Fisica pp a LHC. A. Colaleo. Introduzione alla fisica dei collisionatori adronici. Trigger and DAQ

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1 Fisica pp a LHC A. Colaleo Introduzione alla fisica dei collisionatori adronici Detector Trigger and DAQ Test Standard Model - Test of QCD: Jet, W/Z, top-quark production - W- and top-quark mass measurements Ricerca del Bosone di Higgs Ricerca di nuova fisica

2 Strategia generale e quella di cercare di rivelare quante piu particelle possibile Magnetic field piega le tracce e aiuta nella misura d impulso delle particelle elettrone muone Hadronic calorimeter: Offre materiale per gli sciami Adronici e misura il deposito di energia Neutrini scappano senza essere rivelat adroni Tracker: non molto materiale, Rivelatore finemente segmentato Misura precisa della posizione dei punti sulle tracce Calorimetro elettromagnetico: Offre materiale per gli sciami i elettromagnetico e misura il Deposito di energia Muon detector: Registra tracce di muoni

3 Due problemi principali tipici di LHC Pile up: R = Lσ = 10 9 interazioni / secondo Protoni sono raggruppati in bunches (di protons) collidenti nel punto di interazione ogni 25 ns detector Ad ogni interazione in media sono prodotti 23 eventi minimum-bias. Questi si sovrappongono agli eventi interessanti (con high p T ), e causano il cosidetto pile-up ~1000 particelle cariche prodotte per η < 2.5 ad ogni bunch crossing. Comunque < p T > 500 MeV (particelle di minimum bias). Taglio in p T permette di selezionare solo eventi interessanti

4 Come estrarre questo evento Soppressione del fondo: Riconstruzione di oggetti con grande impulso trasverso da questo Higgs 4μ +30 min. bias events

5 2. danni da radiazione : -- diminuiscono con la distanza d 2 dal fascio i rivelatori vicino alla beam pipe più inficiati -- necessaria elettronica resistente alla radiazione -- necessario il controllo di qualità di ogni pezzo di materiale -- rivelatore + electtronica devono sopravvivee per almeno 10 anni

6 Requisiti dei rivelatori Non sappiamo come la nuova fisica si manifesta rivelatori devono essere flessibili e capaci di rivelare tutte le possibili particelle : e, μ, τ, ν, γ, jets, b-quarks,. esperimenti multi-purpose. Impulso e carica delle tracce e dei vertici secondari i( (esempio decadimenti di idai quark kb) sono misurati nel tracker centrale. Richieste eccellenti risoluzione in impulso e posizione Buona misura di leptoni con grande impulso trasverso da pochi GeV a pochi TeV : per la rivelazione -leptoni di basso Pt (es. nei decadimenti degli adroni B) -leptoni ad alto Pt (es. da decadimenti di W e Z ) Efficiente identificazione di elettroni (tracking e calorimetri), fotoni (calorimetri), b/tau-jet (silicon strip e pixel detectors) Muoni identificati e impulso misurato in spettrometro a muon (+ tracker). Eccellente risoluzione richiesta tra ~ 5 GeV < p T < ~ TeV

7 Energia e posizione di electroni e fotoni misurati nel electromagnetic calorimeters. Energia e posizione degli adroni e jets misurati principalmente p nei hadronic calorimeters. Buona copertura angolare e granularità. Eccellente risoluzione in massa ( circa 1%) per particelle di massa fino a centinaia di GeV che decadono in fotoni, elettroni e muoni

8 Requisiti dei rivelatori Rivelazione e misura di neutrini I neutrini attraversano il rivelatore senza interagire non possono quindi essere rivelati direttamente Ma richiedendo r r E, P = E, P f f i i Energia totale, impulso ricostruito nello stato finale Energia totale, impulso dello stato iniziale r -- collisionatori e + e - : E i = s, P i = 0 se un neutrino è prodotto allora E f < E i ( energia mancante) r 0 P f r P r ν = - P f E ν = P ν -- collisionatori adronici : energia e impulso dello stato iniziale non è noto (energia e impulso dei partoni che r interagiscono ). Ma: impulso trasverso iniziale e 0 e quindi impulso trasverso iniziale e P T i = Ma se un neutrino è prodotto allora P T f r r P = P = T ν T f r E 0 T r r P T f = ( impulso trasverso mancante) e miss 0

9 Requisiti dei rivelatori: ermeticita Usiamo il bilanciamento dell energia-impulso nel piano trasverso concetti quali E t miss, impulso e massa trasversi sono più frequentemente usati recostruire totalmente alcune topologie con i neutrini, es. W lν e H ττ lν l ν τ hν τ il rivelatore deve quindi essere ermetico energia trasversa misurata con alta accuratezza nessun neutrino non-rivelato

10 Requisiti dei rivelatori: eccellente risoluzione in energia Energia e posizione di electroni e fotoni misurati nel electromagnetic calorimeters. Esempio : H γγ H γγ bassa risoluzione H γγ alta risoluzione background da pp γγ σ σ ( H ( processi ( 100 GeV _ ) γγ ) γγ m γγ ) Molti processi con grande sezione d urto e γγ stessa topologia del segnale nello stato finale. 60 Struttura non risonante e decrescente con la massa invariante dei due fotoni Larghezza del picco e dominata da risoluzione energia e angolare del calorimetro

11 Requisiti del rivelatore: eccellente capacità di identificazione esempio: separazione e/jet, γ/jet q jet q π 0 γ γ Il numero e il p T degli adroni in un jet hanno grandi fluttuazioni in alcuni casi un high-p T π 0 ; e le altre particelle troppo soffici per essere rivelate. Inner detector EM calo HAD calo γ ATLAS π 0 Per avere una efficienza di identificazione a 80% bisogna sapere rigettare a 10 3 jet che simulano fotoni. Ottima granularita Esempio π 0 pt > 50 GeV d (γγ) < 1 cm a 150 cm( nel calorimetro! ) QCD jets possono simulare fotoni. Rapporto fra rate di elettroni e di jet e e/jet= 10-5 per pt > 20 GeV. Quindi jet che simulano elettroni devono essere rigettati di un fattore 10 6

