STATO del progetto AFP

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1 STATO del progetto AFP AFP è uno dei progetti previsti come possibile upgrade di fase- I per ATLAS. Lo scopo di AFP è quello di aggiungere rivelatori traccianti posti a circa 210m dal vertice di interazione di ATLAS (IP) per ricostruire il momento dei protoni originanti da interazione diffrattive che procedono intatti quasi parallelamente al fascio principale. L aggiunta di un rivelatore di tempo di volo con risoluzione temporale di circa 10ps permette di ricostruire anche il vertice di interazione con precisione di circa 2mm qualora l interazione possieda due protoni intatti nello stato finale (come ad esempio nel caso di produzione centrale esclusiva). La fisica che si vuole investigare con questo spettrometro di precisione spazia da quella relativa a test di precisione della rottura di simmetria del modello elettrodebole (accoppiamento quartico anomalo γγww), a quella legata a test di QCD hard e soft (per esempio, contenuto di quark e di gluoni del pomerone o test sui modelli DGLAP e BFKL di scattering QCD). Inoltre, poiché gli esperimenti al Tevatron ed HERA hanno avuto un programma importante di misure QCD con rivelatori in avanti, è interessante di per se continuare questa investigazione alle energie di LHC. A questo proposito bisogna menzionare che fa parte dei piani presenti di LHCP riunire tutti gli esperti di QCD degli esperimenti LHC per produrre uno yellow book sul piano di misure di QCD da presentare a LHCC nell anno Tale iniziativa, cominciata in un workshop al CERN nel febbraio 2013 ( onfid=223562), proseguirà in altri workshop tenuti regolarmente, tra cui quello prossimo del Luglio a Reggio Calabria ( d0.fnal.gov/~royon/diffraction_calabria/). In generale, AFP aumenta il potenziale di ATLAS (anche verso nuove scoperte) in interazioni in cui i due protoni si scambino un singoletto di colore o due fotoni, come ad esempio nella produzione di monopoli magnetici, di risonanze di Kaluza- Klein o di particelle supersimmetriche. Ciò può avvenire grazie alla possibilità di rivelare i due protoni e, misurando con precisione il loro momento longitudinale, di ricostruire la massa dell evento centrale associato. Con questa tecnica di tagging dei protoni e ricostruzione del loro momento si impongono quindi ulteriori vincoli cinematici efficaci per

2 la selezione di stati finali esclusivi misurati da ATLAS con masse centrali da 0.3 TeV a 1.3 TeV. L aggiunta a 420m di stazioni analoghe a quelle installate a 210m, permetterebbe di estendere il limite inferiore a masse inferiori ai 100 GeV, rendendo perciò possibile la rivelazione di Higgs prodotti diffrattivamente. E da notare che il programma di QCD è realizzabile solo in prese dati speciali a bassa luminosità di durate che vanno da un giorno a un massimo di un paio di settimane. La parte restante del programma verrebbe effettuata invece in condizioni normali di alta luminosità. Il sistema tracciante è costituito da due rivelatori composti da 5 piani di 3D al silicio ciascuno, posti rispettivamente a 206m e 214m dall IP. La risoluzione angolare attesa è dell ordine del micro radiante, necessario per ricostruire la massa centrale dell evento diffrattivo con precisione del percento. I sensori al silicio e il chip di front end utilizzato sono gli stessi di IBL (in versione con bordo assottigliato per permettere di massimizzare l accettanza) e i gruppi italiani di Genova, Milano e Trento sono interessati allo sviluppo di parti del sistema tracciante utilizzando l esperienza acquisita. Il sistema di tempo di volo, nella sua presente versione (QUARTIC), è costituito da una matrice di barre di quarzo lette da fotomoltiplicatori microchannel plate (MCP PMT) posta, insieme alla stazione tracciante, a 214 m. La risoluzione di circa 10ps è ottenuta combinando otto misure di tempo indipendenti, rilassando così il vincolo della risoluzione temporale sul singolo canale. Altre alternative al sistema QUARTIC, come sensori al diamante, sono presentemente oggetto di R&D da parte dei gruppi italiani di Bologna, Lecce e Roma2. L opzione di timing con sensori al diamante sarebbe superiore a quella del QUARTIC per la maggiore durata dei rivelatori e la maggiore granularità che migliorerebbe anche le prestazioni del trigger di primo livello nel caso di misure ad alta luminosità. Al momento attuale la risoluzione temporale ottenuta in test su fascio è di circa 100ps, con la R&D in corso si punta ad ottenere decine di ps. I rivelatori sono contenuti in due stazioni di interfaccia al fascio che permettono l avvicinamento degli stessi a pochi millimetri di distanza dal fascio, ottimizzando cosi l accettanza del sistema. Per le stazioni di interfaccia si useranno Roman Pots, sebbene anche un opzione costituita da Hamburg Beam Pipe è in fase avanzata di studio.

