L esperimento LHCb al CERN e le attività del Gruppo di Ferrara

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1 L esperimento LHCb al CERN e le attività del Gruppo di Ferrara Massimiliano Fiorini per il Gruppo LHCb Ferrara Lavori in Corso a Fisica Ferrara, 4 Febbraio 2014

2 Il Modello Standard 12 particelle elementari, 6 leptoni e 6 quark, raggruppate in 3 famiglie, di massa crescente Forze tra particelle di materia trasmesse da altre particelle, i cosiddetti campi di Gauge Prevista l esistenza di una particella, il bosone di Higgs, finalmente osservata a LHC! La materia ordinaria è formata solo dalla prima generazione M.S. non può essere la teoria ultima. Non spiega: Perché 3 x 2 famiglie? Perché masse così diverse? ( m ve < 1 ev ; m top = 175 GeV ) Perché 4 interazioni? Come conglobare la gravità? dov è finita l antimateria?

3 La fisica del sapore Permette di accedere a processi di fisica al di là del modello standard, attraverso lo studio di effetti indiretti (correzioni radiative) in decadimenti rari di adroni B, D, K Osservazione diretta Osservazione indiretta

4 Large Hadron Collider

5 Esperimento LHCb (1) Uno dei 4 grandi esperimenti di LHC (L=21m, H=10m, W=5600t)! Installato in una caverna sotterranea a 100 metri di profondità! 700 scienziati di 52 istituti di tutto il mondo! Mole equivalente di dati: 8 DVD al secondo! Filtrati attraverso una farm di 2000 computer! L equivalente di DVD all anno viene scritto su disco! Sistema di calcolo distribuito (GRID)!

6 Esperimento LHCb (2) Ring Imaging Cherenkov Calorimeters 250/300 mrad Acceptance 10 mrad pp collision «Tracking» detectors Muon System (side view)

7 Muon Detector Contributo fondamentale a! costruzione, installazione,! collaudo e allineamento del! sistema di rivelazione dei! muoni (camere a fili)! q 1400 camere! q 2.5 milioni di fili (coprono la! distanza tra Ginevra e Madrid)! q 435 m 2 (un campo da basket)! In vista della ripartenza della presa dati nel 2015 (14 TeV) e dell upgrade nel 2018 (luminosità x10) sono in corso studi e ottimizzazioni! delle camere e dell elettronica di lettura! dell allineamento spaziale del rivelatore con tracce ricostruite! del trigger fornito dal rivelatore!

8 RICH Detectors 56 glass spherical mirrors support structure 8m Aerogel RICH1:! 5 cm aerogel n = 1.03, 2-11 GeV! 4 m 3 C 4 F 10 n = , GeV! 40 glass flat mirrors Central Tube 288 HPDs and magnetic shielding RICH2:! 100 m 3 CF 4 n = , GeV!

9 LHCb Upgrade Current LHC schedule:! end ! s=7 TeV until 2011, then 8 TeV! ~3 fb -1! reached ~ cm -2 s -1 (μ = 1.6)! q 2 higher than design value (μ = 0.4)! Plan for an LHCb Upgrade after LS2 à fully exploit LHC flavour physics potential (collect 50 fb -1 in 10 years)! q Increase luminosity up to cm -2 s -1! q Upgrade the detector!! ! LS1! ! s=13 TeV, 25 ns! target ~5 fb -1! ! LS2! 18 months! Letter of Intent (2011)! Framework TDR (2012)! Overcome current limitation of ~1 MHz read-out rate à substantial change in LHCb trigger and read-out architecture to read the full detector at 40 MHz!

10 RICH Upgrade Aumento della lunghezza totale degli specchi sferici nel RICH-1 per dimezzare il rate istantaneo sui rivelatori! Nuovi foto-rivelatori con struttura modulare! q Ma-PMT! q Elettronica di front-end! q FPGA e link veloci!

11 Nuovi foto-rivelatori Multi-anode Photo Multiplier Tubes (Ma- PMTs)! q Quantum Efficiency (QE) fino a ~40%! Problemi: uniformità di guadagno, area attiva, cross-talk, sensibilità ai campi magnetici! Attività a Ferrara:! q Costruzione e utilizzo di setup laser al picosecondo (405 nm) per caratterizzazione rivelatori ed elettronica! q Studio degli effetti di campo magnetico! q Studio del danno da radiazione!

12 Attività di elettronica a Ferrara CLARO: amplificatore veloce e discriminatore sviluppato in tecnologia AMS 0.35 µm CMOS! Test e caratterizzazione del primo prototipo (CLARO 4 canali)! q Misure elettriche in laboratorio! q Irraggiamento con neutroni, protoni e raggi X! Valutazione dei danni da radiazione ( SEE e cumulative dose )! Design del chip finale (CLARO 8 canali)! q Successivi test elettrici, irraggiamento, produzione su larga scala e installazione!

