Simulations and reconstruction of antiproton-matter annihilation events in antimatter experiments

The Standard Model (SM) is to date the most comprehensive theory describing the fundamental components of our Universe and their interactions. With it, an incredible amount of phenomena can be described with great precision. It is well known, however, that the standard model is neither complete nor fully understood. An important case of SM incompleteness is the inability to explain the observed asymmetry between antimatter and matter on a cosmological scale. One way pursued experimentally to address this issue is to test for possible CPT symmetry violations. The projects I am presenting in this thesis are framed inside an experiment that deals with this particular research subject. The Antimatter Spectroscopy And Coherent Upward-going Scattering experiment (ASACUSA) is held at CERN and it aims to investigate several aspects of antimatter systems. Its collaboration carries on several projects. The main one focuses on a CPT test which uses hyperfine antihydrogen spectroscopy measurements, in order to compare the hyperfine structure of antihydrogen with the well known one of hydrogen. Another line of research that started in the last years, aims at characterize the products of antiproton annihilation at rest. In this collaboration I have contributed over the years both to the set-up and upgrade of the hardware part and to various data analysis and simulation projects. In this thesis I will present two main contributions carried out within the framework of these two lines of research. The first concerns the development of Monte Carlo (MC) simulations for the study of slow anti-proton annihilation products on different materials and then the digitization of these and other simulations of this measure. Other then collect data about annihilations at rest the goal of this research is to compare MC software output with experimental data, since they are not quite reliable for this process. The annihilation processes are essential for most measurements in the field of low-energy antimatter and, in addition, the models on which MC simulation software is based rely on extrapolations from data to reproduce these processes at low energies. The second focus on the implementation of a signal reconstruction software for the scintillating bar detector used for the calibration of the creation phase of antihydrogen. This detector, called DANTE (Detector for Annihilation Tracking Experiment), has undergone a complete upgrade in the last year, both hardware and software for use in the next data taking period. One of these upgrades was the implementation of a tracking reconstruction software. This contribution is of fundamental importance for the process of making the anti-hydrogen spectroscopy measurement. The DANTE detector is currently being used to track pions and other annihilation products in the positron and antiproton mixing area of the experiment. The software makes it possible to monitor the cloud of antiprotons at this delicate stage. The thesis is developed as follows. In the first chapter, I introduce the research of antimatter at low energy and some general traits that characterize experimental research in particle physics. In the second chapter I will describe the experimental apparatus of ASACUSA. In the third chapter, I will focus on the two lines of research carried out in ASACUSA, where our contribution is framed. I will then devote the last two chapters to the two projects developed in this thesis. I will conclude with a summary of the results and mentioning some further possible developments of these projects. Some additional material about the projects can be found in the appendixes.

Il modello standard (SM) è ad oggi la teoria più completa che siamo riusciti a formulare per descrivere i componenti fondamentali del nostro universo e le loro interazioni. Con essa è possibile descrivere con grande precisione un'incredibile quantità di fenomeni. È ben noto, tuttavia, che il modello standard non è né completo né pienamente compreso. Un esempio importante è l'incapacità di spiegare con il SM l'asimmetria osservata su scala cosmologica tra la presenza di materia e antimateria. Uno delle strade seguite a livello sperimentale per affrontare questo argomento è quella di verificare delle possibili violazioni della simmetria di CPT. I progetti presentati in questa tesi sono inquadrati all'interno di un esperimento che indaga questa particolare tematica. ASACUSA è un esperimento che si svolge al CERN e che mira a indagare diversi aspetti dei sistemi di antimateria. La collaborazione porta avanti diversi progetti in parallelo. Il principale si focalizza su un test di CPT che si basa sulla misura di spettroscopia iperfine dell'anti-idrogeno per confrontare la sua struttura iperfine con quella ben conosciuta dell'idrogeno. Un linea di ricerca di ASACUSA con finalità più pratiche è quella che mira invece a caratterizzare i prodotti delle annichilazioni di antiprotoni a riposo. Lavorando in ASACUSA ho contribuito negli anni sia alla messa a punto e all'aggiornamento della parte hardware sia a vari progetti di analisi e simulazione dei dati. In questa tesi presenterò due contributi a queste due linee di ricerca. Il primo riguarda lo sviluppo di simulazioni Monte Carlo (MC) per lo studio dei prodotti dell'annichilazione di antiprotoni su diversi materiali e inoltre la digitalizzazione di queste e altre simulazioni di questa misura. Oltre a collezionare dati di annichilazione di antiprotoni a riposo, l'obiettivo di questa ricerca è quello di testare i software MC confrontando le simulazioni con i dati sperimentali. Questi processi sono essenziali per la maggior parte delle misure nel campo dell'antimateria a bassa energia e i modelli su cui si basa il software di simulazione MC si basano su estrapolazioni dai dati per riprodurre questi processi a basse energie. Il secondo contributo è l'implementazione del software di ricostruzione del segnale per il rivelatore a barre scintillanti usato per la calibrazione della fase di creazione dell'anti-idrogeno. Questo rivelatore chiamato DANTE (Detector for ANnhilation of Tracking Experiments), nell'ultimo anno è stato sottoposto a un aggiornamento completo, sia hardware che software, per l'utilizzo nel prossimo periodo di acquisizione dei dati. Uno di questi upgrade è stata l’implementazione di un software di ricostruzione delle tracce delle particelle. Questo contributo è di fondamentale importanza per il processo di misurazione della spettroscopia dell'anti-idrogeno. Il rivelatore DANTE viene attualmente utilizzato per tracciare i pioni e altri prodotti di annichilazione nell'area di mixing di positroni e antiprotoni dell'esperimento. Ciò consente di monitorare il plasma di antiprotoni in questa fase delicata. La tesi si sviluppa come segue: nel primo capitolo si introducono alcuni concetti relativi al campo di ricerca sull'antimateria e alcuni tratti generali che caratterizzano la ricerca sperimentale in fisica delle particelle. Nel secondo capitolo descrivo l'apparato sperimentale di ASACUSA. Nel terzo capitolo mi concentro sulla descrizione dei due progetti di ricerca svolti in ASACUSA dove si inquadra il mio contributo all'esperimento. Dedico poi gli ultimi due capitoli ai due progetti sviluppati in questo lavoro di tesi. Concludo quindi con un riassunto dei risultati e menzionando alcuni possibili sviluppi di questi progetti. Del materiale aggiuntivo è riportato nelle due appendici dedicati ai due progetti.