Development of the instrumentation and readout schemes of MARTA, an upgrade of the Pierre Auger Observatory

Ricardo Jorge Barreira Luz

Key information

Authors:

Ricardo Jorge Barreira Luz (Ricardo Jorge Barreira Luz)

Supervisors:

Pedro Jorge Dos Santos de Assis (Pedro Jorge Dos Santos de Assis); Pedro Miguel Félix Brogueira (Pedro Miguel Félix Brogueira)

Published in

07/29/2020

Abstract

O Observatório Pierre Auger é um detetor híbrido que estuda as cascatas de partículas criadas na interação dos raios cósmicos de alta energia com a atmosfera da Terra, combinando duas das técnicas de maior sucesso utilizadas para medir estas parículas: detetores de superfície (SD), que medem as partículas no chão com tanques de Cherenkov, e detetores de fluorescência (FD), que captam a luz de fluorescência emitida pelo azoto atmosférico quanto este é excitado pelas partículas da cascata. Apesar de o Observatório ter sido fundamental ao publicar alguns dos mais importantes resultados experimentais em raios cósmicos de alta energia, ainda existem várias questões em aberto. Uma delas é sobre o modo como a cascata de partículas se desenvolve, questão que é crucial na operação do Observatório. Nomeadamente, existe uma discrepância entre o número de muões medidos pelo detetor de superfície e o número previsto pelos modelos que descrevem as cascatas. Os muões são essenciais no desenvolvimento da cascata, visto que, sendo sempre resultado do decaimento dos hadrões, permitem estudar as suas interações. MARTA (acrónimo para Muon Array with RPCs for Tagging Air showers) propõe fazer uma medida direta, independente e precisa da componente muónica das cascatas. Com MARTA é esperado conseguir, não só perceber a causa desta discrepância, mas também estudar as interações hadrónicas, melhorar a sensibilidade dos detetores às diferentes composições dos raios cósmicos e reduzir as incertezas sistemáticas das diferentes medidas. A proposta é adicionar detetores do tipo RPC (acrónimo para Resistive Plate Chamber) por baixo dos detetores de superfície do Observatório. Desta forma, todas as outras componentes da cascata são absorvidas na água, enquanto os muões a atravessam e são detetados outra vez pelas RPCs. RPCs são detetores gasosos de partículas carregadas utilizados em diversas aplicações, conhecidos por serem robustos, baratos, terem altas eficiências de deteção, e uma excelente resolução espacial e temporal. Devido às suas características, estes detetores são maioritariamente utilizados em condições laboratoriais. Porém, durante o processo de desenvolvimento de MARTA, foi mostrado que as RPCs podem ser operadas nas condições ambientais adversas que são características de experiências como o Observatório Pierre Auger. O objetivo desta tese é o desenvolvimento da front-end utilizada para adquirir os dados de MARTA. O sistema tem que conseguir discriminar e medir a carga dos sinais rápidos que são gerados na RPC, ter baixo consumo de energia e ser compacto de forma a respeitar os requisitos da operação de detetores no campo, e ser estável e fiável para poder ser operado com o mínimo de manutenção possível. A solução encontrada que preenche todos os requisitos foi utilizar um ASIC, que faz a digitalização dos sinais da RPC, e uma FPGA para gerir as aquisições, bem como o armazenamento e transferência de dados. No total, três versões do sistema foram produzidas e testadas, dois protótipos e uma versão final. Firmware e software foram desenvolvidos para correr a aquisição e controlar todos os componentes da front-end. O sistema foi validado, mostrando ser capaz que medir não só o número de partículas que atravessam o detetor, mas também a carga que estas induzem na RPC. Por fim, as aplicações da front-end foram descritas, incluindo uma pequena matriz de sete estações onde a versão final da board vai ser instalada. O objetivo principal destas estações será estudar o conceito de MARTA e o quão útil será a medição simultânea das RPCs com os tanques. Também vai servir para continuar a estudar o desempenho das RPCs e calibrar outros detetores instalados na mesma região. Além disso, este sistema foi também utilizado num hodoscópio que vai testar os novos cintiladores do Observatório e num detetor que vai estudar uma mina inativa utilizando tomografia de muões. The Pierre Auger Observatory is a hybrid detector that studies the extensive air showers (EAS) produced in the interaction of the highest energy cosmic rays with the Earth’s atmosphere. It combines two of the most successful techniques used to detect this phenomenon: a Surface Detector (SD), that samples the particles at the ground using water-Cherenkov tanks (WCD), and a Fluorescence Detector (FD), that collects the fluorescence light emitted by the atmospheric nitrogen excited by the shower’s particles. Although the Observatory has been successful and has published some of the most important results in experimental ultra high energy cosmic rays (UHECR), there are still many open questions. One of them is about the development of the air shower, which is fundamental for the Observatory’s operation. Namely, there is a known discrepancy between the number of muons measured by the Observatory and the ones predicted in the models developed to describe the EAS. Muons are essential in the shower development since they are one of the best links to the hadronic interactions. The Muon Array with RPCs for Tagging Air showers (MARTA), proposes to perform an direct, independent, and accurate measurement of the muonic content of the EAS. With it, it is expected to understand no only what might cause this discrepancy, but also be able to study hadronic interactions at the highest energies, improve the detector’s composition sensitivity, and reduce the systematic uncertainties of many different measurements. MARTA proposes to add Resistive Plate Chambers (RPCs) underneath the Observatory’s WCD to perform this measurement. This way, all other detectable components of the air shower will be absorbed by the water mass, while the muons transverse it to be detected again by the RPCs. RPCs are widely used gaseous detectors of charged particles, that are known for being robust, low-cost, have high detection efficiency, and excellent spatial and time resolutions. Due to their characteristics, these detectors have mostly been used in laboratory conditions. However, during the development process of MARTA, it has been proven that they can be operated in the harsh environmental conditions, that are typical of field operation in experiments like the Pierre Auger Observatory. The objective of this thesis was the development of the MARTA front-end acquisition system. It had to be able to discriminate and measure the charge of the fast avalanche pulses generated in the RPC, be low power and compact to comply with the demands of field operation, as well as stable and reliable for low maintenance operation. The solution found that filled all the requirements had its two main components, an ASIC to perform the digitization of the RPC signals, and an FPGA to manage the acquisition as well as data storage and transfer. During the development process, two prototypes and a final version were produced, tested, and debugged. Custom firmware and software were written to run the acquisition and control all the components. The system was validated, showing that it was able to successfully measure not only the particle hits in the detector but also the charge induced. Lastly, the applications of the MARTA front-end were described that include an engineering array (EA) of seven stations, where the production version of the board will be installed. The main goal of this array is to study the MARTA concept performance and how useful the combined measurement can be. It will also be used to keep studying the RPCs in the field and to cross-calibrate other detectors installed in the same region of the array. The system was also installed in a hodoscope that will be used to test the Observatory’s new scintillators, as well as in a detector that will be used to study a decommissioned mine using muon tomography.