RIVELATORI AD LHC Parte I

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RIVELATORI AD LHCParte I

• M. Cobal, Università di Udine

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Caratteristiche rivelatori
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Due problemi principali tipici di LHC
Pile up R Ls 109 interazioni /
secondo Protoni sono raggruppati in bunches
(di ? 1011 protons) collidenti nel
punto di interazione ogni 25 ns
? Ad ogni interazione in media sono prodotti ? 40
eventi minimum-bias . Questi si sovrappongono
agli eventi interessanti (con high pT) , e
causano il cosiddetto
pile-up
1000 particelle cariche prodotte per ? lt 2.5
ad ogni bunch crossing. Comunque lt pT gt ? 500
MeV (particelle di minimum bias).
? Taglio in pT permette di selezionare solo
eventi interessanti
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Soppressione del fondo Riconstruzione di
oggetti con grande impulso trasverso
Come estrarre questo evento
da questo
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2. danni da radiazione -- diminuiscono con
la distanza d2 dal fascio ? i rivelatori vicino
alla beam pipe più inficiati --
necessaria elettronica resistente alla
radiazione -- necessario il controllo di
qualità di ogni pezzo di materiale --
rivelatore electtronica devono sopravvivee per
almeno 10 anni
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Requisiti dei rivelatori

• Non sappiamo come la nuova fisica si manifesta ?
  rivelatori devono essere flessibili e capaci di
  rivelare tutte le possibili particelle
• e, ?, ?, ?, ?, jets,
  b-quarks, .
• ? esperimenti multi-purpose
  .
• Buona misura di leptoni con impulso trasverso
  da pochi GeV a pochi TeV per la rivelazione
• -leptoni ad alto Pt (es. da decadimenti di W e
  Z)
• -leptoni di basso Pt (es. nei decadimenti degli
  adroni B)
• Efficiente identificazione di elettroni (tracking
  e calorimetri), fotoni (calorimetri), b/tau-jet
  (silicon strip e pixel detectors, calorimetri)
• Muoni identificati e impulso misurato in
  spettrometro a muon ( tracker). Eccellente
  risoluzione richiesta tra 5 GeV lt pT lt TeV

• Impulso e carica delle tracce e dei vertici
  secondari (esempio decadimenti dai quark b)
  sono misurati nel tracker centrale. Richieste
  eccellenti risoluzione in impulso e posizione

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Energia e posizione di electroni e fotoni
misurati nel calorimetro elettromagnetico.
Energia e posizione degli adroni e jets misurati
principalmente nei calorimeteri adronici. Buona
copertura angolare e granularità .
Eccellente risoluzione in massa ( circa 1) per
particelle di massa fino a centinaia di GeV che
decadono in fotoni, elettroni e muoni
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Requisiti dei rivelatori rivelazione e misura
dei neutrini

• I neutrini attraversano il rivelatore senza
  interagire
• ? non possono quindi essere rivelati
  direttamente
• Ma richiedendo

-- collisionatori ee- Ei ?s, ?? se
un neutrino è prodotto allora Ef lt Ei (?
energia mancante) ?
-- collisionatori adronici energia e impulso
dello stato iniziale non è noto (energia e
impulso dei partoni che interagiscono ) .
impulso trasverso iniziale e
e quindi impulso trasverso finale e
? Ma se un neutrino è prodotto allora
( ? impulso trasverso mancante) e
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Requisiti dei rivelatori ermeticita

• Usiamo il bilanciamento dellenergia-impulso
  nel piano trasverso
• ? concetti quali Etmiss, impulso e massa
  trasversi sono più frequentemente usati
• ? ricostruire totalmente alcune topologie
  con i neutrini, es. W ? ln e H ? tt ?
  lnlnt hnt
• il rivelatore deve quindi essere ermetico ?
  energia trasversa misurata con alta accuratezza
• ? nessun neutrino non-rivelato

