Compact Muon Solenoid
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- Prospero Berardi
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1 Compact Muon Solenoid M. Diemoz - INFN Roma Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 1
2 Outline LHC: motivazioni generali I sistemi traccianti I calorimetri Il commissioning e le performances Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 2
3 Standard Model Dopo LEP 20 Million Z s >2000 Precision: 0.1% Total Luminosity: 1000 pb -1 40,000 W + W LEP Run Courtesy of G. Rolandi A few Higgses? Energy: GeV Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 3
4 Global Fit allo SM Internal Consistency of the Standard Model? Pull distribution = Normal Gaussian? INPUT Mean: Sigma: Largest discrepancy (-2.9s) well inside statistical expectation; 2 probability = 8%. Just fine. Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 4
5 La misura indiretta della massa del top m top prediction from EW fit verified, has been an impressive result! Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 5
6 Higgs dietro l angolo? Il Modello Standard gode di ottima salute: SM Global Fit (misure di precisione LEP, Tevatron, e altri esperimenti): m H < 193 GeV (95% CL) Limite diretto LEP: m H > GeV (95% CL) m H (GeV) MANCA UN PEZZO CRUCIALE! Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 6
7 M W (GeV) Misura di Mtop & Mw Misure precise da LEP200 & Tevatron M W = M W 0 + C 1 M top 2 + C 2 ln(m Higgs2 ) W top 80.5 Inputs: s, em (M Z2 ), M Z bottom 80.4 Higgs W M top (GeV) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 7
8 Misura di Mtop & Mw Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 8
9 Correzioni radiative & SUSY Additional quantum corrections from SUSY partners 2005 LEP2/Tevatron prel Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 9
10 LHC: new energy fronteer LHC alla caccia di segnali rari! A spanne: un fattore 2 in s equivale ad un fattore ~10 in luminosità Energia limitata dal raggio dell anello esistente LHC deve operare ad alta luminosità: luminosità finale di disegno: cm -2 s -1 Alta frequenza eventi Grande fondo QCD Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 10
11 La luminosità La sezione d urto dei processi interessanti (Higgs) sono assai piccole (~pb = cm 2 ) Se si vuole osservare un numero ragionevole di eventi in un anno (1y=10 7 s) assumendo una qualche efficienza di rivelazione ( =10%) Ma Jet Jet Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 11
12 LHC è una fabbrica! Frequenza di produzione di eventi a luminosità cm -2 s -1 Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 12
13 CERN 7x10 12 ev beam energy cm -2 s -1 luminosity 2835 bunch/beam protons/bunch 1236 general-purpose experiments covering as much of the solid angle as possible 7.5 m (25 ns) Magnetic Field p (TeV) = 0.3 B(T) R(km) For p= 7 TeV, R= 4.3 km a B = 8.4 T Beam crossing 10 7 Hz Proton collisions 10 9 Hz Parton collisions New particle production 0.1 Hz Higgs, SUSY... p µ + Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 13 H µ - µ + Z Z µ - p N ev = s ev L Measurement of: mass charge spin production cross section decay modes
14 Gli Esperimenti Generalisti a LHC ATLAS A Toroidal LHC ApparatuS (general purpose) CMS Compact Muon Solenoid (general purpose) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 14
15 LHC EXPERIMENTAL CONDITIONS Max Machine Luminosity cm -2 s -2 s inel = 100 mb 10 9 events/s s higgs = 1 pb 10-2 events/s 1 crossing/25ns 20 events/crossing 1000 tracks Neutrons: up to n/cm 2 Gammas: up to 10 7 Gy * Life is not so easy! in 10 years Unprecedented conditions for detectors Granularity ( channels) Speed of response (25-50 ns) DAQ + trigger ( ev/s) High radiation resistance (* 1 Gy = 1 Joule/Kg) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 15
16 La particella guida: Bosone di Higgs Gli stati finali completamente adronici dominano ma sono inutilizzabili a causa del fondo di QCD. Cercare stati finali con leptoni e fotoni isolati (nonostante statisticamente sfavoriti) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 16
17 Regioni di massa Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 17
18 Richieste sul rivelatore Buona risoluzione elettromagnetica ( <2.5) < 1% sulla massa invariante di 2 elettroni a 100 GeV/c 2 Ricostruzione del vertice primario e/o misura direzione Reiezione di p 0 Buona identificazione e risoluzione per mu ( <2.5) < 1% sulla massa invariante di 2 muoni a 100 GeV/c 2 Riconoscimento della carica fino a >1 TeV/c Buona risoluzione in eneria mancante E T miss e massa invariante di sistemi a due jet Calorimetria adronica estesa fino a ~5 Segmentazione laterale D x D < 0.1 x 0.1 Buona capacità di tracciatura nel rivelatore centrale B e t tagging (rivelatori a pixel) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 18
