Out line LHC CMS Summer Studen t Project

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1 Experiment

2 Out line LHC Perchè un hadron collider? Acceleratore ed esperimenti Tracker ECAL &HCAL Muon System Summer Student Project Idea base del progetto Risultati raggiunti 2

3 LHC Ultimi COLLIDERS: Large Electron Positron 209 GeV ( ) CERN e+e- TeVATRON 1.96 TeV ( ) FERMILAB p pbar Large Hadron Collider (2008??) CERN pp Macchina da scoperta!! 3

4 LHC Perchè un hadron collider? Dobbiamo essere il più sensibili possibile ai processi di fisica che possono realizzarsi Tanta energia: energia necessaria per produrre particelle massive (es: il bosone di Higgs) e per indagare regioni inesplorate Altri collisionatori (es e-e) non sarebbero stati altrettanto convenienti energeticamente Alta luminosità: luminosità Spesso i processi che si vorrebbero osservare sono molto rari (es: 10 ordini di grandezza) 4

5 LHC Perchè proprio LHC? Collisioni p- p Protone: prticella composita-> quark di valenza, gluoni coppie q-qbar Se l energia dell interazione è sufficientemente alta: possiamo vedere il protone con una risoluzione temporale sufficiente per osservare le reazioni tra gluoni e quark del mare (interazioni forti -tempi di reazione piccolissimi) Il campo di Higgs: puo essere perturbato quindi particelle di Higgs possono essere visibili; (es: onde del mare!) Basta che l energia sia sufficiente!! 5

6 LHC Iniezione di protoni dal CERN PREACELERATOR COMPLEX 450 GeV Due Beam- Pipe diverse 6

7 LHC Al posto di LEP: a 80 m sotto terra con un diametro fissato a 27 kmkm > unico modo per incrementare l'energia del fascio: FORTE CAMPO MAGNETICO! Campo magnetico 8T: 8T 1232 dipoli SUPERCONDUTTORI (traiettoria) Raffreddati a 1. 9 K con elio superfluido 700 quadrupoli (focusing) Dimensione trasversale del fascio al punto di interazione: 16μm 8 cavità RF: da 450 GeV a 7 Tev 7

8 LHC I protoni circolano in bunches spaziatura temporale è di 25 ns (i.e. 7.5 metri) rate di Bunch-crossing è 40 MHz Consideriamo: la sezione d urto totale p-p ~ 100 mb TOT Il rate di eventi a L = 1034 cm-2s-1 è R ~ 109 Hz ci sono circa ~ 25 interazioni pp separate per bunchcrossing Diventa difficile separare un evento interessante dal fondo di eventi prodotti 8

9 LHC ( I): LHCb: fisica del b ALICE: ioni pesanti TOTEM-LHCf: farward particles ATLAS E : general purpose experiments maggior potenziale di scoperta possibile 9

10 LHC ( II): LHC detta le condizioni... alta effecienza di rilevazione (es: 1 traccia interessante su > devo essere in grado di ricostruirle tutte) alta risoluzione spaziale (quale delle n interazioni vicine è quella giusta? Devo ricostruire n vertici di decadimento distanti poche decine di micron tra loro) alta velocità di risposta (25 ns e la frequenza di interazione) resistenza al danneggiamento da radiazione 10

11 ATLAS vs Differenze Principali CAMPO MAGNETICO DIMENSIONI ( P /BL2) ATLAS: campo toroidale 2 T : campo solenoidale 4 T T CALORIMETRO ADRONICO: ATLAS: Argon liuido : rame intervallato da materiale plastico scintillante 11

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14 ... dal vero! 14

15 Solenoide Super conduttore: Lungo 13m Diametro interno 5. 9 m Campo 4 T Campo di ritorno 1. 8 T (chiuso dal ferro esterno) Contiene: Tk- detectr ECAL HCAL 15

16 Tracker detector Dimensioni: Ragio esterno: 110 cm Lunghezza: 540 cm 3 zone: Zona interna : Pixel detector Zona intermedia: Microstrip detector Zona esterna: Microstrip detector (celle più grandi) 16