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Requisiti dei rivelatori eccellente risoluzione
in energia
Energia e posizione di elettroni e fotoni
misurati nel calorimetro elettromagnetico
Esempio H ? gg
Molti processi con grande sezione durto e stessa
topologia del segnale nello stato finale.
Struttura non risonante e decrescente con la
massa invariante dei due fotoni
Larghezza del picco e dominata da risoluzione
energia e angolare del calorimetro
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Requisiti del rivelatore eccellente capacità di
identificazione Esempio separazione e/jet ,
g/jet
HAD calo
Esempio pt gt 50 GeV d (gg) lt 1 cm a 150 cm
(nel calorimetro! )
? QCD jets
possono simulare fotoni.
p0
Rapporto fra rate di elettroni e di jet e e/jet
10-5 per pt gt 20 GeV. Quindi jet che simulano
elettroni devono essere rigettati di un fattore
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Mhiggs100 GeV/c2 richiesta alta reiezione di jet.
mgg 100 GeV
mgg 100 GeV
mgg 100 GeV
mgg 100 GeV
mgg 100 GeV
mgg 100 GeV
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Requisiti del rivelatore eccellente capacità di
identificazione Esempio i muoni
Muon-ID da assorbimento e tracciamento nelle
camere a muoni Carica dalla curvatura nel campo
magnetico , Tracker e camere a Muoni Impulso
trasverso pT Tracker (1) e camere a Muoni
(10) Alignment Accettanza del tracker e
delle camere a muoni
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Tracciatura
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Requisiti del rivelatore misura dellimpulso
trasverso
In un collisionatore adronico noi vogliamo
misurare solo impulso trasverso perche i
processi avvengono tra partoni che non sono a
riposo nel sistema del laboratorio (conservazione
dellimpulso solo nel piano trasverso).
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Misura dellimpulso trasverso
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Misura della deflessione
Ma in genere si usa la misura della sagitta!
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Risoluzione nella misura del momento

• Un metodo utilizzato per determinare limpulso
  (per un magnete in aria) è la misura della
  sagitta (s)

La sagitta s è connessa al raggio di curvatura r
ed allangolo di deflessione tramite
Poiché per particelle relativistiche q ltlt 1
Se B è in T L in m e p in GeV/c ?
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Risoluzione nella misura del momento

• Per determinare la sagitta servono almeno 3
  misure di posizione
• una camera allingresso (x1), una al centro
  (x2) ed una alluscita (x3) del magnete
• s(x) uguali per le 3 camere (vedi prossima slide)
  ?

Se la traccia è misurata in N punti equispaziati
lungo la lunghezza del magnete L, si può
dimostrare che la risoluzione in impulso dovuta
allerrore della misura della traccia è
?p/p ?(720/N4) ?xy p/(0.3BR2)
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Esempi
Se ho 4 punti Per B1.8 T, L3 m, N4 e s(x)0.5
mm
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Contributo dello scattering multiplo
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Risoluzione nella misura del momento

• Sommando l errore dovuto allincertezza della
  misura di posizione e il MS.

p Gev/c
A seconda del range di momento che ci interessa
possono adottare strategie differenti Per bassi
momenti domina il termine costante
-minimizzare la lunghezza di radiazione
-usare camere leggere X grande (per esempio
camere con elio) Per alti momenti bisogna
-aumentare il braccio di leva (BL2)
-aumentare la risoluzione sul punto (esempio
rivelatori al silicio)
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Solo sistema muonico
Solo tracker
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Requisiti dei rivelatori misure di precisione
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Rivelatori di vertice
xgbct
IPx/gbct
Il parametro di impatto e indipendente dal boost
e fornisce linformazione sulla vita media.
x
Il parametro di impatto (IP) e definito come la
minima distanza della traccia dal vertice
primario.
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Vita media parametro di impatto

• Distanza tra la traccia carica estrapolata e il
  vertice primario
• 2D (piano trasverso, rf)
• 2D 1D (rf z, ATLAS)
• 3D (distanza euclidea, CMS)

• Origine della traccia punto di minor distanza
  tra la traccia e lasse del jet
• a valle del vertice primario IP positivo ? (1)
• a monte del vertice primario IP negativo ? (2)

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Requisiti dei rivelatori di vertice
Raggio beam-pipe x angolo di MS dovuto
al material della beam-pipe
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Risoluzione dei vertici in sistema solenoidale
(CMS)
La posizione del vertice di interazione (primary
vertex) per evento interessante lungo la
direzione z- dei fasci. ha uno spread di 8 cm
(lunghezza del bunch). Quindi la posizione del
vertice non e nota con alta precisione per
individuare la direzione delle particelle
prodotte. Sovrapposti eventi di pile-up con
vertici spostati rispetto al PV.
Nel piano r-f le dimensioni del fascio
forniscono una coordinata precisa nella posizione
dei vertici Al contrario in r-z la produzione
di multivertici richiede un rivelatore con alta
risoluzione nella coordinata z
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Il sistema magnetico
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ATLAS/CMS differenze
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ATLAS/CMS differenze
La scelta di CMS
Il magnete
Solenoide superconduttore che fornisce un campo
intenso nel tracker e un flusso di ritorno
intenso per la misura dellimpulso dei muoni.
La scelta di ATLAS