12 Requisiti del rivelatore: eccellente capacità di identificazione esempio i muoni Muon-ID da assorbimento e tracciamento nelle camere a muoni Carica dalla curvatura nel campo magnetico B, Tracker e camere a Muoni Impulso trasverso pt: Tracker (~1%) e camere a Muoni (~10%) + Alignment Accettanza del tracker e delle camere a muoni

13 ATLAS e CMS stessi principi ma differenti realizzazioni ATLAS Tracker o Inner Silicon pixels, Silicon strips, Detector Transition Radiation Tracker. 2T magnetic field CMS Silicon pixels, Silicon strips. 4T magnetic field Electromagnetic Lead plates as absorbers with Lead tungstate (PbWO 4 ) calorimeter liquid argon as the active medium crystals both absorb and respond by scintillation Hadronic Iron absorber with plastic Stainless steel and copper calorimeter scintillating tiles as detectors in central region, copper and tungsten absorber with liquid argon in forward regions. absorber with plastic scintillating tiles as detectors Muon detector Large air-core toroid magnets with muon chamber form outer part of the whole ATLAS Differenza principale: il magnete Muons measured already in the central field, further muon chambers inserted in the magnet return yoke

14 ATLAS/CMS: differenze Magnete principale e un toroide B= 0.7 T Curvatura in (r,z) Tracce dritte in (r, φ) estrapolazione alla coordinata z del fascio (precisione al cm). Nel tracker c e un solenoide B=2 T, con curvatura in (r, (,φ). I sistema a muoni non e nel ferro Campo magnetico omogeneo Solo un magnete. Solenoide B=4 T Curvatura nel piano trasverso (r, φ) Tracce dritte in (r,z) estrapolazione fino al fascio trigger sul parametro di impatto Giogo di ritorno del campo magnetico nella camere a muoni Campo magnetico non omogenio a largo η

15 ATLAS/CMS: differenze La scelta di CMS Il Il magnete Solenoide superconduttore che fornisce un campo intenso nel tracker e un flusso di ritorno intenso per la misura dell impulso l dei muoni. La scelta di ATLAS - solenoide superconduttore integrato nel criostato del barrel ECAL che fornisce un campo di 2T. -Barrel Toroid: 8 bobine superconduttrici piatte, lunghe 25 metres e larghe 5 metri, raggruppato in forma di toroide. -Two EndcapToroid posizionato nel Barrel Toroid all estremita del Solenoide, fornisce un campo magnetico su una lunghezza radiale fra 1.5 e 5 metres.

16 ATLAS/CMS: vantaggi e svantaggi: il magnete ATLAS VANTAGGI: misura dei muoni con alta accuratezza in stand alone (in maniera autonoma no tracker )( η < 2.7) ATLAS SVANTAGGI: campo non uniforme nel volume del tracker ATLAS SVANTAGGI: la posizione del solenoide in fronte a ECAL barrel limita la risoluzione in energia in quella regione 1.2 < η < 1. 5 CMS VANTAGGI: intenso e uniforme campo magnetico fornisce una eccellente risoluzione in impulso e una maggiore uniformita di prestazioni su una copertura maggiore in eta CMS SVANTAGGI: la posizione i del solenoide fuore dal calorimetro limita it il numero di lunghezze di interazioni per l assorbimento dello sciame adronico. CMS SVANTAGGI: il sistema muonico ha una capacita limitata it t di misura di impulso stand-alone η < 1. Importante il tracker.

17 Compact Muon Solenoid (CMS) 4T solenoid Muon chambers Silicon Tracker (200 m 2 ) PbWO 4 Crystals γ / e detection Hadronic calorimeter Jets, missing E T (ν)

18 CMS: Assemblaggio Muon chambers solenoid Hadronic calorimeter 07 March 200

19 ATLAS Diameter Barrel toroid length End-cap end-wall chamber span Overall weight 25 m 26 m 46 m 7000 Tons

20 ATLAS Installazione

21 Tracking a LHC: Misura dell impulso In un collisionatore adronico noi vogliamo misurare solo impulso trasverso perche I processi avvengono tra partoni che non sono a riposo nel sistema del laboratorio (conservazione dell impulso solo nel piano trasverso. L impulso e proiettato nelle due direzioni Pt= P cos λ Nel piano r-φ misuriamo l impulso trasverso Nel piano r-z l angolo λ

22 Misura dell impulso trasverso L errore nella misura e proporzionale, all impulso dipende linarmente dalla accuratezza della misura ed e inversamente proporzionale al bending power BL 2

23 Risoluzione sul parametro d impatto L errore sul parametro d impatto e dominato dalla precisione di misura sui primi layers, la loro distanza dal punto di interazione e la precisione sulla slope data dall intero tracker. Ad alti impulsi la traccia puo essere approssimata con una retta y= a+ bz L errore sul parametro d impatto dipende dall errore sulla slope e sulla distanza del centro dello spettrometro dal punto di interazione N detector a posizione z N. La lunghezza dello spettrometro e L=z N -z 0 La distanza dal suo centro e z c =(z N +z 0 ) /2. Per minimizzare l errore : 1) Usare rivatori con eccellente risoluzione spaziale.-> rivelatori a silicio 2) Usare uno spettrometro molto lungo.-> rivelatori a silicio e molto costoso non possibile. Inner detector e central detector 3) Mettere lo spettrometro piu vicino al punto di interazione..-> pixel sono compatti e

