Fluctuations du piédestal et exemple de simulation pour le signal S1

La dernière étape de la simulation est la prise en compte des fluctuations du piédestal, qui va dégrader le signal. L’écart-type de ce bruit a été estimé pendant la calibration et est présenté dans le tableau7.1

pour les différents PMTs. Dans la simulation, chaque classe (bin) de l’histogramme est bruitée en ajoutant une valeur générée aléatoirement suivant une gaussienne d’écart-type σP ed = 0.7, 0.4 ou 0.8 ADC suivant le PMT en question. Enfin, le signe de la polarisation du signal est inversé pour correspondre au signal des PMTs.

La figure 7.17 présente un exemple de simulation complète du signal S1 dû à un muon traversant le volume actif du pré-prototype 3 × 1 × 1 m3. La figure de gauche présente l’histogramme obtenu par QScan après la simulation du processus de scintillation et de la propagation des photons dans le détecteur, et après la prise en compte de l’efficacité quantique des PMTs. La figure de droite présente le même signal après la prise en compte de la réponse de l’électronique des PMTs. Un exemple de signal comparable extrait des données est présenté sur la figure7.18. Nous pouvons voir que, malgré la prise en compte de l’étalement de la réponse des PMTs au SPE, le signal extrait des données est plus étalé que le signal simulé. Il reste donc des effets jouant sur cet étalement qui ne sont pas implémentés dans la simulation, et pour lesquels des études complémentaires seraient nécessaires. Pour les comparaisons présentées dans les sections suivantes, cet effet aura toutefois un impact limité car la majorité des études utilise le signal intégré temporellement.

hS1_PMT0 Entries 1769 Mean 431.7 Std Dev 454.5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Time [ns] 0 20 40 60 80 100

Number of PEs [PE/4ns]

hS1_PMT0 Entries 1769 Mean 431.7 Std Dev 454.5 hROS_Final_PMT0_ev0 Entries 57200 Mean 0.7007 Std Dev 0.4617 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 s] µ Time [ 3700 3750 3800 3850 3900 3950 4000

ADC counts [ADC/4ns]

hROS_Final_PMT0_ev0 Entries 57200 Mean 0.7007 Std Dev 0.4617

Simulation

Figure 7.17 – Exemple de simulation du signal S1 dû à un muon traversant le détecteur, avant (gauche) et après (droite) la prise en compte de la réponse de l’électronique des PMTs dans la simulation, pour le PMT1.

Une simulation préliminaire de la réponse de l’électronique des PMTs du pré-prototype 3 × 1 × 1 m3

a donc été développée en se basant sur les données de calibration. Notons ici que d’autres effets, comme la non-linéarité de la réponse des PMTs, c’est-à-dire du nombre de photo-électrons détectés en fonction du nombre de photo-électron produits, ne sont pas encore pris en compte dans la simulation. Elle pourra donc être étoffée par la suite pour prendre en compte un maximum d’effets et développer une simulation plus précise. Pour les études du signal lumineux dans le cadre de ProtoDUNE-DP, elle devra également être adaptée à la calibration réalisée pour les PMTs qui seront installés dans le détecteur.

h0 Entries 262144 Mean 2.298e+05 Std Dev 461.8 229 229.2 229.4 229.6 229.8 230 230.2 230.4 230.6 3 10 × Time [ns] 3750 3800 3850 3900 3950 4000

ADC counts [ADC/4ns]

h0

Entries 262144 Mean 2.298e+05 Std Dev 461.8

Data

Figure 7.18 – Exemple de signal S1 extrait des données du pré-prototype 3 × 1 × 1 m³, provenant d’un événement déclenché par les détecteurs à muons (« CRT trigger »), pour le PMT1.

7.2 Comparaisons avec les données de lumière du pré-prototype

Dans cette partie, nous présenterons les résultats des simulations du signal lumineux attendu dans le pré-prototype 3 × 1 × 1 m3, ainsi que leurs comparaisons avec les données recueillies. Il s’agit de comparaisons réalisées en collaboration avec l’institut CIEMAT, qui a pris en charge l’analyse des données du pré-prototype. Les simulations présentées dans cette section supposent LAbs= 30 m ainsi qu’une efficacité quantique de 20% pour tous les PMTs.

7.2.1 Description des données disponibles

Définition des volumes utilisés. Dans le logiciel QScan, le processus de scintillation n’est pas simulé dans la totalité du volume d’argon liquide, mais uniquement dans le volume fiduciel théorique de 3×1×1 m3(FV). En réalité, le volume instrumenté et soumis au champ de dérive s’étend jusqu’aux anneaux de la field cage, qui sont placées à l’extérieur du FV. Ce volume est donc légèrement plus grand que le volume fiduciel théorique. De plus, les photons de scintillation peuvent également être émis à l’extérieur de la field cage le long de la trace des particules incidentes. En particulier, ils peuvent être émis sous la cathode, où ils auront une forte probabilité d’être détectés. Dans ce chapitre, nous distinguerons donc les deux volumes suivants :

• Le volume fiduciel « théorique » de 3 × 1 × 1 m3 défini dans la simulation, que nous noterons

F V_{M C}. Dans QScan, le processus de scintillation n’est pas simulé à l’extérieur de ce volume. • Le volume fiduciel « étendu », défini dans l’analyse des données, que nous noterons F Vdata. Ce

volume englobe le volume fiduciel théorique, et prend en compte le volume d’argon contenu entre le F VM C et les anneaux de la field cage, ainsi que le volume d’argon liquide se trouvant sous la cathode.

