Wide energy range trigger and development of new electronics for ICARUS LAr-TPC

The ICARUS-T600 detector, with its 470 tons of active mass, is the largest Liquid Argon TPC (LAr-TPC) ever built, and is now currently operating in the LNGS underground laboratory, detecting cosmic rays events after 3 years of data taking with the CERN Neutrinos to Gran Sasso beam. Its excellent calorimetric resolution and topol- ogy reconstruction capabilities permit a wide physics program, which goes from nucleon decay to the study of the oscillation of the neutrinos from the CNGS beam. The events collected differ both for energy deposition (ranging from tens of MeV to tens of GeV) and for topology. To get a fully-efficient detection of the interesting events it is thus necessary to exploit all available sources in the trigger system: the scintillation light, the charge signal on wires and timing information (for beam-related events). For the 2010-2013 data taking a primary trigger, based on the signal from the photomultipliers placed inside the detector, has been set up. To enhance the efficiency of this setup for CNGS neutrino events, a particular effort has been addressed to the development of a time synchronization with the spill extraction, which allowed to reduce the trigger threshold in coincidence with the neutrino arrival time. To check the PMT efficiency for the CNGS events, an alternative minimum biasing trigger has been also developed, which is based on the time synchronization as well as on the analysis of the charge deposition on the TPC wires. A full efficiency and a rejection of more than 103 have been reached with this trigger. To further increase the PMT trigger efficiency on non beam related events, an hit finding algorithm has been implemented in a hardware device, and is now taking data in steady condition. First results of this recently installed system, have shown an increase of the overall trigger efficiency on the sub-GeV region, which is of particular interest in view of the study of nucleon decay as well as on the low energy tail of the atmospheric neutrons. Finally ICARUS solved the anomaly reported by the OPERA collaborations on the superluminar neutrino velocity, by performing a high precision measurement of the neutrino time of flight from CERN to LNGS, resulting in perfectly agreement, within the experimental resolution, with the light velocity.

Il rivelatore ICARUS T-600, con una massa attiva complessiva di 470 tonnellate, rappresenta la più grande camera a proiezione temporale ad argon liquido (LAr-TPC) mai costruita, ed è attualmente in presa dati ai LNGS, rilevando raggi cosmici dopo i tre anni dedicati alla misura degli eventi dal fascio di neutrini CNGS. La sua eccellente risoluzione calorimetrica, unita alla possibilità di ricostruzione topologica degli eventi, permette un ampio programma di fisica, che spazia dallo studio del decadimento dei nucleoni all’osservazione delle oscillazioni sul fascio CNGS. Gli eventi raccolti differiscono sia per energia depositata nel rivelatore (la quale varia da decine di MeV a decine di GeV) sia per topologia degli eventi. Per ottenere una piena efficienza sugli eventi di interesse è necessario dunque sfruttare tutte le sorgenti di trigger in un unico sistema: la luce di scintillazione, il segnale di carica raccolto dai fili della TPC e la sincronizzazione temporale (per eventi di fascio). Per la presa dati 2010-13 è stato sviluppato un trigger primario, basato sul segnale raccolto dai fotomoltiplicatori installati all’interno del rivelatore. Per aumentare l’efficienza di questo sistema per gli eventi CNGS, un particolare sforzo è stato rivolto allo sviluppo di un sistema di sincronizzazione con l’estrazione del fascio, che ha permesso di ridurre le soglie di rivelazione in coincidenza col tempo di arrivo dei neutrini. La conferma dell’efficienza di questo sistema è stata ottenuta da un trigger alternativo, basato sull’analisi della carica depositata sui fili delle TPC. Una piena efficienza e una reiezione dei fondi superiore a 103 è stata raggiunta con questo sistema. Per migliorare ulteriormente l’efficienza del trigger da PMT per eventi non di fa- scio, un algoritmo di identificazione delle hit è stato implementato in un dispositivo hardware, ed è ora stabilmente in presa dati. I primi risultati di questo sistema installato di recente, hanno dimostrato un aumento di efficienza nella regione sub-GeV, la quale è di particolare interesse in vista degli studi sul decadimento del nucleone, così come sulla coda a bassa energia dello spettro dei neutrini atmosferici. Infine ICARUS ha risolto l’anomalia riportata dalla collaborazione OPERA riguardo alla velocità superluminare del neutrino, misurano con alta precisione il tempo di volo del neutrino dal CERN ai LNGS, concludendo con un perfetto accordo, entro la risoluzione sperimentale, con la velocità della luce