The Slow Control and the Calibration Systems of the E989 Experiment at Fermilab

One of the more persistent hints of new physics is the deviation between the measured muon anomalous magnetic moment, aµ = (g − 2)/2, and its Standard Model expectation, where both are determined to a precision of about 0.5 parts per million. The muon anomaly aµ was measured in the late 1990s-early 2000s at Brookhaven National Laboratory (BNL) in the USA. These measurements were combined together and showed a 3.4σ discrepancy with the Standard Model’s value. The discrepancy can be hint of new physics (SUSY, Dark Matter, etc.) contributing to the g − 2 value. In order to investigate this discrepancy and confirm (or disprove) the BNL result, a new Muon g − 2 experiment at Fermilab (E989) aims to measure aµ with an uncertainty of 0.14 ppm. To reach the precision required for this experiment, a precise measurement of the anomalous precession frequency is needed (together with a precision measurement of the field inside the ring). In particular, the laser calibration system will reduce the systematic error due to gain fluctuations of the photodetectors from 120 to 20 ppb. The 20 ppb limit on systematic requires a system with a stability of 10−4 on a short time scale (700 µs) while on a longer time scale the stability is at the percent level. The 10−4 stability level required is almost an order of magnitude better than the existing laser calibration system in particle physics, making the calibration system a very challenging item. The work presented in this thesis documents the development and the results obtained in the design, construction, test and installation of the Laser Calibration System for the new E989 experiment. Several laboratory tests were performed, in order to find the best solution for a system which should be the first of its generation, with a total accuracy requested by the experiment of one order of magnitude better than the existing laser calibration system. This calibration system has been developed and tested in 4 years, from the beginning of 2012 to 2016, installed at Fermilab starting from second half of 2016 up to may 2017, where has been commissioned. In the last year and half the system has been continuously operated. During this time it was verified that the calibration system is presently able to monitor and correct for laser intensity variations at different time scales. The laser pulses, taken within and outside the muon fill, are currently used to correct SiPM response and this correction may be as large as few %. It has been also proven that 6 lasers are enough to illuminate all 24 calorimeters with an equivalent energy of as maximum 10 GeV per laser pulse. The Double Pulse procedures of the Laser Calibration System result to be a powerful tool to investigate the calorimeters gain function at different time scale inside the muon fill. All these results proved that the calibration system satisfies the main goal of the experiment and the project specifications: to monitor the gain fluctuations of the SiPM with a 0.04% statistical accuracy and at 0.01% systematic one in the 700µs time window. During this time the Italian group has also designed and developed the software frameworks necessarily to the real time data taking and monitoring of the laser calibration system in Fermilab and has started to manage the slow control of all g −2 E989 experiment (All this work have been presented in this thesis). During the last years, the italian group has been and is currently involved in the analyses of calorimeters gain correction and the !a determination studies, together with other european istitutions. This work has been documented in the last three chapters of this thesis. The E989 experiment has collected in July 2018, at the end of Run 1, almost two times the statistics of BNL and is starting Run 2 again with significant improvements both on hardware and software sides. We are all looking forward to the next years to complete the analysis and to the first results hoping that this measure could bring us a step further in the knowledge of how the universe works.

Uno dei problemi non risolti della nuova fisica è la deviazione tra il momento magnetico anomalo misurato del muone, aμ = (g - 2) / 2 e la sua aspettativa del Modello Standard, dove entrambi sono determinati con una precisione di circa 0,5 parti per milione. L'anomalia dei muoni aμ è stata misurata alla fine degli anni '90-inizio del 2000 al Brookhaven National Laboratory (BNL) negli Stati Uniti. Queste misurazioni sono state combinate insieme e hanno mostrato una discrepanza di 3.4σ con il valore del modello standard. La discrepanza lascia il campo aperto a nuove interpretazioni teoriche (SUSY, materia oscura, ecc.) che contribuisce al valore g - 2. Per indagare su questa discrepanza e confermare (o smentire) il risultato del BNL, un nuovo esperimento Muon g-2 al Fermilab (E989) mira a misurare aμ con un'incertezza di 0,14 ppm. Per raggiungere la precisione richiesta per questo esperimento, è necessaria una misura precisa della frequenza di precessione anomala (insieme con una misurazione precisa del campo magnetico all'interno dell'anello). In particolare, il sistema di calibrazione laser ridurrà l'errore sistematico, dovuto alle fluttuazioni del guadagno dei fotorivelatori, da 120 a 20 ppb. Il limite di 20 ppb nell’errore sistematico richiede un sistema con una stabilità di 10-4, su una scala temporale breve (700 μs), quasi un ordine di grandezza migliore rispetto ai sistemi di calibrazione laser esistenti nella fisica delle particelle. Il lavoro presentato in questa tesi documenta lo sviluppo ed i risultati ottenuti nella progettazione, costruzione, test e installazione del sistema di calibrazione laser per il nuovo esperimento E989. Questo sistema di calibrazione è stato sviluppato e testato in 4 anni, dall'inizio del 2012 al 2016, installato presso il Fermilab a partire dalla seconda metà del 2016 fino a maggio 2017, quando è stato commissionato, operando da allora continuativamente. Durante tutto questo periodo è stato verificato che il sistema di calibrazione è in grado di monitorare e correggere le variazioni di intensità del laser su diverse scale temporali. È stato inoltre dimostrato che 6 laser sono sufficienti per illuminare tutti i 24 calorimetri con un'energia equivalente fino a 10 GeV per impulso laser. Le procedure con Doppio Impulso del sistema di calibrazione laser risultano essere un potente strumento per investigare la funzione di guadagno del calorimetro su una scala temporale diversa all'interno del “muon fill”. Tutti i test hanno dimostrato che il sistema di calibrazione soddisfa l'obiettivo principale dell'esperimento e le specifiche del progetto: monitorare le fluttuazioni del guadagno del SiPM con una precisione statistica dello 0,04% e dello 0,01% sistematico nella finestra temporale di 700μs. Durante questo periodo il gruppo italiano ha anche progettato e sviluppato il framework software necessario per l'acquisizione ed il monitoraggio in tempo reale del sistema di calibrazione laser al Fermilab e ha iniziato a gestire il lo Slow Control di tutto l’esperimento E989 (Tutto questo lavoro viene presentato in questa tesi). Negli ultimi anni, il gruppo italiano, insieme ad altre istituzioni europee, è stato ed è attualmente impegnato nelle analisi di correzione del guadagno del calorimetro e negli studi per la determinazione delle sistematiche dell’esperimento. Questo lavoro è stato documentato negli ultimi tre capitoli di questa tesi. Il primo run dell'esperimento E989 si è concluso a luglio 2018, raccogliendo una quantità di dati equivalente a quasi due volte le statistiche di BNL. Alla data attuale è in corso la seconda pressa dati, dopo aver apportato all’esperimento significativi miglioramenti, sia dal punto di vista hardware che software. Il completameto dell'analisi ed i primi risultati avverrà nei prossimi anni, con la speranza che questa misura possa portare ad un ulteriore passo avanti nella conoscenza dell'universo.