Sviluppo dei rivelatori RPC per l esperimento LHCb Danilo Domenici XVI ciclo

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1 Sviluppo dei rivelatori RPC per l esperimento LHCb XI ciclo Universita degli Studi di Roma Tor ergata

2 Sommario 3 luglio 22 2 La Fisica - iolazione di CP nel Modello Standard -i Mesoni B neutri - l esperimento LHCb I Rivelatori -le camere per Muoni di LHCb - RPC: Resistive Plate Chambers L Attivita - il problema dell invecchiamento -formazione della alanga nel Gas -misura del Coefficiente di Townsend

3 3 luglio 22 3 La iolazione di CP Implicazioni della rottura della simmetria CP: Materia e Antimateria hanno proprieta fisiche diverse Non invarianza per Inversione Temporale (teor. CPT) CP necessaria per la Bariogenesi (asimmetria materia-antimateria) CP nel MS e un fenomeno Elettrodebole (accoppiamento quark-higgs) Test di CP test indiretti della scala EW test diretti ricerca dell Higgs 3 evidenze sperimentali: CP indiretta nei K neutri (ε, 1964) CP diretta nei K neutri (ε /ε, 1999) CP nei B neutri (sin2β, 21)

4 La Matrice CKM 3 luglio 22 4 Il Modello Standard con 3 famiglie di fermioni genera CP nelle Interazioni Deboli mediante una fase complessa nella Matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa CKM = ud cd td us cs ts ub cb tb Aλ 1 3 (1 λ 2 λ /2 ρ iη) 1 λ λ 2 Aλ /2 2 3 Aλ (ρ iη) 2 Aλ 1 Parametrizzazione di Wolfenstein (λ, A, ρ, η) λ = sinθ C =.2196 ±.23 A =.83 ±.4 ρ =?? iη =?? Unitarieta : CKM + CKM =1 genera CP

5 Il Triangolo di Unitarieta 3 luglio 22 5 Rappresentazione sul piano C di una delle equazioni di unitarieta : ud ub + cdcb + tdtb = ud cd ub cb td cd tb cb α = arg td ud tb ub, β = arg cd td cb tb, γ = arg ud cd ub cb B Physics misurare i lati e gli angoli del triangolo

6 3 luglio 22 6 I Mesoni B Autostati di bellezza: B -B B B H L = p B = p B + q B q B Differenze con K-K: mesone quarks M (Me) τ (1-12 s) B + ub ± ±.28 B db ± ±.28 B s sb ± ±.62 B c + cb Oscillazioni B = 2 Autostati di massa: B H -B L Effetti della CP maggiori fenomeno di interferenza Incertezze teoriche minori effetti QCD piccoli 2 sistemi di B neutri B e B s Molti canali di decadimento CP definiti Branching ratio 1-3 (6.4 ±.4) 1 3 B q.46 ±.18 difficolta sperimentali b q t W + W _ t q b _ B q

7 Decadimenti dei Mesoni B 3 luglio 22 7 Misura della Asimmetria di CP in funzione del tempo proprio di decadimento A f Γ(B f) Γ(B (t) = Γ(B f) + Γ(B f) f) Misura delle Asimmmetrie Misura degli angoli B B J/ΨK π + π S A f A f sin(2β) sin(2α) Prima evidenza della CP nei mesoni B B D K A f sin(2γ) sin(2β) =.62 ±.13 (luglio 21) B B S S D ± S π m J/Ψ φ A A f f sin(γ - 2β) ~ O(λ 5 )

8 3 luglio 22 8 Fisica del B a LHC Produzione di coppie bb in macchine leptoniche e adroniche PEPII - KEKB Tevatron - LHC collisione di e + e - a 1.57 Ge collisione di partoni a ~ 1 Te Confronto tra LHC e B-factory e + e - Υ(4s): σ + grande maggiore produzione di B Energia + alta possibilita di produrre B S, B C, D-D Boost relativistico maggiore risoluzione spaziale (temporale) Collisione pulita grande fondo

