RIVELATORI AD LHC Parte II. M. Cobal, Università di Udine

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1 RIVELATORI AD LHC Parte II M. Cobal, Università di Udine

2 Sistema calorimetrico

3 Risposta veloce: Calorimetria ad LHC Ad ogni bunch, 25 minimum-bias producono 1500 particelle in η < 2.5 con <Et> ~ 500 MeV, (totale ~ 1 TeV). Degradazione della risposta evento per evento (pile-up noise) e una degradazione della risoluzione (pileup_r.m.s.)/e.. Es. E=250 MeV nella parte centrale forniscono un contributo 2.5% nella risoluzione in energia per elettroni di 10 GeV. Alta granularita : Evitare che particelle di pileup siano nella stessa regione della particella interessante Resistenza alla radiazione Ermeticita : soprattutto per evitare perdite di energia che possano simulare presenza di neutrini. Es. per H(m=150 GeV)-> tau tau la rms (Etmiss) ~ 2 GeV per η <5 e ~8 GeVper η <3. Eccellente risoluzione in energia elettromagnetica. Per l osservazione di risonanze strette. Risoluzione in massa a1% per M~150 GeV se vogliamo osservare una risonanza di Higgs su background da γγ. Μisura angolare. Per la misura della massa invariante abbiamo bisogno della direzione delle particelle. Risoluzione in massa a1% richiede una risoluzione angolare ~ 50 mrad/ E(GeV) Risoluzione in energia dei Jet e linearita. σ / E 50%/ E( GeV) 3% e la linearita in energia almeno al 2% fino a 4-5 TeV

4 Identificazione di particelle I calorimetri sono in grado di fornire una buona identificazione (distinguere fotoni, da elettroni e adroni) in quanto gli sciami adronici sono piu lunghi e larghi di quelli elettromagnetici. Reiezione di jet come falsi elettroni o fotoni. Ma la combinazione di piu sottorivelatori fornisce migliori risultati ATLAS

5 Calibrazioni del calorimetro Hardware Equalizzazione dei canali di elettronica (impulsando), equalizzazione risposta del rivelatore con luce o carica nota (con sorgenti radiattive o laser). Dispersione <2% Test beam Esposizione durante la fase di costruzione a fasci di particelle di energia nota In situ Calibrazione con segnali di fisica (comprendere la risposta del calorimetro se si tiene conto del materiale davanti). Importante per conoscere la scala assoluta di energia degli elettroni (incertezza syst.) 0 1) Utilzzo di risonanze note π γγ, J / Ψ e + e, Υ e + e per basse energie e Z e + e per alte energie. Es. Utilizzando la relazione E true = α E si cercano I meas + δ parametri che consentono di ottenere un valore della massa della Z ricostruita pari a quella nominale. 2) Misura di E/p per elettroni isolati, E con calorimetro e p con tracker: la distribuzione piccata a 1. Per misurare la M w con precisione a 15MeV a LHC e necessaria una precisione sulla scala di energia a 0.02%! Misura della scala assoluta di energia dei jet: non possibile durante i test beam. Molte incertezze (neutrini da decadimento, non contenimento dello sciame, non compensazione del calorimetro). Si utilizzano eventi con un jet + Z ->ll o jet+fotone nello stato finale che abbiano. Quindi dalla misura dell impulso di Z o del fotone (da calorimetro o tracker) si ricava quella del jet. Richede molta statistica. Ad LHC si riesce a calibrare l energia dei jet con precisione di pochi %

6 Preshower

7 Importante calibrazione del rivelatore durante test beam Inter-calibration (fra moduli) electron beam calibration reproducibility electron beam cosmic muon comparison σ = 1.5% 9 Supermodules (25%) inter-calibrated with e -

8 Risoluzione in energia a = termine stocastico statistica dei fotoni (2.3%) contenimento laterale (1.5%) Preshower (5%) Totale barrel 2.7% Totale endcap (5.7%) c = rumore elettronico Barrel 155 MeV Endcap 770 MeV Per un calorimetro a cristalli il termine costante ad alta energia limita la risoluzione in energia CMS ECAL GOAL= 0.55% b= termine costante Perdita di energia: avanti-dietro, zone morte <0.2% Intercalibrazione fra cristalli (la maggior parte dell energia in un singolo cristallo) Stabilita in e temperatura e tensione