19 Collisioni pp at 14 TeV at cm -2 s min bias events overlap + H ZZ Z mm H 4 muons: the cleanest ( golden ) signature Reconstructed tracks with pt > 25 GeV Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 19
20 5 floors building 40 at CERN ATLAS & CMS: multipurpose detectors, same physics goals, different detection philosophy. (ATLAS is the big one!) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 20
21 Compact Muon Solenoid 4T solenoid, muon chambers in return yoke. Good muon momentum measurement needs central tracker Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 21
22 La Misura Chiave THE issue: measure momenta of charged particles (e.g. muons); so which measurement architecture? Basic goal: measure 1 TeV muons with 10% resolution Reminder: in a constant magnetic field B over trajectory length L, for N measurement points and spatial resolution s per point s B s 0.3BL 8 p T 2 s P Need high BL 2 and/or small s PT T 720 pt s N 4 0.3BL 2 Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 22
23 Choice of magnet : CMS CMS: SC Solenoid (azimuthal angle bending) B=4T over 1.2m + 2T over 3m : I=20kA(SuperConducting), 2.4GJ Challenges: 4-layer winding to carry enough I, design of reinforced superc cable Needs s=100mm Uses 20mm beam spot redundancy Only one magnet Solenoid measures Pt (and becomes worse in P as polar angle increases) Iron core dominated by multiple scattering; but excellent when combined with inner tracker CMS Calorimetry INSIDE SOLENOID Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 23
24 Il magnete di CMS AL alloy Sc cable Insert Pure Al AL alloy EB welds 4 layers: NbTi Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 24
25 CMS MAGNET SYSTEM E/M (kj/kg) ZEUS TOPAZ SDC-model ATLAS -sol. ALEPH CDF H1 CLEO2 DELPHI VENUS CMS ATLAS Barrel Solenoid composed by 5 modules (CB-2, CB-1, CB0, CB+1, CB+2) 0.0 ATLAS End-caps Stored Energy (MJ) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 25
26 Return Yoke 11 elements: 5 wheels 3+3 endcaps disks 70 alignment s points with origin in the center of the coil Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 26
27 Detectors for CMS The choice of the magnet influences the rest of detector design, in particular CMS (should be compact ) made a challenging choice on electromagnetic calorimetry and tracking. Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 27
28 Densità di Tracce L=10 34 cm -2 s -2 Densità di tracce per unità di rapidità a distanza r dal vertice a =0 : ~ 30 / r 2 Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 28
29 Sistemi per Muoni The muon chambers are installed at r > 4 m and are shielded by the calorimeters. Here the pileup is not an issue and the constraint on the response time is relaxed. Gas detectors can be used to cover the large surfaces needed for muon detection. While these detectors integrates many bunch crossings they must be capable to identify the bunch crossing of each particle that they track. Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 29
30 Sistemi per Muoni CMS identifica e traccia i muoni nel ferro di ritorno del campo magnetico di 4 Tesla. Questo fornisce una prima misura della sagitta che viene poi rifinita usando l associazione della misura della traiettoria nel sistema tracciante interno. Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 30
31 Muon Tracking Systems 250 camere DTs 468 camere CSCs 912 camere RPCs triggering Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 31
32 Camere DT Wire Mylar 42mm Electrode Strip 13 mm Cell Super Risoluzione spaziale: Singola cella 200 mm Camera 100 mm Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 32
33 Risoluzione in momento Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 33
34 Risoluzione in funzione di Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 34
35 RPC SYSTEM Gas mixture 95.5 C2H2F4 3.5 ic4h SF6 + RH 50% Main Unit of a RPC: Single Gap (SG) Two SG coupled with readout plane in between Main characteristics of the RPCs used in CMS: Bakelite thickness: 2 mm Bakelite bulk resistivity : cm Gas Gap width: 2 mm Operating voltage: kv Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 35
36 RPC SYSTEM muon identification muon transverse momentum assignment very good timing (25 ns / bunch crossing) Bunch crossing assignment low sensitivity to neutron and gamma irradiation (up to 1 Gy) Efficiency expected maximum hit rate: ~100 Hz/cm 2 Chamber Requirements Efficiency > 95 % Time resolution < 3 ns Cluster size < 2 strips Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 36
