of elusive neutrinos in Nuclear Physics, Particle Physics, Astronomy and Cosmology are undeniable. They are present in everywhere of the Universe and called nature’s mysterious messengers. In 1930, Pauli proposed a scheme in which the beta decay might be a three- body decay, where an electrically neutral and extremely light particle should have a small magnetic moment, such that it could be bound in the decaying nucleus. ICARUS T600 is the far detector of the Short Baseline Neutrino program at Fermilab (USA), which foresees three Liquid Argon Time Projection Chambers along the Booster Neutrino Beam line to search for LSND-like sterile neutrino signals. The T600 detector underwent a significant overhauling process at CERN, introducing new technological developments and improving the previously achieved performances. The realization of a new liquid argon scintillation light detection system is a primary task of the detector overhaul. As the detector will be subject to a huge flux of cosmic rays, the light detection system should allow the 3D reconstruction of events contributing to the identification of neutrino interactions in the beam spill gate. The design and implementation of the new scintillation light detection system of ICARUS T600 is briefly described. For testing purposes, a particle detection system which exploits the scintillation light produced by ionizing particles in liquid argon (LAr) has been assembled at CERN. The system was based on a dewar housing 10 large-area photomultiplier tubes (PMT’s). It was instrumented with an alpha source mounted on an extendible mechanical handler, which permits to vary vertically the distance between the source and the PMT plane and to change the source position below the PMT’s horizontally. Arrays of silicon photomultiplier (SiPM) photodetectors, integrated in the source support, are used for the data acquisition trigger and to define the t0 of the light generation. PMT and SiPM signals can be recorded at different distances and different positions allowing the measurement of some properties of the LAr scintillation light. The taken data have been extensively analysed and results have been published. Due to the Covid19 pandemic, after the CERN campaign it was impossible to continue the hardware work at Fermilab. So, I have worked on the slow control tool proposed by Catania group, which has been accepted by the collaboration and constitutes a further method of checking the functionality of all the PMT’s of the Icarus apparatus. In fact, when one or more PMT’s may break down, the alarm system and the consultation of the implemented layouts for the two PMT’s groups (1-180 and 181-360) will allow to intervene in the best possible way, as defined by the procedures of use and maintenance of the apparatus under the neutrino beam. In such an event, consulting the "PMT diagnostics" layout will also allow a landscape view of the situation. This can also be useful for a single PMT failure, but it will be even more useful in the case of the simultaneous failure of several PMT’s. It is also necessary to consider that, apart from the malfunction of the single PMT, the unexpected disconnection of one or more cables or the failure of an entire board of power supply channels of the PMT’s, could also occur. When designing such a complex experimental apparatus, as ICARUS T600, maintenance procedures with different monitoring must also be envisaged when unforeseen 'hardly predictable' events and even 'disaster recovery' techniques happen, not only in the IT sector but also in the mechanical and electronic one. Should a cluster of PMT’s fail to function properly, researchers and technical engineers would be immediately notified about an area which is not affected by the transit of particles to be detected. In view of these considerations, it is suggested that the collaboration needs keeping the slow control tools always on a monitor, in such a way that the four sides of the two PMT’s groups are visible and monitored 24 h a day.

Gli effetti significativi degli elusivi neutrini in Fisica Nucleare, Fisica delle Particelle, Astronomia e Cosmologia sono innegabili. I neutrini sono presenti ovunque nell'Universo e sono denominati messaggeri misteriosi della natura. Nel 1930, Pauli propose uno schema in cui il decadimento beta possa essere un decadimento a tre corpi, in cui una particella elettricamente neutra ed estremamente leggera dovrebbe avere un piccolo momento magnetico, tale da poter essere legato nel nucleo in decadimento. ICARUS T600 è il rivelatore di lontananza del programma Short Baseline Neutrino del Fermilab (USA), che prevede tre Time Projection Chambers ad Argon liquido lungo la linea di fascio del Booster Neutrino Beam, ai fini della ricerca di un segnale di neutrino sterile simile a quello trovato nell’esperimento 'LSND. L’apparato T600 ha subito un significativo processo di ristrutturazione al CERN, introducendo nuovi sviluppi tecnologici e migliorando le prestazioni prima raggiunte. La realizzazione di un nuovo sistema di rivelazione di luce scintillante in argon liquido è un compito primario della ristrutturazione dell’apparato. Poiché il rilevatore sarà soggetto a un enorme flusso di raggi cosmici, il sistema di rivelazione della luce deve poter consentire la ricostruzione 3D degli eventi, contribuendo all'identificazione delle interazioni dei neutrini presenti nello “spill gate” del fascio. La progettazione e la realizzazione del nuovo sistema di rilevamento della luce a scintillazione di ICARUS T600 è brevemente descritta.. A scopo di test, un sistema di rivelazione di particelle che utilizza la luce di scintillazione prodotta da una particella ionizzante in argon liquido (LAr) è stato assemblato al CERN. Il sistema era basato su un dewar che alloggiava 10 tubi fotomoltiplicatori (PMT) di grande area. Il sistema è stato dotato di una sorgente alfa, montata su un braccio meccanico estensibile, che permetteva di variare verticalmente la distanza tra la sorgente ed il piano dei PMT e di modificare orizzontalmente la posizione della sorgente sotto i PMT. Sono utilizzati matrici di fotomoltiplicatori al silicio (SiPM), integrati nel supporto della sorgente, ai fini del trigger dell'acquisizione dati e per definire il t0 della generazione di luce. I segnali PMT e SiPM possono essere registrati a diverse distanze e diverse posizioni, permettendo la misurazione di alcune proprietà della luce di scintillazione nel LAr. I dati raccolti sono stati ampiamente analizzati ed i risultati pubblicati. A causa della pandemia Covid19, dopo la campagna di misure al CERN, è stato impossibile continuare il lavoro hardware al Fermilab. Pertanto ho lavorato su uno strumento di “slow control” proposto dal gruppo di Catania, che è stato recepito dalla collaborazione SBN e costituisce un ulteriore metodo di verifica della funzionalità di tutti i PMT dell'apparato ICARUS. Infatti, in caso di guasto di uno o più PMT, il sistema di allarme e la consultazione dei layout implementati per i due gruppi di PMT (1-180 e 181-360) consentiranno di intervenire nel miglior modo possibile, come definito dalle procedure di uso e manutenzione dell'apparato sotto il fascio di neutrini. In tal caso la consultazione del layout "Diagnostica PMT" consentirà anche di avere una visione panoramica della situazione. Questo può anche essere utile per un singolo PMT in caso di guasto, ma sarà ancora più utile nel caso del guasto simultaneo di più PMT. E’ chiaro che nella progettazione di un apparato sperimentale così complesso, devono essere previste procedure di manutenzione anche quando si verificano eventi repentini "difficilmente prevedibili" con differenti tecniche di monitoraggio e persino di "disaster recovery", non solo nel settore informatico ma anche in quello meccanico ed elettronico. Qualora un cluster di PMT non funzionasse correttamente, i ricercatori e gli ingegneri sarebbero immediatamente informati della presenza di un'area non interessata dal transito delle particelle da rivelare. Alla luce di queste considerazioni, si suggerisce che la collaborazione mantenga sempre il software di “slow control” su un monitor, in modo tale che i quattro insiemi dei due gruppi di PMT, siano visibili e monitorati 24 ore su 24.