Studio della tank a doppio strato dell'esperimento SWGO

The SWGO experiment (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory) will be a big ground array observatory searching for gamma-rays in galactic cosmic rays. Such experiment will find sources of cosmic rays and will be able to construct a survey. It will be a ground array located in the southern hemisphere and will have a high duty cycle and wide field of view., the main detection technique will be the detection of Cherenkov light in water. The array will be divided in at least 2 regions with different tank coverage. Many options are still taken into consideration, but this study was centred on an array of double-layer tanks (the upper one to detect all particles and the lower one for muons). Precedent studies have shown that the lower layer of the tank of SWGO does not contribute in a positive way to gamma-hadron separation (signal-background) in the external region of the array. This is because there the tanks are more separated and low energy electrons and photons, entering from the lateral walls of the tank, manage to reach the lower layer (which is expected to detect only muons). My thesis work started with the study of a possible alternative design for the tank of the experiment, such variation introduces a wall in the lower layer so that part of the water can be treated as particle absorber. In the first part of my work, such study has been conducted on high-energy events treating the particles in a geometrical way (using simulations of showers produces with CORSIKA), approximating the modification with the introduction of an energy threshold. This has led to the study of analysis problems and of variables useful to the gamma-hadron separation. Furthermore, studies of the distribution of particles were conducted, to better understand which ones could penetrate in the lower layer and how pure was the information given by it. Although this has led to some initial considerations, a full simulation of the events was needed to reach final conclusions. At these energies, the full simulation software of the collaboration (HAWCSim) takes too much time to complete the simulations, and it resulted fundamental to shift to a fast simulation of the tank response. Since a fast simulation program of the experiment did not exist, my work moved on the development of such instrument (in collaboration with the Torino and Padova groups). The idea is to evaluate geometrically the entrance point of the particles of the event in the single tanks, and to parametrize the response with a Look-Up Table. This instrument has been developed in Python language and has required the utilization of HAWCSim for the study of the tank response. As objective I proposed to reproduce the main quantities needed to start some basic analysis but in the future the software could be expanded, for example the time information could be improved. By performing a comparison with HAWCSim, the upper layer behaves correctly and is well reproduced, on the other hand the lower layer suffers of the approximation performed by the simulation (especially in the inner region of the array).

L’esperimento SWGO (Southern Wide-field Gamma-ray Observatory) sarà un osservatorio terrestre di fotoni galattici di alta energia. Tale esperimento permetterà di individuare le sorgenti dei raggi cosmici galattici e di costruirne un catalogo. Sarà un apparato terrestre collocato a grande altitudine nell’emisfero sud con grande duty cycle e ampio field of view, la tecnica di rivelazione principale sarà quella della luce Cherenkov in acqua. Delle varie opzioni prese in esame dalla collaborazione, ho considerato un apparato di tank a doppio strato (quello superiore sensibile a tutte le particelle e quello inferiore ai muoni). L’apparato sarà diviso in almeno 2 regioni a diversa densità di rivelatori. Studi precedenti hanno dimostrato che lo strato inferiore della tank di SWGO non contribuisce in modo positivo alla separazione gamma-adroni (segnale-fondo) nella regione esterna dell’apparato. Ciò è dovuto al fatto che in tale zona le tank sono maggiormente distanziate e quindi elettroni e fotoni di bassa energia entrano dalle pareti laterali e riescono a raggiungere il livello inferiore deteriorando l’informazione raccolta. Il mio lavoro di tesi è iniziato studiando un possibile design alternativo per la tank dell’esperimento, tale variazione introduce un muro nello strato inferiore permettendo di usare parte dell’acqua come assorbitore di particelle. Lo studio è stato inizialmente condotto su eventi di altissima energia con un puro ragionamento geometrico (usando simulazioni di sciami ottenute con CORSIKA), approssimando tale modifica con l’introduzione di una soglia in energia. Ciò ha permesso di studiare problemi di analisi riguardanti la struttura dell’array e di variabili utili alla separazione gamma-adroni. Oltretutto, sono stati condotti anche degli studi sulla distribuzione di particelle per comprendere meglio quali potessero penetrare nel secondo strato e quanto fosse pura l’informazione sui muoni. Sebbene ciò abbia permesso di trarre alcune considerazioni iniziali, è risultato necessario passare alla simulazione della risposta della tank agli eventi. Purtroppo, nel range di energia considerato, il software di simulazione della collaborazione (HAWCSim) impiega tempi troppo lunghi; quindi, è risultato necessario passare ad una simulazione veloce della risposta della tank. Non essendo disponibile un programma di simulazione veloce per l’esperimento, il mio lavoro si è spostato (in collaborazione con i gruppi di Torino e Padova) sullo sviluppo di tale strumento. L’idea è di calcolare geometricamente il punto di entrata delle particelle dell’evento nelle singole tank, e di parametrizzarne la risposta tramite la costruzione di una Look-Up Table. Lo strumento è stato sviluppato in linguaggio Python ed ha richiesto l’utilizzo di HAWCSim per lo studio della risposta della singola tank. Come obiettivo mi sono posto la riproduzione delle informazioni essenziali per poter iniziare ad analizzare gli eventi ma in futuro il software potrebbe venire aggiornato con nuove funzionalità, in particolare la trattazione del tempo dovrebbe essere resa più dettagliata. Confrontando la simulazione veloce con HAWCSim, lo strato superiore sembra essere descritto adeguatamente bene, mentre quello superiore risente di alcune delle approssimazioni fatte durante la simulazione (soprattutto per quanto riguarda la regione più densa dell’apparato).