17 La misura del momento di una particella <- Forza di Lorentz: F=qv x B La risoluzione della misura d impulso: determinata dalla precisione nella ricostruzione della traiettoria (es: numero di punti con cui si ricostruisce, risoluzione spaziale del punto) Per bassi impulsi: fondamentale che i rivelatori siano leggeri -> meno materiale meno multiple scattering 17

18 Pixel Vertex Detector 3 layers 2 ENDCAP 2 Dimensioni celle: 100x150 m Risoluzione: = 10 m r/ z= 20 m Occupancy < 1 per mille 65 milioni di Pixel Ogni pixel collegato ad un chip (BUMP- BONDING) BONDING Passaggio della particella libero coppia e- h amplifico il segnale Ricostruzione traccia 3D (griglia di pixel + strati!) 18

19 Silicon Strip detector inner barrel (TIB) TIB inner endcaps (TID) TID Outer barrel (TOB) TOB Endcaps (TEC) TEC TIB occupancy < 1% Risoluzione: = 15 m r/ z= 30 m 19

20 Prestazioni: Efficienza del tracking Muoni Pioni Risoluzione in impulso: < 1% per muoni di 1 GeV 20

21 Calorimetro elettromagnetico ECAL ( I) Calorimetro omogeneo: cristalli di PbWO4: finemente segmentati forma trapezioidale con facce quadrate Materiale adatto! Misura distruttiva: Energia della particella depositata nel mezzo Energia convertita in luce da fotodiodi e/o fototriodi 21

22 Calorimetro elettromagnetico ECAL ( II) Sciami elettromagnetici Scala della lunghezza dello sciame dipende dalla X0 (dipende dallo Z) ECAL deve contenere tutto lo sciame!!! COME PUÒ ESSERE COMPATTO?? Raggio di Molier : R = 21.9 mm M Lunghezza di radiazione: X0 = 8.9 mm 22

23 Calorimetro elettromagnetico ECAL ( III) Risoluzione energetica: a- > 2.7% fluttuazioni nello sviluppo dello sciame; b- > 0.55%, sistematiche da calibrazione; c-> 0.2 GeV, sistematiche strumentali; 23

24 Alta risoluzione energetica (es: H-> ) Photon angular resolution: 50 mrad/ E Mass resolution: somma in quadratura delle risoluzioni energetiche dei due fotoni e quella angolare Intrinsecamente tracciante per l'alta granularità 24

25 Calorimetro adronico HCAL ( I) Calorimetro a campionamento: Mezzo assorbente: rame Materiale plastico scintillante attivo; Misura distruttiva Struttura adatta a contenere gli sciami adronici 25

26 Calorimetro adronico HCAL ( II) Sciami adronici Si sviluppano tramite interazione forte con i nuclei dell' assorbitore Gran parte dell'energia si usa per eccitare/rompere nuclei solo una piccola frazione è EM importante la CALIBRAZIONE Lo Sciame è definito dalla lunghezza di assorbimento: più profondo e più largo dello sciame EM ( HO hadron outer) 26

27 Calorimetro adronico HCAL ( III) La misura adronica è più complessa di quella elettromagnetica. La risoluzione energetica intrinseca bassa: σ /E ~ 100%/ E + few % MA integrando la misura con altri sottorilevatori migliora di un fattore 2 la risoluzione ( tecniche di ENERGY FLOW) 27

28 Muon system( I): Posizionato Interamente al di fuori del magnete Zone attive interposte a blocchi di ferro (1.8 T) 3 SOTTOSISTEMI DIFFERENTI: Drift Tubes Resistive Plate Chamber Cathode Strip Chamber 28

29 Muon system( II): Perchè 3 sottosistemi? Ampia zona da coprire Vasta varietà di tipi di radiazione Diverse funzioni: DT: DT buona risoluzione spaziale CSC: adatte per la ENDCAP region (alta radiazione) RPC: bassa risoluzione spaziale MA ottima risoluzione temporale (< 3ns) Goal del Muon System: Identificare i muoni Misurare il pt Regolare il trigger dell'intero esperimento 29

30 Muon system( III): Misura del pt: Muon system only: only misura con risoluzione dominata dal multiple scattering (molto bassa) Inner tracker only: adatto per misure di bassi lowpt muon Full system: combinando il tracker e il muon system la risoluzione energetica migliora nettamente! Barrel region 30