3 E da notare che il progetto AFP è l unico dei progetti di upgrade di fase- I che arricchisce il potenziale di fisica raggiungibile da ATLAS. Il progetto AFP è stato sottoposto alle review tecnica e fisica preliminari all approvazione per il TDR nel Settembre La parte tecnica è stata trovata sufficientemente sviluppata e pronta per l inserimento nel TDR. La parte di fisica, sebbene il potenziale di AFP per portare un contributo rilevante di fisica ad ATLAS sia stato riconosciuto, è stata invece trovata ancora da migliorare in quanto conteneva solo pochi argomenti sviluppati a sufficienza (in pratica la parte di programma di misure di QCD a bassa luminosità era mancante). Nei mesi successivi alle review AFP ha subito una ristrutturazione manageriale con Marco Bruschi nominato come nuovo responsabile nel Febbraio I mesi dal Febbraio 2013 fino a oggi sono stati impiegati nell organizzazione e supporto di quattro working groups, creati internamente ad AFP per rispondere alle domande più urgenti poste nella review di Settembre 2012: Uso di Roman Pot invece di Hamburg Beam Pipe come stazioni di interfaccia al fascio Simulazione completa del rivelatore e miglioramento del caso di fisica Finalizzazione del progetto della Hamburg Beam Pipe Studio della necessità di aggiungere stazioni a 420m per misure di produzione diffrattiva di Higgs e per miglioramento dell accettanza totale del rivelatore Gli studi fatti da questi working group si sono conclusi recentemente e i risultati saranno riportati in un AFP Progress Report che verrà distribuito al management e alla collaborazione di ATLAS entro la fine di Luglio Una parte importante del lavoro dei working groups è stata quella di fornire, per tutte le attività, le schedule temporali, il manpower e le risorse necessarie. Ne è risultato un costo core per il progetto di circa 2.5 MCHF, con 23 istituti, 80 fisici e 30 FTE interessati a partecipare. I costi core sono ripartiti in circa 1 MCHF per le stazioni di interfaccia al fascio, circa 1 MCHF per il sistema tracciante (potrebbe essere circa 0.3 MCHF in meno se al posto del sistema di raffreddamento evaporativo, circa 400 kchf, si

4 usasse ad esempio un raffreddamento ad aria, per circa 100 kchf, ma mancano ancora alcuni elementi per la decisione), e circa 0.5 MCHF per il sistema di tempo di volo. Le parti del sistema tracciante e dell interfaccia al fascio sembrano ragionevolmente coperte (se anche INFN contribuisce) per i possibili finanziamenti, mentre il sistema di tempo di volo QUARTIC è attualmente finanziato per tutta la R&D necessaria ma non per l installazione. Il riassunto dello stato delle richieste finanziarie dei vari gruppi di AFP è riportato nella tabella seguente. Va notato che la disponibilità della TC di ATLAS di coprire le spese dell interfaccia al fascio, espressa nel 2013, deve essere riconfermata. I programmi di AFP dal Luglio 2014 fino all installazione sono : Review della fisica entro estate 2013 Review tecnica entro la fine dell anno Approvazione del CB di ATLAS per l estensione del TDR entro l inizio del 2014 Approvazione di LHCC nell estate 2014 Installazione delle stazioni con i rivelatori nell intervallo di Natale 2015/2016 Prima presa dati nel 2016 Dopo il primo periodo di presa dati nel 2016, verrà deciso, in base ai risultati ottenuti (specialmente riguardo ai fondi associati al fascio),

5 se procedere alla costruzione delle stazioni a 420m e alla loro installazione nel Long Shutdown 2. E da notare che limiti di spazio nella regione dei 420m, obbligheranno l uso di Hamburg Beam Pipe come interfaccia al fascio. Come già anticipato, ci sono dei gruppi italiani interessati sia agli sviluppi sul sistema tracciante (Bologna, Genova, Milano e Trento) che a quelli sul sistema di tempo di volo (Bologna, Lecce e Roma2). Gli interessi sul sistema tracciante sono riassunti nella seguente tabella. L impegno economico totale previsto per questa partecipazione è dell ordine di 160 kchf da investire sostanzialmente tra il 2014 e I gruppi di Bologna, Lecce e Roma2 sono al momento impegnati in una R&D su sensori al diamante per investigare la possibilità di raggiungere una risoluzione temporale di circa 30ps sulla singola misura. Qualora questo fosse realizzato nell arco di un paio di anni, la soluzione del tempo di volo con i diamanti potrebbe essere utilizzata nella versione di AFP per la fase- I (2018) in quanto ci sarebbero importanti miglioramenti rispetto al QUARTIC per quello che riguarda Durata del rivelatore Granularità Trigger Integrazione in Roman Pots

6 Lo sbocco naturale di questa R&D sarebbe allora la partecipazione di questi tre gruppi alla costruzione del sistema di tempo di volo per la fase- I, e l impegno stimato sarebbe di circa keuro da investire negli anni 2016/2017. Al momento la collaborazione ha passato la prima fase del PRIN ed ora si presenta a una call di gruppo V.