24 Scattering multiplo L incertezza sui parametri della traccia e aggravata ulteriormente dalloscattering multiplo della particella carica nello spettrometro. Una particella carica di impulso p che attraversi uno spessore x con lunghezza di radiazione X0 e deflessa dallo scattering sui nuclei. La proiezione della deflessione e mediamente 0 ma la rms deflessione si esprime Per cui la deflessione random peggiora la misura della posizione. Se la risoluzione sulla posizione e dominata dallo scattering multiplo allora per uno spettrometro di lunghezza L e N+1 piani ugualmente spaziati la risoluzione in impulso trasverso e data da: Quindi non dipende piu dall impulso e dipende debolmente dalla lunghezza dello spettrometro I vertici secondari di particelle a vita breve sono contenuti nella beam pipe. Per particelle di piccolo impulso lo scattering multiplo puo essere sorgente di errore. In una traccia misurata con grande precisione nel rivelatore quando estrapolata all origine potrebbe non potremmo non essere in grado di individuare il vertice primario che si trova entro un larghezza d= Rθ dove R= raggio pipe, θ e rms del multiplo scattering

25 Risoluzione dei vertici in sistema solenoidale (CMS) La posizione del vertice di interazione lungo la linea del z-direction) ha uno spread of 5-6 cm a LHC. Quindi la posizione del vertice non e nota con alta precisione per individuare la direzione delle particelle prodotto. Nel piano r-φ φ le dimensioni del fascio forniscono una coordinata precisa nella posizione dei vertici Al contrario in r-z la produzione di multivertici richiede un rivelatore con alta risoluzione nella coordinata z

26 Risoluzione dei vertici in sistema solenoidale (CMS) Formula di Gluckstern: In CMS si potrebbe ottenere con le sole camere a muoni. Ma lo scattering multiplo rende 4 piani δz molto di tracker grande Un sistema di tracker e fondamentale

27 Solo sistema muonico Solo tracker

28 Tracking a LHC Pile-up e occupancy L impulso trasverso delle particelle di pile-up p e circa 0.5 GeV. Molte di esse sono ancora nel volume del detector mentre un secondo bx arriva. Le particelle di interesse (con alto impulso trasverso) + eventi di pile-up. Il sistema di tracciamento deve essere in grado di rivelare tutte le tracce nell evento. Le tracce di pile-up ricostruite vengono poi scartate in quanto non provengono dallo stesso punto di interazione (I vertici sono separati di circa 1 cm su circa 8 cm lungo la direzione del fascio. La complessita di ricostruzione delle tracce e legata all occupancy : numero medio di hits per evento in un elemento del detector. In caso di bassa occupancy la probabilita che 2 tracce si sovrappongano nello stesso elemento e bassa. L occupancy deve rimanere < 1% per avere un attima efficienza i di ricostruzione. i La densita di tracce attese per bx a distanza r e a η=0 e (40 x 1/r 2 ). Occupancy a1% -> elemento di detector x r 2 -> superficie di una strip di silicio di10 cm con pitch=100μm a 20 cm dalla beam pipe. Resistenza a radiazione Risposta veloce in modo da minimizzare il pile-up Tracking a LHC tracker interno (pixel) + central detector (silicio+trt(atlas) + muon system Sistema di muoni meno inficiato dalla problematiche suddette (r> 4m)

29 Requisiti del tracker a LHC Efficiente & robusto algoritmo di tracking Granularita fine per risolvere tracce vicine Tempi rapidi di risposta per distinguere fra bx Abilita di ricostruire oggetti pesanti 1~2% p t resolution at ~ 100 GeV p t Capacita di operare in un ambiente pieno di tracce Nch/(cm 2 *25ns) = 1.0 a 10 cm Capacita di b/τ tagging attraverso I vertici secondari Buona risoluzione nel parametro di impatto. Efficienza di ricostruzione 95% per tracce adroniche isolate con alto p t 90% per tracce di alto p t dentro ijets Capacita di operare in condizione di grande irraggiamento. Silicon detectors opereranno a -7 C -10 C to contain reverse annealing e limitare I danni da irraggiamento

30 Due stategie diverse: Atlas 2.3 m x 5.3 m Solenoid ~ 2 Tesla Field ~ 4 Tesla Toroid Field ATLAS ATLAS Inner Detector Dentro il solenoide 2T Tracking basato su molti punti. Tracking di precisione: Pixel detector (2-3 punti) Semiconductor Tracker SCT (4 punti) Continuous Tracking: (per pattern recognition & id elettroni) Transition Radiation Tracker TRT (36 punti) 46m Long, 22m Diameter, Ton Detector

31 ATLAS Pixel Detector 3 piani nel barrel r = 5.05 cm (B-layer), 9.85 cm, cm 3 coppie di dischi Forward/Backward r= 49.5 cm, 6.0 cm, 65.0 cm ~ 2% di tracce con meno di 3 hits Dimensioni del pixel: 50 μm x 300 μm (B layer) & 50 μm x 400 μm (direzione z piu precisa!) ~ 2.0 m 2 di area sensibile con 8 x 10 7 ch Moduli sono gli elementi costitutivi di base 1456 nel barrel nell endcaps Area attiva 16.4 mm x 60.8 mm Area sensibile letta da 16 FE chips ciascuno con una matrice di pixel18 columns x 160 row

32 ATLAS SCT Detector 1.04 m Barrel: 4 piani pitch ~ 80 μm raggi: mm 2112 moduli, with 2 detectors per lato, lettura tra I 2 detector Tutti I rivelatori sono doppia faccia (40 mrad angolo stereo ) 4088 moduli 61 m 2 di silicon 6.3 x 10 6 canali Endcap: 9 coppie di ruote pitch μm 3 tipo di moduli Inner (400) Middle (640 ) Outer (936)

33 ATLAS Transition Radiation Tracker (TRT) Fornisce 35 punti con risoluzione circa 170μm Barrel End-caps Tension plate C-fiber shell Radiator Straws Straw diameter - 4 mm Wire diameter - 30 μm Polypropylene l foil/fibre radiators Length: Total 6802 cm # straws: Total Gas 70%Xe+27%CO 2 +3%O 2 Barrel 148 cm Barrel Xe for good TR absorption End-cap 257 cm End-cap CO 2 > 6% for maximum Outer diameter 206 cm # electronic ect c channels operation stability Inner diameter cm Weight ~1500 kg Gas gain