9 Il Large Hadron Collider 3 luglio 22 9 Caratteristiche principali particelle pp energia nel CM 14 Te luminosita 1 34 cm -2 s -1 tempo tra bunch 25 ns circonferenza 26.7 km sez. d urto tot 8 mb sez. d urto bb 5 µb inizio apr 27 ATLAS: gen purpose CMS: gen purpose ALICE: ioni pesanti LHCb: fisica del B

10 Il rivelatore LHCb 3 luglio θb [rad] θ b [rad] Distribuzione angolare coppie bb Spettrometro a braccio singolo con copertura angolare < 25 mrad

11 Il rivelatore LHCb 3 luglio 22 11

12 3 luglio Il Rivelatore di Muoni Compito del rivelatore di muoni: Formazione del trigger di livello Identificazione dei µ (presenti in molti canali di decadimento es: J/Ψ µ + µ - ) Segnatura di B µx: Alto impulso trasverso (p t ) 3 diverse tecnologie di rivelatori Determinate dai flussi di particelle stazioni M1 M2 M3 M4 M5 regioni R1 R2 R3 GEM GEM RPC RPC R4 RPC RPC

13 3 luglio Gli RPC del Rivelatore di Muoni 21 m 2 = 48% dell area totale 48 camere, 96 gaps 56k canali FE R4 R3 15 cm 3 cm M4 M5 Pad logiche

14 3 luglio RPC: caratteristiche generali E 5k/mm GAS 95% C 2 H 2 F 4 4% ic 4 H 1 1% SF 6 ρ 7x1 9 Ωcm Eccellente risoluzione temporale ~1 ns Risoluzione spaziale ~cm Efficienza >99% Limitata rate capability ~ khz/cm 2 Ageing???

15 3 luglio RPC: invecchiamento M4 M5 75 Hz/cm 2 65 Hz/cm 2 Flussi massimi R3 11 na/cm C/cm na/cm 2 1. C/cm 2 Densita di correnti R4 25 Hz/cm na/cm 2.4 C/cm Hz/cm na/cm 2.3 C/cm 2 Carica integrata in 1y = assumendo 3pC per valanga Risultati test alla Gamma Irradiation CERN; 137 Cs γ-source 74 GBq Data Febbraio 1 R 2 (MΩ) ~ 1 Q (C/cm 2 ) ~.8 Dicembre 1 ~9 ~.4

16 RPC: principio di funzionamento 3 luglio Tempo di ricarica degli elettrodi τ = ρε (εr + 2) Superficie scaricata da una carica Q S = Q (ε ε ε E r r + 2) Flusso massimo sostenibile Φ 1 τs ε E r 2 m = = (εr + 2) ρq La Rate capability dipende dalla resistenza degli elettrodi

17 3 luglio RPC: teoria di Townsend Radiazione -> Ionizzazione Primaria ~1.5 <Z> coppie/cm (MIPs) Campo Elettrico -> Ionizzazione Secondaria a(e) l.c.m. per ionizzazione secondaria Coefficiente Di Townsend dq = αqdx Q = q e αx nuova carica creata in cammino dx q carica del cluster primario 8 G = Q/q < 1 α = p E B p Ae limite di Raether per la valanga forte dipendenza di α dal campo ridotto Osservazioni sperimentali grandi effetti di carica spaziale fenomeno di saturazione della valanga

18 3 luglio RPC: misura di α Per capire il rivelatore a partire da principi fisici di base occorre misurare il Coefficiente di Townsend del gas Campo elettrico ridotto dell RPC E p 7 cm torr Effetti di carica spaziale minimizzati con E e p piccoli camera a deriva in alto vuoto Metodo di misura Sorgente X ionizzazione primaria Griglia H off misura di q Griglia H on misura di Q Conosco x misura di α x

19 3 luglio Conclusioni La CP e legata alla comprensione di fenomeni come la Bariogenesi e la produzione delle masse fermioniche LHCb si propone di misurare con precisione la CP nei mesoni B per testare il MS e trovare tracce di Nuova Fisica A RomaII verranno costruiti gli RPC del rivelatore di Muoni, per la prima volta utilizzati in condizioni di alti flussi (~khz/cm 2 ) I test d invecchiamento in corso hanno evidenziato un aumento della resistenza degli elettrodi Un modello fisico del rivelatore richiede la misura diretta del Coefficiente di Townsend del gas