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L’esperimento MEG, situato presso il Paul Scherrer Institut di Zurigo (Svizzera), ricerca il decadimento μ → eγ, proibito all’interno del Modello Standard, ma previsto da tutte le sue estensioni. Nel 2013 la collaborazione ha posto il limite più stringente sul rapporto di decadimento di questo processo, pari a BR(μ → eγ) < 5.7 × 10^–13. L’analisi dell’intero set di dati raccolti durante la prima fase dell’esperimento, la cui pubblicazione è prevista entro il 2015, permetterà di saturare la sensibilità raggiungibile con il presente apparato sperimentale.
La ricerca sperimentale del decadimento si basa sulla misura del quadrimpulso di fotoni e positroni provenienti da decadimenti di muoni fermi. Il quadrimpulso del fotone è misurato da un calorimetro a xenon liquido, mentre l’impulso del positrone è misurato da un insieme di camere a deriva poste in campo magnetico, seguito da barre scintillanti per una precisa determinazione del tempo.
L’upgrade dell’esperimento è in fase di costruzione, alla stessa linea del fascio e allo stesso magnete verranno accoppiate una nuova camera a fili e un calorimetro a xenon con maggiore accettanza e granularità. Mediante tale upgrade si vuole migliorare la sensibilità alla ricerca del decadimento di un ulteriore fattore 10 (fino a qualche unità` in 10^–14) dove la maggior parte delle estensioni del Modello Standard prevedono l’esistenza del decadimento.
Elemento chiave del nuovo apparato è la nuova camera a deriva, responsabilità dei gruppi italiani che partecipano all’esperimento. Essa è progettata per migliorare l’accettanza del segnale, mantenendo il materiale sulla traiettoria del positrone al minimo, dato che alle energie in gioco la diffusione Coulombiana multipla è l’elemento di maggior disturbo per una precisa determinazione dell’impulso della particella. Tale camera, composta da più di 4000 fili con configurazione stereo, è riempita di una miscela molto leggera di elio e isobutano, che comporta una bassa densità di ionizzazione nel mezzo. Diventa di fondamentale importanza, nel momento in cui si va a costruire un nuova camera, ottenere un’elevata risoluzione spaziale nella determinazione della traiettoria delle particelle cariche. In presenza di gas ultra leggeri, il contributo dominante alla risoluzione spaziale è determinato dalle fluttuazioni statistiche del numero di ionizzazioni primarie prodotte. Le coordinate della coppia elettrone-ione più vicina al filo (primo cluster)
non corrispondono necessariamente al punto di minimo avvicinamento della traccia al filo anodico. Si genera così una sovrastima rilevante nella misura del parametro d’impatto, il cui valore risulta dello stesso ordine di grandezza della risoluzione spaziale sul singolo hit.
In questa tesi viene affrontato lo studio di alcuni algoritmo per la riduzione della sovrastima del parametro d’impatto, basati sulla misura dei tempi d’arrivo di tutti i cluster sull’anodo, resa possibile da dispositivi elettronici molto veloci.
Viene studiato per la prima volta un nuovo metodo di riduzione della sovrastima basato su un estimatore robusto ed ottimale, chiamato MPS (Maximum Possible Spacing), di cui vengono discusse proprietà e caratteristiche.
Viene mostrato come l’applicazione di tali algoritmi permetta di migliorare la misura del parametro d’impatto, sia su simulazioni Monte Carlo che, per la prima volta, su dati provenienti da un prototipo di camera a drift.
Il prototipo, realizzato all’interno dei laboratori della sezione di Pisa dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, è stato posto all’interno di un tracciatore al silicio, indipendente, di raggi cosmici che offre estrema accuratezza nella misura delle coordinate della traccia e della loro risoluzione spaziale.
Per l’analisi dei dati accumulati è stato necessario implementare algoritmi d’identificazione dei cluster e, grazie ad una semplice ricostruzione delle tracce, è stato possibile ricavare una stima delle risoluzioni ottenibili nell’apparato.
Si mostrerà come i metodi di cluster timing sono effettivamente in grado di misurare il parametro d’impatto di particelle ionizzanti eliminando il bias e preservando la risoluzione spaziale.
Le misure effettuate per questa Tesi hanno permesso di verificare in maniera preliminare le prestazioni della camera a deriva per l’upgrade dell’esperimento MEG.