• solenoide superconduttore integrato nel
  criostato del barrel ECAL che fornisce un campo
  di 2T.
• Toroide nel Barrel 8 bobine superconduttrici
  piatte, lunghe 25 metres e larghe 5 metri,
  raggruppate in forma di toroide.
• Due toroidi nellEndcap posizionati
  allestremita del Solenoide, forniscono un campo
  magnetico su una lunghezza radiale fra 1.5 e 5
  metri.

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ATLAS/CMS vantaggi e svantaggi il magnete
ATLAS VANTAGGI misura dei muoni con alta
accuratezza in stand alone (cioe in maniera
autonoma no tracker )( ) ATLAS
SVANTAGGI campo non uniforme nel volume del
tracker ATLAS SVANTAGGI la posizione del
solenoide in fronte a ECAL barrel limita la
risoluzione in energia in quella regione
CMS VANTAGGI intenso e uniforme campo magnetico
fornisce una eccellente risoluzione in impulso e
una maggiore uniformita di prestazioni su una
copertura maggiore in eta CMS SVANTAGGI la
posizione del solenoide fuori dal calorimetro
limita il numero di lunghezze di interazioni per
lassorbimento dello sciame adronico. CMS
SVANTAGGI il sistema muonico ha una capacita
limitata di misura di impulso stand-alone
Importante il tracker.
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Compact Muon Solenoid (CMS)
Muon chambers
4T solenoid
Silicon Tracker(200 m2)
PbWO4 Crystals ? / e detection
Hadronic calorimeterJets, missing ET (?)
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CMS Assemblaggio
Muon chambers
solenoid
Hadronic calorimeter
March 2007
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ATLAS
Diameter 25 m Barrel toroid length
26 m End-cap end-wall chamber
span 46 m Overall weight
7000 Tons
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ATLAS Installazione
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Sistema tracciante
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Tracking a LHC
Pile-up e occupancy Limpulso trasverso delle
particelle di pile-up e circa 0.5-0.7 GeV. Molte
di esse sono ancora nel volume del detector
mentre un secondo bx arriva. Avremo le particelle
di interesse (con alto impulso trasverso)
eventi di pile-up. Il sistema di tracciamento
deve essere in grado di rivelare tutte le tracce
nellevento. Le tracce di pile-up ricostruite
vengono poi scartate in quanto non provengono
dallo stesso punto di interazione (I vertici sono
separati di circa 1 cm su circa 8 cm lungo la
direzione del fascio. La complessita di
ricostruzione delle tracce e legata
alloccupancy numero medio di hits per evento
in un elemento del detector. In caso di bassa
occupancy la probabilita che 2 tracce si
sovrappongano nello stesso elemento e bassa.
Loccupancy deve rimanere lt 1 per avere un
attima efficienza di ricostruzione. La densita
di tracce attese per bx a distanza r e a h0 e
(40 x 1/r2). Occupancy a 1 -gt elemento di
detector 0.00025 x r2 -gt superficie di una
strip di silicio di 10 cm con pitch100mm a
20 cm dalla beam pipe. Resistenza a
radiazione Risposta veloce in modo da minimizzare
il pile-up Tracking a LHC tracker interno
(pixel) central detector (silicioTRT(Atlas)
muon system Sistema di muoni meno inficiato dalla
problematiche suddette (rgt 4m)
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Requisiti del tracker a LHC

• Efficiente robusto algoritmo di tracking
• Granularita fine per risolvere tracce vicine
• Tempi rapidi di risposta per distinguere fra bx
• Abilita di ricostruire oggetti pesanti
• 12 pt resolution at 100 GeV
• Capacita di operare in un ambiente pieno di
  tracce
• Nch/(cm225ns) 1.0 a 10 cm
• Capacita di b/t tagging attraverso I vertici
  secondari
• Buona risoluzione nel parametro di impatto.
• Efficienza di ricostruzione
• 95 per tracce adroniche isolate con alto pt
• 90 per tracce di alto pt dentro i jets
• Capacita di operare in condizione di grande
  irraggiamento.
• Silicon detectors opereranno a -7C ? -10C to
  contain reverse annealing e limitare I danni da
  irraggiamento