34 Straw tubes Both end-cap and barrel use the same straws ~25 μm ~5 μm In order to make straw rigid, 4 C-fibres are attached along the straw ~0.2 μm ~6 μm ~70 μm Straw wall (after winding) 34

35 Transition Radiation Radiazione di transizione e prodotta quando una particella ultra- relativistica attraversa l interfaccia fra due mezzi differenti PP (fibres or foils) & aria per TRT. FotoniTR sono emessi ess a piccoli angoli rispetto alla a traettoria della particella incidente Deposito di energia nei TRT e la somma della perdita per ionizzazione delle particelle cariche (~2 kev) e grandi depositi dovuti a fotoni assorbiti (> 5 kev) B o d -> J/ψK o s High threshold hits Due soglie per separare le particelle TR threshold electron/pion separation 5.5 kev MIP threshold precise tracking/determinazione tempo di drift time 2 kev

36 Due diverse strategie diverse: CMS CMS ha scelto una configurazione tutto silicio 13m x 6m Solenoid: 4 Tesla Field Tracking up to η ~ 2.4 CMS CMS Tracker 2.4 m Inner Barrel TIB- Inner Disks TID- Outer Barrel TOB- Dentro il solenoide 4T Affidato a un numero inferiore di piani di misura, Ma ciascuno piano fornisce una coordinata precisa e pulita Muon system Pixel in return yoke End cap TEC- Prima camera a muone subito dopo il solenoide Braccio di leva piu grande per misura in p t. ECAL & HCAL Nel solenoide Precision Tracking: Pixel detector (2-3 punti) volume 24.4 m 3 Silicon Temperatura di operazione 10 22m Strip Long, Tracker 15m Diameter, (220 m ) Ton Detector 0 atmosfera secca per ANNI! SST (10 14 points)

37 The CMS Pixel Detector 3 piani nel barrel r = cm, cm, cm ~ 32 x 10 6 pixels 2 coppie di dischi Forward/Backward Copertura Radiale 6 < r < 15 cm z position: 34.5 cm, 46.5 cm Per Disk: ~3 x 10 6 pixels 3 punti a grande risoluzione per η < 2.2 Dimensione Pixel : 150 μm m x 150 μm mdrivenby FE chip Hit resolution: r-φ φ σ ~ 10 μm Occupancy is ~ 10 (Lorentz angle 28 in 4 T field) -4 r-z σ ~ 17 μm Modules sono elementi costitutivi di base 800 nel barrel nell endcaps

38 CMS Silicon Strip Tracker The SST copre la regione radiale fra 20 e 110 cm 6 TOB Thickness ~ 500μm pitch ~ 180 μm 4 TIB Thickness ~ 320μm pitch ~ 122 μm 3TID 9 TEC The layers 1-2 TIB and TOB, the first two rings of TID and rings 1, 2 and 5 of TEC are instrumented with 2 sets of single-side detectors glued back-toback with a stereo angle of 100 mrad. 38 Silicon strip : σ r-φ = μm, σ z = 500 μm

39 6 layers TOB 4 layers TIB CMS Silicon Strip Tracker Outer Barrel (TOB): 6 layers Thick sensors (500 μm) Long strips CF frame Radius ~ 110cm, Length z view ~ 270cm Silicon sensors 12 layers with (pitch/ 12) spatial resolution strips and 110 channels cm radius give a Endcap momentum (TEC): resolution 9 Disk pairs of APV chips r < 60 cm thin sensors r > 60 Thin cm thick sensors Δp pitch sensors 1.1m 4T pt Thick 0.12 η~1.7 sensors p 100μm L B 1Tev 440 m 2 of silicon wafers 210 m 2 of A silicon typical pitch sensors of order 100μm is required in the φ coordinate To 2*1 512 achieve Thin the required modules resolution *1 800 η~2.4 Thick modules ~ modules ~ Bonds Strip length ranges from 10 cm in the inner 3 disks TID layers 9 disks to p TEC Inner Disks (TIB): + 20 strips cm in on the n-type outer bulk layers. <100> 3 crystal Disk pairs lattice orientation Inner Barrel (TIB): 4 layers Thin Pitch sensors ranges from 80μm in the inner layers to near 200μm Polysilicon in the outer resistors layers to bias the strips Thin sensors (320 μm) Strip width over pitch w/p=0.25 Short strips FE hybrid Pitch Metal overhang and multiguard with FE adapterblack: total number of hits structure d to enhance breakdown ASICS Green: double-sided hits Red: ds hits - thin performance detectors Blue: ds hits - thick detectors

40 Occupancy Risoluzione in impulso gap fra barrel e endcap La risoluzione in p T < 2% per p T < 100 GeV/c fino a η =1.75.

41 Risoluzione sul parametro d impatto σ(d 0 ) = f(p T,η) p T = 1 GeV/c: mm high p T : μm Ad alti impulsi, la risoluzione transversa sul parametro d impatto d 0 resolution e costante ed e dominata dalla posizione del primo piano del tracker e dalla sua distanza dal punto di interazione e dalla risoluzione sul primo hit nel rivelatore a pixel. A bassi impulsi multiple scattering diventa importante la dipendenza da η dipende dal maggior materiale attraversat

42 Sistema di tracciamento: ATLAS e CMS Prestazioni del tracker di CMS superiori rispetto ad ATLAS in termini di risoluzione in impulso (campo piu uniforme e intenso e misura piu accurata a grande raggio ) Vertexing and b-tagging prestazioni sono simili 2 ATLAS Impatto sulle prestazioni (degrado d efficienza i e risoluzione scattering multiplo) dalla quantita di materiale e importante sia in CMS che ATLAS) ATLAS X/X CMS η 0

43 Sciami elettromagnetici Sciame elettromagnetico consiste di elettroni, positroni e fotoni Elettroni e positroni producono fotoni bremsstrahlung. Fotoni creano coppie e + /e -. La moltiplicazione avviene finche le particelle non raggiungono g critical energy (E c ), al disotto della quale si ha solo interazione per ionizzazione e quindi il numero di secondari decresce Iniziando con un elettrone di energia E0 dopo una lunghezza di radiazione X 0 avremo 2 particelle con energia E 0 /2 n E0 dopo n χ0 2 particelle Ep = n 2 E0 ln E0 E c E0 E c = =E nmax n = N = nmax max sec prod max 2 ln2 E c Il profilo longitudinale dello sciame dipende dallo Il profilo longitudinale dello sciame dipende dallo spessore necessario a fermare lo sviluppo dello sciame e quindi dalla lunghezza di radiazione.