37 6 strati TOB CMS: Tracciatore tutto Silicio Concetto: pochi strati di misura molto precisi e puliti. 2-3 Strati a Pixel di Silicio & Strati di misura a Strisce di Silicio 210 m 2 di Strisce Si Raggio ~ 110cm, Lunghezza ~ 270cm (Precedenti esperimenti 1m 2 ) R-phi (Z-phi) only measurement layers R-phi (Z-phi) & Stereo measurement layers 4 strati TIB 9 dischi TEC ~2.4 Strisce: 10.6 milioni di canali di lettura Pixel: 65 milioni di canali di lettura Strip size Strip length: 10cm (inner layers) to 20cm (outer layers). Pitch: 80mm (inner layers) to 200mm (outer layers) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 37
38 Tracciatore di CMS Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 38
39 Tracciatore di CMS Occupancy nello strato più interno 1-2% Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 39
40 Parametri Tracker Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 40
41 Performance Tracciatore massivo: a basso impulso la risolutione è limitata dal multiplo scattering ~ 1.3 p/p = * sqrt(0.4*1.3) /0.3 / 4 = 0.8 % Dp p ( p(gev))% s(s)= 20 mm Il multiplo scattering domina per p t <50 GeV Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 41
42 PIXELS Pixel detector CMS Very close to beam pipe (first point at 4cm) Small pixel size (150mm). Occupancy: Resolution: ~20mm. Pixels are essential for HLT and Pattern Recognition B-Tagging Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 42
43 Pixel parameters Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 43
44 Risoluzione sul parametro d impatto Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 44
45 Pixel power! Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 45
46 CMS Em Barrel : EB Em Endcap : EE Had Barrel: HB Had Edcaps: HE Had Forward: HF Had Outer: HO HO HB EB HF Sistema ermetico HE EE Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 46
47 CMS EM calorimetry m 3 10 Compact Excellent energy resolution Fast High granularity Radiation resistance E range MIP TeV Cleo II 7800 CsI(Tl) Belle 8816 CsI(Tl) CMS PWO To CMS From Crystal Ball 5 Babar 6580 CsI(Tl) Crystal Ball 672 NaI(Tl) L BGO Crystal Barrel 1380 CsI(Tl) TAPS 600 BaF2 KTeV 3100 CsI Alice PWO CMS made a challenging choice: homogenous calorimeter with very low stochastic term aims to excellent energy resolution, the mesure of angle relies on vertex reconstruction from tracking. Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 47
48 CMS Precision electromagnetic calorimetry: PWO crystals PWO: PbWO 4 about 10 m 3, 90 ton Previous Crystal calorimeters: max 1m 3 barrel cystals Pb/Si preshower barrel Super Module (1700 crystals) endcap supercystals (5x5 crystals) EndCap Dee 3662 crystals Barrel: < Super Modules crystals (2x2x23cm 3 ) EndCaps: 1.48 < < Dees crystals (3x3x22cm 3 ) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 48
49 La scelta del cristallo Crystal s catalog NaI(Tl) NaI(Tl) BaF2 CsI(Tl) CsI(Tl) CsI CsI CeF3 BGO BGO PWO PWO r g/cm 3 X cm RM cm t / ns lp / / nm n (lp) LY 100% 15% 85% 7% 5% 10% 0.2% %Nal Typical light yield of NaI /MeV Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 49
50 CMS developed a new crystal Lead Tungstate Crystals (PWO) for CMS Very low light output Hard light extraction Very effective in high energy containment T dependent: -2%/ C 23 cm to contain em showers! Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 50
51 Photon detectors for PWO Not sensitive to 4T magnetic field High quantum efficiency for l nm Internal amplification (low PWO LY) Fast and good for high rate (40MHz) Radiation hard Not (too much) sensitive to charged particles Photomultipliers affected by magnetic field large volume 200mm PIN photodiodes no internal amplification too sensitive to charged particles (Nuclear Counter Effect) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 51
52 Avalanche Photo Diodes 2 APDs per crystal: 50 mm 2 active area Barrel: Avalanche Photodiodes (APD, Hamamatsu) Characteristics optimized with an extensive R&D Program insensitive to B-field as PIN diodes Internal gain (M=50 used) good match to Lead Tungstate scintillation spectrum (Q.E. ~ 80%) dm/dv = 3%/V and dm/dt = -2.3%/ o C : T and V stabilization needed bulk current increase & recovery with irradiation measured over 1 year: expect doubling of initial noise after 10 years running, OK Capacitance 75 pf Excess noise factor F=2.2 ( fluctuations in multiplication) Effective d eff 6 mm ( small response to ionizing radiation) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 52
