Comportamento di un modulo

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Comportamento di un modulo Silicon Strip
Detector dell'esperimento Alicesimulazione e
prove con particelle minimo ionizzanti
Federica Benedosso
Trieste, 10 novembre 2003
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Sommario

• La fisica di Alice
• Il rivelatore Alice
• Il programma di simulazione e risultati
• Test sotto fascio e analisi dei dati raccolti
• Confronto tra i dati della simulazione e quelli
  sperimentali
• Calibrazione dei parametri della simulazione

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La fisica diagramma di fase

• QGP presente subito dopo il Big Bang
• Deconfinamento di quark e gluoni
• Ripristino della simmetria chirale
• Scompare con il raffreddamento
• Attualmente presente nelle stelle di neutroni?
  (bassa temperatura, alta densità)
• Esperimenti mirano a riprodurre alte temperature

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La fisica evidenze del QGP

• Collisioni Pb-Pb per produrre QGP
• 5 TeV per nucleone nel centro di massa
• 2x104 particelle per evento
• Segnature della QGP
• Riduzione nella produzione di J/Y
• Aumento coppie elettroniche
• Aumento della stranezza

• STAR _at_ BNL
• AuAu
• 200 GeV per nucleone
• NA49 _at_ CERN
• PbPb bersaglio fisso
• 150 GeV per nucleone

Inizio presa dati 2007 prove p-p prove
p-Pb prove Pb-Pb
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Il rivelatore Alice _at_ LHC

• Due componenti principali
• Parte centrale per lo studio dei segnali adronici
  ed elettronici
• Magnete
• TPC
• ITS
• Altri rivelatori
• Uno spettrometro muonico per lo studio dei quark
  nella materia densa

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Sistema di tracciamento interno ITS

• Ricostruzione vertici primari e secondari
• Tracciamento particelle basso impulso
• Tecnologia al silicio
• 6 layer
• 2 SPD (interni)
• 2 SDD (intermedi)
• 2 SSD (esterni)

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Silicon Strip Detector

• Occupa gli strati più esterni dell'ITS,
  r40cm(748 moduli) e r45cm (950 moduli)
• Area73x40mm², W300mm
• 768 strip per lato, passo 95mm, angolo stereo di
  35 mrad
• Risoluzione 15mm (x) e 700mm (y)
• Lettura effettuata da 12 chip, ciascuno collegato
  a 128 strip. Gli ADC convertono la carica in
  numero

Chip di lettura e ibrido
x
modulo
y
Microcavi
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Efficienza di ricostruzione

• Angolo stereo piccolo
• Risoluzioni molto diverse (15 mm e 700mm)
• Riduzione del numero di ghost (utile per la
  molteplicità)
• Lettura solo su due lati

true
ghost
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Il programma di simulazione

• AliRoot è il framework per la simulazione, la
  ricostruzione e l'analisi dei dati di Alice.
  Integra passaggi compiuti da programmi diversi
• Produzione dell'evento fisico
• Trasporto attraverso i rivelatori (Geant) e
  produzione degli hit (informazione che ingloba
  posizione e energia rilasciata) GEOMETRIA
• Simulazione della risposta (digitizzazione)
  GEOMETRIA
• Ricostruzione di punti e tracce GEOMETRIA
• In ogni passaggio la geometria è fondamentale

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Geometria per il beam test

• Scopo calibrare la risposta del rivelatore SSD
  utilizzando i dati dei beam test
• Condizioni della simulazione il più possibile
  realistiche
• Un solo modulo SSD (oppure un telescopio)
• Fascio di p a 7 GeV/c
• Per introdurre una geometria appropriata, due
  alternative
• Scrivere programma isolato (Geant)
• Utilizzare AliRoot
• Grazie alla struttura object-oriented, gli
  algoritmi di simulazione, di digitizzazione e di
  ricostruzione non richiedono modifiche

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Simulazione della risposta 1/2

• Conoscendo gli hit si ricostruisce quale strip
  viene attivata e con quale segnale
• Perdita di energia "quasi" continua e produzione
  coppie elettrone/lacuna
• Le coppie migrano verso le strip con
  distribuzione gaussiana
• Al segnale viene sommato un rumore gaussiano

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Simulazione della risposta 2/2

• Accoppiamenti capacitivi a ciascuna strip viene
  aggiunta una frazione del segnale della strip
  precedente e di quella seguente
• Conversione in canali ADC
• Vengono scritti su disco solo i valori che
  superano una certa soglia
• Ogni particella attiva più strip (distribuzione
  di carica, rumore, accoppiamenti). L'insieme
  delle strip attivate dalla stessa particella
  forma il cluster