9 Risoluzione in energia Central impact (4x4 mm 2 ) 0.5% 120 GeV E (GeV) (3 x 3) around Crystal 184 (3 x 3) around Crystal 204 (3 x 3) around Crystal 224 4x4 mm 2 central region position (η ) Resolution goal of 0.5% at high energy achieved Response for Σ(3x3) varies by ~3% with impact position in central crystal Correction made using information from crystals alone (works for γ) Does not depend on E,η,φ

10 Calorimetria di ATLAS TILECAL EMB EMEC FCAL Calorimetro a campionamento piombo-argon liquido Geometria Accordion (fisarmonica) Segnale da carica di ionizzazione Lavora a freddo (circa 90 K) fra due criostati: Precampionamento for η <1.8: Layer attivo of Lar (11 mm gap nel barrel, 4 mm in endcap) Grande granularita in 2.5< η <3.2 eno strips channels Il calorimetro e fuori dal solenoide HEC endcap A barrel endcap C EMB: 2 half-barrel ( η <1.4) EMEC: 2 end-cap (1.4< η <3.2)

11 Principio di funzionamento ECAL

12 Segmentazione longitudinale moduli (16 per half-barrel): ciascun modulo contiene 64 assorbitori in piombo 64 elettrodi di rame e kapton (HV + raccolta segnale) divisi in elettrodi A e elettrodi B 3444 canali di read-out per modulo elettrodi A elettrodi B segmentazione in profondità del modulo ( layers ): strips (o front): granularità fine in η, per separazione π 0 /γ (1792 canali) middle: raccoglie la maggior parte dell'energia (896 canali) back: stima del leakage longitudinale (448 canali). Sciami altamente energetici. Discriminazione sciami hadronici e elettromagnetici presampler : posto davanti al modulo, identificazione di pre-showering (244 canali) strips middle middle strips back back transizione piombo

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14 Requisiti del calorimetro Larga accettanza: η <3.2 Risoluzione in energia : Termine stocastico: a 10% GeV 1/2 Termine di rumore: c 300 MeV Termine costante: b=0.7% σ ( E) E = a E c E b Linearita : < 0.1% Risoluzione angolare: σ(θ) 50 mrad/ E Capacita di identificazione delle particelle: e/jet, γ/jet Risoluzione temporale: 100 ps

15 Prestazioni su fasci di test Uniformita Linearita Attese modulazioni in risposta per perdite di energia laterale e in η/φ. A fissata energia di elettroni scan in posizione sull intero modulo 0.59% 0.52% Uniformita <0.6% 0.57% Linearita < 0.1% per E fra GeV

16 Risoluzione in energia Dai test risultano le prestazioni attese: Scan di energia a posizioni fisse Il termine costante calcolato per una singola cella: b cell ~0.2% 2 contributi al termine costante: b = b sr b lr =0.7% Short range b sr : Su una regione di ΔηxΔφ = 0.2x0.4 (440 regioni in totale) φ modulations, calibration, signal reconstruction, absorber and gap thickness,... Long range b lr : Variazioni in temperature e HV, impurezze nell LAr,... η=0.68 Il goal e quello di mantenere b sr 0.5% durante la fase di costruzione e intercalibrare in situ with Z ee events

17 Risoluzione in posizione e angolare σ Z ~20mm Eccellente segmentazione (nella zona front e middle). Importante nella direzione longitudinale: LHC vertex spread: σ z ~ 5.6 cm Barrel E=245 GeV La segmentazione transversale e longitudinale consentono una eccellente risoluzione spaziale e angolare Barrel: 245 GeV Electrons σ Z ~5mm Endcap η~1.8 ~550 µm at η=0 55 mrad/ E ~250 µm at η= Energy(GeV)

18 Calorimetro adronico di ATLAS: Tile Calorimeter Tile Calorimeter 3 cilindri, ciascuno composto da 64 moduli central Barrel 2 Extended Barrels Barrel module Requisiti Buona ermeticita per jets e E miss T Risoluzione in energia σ 50% = 3% E E Facile da costruire (struttura periodica)