44 Il profilo longitudinale dello sciame dipende dallo Z del materiale assorbente Z Esprimendo il profilo dello sciame in unità di lunghezza di radiazione,l andamento dovrebbe essere indipendente dal materiale considerato. In realtà ci sono delle importanti differenze nel profilo di questi sciami dovute allo Z del materiale considerato: Al crescere di Z il valore del massimo si sposta verso spessori maggiori Al crescere di Z il profilo dello sciame decade d più lentamente al di la del x massimo t = t95% = tec Z [ χ 0 ] χ 0

45 Sviluppo trasversale di uno sciame em. La dispersione laterale dello sciame è causata da due effetti: Elettroni e positroni deviano dall asse dello sciame a causa dello scattering multiplo I Fotoni e gli elettroni prodotti dai processi secondari(compton scattering, effetto fotoelettrico)sono spinti fuori dall asse. Inoltre i fotoni di bremsstrahlung sono emessi da elettroni che viaggiano ad un angolo considerevole rispetto all asse dello sciame. Il 95% dello sciame è in un cilindro con raggio pari a due volte il raggio di Moliere definito come: R m = 21Mev E c χ g cm 2 0( / )

46 Interazioni nucleari e lo sciame Adronico Lo sciame adronico è dominato dalla successione di interazioni anelastiche tra adroni. Ad alte energie queste interazioni sono caratterizzate dall emissione di molte particelle originate i da: Eccitazione Break-up dei nuclei (frammenti del nucleo + produzione di particelle secondarie) In questi processi usualmente la particella perde energia: producendo mesoni Trasferendo energia ai nuclei che: nella diseccitazione, producono alcuni nucleoni e γ a bassa energia, e perdono l energia cinetica di rimbalzo tramite ionizzazioni. Produzione di energia invisibile. Per energie > 1 Gev le sezioni d urto dipendono poco dall E e dal tipo di particella, ma molto dal materiale assorbitore σ σ σ 0.7 inel = 0A 0 = 35mb

47 Cascate adroniche I calorimetri adronici sono quei rivelatori capaci di prelevare e fornire l'informazione energetica lasciata dalle CASCATE ADRONICHE. Sono composte da molti processi, lo sciame adronico generalmente contiene anche uno sviluppo elettromagnetico, quindi consta di due componenti : Adronica (frammenti dei nuclei, particelle secondarie varie...) e cascata e.m.: componente e.m. π 0 2 γ C è anche energia invisibile (non viene depositata) t Grande fluttuazione di energia intrinseca

48 Interazioni nucleari Adrone carico: Ionizzare gli atomi del mezzo che attraversa, in una continua cascata di eventi. interazione forte con un nucleo del material del rivelatore: In questa interazione l adrone cambia drasticamente la sua forma: può mututare in 15 nuovi adroni Il nucleo colpito (breack-up nuclei ) inoltre cambia il suo stato tramite reazioni nucleri.

49 Interazioni nucleari Adrone neutro ionizza il mezzo che attraversa Interazione forte con nuclei del materiale : Creazione particelle secondarie I secondari (mesoni,nucleoni,gamma) perdono la loro energia ionizzando il mezzo e/o innescando altre reazioni nucleari, questo causa lo sviluppo dello sciame!

50 Lo sciame adronico Material Z A ρ [g/cm 3 ] X 0 [g/cm 2 ] λ a [g/cm 2 ] Hydrogen (gas) (g/l) Hli Helium (gas) (g/l) Beryllium Carbon Nitrogen (gas) (g/l) Oxygen (gas) (g/l) Aluminium i Silicon Iron Copper Tungsten Lead Uranium X 0, λ a [cm] λ a and X 0 in cm λ a X 0 Gli sciami adronici sono più lunghi e più larghi di quelli elettromagnetici Z

51 Lo sviluppo longitudinale e trasversale dello sciame Il contenimento dello sviluppo va sempre con il loge t95% aln E+ b Lo sviluppo longitudinale l dello sciame adronico, risulta molto simile il a quello elettromagnetico, tranne che per le scale utilizzate. In questo esempio 80 cm di uranio sono sufficienti per contenere il 95% dello sviluppo dello sciame prodotto da π da 300 Gev, mentre 10 cm erano sufficienti per contenere elettroni della stessa energia. L energia depositata in questo spessore cresce quasi linearmente. Vi è poi un massimo che dipende dall energia della particella e dalla sua natura (protoni,pioni). Segue un discesa molto più lenta che la salita iniziale. K. Jakobs CERN Summer Student Lectures, Aug

52 Lo sviluppo longitudinale e trasversale dello sciame Il profilo laterale l dello sciame adronico è molto più largo del profilo di uno sciame elettromagnetico; infatti è composto da due componenti: Core elettromagnetico ti (π 0 ) L Halo non-em (ha una caduta esponenziale d intensità) Le diverse componenti dello sviluppo laterale dello sciame, permettono di identificare le particelle in base al loro profilo caratteristico. Lateralmente lo sciame è contenuto in un cilindro di raggio pari alla lunghezza di radiazione. Il core elettromagnetico dello sciame da il massimo contributo nella prima fase dello sviluppo dello sciame, per scompartire definitivamente ad una lunghezza di circa 4.5 λ. 52 K. Jakobs CERN Summer Student Lectures, Aug. 2006

53 Energia invisibile e limiti intrinseci della risoluzione nei calorimetri adronici Frazione d energia nello sciame adronico è dissipata in una forma non risolubile la risoluzione in energia di tali rivelatori ha forti fluttuazioni intrinseche Interazione elettromagnetic ti a dei secondari prodotti (π 0 ) i neutrini e ai muoni ad alta energia che sono generati nello sviluppo della cascata ma generalmente scappano dalla zona di rivelazione, e quindi la loro energia non è rivelata completamente, perché non sono fermati. energia necessaria a estrarre un nucleone dal nucleo, in contrasto a quella che li tiene insieme Energia spesa d eccitazione o brake-up dei nuclei, raramente è rilevabile L f i d i i i ibil è La frazione d energia invisibile è sostanzialmente il 40% dell energia dissipata nella forma non-em.