53 Energy resolution: a, b, c In scintillating crystals the only intrinsic source of fluctuations is photostatistics: Light Yield of the crystal is one of the factors but not the only one s E 1 N pe 1 E(GeV) N pe GeV Npe/GeV= ( /GeV) (light collection eff.) (geometrical PD eff.) (photocathode eff.) a = (photostatistics) (lateral containment) (e multiplication in PD) N pe /GeV= %/ E(GeV) Electronic noise (1/E): b = (pd capacitance) (dark current) (physics pileup) 1/ t shaping t shaping c = (leakage) (intercalibration) (system instability) (nonuniformity of xl) To have c 0.5 % all contributions must stay below 0.3 % Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 53
54 CMS ECAL: the performance 1 Super Module 1700 xl on test beam in 2004 Noise/xl distribution 30 MeV 45 MeV Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 54
55 CMS PWO induced radiation damage Front irrad., 1.5Gy, 0.15Gy/h We know PWO response will change with irradiation! Simulation of crystal transparency evolution at LHC (L =2x10 33 cm -2 s -1 ) - based on test beam irradiation results Dose (Gy) The Problem: Colour centres form in PWO under irrad n Transparency loss depends on dose rate Equilibrium is reached after a low dose Partial recovery occurs in a few hours Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 55
56 CMS ECAL monitoring system The Solution: Damage and recovery during LHC cycles tracked with a laser monitoring system 2 wavelengths are used: 440 nm and 796 nm Light is injected into each crystal Normalisation given by PN diodes (0.1%) APD Monitoring of evolution by light injection system CRYSTAL (1700/SM) PN (200 Channels) LEVEL-1 LEVEL-2 FANOUT FANOUT SWITCH (select SM/2) LASER Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 56
57 ECAL monitoring system Measure a loss of transparency: S (particle signal) and R(laser signal) S cor S R R 0 NB: is ~ the same for all crystals! Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 57
58 Punto dolente: materiale di fronte CMS (SuperCluster from dynamic clustering algorithms) MC super-cluster basic cluster intrinsic ECAL resolution: 0.7% Tracker material : electrons loose energy via bremsstrahlung photons convert e MC 4T (2T) solenoidal B field : Electrons bend radiated energy spread in φ Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 58
59 CMS HCAL Outer HO brass Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 59
60 CMS HCAL ~ 5% of a 300 GeV p energy is leaked outside the HB (inside coil) HB inside the coil not enough thick for shower containment: scintillator layers just after the coil (HO) improves p resolution by ~10% at 300 GeV & linearity Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 60
61 CMS HCAL CMS p HB p HB+HO Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 61
62 Parametri HCAL ) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 62
63 HCAL The choices made by CMS is a standard one: sampling calorimeter with scintillator as active material. The dominant factor on resolution and linearity is e/h 1 (e/h had 1.4) s ( E) E 110.7% 7.3% E Includes 1st l of PWO s ( E) E 84.7% 7.4% E TEST BEAM PIONI SINGOLI Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 63
64 p E miss T T i i p g ~ q ~ q q i E T i T Missing E T E E miss i METX, METY ET E x, y i T x, y E T miss CAN BE DUE TO PHYSICS (n). EVEN NEW PHYSICS! ~ ~ ~ l l very challenging (calorimeter noise adds up) E T miss CAN COME FROM CALORIMETRIC MEASUREMENT FLUCTUATIONS, THE WORSE YOUR RESOLUTION IS THE MORE E T miss YOU WILL FIND. HOW TO TELL NEW PHYSICS FROM INSTRUMENTA EFFECTS?! Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 64 l Take a cosmic m, if you miss signal in muon ch Not in time with beam collision!
65 Missing E T : expected performances SHOULD BE 0 IN QCD EVENTS EXPT TDR Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 65
66 Challenges Data Acquisition Level-1 Rate (Hz) 10 5 High Level-1 Trigger (1 MHz) LHCb HERA-B ATLAS CMS High No. Channels High Bandwidth ( 500 Gbit/s) KLOE H1 ZEUS UA1 CDF LEP CDF II D0 II NA49 ALICE Event Size (byte) High Data Archives (PetaByte) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 66
67 Level-1 Trigger Use prompt data (calorimetry and muons) to identify: High p t electron, muon, jets, missing E T n MUON System Segment and track finding µ e n CALORIMETERs Cluster finding and energy deposition evaluation + isolation p New data every 25 ns Decision latency ~ µs Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 67
68 Acquisizione e Selezione L1 trigger 40 MHz Yes /No 100 khz 1 s buffer CMS 3.2 ms buffer 100 Hz 500 kb/evt Off-line analysis High Level Trigger (computer farm) Villa Gualino 10/ M. Diemoz - INFN Roma 68
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