19 Calorimetro adronico di ATLAS Il Calorimetro Adronico copre tutta la regione < 4 ed e composto da quattro parti principali: un corpo centrale (Tilecal), due end-caps (HEC), e il calorimetro in avanti (FCAL), in cui sono impiegate tecniche di rivelazione differenti a causa del diverso irraggiamento a cui saranno sottoposte le diverse aree e alla risposta richiesta. I principali scopi di questo sottorivelatore sono la ricostruzione dei jet adronici e la determinazione della loro energia, ma partecipa anche al calcolo del bilancio energetico, al fine di determinare il valore di energia trasversa mancante Tile Calorimeter: 3 cilindri, ciascuno con 64 modules 1 central Barrel 2 Extended Barrels HEC coprono 1,5 < η < 3,2 e, poiche in questa zona il tasso di irraggiamento e piu intenso, e l'argon liquido ad essere impiegato come mezzo attivo. FCAL Garantisce l'ermeticita necessaria per rivelare i jet ad angoli inferiori ad un grado. Copre la regione tra 3.1 < h < 4.9.Utilizzato l argon liquido come mezzo attivo

20 master plate (5mm) spacer (4mm) scintillator (3mm) Basic period, 18mm La luce prodotta negli scintillatori e e inviata a PMTs via fibre WLS fibres WLS fibre Calorimetro nella regione del barrel Il mezzo attivo e costituito da tegole di materiale scintillatore disposte in una matrice di ferro, con funzione di mezzo assorbente L'ottimizzazione della geometria del calorimetro adronico guidata dalla corretta risoluzione in energia Celle definite raggruppando WLS fibres su PMTs Scintillator Barrel module Segmentazione: 3 profondita radiali Δη Δϕ = ( nell ultima parte)

21 Risoluzione in energia e calibrazione L'energia rilasciata dai jet viene calcolata sommando l'energia rivelata da tutte le celle calorimetriche contenute in un cono di raggio La risoluzione in energia e tanto migliore quanto maggiore e R. Allo stesso tempo, pero, la larghezza del cono non deve essere troppo grande, per evitare sia la degradazione del segnale dovuta al rumore dell'elettronica Importante il sistema di calibrazione - sorgente di Cesio Sistema principale di intercalibrazione fra le celle calibrazione segnale + PMT durante la costruzione laser: monitors PMTs + elettronica. Linearita, dynamic range charge injection system (CIS): calibration of front-end electronics. Useful diagnostic pulses Calibrazione utilizzando fasci di tes in-situ calibration: E/p T for single hadrons (e.g. coming from τ-decay) Z/γ + jet: p T balance W jj

22 Calibrazione durante i test su fascio Cs/muon ratios Segnale da muoni per cella: RMS 2.5% Pioni da 180 GeV Energy resolution Risposta ai pioni. Variazione della risoluzione con η per perdite trasversali e longitudinali

23 CMS Confronto sistema calorimetrico di Atlas e CMS Calorimetro elettromagnetico ATLAS usa calorimetro a campionamento con LAr con buona risoluzione in energia e eccellente segmentazione laterale e longitudinale ATLAS CMS usa cristalli PbWO4 con eccellente risoluzione in energia segmentazione lateral ma non longitudinale Test beam: CMS superior intrinsic resolution ATLAS excellent uniform response " (E)! E 3-5% E " (E) 10%! E E

24 ATLAS σ E CMS σ E Realizzato con Fe-scintillator (barrel) and Cu-liquid argon (end-caps) per un totale di 11 lunghezze di interazione. Buona risoluzione in energia: / E 50% / E / GeV 0.03 Calorimetro adronico Realizzato con Cu-scintillator. Risoluzione in energia / E 100% / E / GeV 0.05 CMS 11λ

25 Sistema muonico

26 Sistema di muoni a LHC Misurare la carica e gli impulsi trasversi dei muoni fino a 1-2 TeV/c - Richesto grande campo magnetico - Alta risoluzione di tracciamento dei rivelatori. Identificazione dei muoni - filtrati da lunghezze di interazione Capacita di triggerare e identificare il bunch crossing - Soppressione di eventi di minimum bias - Eccellente risoluzione temporale Differenti tecnologie adottate: - Per scopi di triggering necessario un rivelatore non sensibile a fotoni e neutroni - Tecnologia tipica : rivelatori a gas.