54 La Risoluzione in energia σ ( E) E 2 = a E 2 + c 2 ( b ) + E 2 La precisione della misura aumenta al crescere di E Il primo termine è un termine stocastico che tiene conto della statistica dei processi d interazione e va come 1/ E Il secondo è un termine costante che dipende dalle caratteristiche del calorimetro(calibrazione,non lib i linearità) ità) Il terzo termine è il termine che tiene conto del rumore elettronico e del rumore in generale 54 K. Jakobs CERN Summer Student Lectures, Aug. 2006

55 Calorimetri Omogenei I calorimetri omogenei sono per lo più cristalli inorganici. Sono costituiti da un blocco di materiale sensibile alle particelle cariche dello sciame. Il materiale usato può essere Scintillatore o radiatore Cerenkov (vetro-piombo) La lettura del segnale è normalmente ottenuta con fotomoltiplicatori o diodi. Omogeneo: tutto il materiale assorbe ed è attivo per rilevare; ha una buona risoluzione in energia, ma limitata spaziale(direzione longitudinale legata alla lunghezza del cristallo); usati in genere per calorimetri e.m. R ~ 5%/ E 55 K. Jakobs CERN Summer Student Lectures, Aug. 2006

56 Calorimetri a Sampling detectors absorbers Il secondo tipo di calorimetro è quello a campionamento ( sampling ). Formato da 2 parti separate : il rivelatore (materiale attivo, scintillatore) e l assorbitore (passivo, in genere Fe, Pb, U). la risoluzione in energia è limitata dalle fluttuazioni dovute all attraversamento nel materiale passivo dove alcune particelle possono essere riassorbite. usati sia per calorimetri e.m. che adronici Buona risoluzione spaziale Fondamentale calibrare il calorimetro in assoluto e relativamente cella-cella d R ~ 35%/ E K. Jakobs CERN Summer Student Lectures, Aug

57 Calorimetria ad LHC Risposta veloce: 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. p_ Massima integrazione consentita e 50 ns Es. E=250 MeV nella parte centrale forniscono un contributo 2.5% nella risuluzione in energia per elettroni di 10 GeV. Alta granularita : Evitare che paricelle 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. ti i Es. per H(m=150 GeV)-> tau tau la rms (Etmiss) ~ 2 GeV per h <5 e ~8 per h <3. Eccellente risoluzione in energia elettromagnetica. Per l osservazione di risonanze strette Es. 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 ( GV GeV ) 3% elalinearita linearita in energia almeno al 2% fino a4-5 TeV

58 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

59 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 Emeas + δ si cercano I parametri che consentono di ottenere un valore della massa della Z ricostruita pari a quella nominale. 2) Misura di E/p pper elettroni isolati E con calorimetro e p con tracker: la distribuzione piccata a 1. Per misurare la Mw 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 pensa di calibrare l energia dei jet con precisione 1%

60 CMS Calorimetro elettromagnetico: Scelta del rivelatore Requisiti: Risposta veloce (25ns) Capacita di sopravvivere ad alta dose di radiazione e fluenza di neutroni (10 anni : n/cm 2,1kGy(η=0) 2x10 14 n/cm 2, 50kGy (η =2.6)) Operare in forti campi magnetico (4 Tesla) Processing del segnale a livello di rivelato π 0 /γ distriminazione Riproducibilita a lungo termine Scelta: Cristalli di tungstanato di piombo Avalanche photodiodes (Barrel), Vacuum phototriodes (Endcaps) Elettronica tecnologia in 0.25 μm CMOS Preshower in Pb/Si nell endcap Sistema di monitoring i con Laser

61 Struttura di ECAL Piccola lunghezza di radiazione (: X 0 = 0.89cm) consente di avere uno spessore attivo di 26X0 in 23 cm di lunghezza radiale; Piccolo raggio di Moliere ( R M = 2.10cm) assicura una piccola dimensione laterale dello sciame Lead tungstate (PbWO 4 ) ~11m 3, 90t Barrel crystals Pb/Si Preshower Barrel Supermodule (1700 crystals) Endcap Supercystals (5x5 crystals) Endcap Dee (3662 crystals) Barrel: η < 1.48 Endcaps: 1.48 < η < Super Modules 4 Dees crystals (2x2 x23cm 3 ) crystals (3x3x22cm 3 )

62 Proprieta del tungstanato di piombo %emissione luce: ~80% in 25 ns Piccola X0 implica grande contenimento Picco di emissione ~425 nm (visibile ) LY e molto bassa quindi sono necessari amplicatori di fotoni. Lunghezza radiazione: X 0 = 0.89 cm Alto indice di rifrazione rende difficile Raggio Molière : R M = cm l estrazione di luce Indice rifrazione: 2,3 80 Produzione luce in 23 cm (LY) : 100 γ/mev Light loss depends on dose-rate 50 Under LHC-like conditions for the Barrel (~ 0.15 Gy/hr) Light yield loss 6% al (test bea am) Ele ectron sign Variazioni nella trasparenza del cristallo saranno controllate con un laser al fine di correggere la risposta Laser signal Durante I cicli di LHC la risposta di ECAL variera a seconda dell irraggiamento. Fluttuazioni nel profilo dello sciame Coefficiente di temperatura di LY nel PWO e 2 %/C. Bisogna mantenere alta stabilita T(%) emission initial after irradiation wavelength(nm)