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Due stategie diverse Atlas

• ATLAS Inner Detector
• Dentro il solenoide 2T
• Tracking di precisione
• Pixel detector (2-3 punti)
• Semiconductor Tracker
• SCT (4 punti)
• Continuous Tracking
• (per pattern recognition id elettroni)
• Transition Radiation Tracker
• TRT (36 punti)

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ATLAS Inner Tracker
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ATLAS Pixel Detector

• 3 piani nel barrel
• r 5.05 cm (B-layer), 9.85 cm, 12.25 cm
• 3 coppie di dischi Forward/Backward
• r 49.5 cm, 6.0 cm, 65.0 cm
• 2 di tracce con meno di 3 hits
• Dimensioni del pixel
• 50 mm x 300 mm (B layer) 50 mm x 400 mm
  (direzione z piu precisa!)
• 2.0 m2 di area sensibile con 8 x 107 canali
• Moduli sono gli elementi costitutivi di base
• 1456 nel barrel 288 nell endcaps
• Area attiva 16.4 mm x 60.8 mm
• Area sensibile letta da 16 FE chips ciascuno con
  una matrice di pixel18 columns x 160 row

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ATLAS SCT Detector

• Barrel 4 piani
• pitch 80 mm
• raggi 284 335 427 498 mm
• 2112 moduli, con due detector per lato,

• Endcap 9 coppie di ruote
• pitch 70 - 80 mm
• 3 tipi di moduli
• Inner (400)
• Middle (640 )
• Outer (936)

• Tutti I rivelatori sono doppia faccia
• (40 mrad angolo stereo )
• 4088 moduli
• 61 m2 di silicon
• 6.3 x 106 canali

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ATLAS Transition Radiation Tracker (TRT)
Fornisce 35 punti con risoluzione circa 170mm
Barrel

• Straw diameter - 4 mm
• Wire diameter - 30 µm
• Polypropylene foil/fibre radiators

End-caps

• Length Total 6802 cm
• Barrel 148 cm
• End-cap 257 cm
• Outer diameter 206 cm
• Inner diameter 96-128 cm

• straws Total 372 832
• Barrel 52 544
• End-cap 319 488
• electronic channels 424 576
• Weight 1500 kg

• Gas 70Xe27CO23O2
• Xe for good TR absorption
• CO2 gt 6 for maximum operation stability
• Gas gain 2.5?104

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Tubi straw e assorbitore
Stessa tecnologia per il barrel e per lendcap
Per rendere la straw rigida vengono attaccate 4
C-fibre
70 µm
Filo anodico tungsteno con coating di oro
Straw wall
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Transition Radiation
Radiazione di transizione e prodotta quando una
particella ultra-relativistica attraversa
linterfaccia fra due mezzi differenti (fibre o
fogli aria per TRT). Fotoni TR sono emessi a
piccoli angoli rispetto alla traettoria della
particella incidente Deposito di energia nei TRT
e la somma della perdita per ionizzazione delle
particelle cariche (2 keV) e grandi depositi
dovuti a fotoni assorbiti (gt 5 keV)
1 TR hit
7 TR hits
Bod -gt J/yKos
High threshold hits
Particelle cariche con alto-? (e.g. elettroni)
emettono radiazione di transizione (X-rays)
quando attraversano il radiatore. Questa
radiazione viene rivelata nei tubi straw (8-10
KeV)
Due soglie per separare le particelle
5.5 keV
TR threshold electron/pion separation
2 keV
MIP threshold precise tracking/determinazione
tempo di drift time
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Sistema di tracciamento ATLAS e CMS
Prestazioni del tracker di CMS superiori
rispetto ad ATLAS in termini di risoluzione in
impulso (campo piu uniforme e intenso e misura
piu accurata a grande raggio )
Vertexing and b-tagging prestazioni sono simili
Impatto sulle prestazioni (degrado efficienza e
risoluzione scattering multiplo) dalla
quantita di materiale e importante sia in CMS
che ATLAS)
CMS