27 Schema base di tracciamento di muoni 3 punti di campionamento "( s) = 3 2 # "( x)! Traettoria delle tracce in CMS Sistema magnetico- solenoide centrale Sistema di tracciamento centrale + camere a muoni

28 Spettrometro a muoni di Atlas Piccolo scattering multiplo Piccola curvatura della traccia Alta precisione Alta precisione + allignamento Larga copertura in 3 stazioni a muoni ~1200 Camere Diametro esterno ~20m Una coordinate misurata con camere a drift (alta precisione) Coordinata (r,φ) fornita dagli RPC RPC utilizzati anche per trigger Allineamento

29 Sistema di muoni di CMS Barrel (DT + RPC) End Cap (CSC + RPC) Requirements Muon identification Muon Trigger Unambiguous BX identification Drift Tube Chambers and Cathode Strip Chambers are used for Trigger single and multimuon with well defined p T thresholds few GeV to 100 precision GeV measurements and for triggering. Muon momentum measurement Resistive Charge Plate assignment Chambers correct (RPC s) to 99% are confidence dedicated level trigger up to 7 chambers. TeV Momentum resolution dpt/pt = 1-1.5% at pt = 10 GeV dp T /p T = 6-17% at p T = 1 TeV 29

30 Risoluzione in impulso

31 Cella di drift di ATLAS

32 Contributo alla risoluzione Ricostruzione delle coordinate x= v ΔT con v= costante e t0 fornito dal trigger Diffusione degli elettroni che driftano Fluttuazione nella ionizzazione primaria Tolleranze nella distanza di drift: Precisioni meccaniche, posizione del filo Inomogeneita del campo elettrico, variazione della velocita di drift Dovuta a variazioni del gas

33 Drift Tube Chambers Risoluzione (per stazione) Conditions Position RΦ : 100 µm η<1.3 Z : 150 µm Particle Angle: rate 1 mrad < 10 Hz/cm 2 BX Relatively identification Low Efficiency B >98% per station GAS: Ar/CO 2 (85/15) Φ SL θ SL Honeycomb Φ SL 42mm 5 Wheels DT s, 4 stationi (MB1,MB2,MB3,MB4): at least 3 track segments on muon track. Wire Electrode Strip Mylar Cathode Al Strips 13 mm

34 Camera di Atlas

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37 Sistema di trigger: CMS RPC Barrel system Barrel 5 wheels 60 sectors RB4 120 chambers (2 double gaps per chamber) RB3 120 chambers (2 double gaps per chamber) RB2 60 chambers (2 double gaps per chamber) + 60 chambers (3 double gaps per chamber) RB1 120 chambers (2 double gaps per chamber) FEB amplify and discriminate signal (16 strip/feb) RPCs-DT are mechanically coupled before installation Gas:96.2%C 2 H 2 F 4 3.5%C 4 H %SF 6 Double gap 37

38 Resistive Plate Chambers Barrel 5 wheels Endcap Disks: 720 chambers RB4 120 chambers RB3 120 chambers RB2 120 chambers RB1 120 chambers Initial system; 3 stations up to η = 1.6 Gas: 96.2%C 2 H 2 F 4 3.5%C 4 H %SF 6 Efficiency > 95% Time resolution Av. cluster size < 3ns (98% within 20 ns) < 3 strips Rate capability > 1 khz/cm 2 Noisy rate < 10 Hz/cm 2 Streamers < 10% Output rate of LV1 trigger on single muon < 10 khz 38

39 RPC Trigger layout Principle: Digital signals coming from RPC planes combined into patterns of hits. If they match one of the predefined pattern 39

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41 ATLAS RPC Trigger

42 TGC CMS: Confronto Atlas CMS: sistema muonico RPC ATLAS: η < < η < 1 < η < MDT CSC Canale golden : H ZZ 4µ richiede una risoluzione d impulso al 1% Obiettivo di entrambi gli esperimenti 10% in risoluzione for 1TeV muon Copertura in η (2/3 dei decadimenti H ZZ 4µ hanno almeno un muone with η> 1.4) Trigger: capacita di selezionare online µ with pt > 5-10 GeV : grande magnete toroidale con 8 coils, 3 layers cilindrici di camere (MDT e RPC) : Le tracce sono deflesse in 2 piccoli toroidi, 3 ruote (CSC, TGC e MDT) : I campi magnetici si sovrappongono. TRIGGER con RPC e TGC Le camere a muoni sono installate nel giogo in ferro di ritorno del campo magnetico (4 stazioni bel barrel e 4 dischi perpednicolare) TRIGGER con CSC,DT erpc Pseudorapidity CMS < 2.5 ATLAS <2.7