63 Photodetectors Basso produzione di luce: covertita in segnale elettrico attraverso fotodiodi con amplificazione. Dobbiamo lavorare in campo magnetico! Endcaps: Vacuum phototriodes (VPT Barrel: Avalanche photodiodes (APD) Fotomoltiplicatore ad uno stadio di amp 2 5x5mm 2 APDs/crystal Piu resistente t che I diodi a Si - Gain: 50 QE: λ peak = 420 nm ( UV glass window) - Dipendenza dalla temperatura: %/ o C - area attiva~ 280 mm 2 - Gain ~10 (B=4T) Q.E.~20% (420 nm) 20 d eff ~6μm 40μm φ = 26.5 mm MESH ANODE

64 Elettronica sul detector VFE x 5 Mean = 41.5 MeV Σ1x11 1 F E Campionamento a 25ns LV R Mean = 127 MeV Σ3x3 Σ 5x5 Mean = 213 MeV Trigger Tower (TT) Very Front End card (VFE) Energy Equivalence (MeV)

65 Costruzione ed installazione Sub-modulo: 10 cristalli Modulo Super-module: 1700 cristalli Bare SM Instrumented SM

66 Preshower Copertura in rapidita : 1.65 < η < 2.6 (End caps) Motivazione: migliorare π 0 /γ discrimination 2 piani ortogonali di Si strip detectors dietro 2 X 0 e 1 X 0 Pb rispettivamente Strip pitch: 1.9 mm (lunghezza 63 mm ) Area: 16.5 m 2 (4300 detectors, 1.4 x10 5 channels) High radiation levels - Dose after 10 yrs: ~ 2 x10 14 n/cm 2 ~60kGy Operate at -10 o C

67 Importante calibrazione del rivelatore durante test beam Inter-calibration (fra moduli) electron beam calibration reproducibility σ = 15% 1.5% electron beam cosmic muon comparison Entries Supermodules 1200 (25%) Mean inter-calibrated E-02with e - RMS E electron beam / 48 Constant construction Mean E Sigma database E-01 comparison σ = % 4.5% (Cali LAB -Cali TB )/Cali TB

68 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 Ed Endcap 770 MV 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 temperatura t APD <0.1 % (dly/dt=-2.0% 20%/ 0 C@18 0 C, dgain/dt=- 2.3%/ 0 C) APD stabilita in tensione dgain/dv = 3%/V

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

70 HCAL Il calorimetro adronico suddiviso in parti e collogato oltre il tracker e ECAL, alli interno del solenoide + un layer esterno che rivela le code degli sciami HB η < 1.3 Calorimetro a campionamento HE 1.3 < η < brass as absorber b HO η < scintillator + wls fiber HO Dimensione torre X in η x φ HPD come elettronica di raccolta fotoni RBX RBX HB HE Aim to achieve energy resolution of ~ 100%/ E 5%

71 HCAL HB nel barrel e un calorimetro a campionamento per h < 1.3, suddiviso in 2 halfbarrel, ciascuno con 36 identici wedge, ognuna inserita dalle due parti del criostato del magnete Il wedge e costituito da assorbitori paralleli alla linea del fascio I piani di assorbitore sono tiltati in modo da evitare zone morte. Il primo e l ultimo sono in acciaio. La lunghezza totale di interazione a 90 C e 5.82 e varia con h (ad h =1.3 e di 10.6 e il ECAL aggiunge 1.1 l Il materiale attivo consiste di tile di scintillatore con fibre di WLS.

72 Megatile e HPD Piastre di scintillatori (tiles) appartenti allo stessa regione in f sono sistemate in grandi strutture dette megatiles. Ogni wedge ha una suddivisione in 4 regioni in f Ogni megatile include dei tubi in cui sono sistemate sorgenti di Cs per la calibrazione Le fibre con WLS vengono raccolte in un connettore all estremita della megatile e poi una fibra invia le informazioni dalle varie megatile all HPD: fotocatodo a -8kV rispetto a un layer di fotodiodi (segnale da ionizzazione dai fotoelettroni nel fotodiodo)

73 Segmentazione longitudinale Segmentazione in torri di lettura per il calorimetro. La struttura di HE e simile a HB ma con giometria differente HE-

74 Il contenimento dello sciame adronico nel barrel e assicurato da piani di HO (fuori dal solenoide, che funge da ulteriore assorbitore. La lunghezza complessiva massima risulta quindi di 11.8 l. Contenimento dello sciame: HO Simulazione: energia di singoli pioni di energia fissata misurata con e senza HO. Impatto di HO e molto importante per la misura di energia. L effetto della perdita di energia e importante soprattutto nella misura della energia transversa mancante Sezione d urto di eventi dijets

75 Calorimetria di ATLAS ATLAS Calorimetry (Geant) EM Accordion Calorimeters Hadronic Tile Calorimeters TILECAL EMB EMEC FCAL Calorimetro a campionamento piombo-argon liquido Giometria i Accordion (fisarmonica) i 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 granulatita in 2.5< η <3.2 2 and no strips channels Il calorimetro e fuori dal solenoide HEC Forward LAr Calorimeters Hadronic LAr End Cap Calorimeters endcap A barrel endcap C EMB: 2 half-barrel ( η <1.4) EMEC: 2 end-cap (1.4< η <3.2)

76 Principio di funzionamento ECAL

77 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 (l ( layers ): strips (o front): granularità fine in η, per separazione π 0 /γ (1792 canali) R (cm cm) middle: raccoglie la maggior parte 120 dell'energia (896 canali) 100 back: stima del leakage longitudinale (448 canali). Sciami altamente energetici. Discriminazione sciamo had. e elettrom presampler : 0 posto davanti al modulo, identificazione di pre-showering (244 canali) Depth(X0) strips middle middle back R (cm) back Z (cm) transizione piombo strips ETA Z (cm) ETA