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Risultati della simulazione
Segnale sulle strip
Segnale sui cluster
Dimensione dei cluster
Rumore
Attivate 2 strip
Cluster di 1 strip
P
Picco principale
P
P
N
N
N
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Prove sotto fascio
10000 particelle/minuto fascio pulsato (3
burst/min) 250 eventi/minuto raccolti da 5000 a
20000 ev/run 163 run con modulo singolo 231 run
con telescopio
Configurazione de trigger

• Misure effettuate al Cern con fascio di p a 7
  GeV/c (minimo ionizzanti) dal PS
• Studio della risposta dei moduli rumore,
  alimentazione, scansione della superficie,
  tracciamento
• Prove con moduli singoli e telescopio
• Sviluppo di un programma di analisi specifico

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Il programma di analisi
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Run di rumore calcolo del piedestallo

• I run di rumore servono per conoscere il fondo e
  analizzare poi il segnale
• Per ciascuna strip, il piedestallo è la media
  sugli eventi della carica
• Per escudere segnali elevati (dovuti al passaggio
  di particelle) si utilizzano soglie arbitrarie
  (piedestallo0, s50)
• Una strip che produca sistematicamente segnali
  sopra soglia viene segnalata come non funzionante
• Il calcolo viene iterato usando come soglie il
  piedestallo e la deviazione standard trovate
  precedentemente
• Il piedestallo viene sottratto strip per strip ed
  evento per evento

Dopo
Prima
Lato N
Lato P
Strip non funzionanti
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Run di rumore common mode

• Il common mode è una variazione di offset legato
  al chip di lettura
• Si calcola mediando, evento per evento, il
  segnale delle 128 strip lette dallo stesso chip

Dopo ora è il RUMORE
Prima
???
Strip non funzionanti
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Run di rumore alimentazione

• Il rumore varia in funzione della tensione di
  alimentazione
• Alimentazione ottimale quando il rumore è minimo

M3
M2
M1
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Run di segnale

• Calcolo e sottrazione di pedestal e common mode
  come per i run di rumore
• Metodo iterativo non richiede analisi preliminare
  di un run di rumore aumenta velocità di analisi
• La forma del cluster è la distribuzione di carica
  tra le strip permette di ricavare gli
  accoppiamenti capacitivi

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Rapporto segnale/rumore
P
N
S/N43
S/N17
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Prove con telescopio

• Tracciamento
• Calcolo della risoluzione spaziale
• Risultati preliminari x15mm y650mm
• Moduli diversi differenze minori nel rumore
  lato P/lato N
• Analisi tuttora in corso

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Calibrazione dei parametri

• Aumento del fattore di conversione delle coppie
  elettrone/lacuna in canali ADC da 40 a 65 canali
  ogni 25000 coppie
• Variazione del rumore vengono utilizzati i
  valori misurati. Sul lato N il valore è doppio
  rispetto al lato P
• Aumento degli accoppiamenti capacitivi (dal 2 a
  fino al 7), utilizzando i rapporti ottenuti
  dallo studio della forma del cluster

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Confronto dopo la calibrazione
Segnale cluster
Segnale singola strip
Dimensione cluster
Simulazione Dati sperimentali
???
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Conclusioni

• Sono stati calibrati il fattore di conversione,
  il rumore e gli accoppiamenti capacitivi
• La distribuzione del segnale dei cluster viene
  riprodotta
• La forma dei cluster viene riprodotta
  nell'andamento
• La distribuzione di carica sulle strip è ancora
  molto diversa
• La calibrazione è soddisfacente, ma si può
  migliorare il modello (es. rete capacitiva)
• Moduli in fase di ridisegno per il problema del
  rumore
• Analisi dei run con telescopio ancora in corso

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Run di segnale ricerca dei cluster

• Due metodi implementati
• Utilizzo di una soglia per isolare eventi
  associati al passaggio di particelle e un'altra
  (eventualmente più bassa) per le altre strip del
  cluster
• Metodo geometrico ogni strip incrocia
  determinate strip del lato opposto il cluster
  viene ricostruito solo se c'è corrispondenza
  geometrica tra i due lati
• I metodi implementati danno risultati analoghi

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Confronto con la simulazione
Dimensione cluster
Segnale cluster
Segnale singola strip
Simulazione Dati sperimentali