Les dimensions de ces deux volumes sont résumées dans le tableau 7.4, et ils sont représentés sur la figure 7.19. Ces définitions différentes doivent être prises en compte dans les comparaisons que nous allons présenter. En particulier, la lumière produite sous la cathode, et donc très proche des PMTs, ne sera pas prise en compte dans la simulation. Or, cette lumière a une plus grande probabilité d’être

prochaine étape de l’amélioration de la simulation. Cette modification sera nécessaire pour réaliser des comparaisons plus précises entre les données et les simulations. Nous présentons ici des comparaisons et des études préliminaires, qui seront par la suite affinées.

Volume X (mm) Y (mm) Z (mm) Instrumenté 1000 3000 1000

Fiduciel 1121 3121 1155

Table 7.4 – Résumé des différents volumes définis dans la simulation et l’analyse de données du pré-prototype 3 × 1 × 1 m3 CR T CR T CRT 1 90 cm Volume fiduciel (FV_MC) 15 cm 376 cm

Volume fiduciel « étendu » (FV_data)

CRT 2 300 cm ^{12.1 cm}

Figure 7.19 – Schéma du pré-prototype 3 × 1 × 1 m³ et des positions des CRTs.

Systèmes de déclenchement Comme nous l’avons décrit dans le chapitre 3, deux systèmes de déclenchement de l’acquisition ont été utilisés lors de la prise de données. Ces deux systèmes modifient la topologie des événements enregistrés :

• Système de déclenchement basé sur la détection du signal rapide S1 par les PMTs (PMT

self-trigger). L’acquisition se déclenche si la quantité de lumière dépasse un certain seuil pour les

5 PMTs. Pour la majeure partie de la prise de données, ce seuil a été fixé de manière à avoir un taux d’événements autour de 3 Hz. Ce système sélectionne des événements de topologie variée, incluant par exemple des événements verticaux passant près des PMTs et des gerbes électromagnétiques. Dans cette configuration, il est nécessaire d’effectuer des études détaillées des signaux pour obtenir des informations précises sur la trace des particules.

• Système de déclenchement basé sur des plans de détecteurs à muons (CRT pour Cosmic Ray Tagger) placés de part et d’autre du pré-prototype et visibles sur la figure 7.19 (CRT trigger).

Ces détecteurs sont constitués chacun de plans de scintillateurs mesurant environ 1.8 × 1.8 m2. Les événements sélectionnés sont des muons diagonaux et horizontaux. Dans un premier temps, les CRTs étaient placés à la même hauteur afin de sélectionner des événements diagonaux et horizontaux (CRTs alignés). Dans un second temps, ils ont été décalés l’un par rapport à l’autre afin de sélectionner des événements diagonaux (CRTs non-alignés). Nous appellerons « CRT1 » le CRT décalé vers le haut et « CRT2 » celui décalé vers le bas. Le taux d’événements est d’environ 0.3 Hz. Les coordonnées bidimensionnelles et le temps de passage des muons dans chacun des CRT sont enregistrés, et peuvent être utilisés dans l’analyse des données.

Caractéristiques des données disponibles. Différentes prises de données ont été effectuées dans différentes configurations. En particulier, les prises de données (run) ont été effectuées avec différentes tensions appliquées aux électrodes, et donc avec différents champs électriques appliqués à l’argon liquide et gazeux. Ces différentes configurations permettent d’étudier l’impact de ces champs sur la collection de lumière. Dans les sections suivantes, nous comparerons notamment les simulations du signal S1 réalisées au cours de cette thèse et les données recueillies en absence de champ de dérive (section 7.2.2), puis en présence d’un champ de dérive variant entre 0 kV/cm et 0.6 kV/cm (section7.2.3).

7.2.2 Étude du signal S1 en l’absence de champ de dérive

Dans cette section, nous allons comparer les simulations et les données recueillies pour un champ de dérive nul, et dans le cas où le système de déclenchement est basé sur les CRTs non-alignés. Les événements correspondant à cette configuration sont simulés en ayant implémenté dans QScan deux plans verticaux représentant les CRTs. Pour chaque événement, un point de passage est généré aléatoirement sur chaque CRT, et QScan simule la trajectoire d’un muon entre ces deux points. L’énergie de ces muons est distribuée aléatoirement selon une loi uniforme entre 0.5 et 10 GeV. Des coupures seront par la suite appliquées dans les données et les simulations. Nous allons à présent décrire les différentes variables sur lesquelles s’effectuent ces coupures. Nous décrirons ensuite les coupures choisies pour les analyses présentées dans cette section.