13 Analisi dati I dati sono analizzati mediante l utilizzo di risorse di calcolo distribuite e locali tecniche sofisticate (analisi multivariate, reti neurali, simulazioni) concetti avanzati di probabilità e statistica strumenti collaborativi Forte collaborazione tra colleghi italiani e stranieri

14 B 0 s Risultati: µ B s à µ + µ µ - H + Il branching ratio piccolo del M.S. puo essere aumentato 4mµ 2 1 significativamente mb 2 da nuova fisica! (B 0 (s) µ+ µ ) LHCb: Sensitive to scalar and pseudo-scalar NP contributions Precise Br(Bpredictions 0 s µ + µ )(purely = (2.9leptonic (stat) final (syst)) 10 state)[buras 9 et al., 2012]: M.S. t W + W Z 0 µ B 0 s 0 BR( B S ) (2.9 Mathieu Perrin-Terrin CPPM Searches for Rare Decays at LHCb August 16, / BR( B ) ( t W h0, H 0, A 0 C S CS 2 + (C P CP)+2 m µ (C 10 C10) B(B 0 s µ + µ ) 1 SM = (3.56 ± 0.30) 10 9 B(B 0 µ + µ ) SM = (1.07 ± 0.10) Time integrated B obtained [Bruyn et al., 2012] with y s and B 0 s from [HFAG, 2012] m 2 B µ 2 Results: B s/d ( stat ) ( stat ) ( syst)) 10 ( syst)) 10 at 95% CL 1 Rare LHCb Justine Serrano LHCb pone limiti stringenti sui parametri della nuova fisica

15 Altri risultati importanti Misura + precisa delle oscillazioni del B 0 s %Ms = ±0.023(stat)±0.006(syst) ps 1! Misura dell asimmetria semileptonica del mesone B 0 s a sl s = (-0.06±0.50±0.36)%! Evidenza di nuovi decadimenti del mesone B + c e misura della vita media effettiva

16 LHC Computing GRID Il progetto LHC Computing Grid e una collaborazione tra oltre 150 sedi di circa 40 paesi nel mondo.! La missione di tale progetto e fornire le risorse di calcolo complessive necessarie a immagazzinare, distribuire e analizzare i circa 25 PB di dati che ogni anno vengono acquisiti dagli esperimenti di LHC.! Ogni esperimento sviluppa il proprio modello di calcolo sulla base dell infrastruttura comune.!

17 LHCb Computing a Ferrara Il modello di calcolo e piuttosto complesso.! Il gruppo di Ferrara si occupa di alcuni aspetti di calcolo essenziali per gestire e analizzare l enorme quantita di dati che l esperimento raccoglie.! Produzione' (ricostruzione, Monte Carlo, )! q Gestione e controllo delle operazioni! Accounting! q q Ottimizzazione e gestione! Sviluppo funzionalità! Database! q q q Ottimizzazione dei database di back-end all infrastruttura di produzione distribuita! Mysql (studi su MariaDB e database NoSQL)! Soluzioni con replicazione e cluster di database!

18 Trigger con GPU n n GPU (Graphics Processing Units)! q Introdotte nel 1999 da NVIDIA à rivoluzione nella computer grafica e video games! q Da alcuni anni molto usate per il calcolo scientifico! n la legge di Moore dà segni di saturazione! q Utilizzate per operazioni altamente parallelizzate! n mentre le CPU eseguono i programmi in maniera seriale! La sfida: realizzare un sistema di trigger con GPU! q Calcoli in tempi ultra-rapidi e decisione! sull evento da tenere/scartare! q Sviluppo di algoritmi paralleli per tracciatore! e RICH!

19 Il Gruppo LHCb-Ferrara Mirco Andreotti! Luca Landi! Wander Baldini! Roberto Malaguti! Vincenzo Battista! Alexander Mazurov! Concezio Bozzi! Eleonora Luppi! Roberto Calabrese! Luciano Pappalardo! Angelo Cotta Ramusino! Illya Shapoval! Marco Corvo! Giulia Tellarini! Antonio Falabella! Luca Tomassetti! Marco Fiore! Stefania Vecchi! Massimiliano Fiorini!

20 Proposte di tesi Approfondimenti su temi di interesse attuale in fisica del B! Studio dell allineamento spaziale del rivelatore di muoni! Studio delle performance del trigger di muoni! Studi di violazione della simmetria CP tramite! q Decadimenti B s 0 J/ψ ϕ (fase dell oscillazione del B 0 s )! q q Decadimenti B s 0 D s- K + (angolo γ del triangolo unitario)! Decadimenti semileptonici (violazione nelle oscillazioni)! Sviluppo di algoritmi per l identificazione del sapore di mesoni ( Flavour Tagging )! Studio di decadimenti semileptonici dei mesoni B! q frequenza di oscillazione del B 0 d! q Spettroscopia dello stato finale adronico! Misura dei BR dei canali B D 0 D 0 K, B D + D - K, e B D s D s K e analisi di Dalitz di canali B D(*)D(*)K! Attività di Computing (produzione, accounting, database, etc )! Sviluppo sistema laser al picosecondo per test rivelatori e elettronica! Test di fotorivelatori e caratterizzazione (campi magnetici, radiazioni, etc )! Design e caratterizzazione chip CLARO (inoltre irraggiamento, produzione su larga scala, etc )! Trigger con GPU (ricostruzione degli anelli nel RICH e identificazione)!!

21 Riepilogo Numerose attività e argomenti di tesi possibili, in vari settori a seconda del vostro interesse:! q Analisi dati! q Elettronica! q Acquisizione dati (DAQ)! q Sviluppo e test rivelatori! q Controllo di qualità e caratterizzazione! q Computing! q! Contattateci per ulteriori informazioni!!

22 Nonostante la presa dati sia finita da qualche anno BaBar continua a fare importanti scoperte come la violazione di T node/ watch?v=khpj7qwinga Numerose analisi disponibili: Search for X(cc) decaying to χ c1, c2 γ.(belle Measurement +docu from BaBar) Measurement of χ c0,c2 (np) Two Photon widths χ c0,c2 (np) ->J/ψγ (Some docu) $ Search for ISR Y(4260) ->K + K - J/ψ (Must Be Restarted + lot of docu) Study of di-pions transitions from Y(3S) to (1S )and (2S) (Major project) Inclusive Search for η b in Y(3S) ->ωη b (Never done+suggested by Voloshin) Study of ISR Λ c Λ c bar final states (Must Be Restarted or finished) Per informazioni: prof. Roberto Calabrese 1