78

79 Requisiti del calorimetro Larga acceptanza: η <3.2 Risoluzione in energia : Stochastic term: 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% Ri l i l (θ) 50 d/ E Risoluzione angolare: σ(θ) 50 mrad/ E Capacita di identificazione delle particelle: e/jet, γ/jet Risoluzione temporale: 100 ps

80 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

81 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

82 Risoluzione in posizione e angolare Eccellente segmentazione (nella zona front e middle). Particularly important along the longitudinal direction: LHC vertex spread: σ z ~ 5.6 cm Barrel E=245 GeV σ Z ~20mm La segmentazione transvale 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)

83 The ATLAS Tile Calorimeter Tl 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 σ E 50% Risoluzione in energia = 3% Facile da costruire (struttura periodica) E

84 Calorimetro adronico di ATLAS Il Calorimetro Adronico copre tutta la regione < 4:9 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 i dei jet adronici i e la determinazione i della loro energia, ma partecipa anche al calcolo del bilancio energetico, al fine di determinare il valore di energia trasversa mancante Tile Calorimeter: HEC coprono 15 1,5 < η < 32 3,2 e, poiche in questa zona i 3 cilindri, ciascuno con 64 tasso di irraggiamento e piu intenso, e l'argon liquido modules ad essere impiegato come mezzo attivo. 1 central Barrel 2 Extended Barrels FCAL Garantisce l'ermeticita necessaria per rivelare i jet ad 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

85 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 master plate (5mm) dalla corretta risoluzione in spacer (4mm) energia scintillator (3mm) Celle definite raggruppando WLS fibres su PMTs Basic period, 18mm La luce prodotta negli scintillatori e e inviata a PMTs via fibre WLS fibres WLS fibre Scintillator Barrel module Segmentazione: 3 profondita radiali Δη Δϕ = ( nell ultima parte)

86 Risoluzione in energia e calibration 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 d del segnale dovuta al rumore dell'elettronica l 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 calibration using testbeams in situ calibration: in-situ calibration: E/p T for single hadrons (e.g. coming from τ-decay) Z/γ + jet: p T balance W jj

87 Calibrazione durante i test su fascio C/ 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

88 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 l Test beam: CMS superior intrinsic resolution ATLAS excellent uniform response σ (E) 3-5% E E σ (E) 10% E E

89 Calorimetro adronico 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 Realizzato con Cu-scintillator. Risoluzione in energia σ E σ E 0.03 / E 100% / E / GeV 0.05 ATLAS: CMS: CMS 11λ

90 Sistema di muoni a LHC Misurare la carica e gli impulsi trasverso 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 i 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.

91 Schema base di tracciamento di muoni ATLAS Traettoria delle tracce in CMS Sistema magnetico- solenoide centrale Sistema di tracciamento centrale + camere a muoni

92 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 1 Coordinate misurata con camere a drift (alta precisione) Coordinata (r,φ) fornita dagli RPC RPC utilizzati anche per trigger Allignamento

93 Sistema di muoni di CMS Barrel (DT + RPC) End Cap (CSC + RPC) Requirements Muon identification Muon Trigger Drift Unambiguous Tube Chambers BX identification and Cathode Strip Chambers are used for precision Trigger single measurements and multimuon and for with triggering. well defined p T thresholds few GeV to 100 GeV Muon Resistive momentum measurement Plate Chambers (RPC s) are dedicated trigger chambers. Charge assignment correct to 99% confidence level up to 7 TeV Momentum resolution dpt/pt = 1-1.5% at pt = 10 GeV 93 dp /p = 6 17% at p = 1TeV

94 Risoluzione in impulso

95 Cella di drift di ATLAS

96 Cella di drift di CMS

97 Relazione posizione tempo di drift Obiettivo e avere una relazione linerare fra tempo di drifrt e posizione. Si riesce con campi addizionali (field shaping)

98 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 i i meccaniche, posizione i del filo Inomogeneita del campo elettrico, variazione della velocita di drift Dovuta a variazioni del gas

99 Drift Tube Chambers Risoluzione i (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 4 stationi (MB1,MB2,MB3,MB4): at least 3 track segments on muon track. Wire Electrode Strip Mylar Cathode Al Strips 13 mm

100

101 Camera di Atlas

102 SuperLayer DT local trigger and track finder Signal scorrono in un registro Bunch and Track Identifier (BTI) BTI cerca per coincidenza in ogni periodo di clock ( 3 piani colpiti) Al tempo T=Tmax dal passaggio del muone I tempi di drift sono allineati, cioe gli hits formano l immagine della traccia Based on a meantimer technique: MT1 = 0.5 * (T1 + T3) + T2 MT2 = 0.5 * (T2 + T4) + T3 MT=Tmax independent on the track angle and position Track Finder TRAck COrrelator (TRACO) Correla informazioni dal BTI relativo al superlayer interno ed esterno. Collega i segmenti di traccia e fornisce la traccia intera. Assegna pt, Φ and η

103 Cathode Strip Chambers nell endcap di CMS Wires Radial Conditions orthogonal cathode to strips stripsprecise Φ measurement ( μm) (except 0.9<η<2.4 for ME1/1 rotated 25 0 to compensate Lorentz Effe High particle rate Hz/cm Precise timing measurement Gas: (BX). 2 Chamber: ~4.5ns B :Axial field Bz T Ar(40%) + CO2 (50%) + Coarse measurement of the cathode CF 4 radial (10%) position mm Not uniform radial field Br up strips to 1 T avalanche wires Cathode plane wires cathode strips cathode plane avalanche plane chambers Large 10 o (3.4x1.5 m 2 ): ME2/2 ME3/2 (ME4/2 chambers) Small 10 o (1.8x1.1 m 2 ): ME1/1 ME1/2 ME1/3 chambers Small 20 o (1.9x1.5 m 2 ): ME2/1 ME3/1 (36 ME4/1 chambers)