LCHb e la fisica del b

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1 : di LCHb e la fisica del b Francesco Alberto Università degli studi di Perugia 6 luglio 2012

2 LHC: Large Hadron Collider : di

3 : di è uno dei quattro più importanti e grossi esperimenti di LHC, e nello specifico l obiettivo di è studiare il decadimento di particelle contenenti quark b e il suo rispettivo antiquark, i.

4 Da cosa è composto Lhcb : di L esperimento, per un peso complessivo di circa 4500 tonnellate, comprende diversi apparati: 1 (VErtex LOcator) 2 RICH (Ring Imaging CHerenkov counters) 3 4 Sistemi traccianti 5 (elettromagnetico e adronico) 6 Rivelatore muonico

5 Apparato di É qui fornito uno schema dell apparato di : : di

6 Perchè rivelare i : di Osservazioni sui decadimenti dei portano a conferme sperimentali della validità del MS. Infatti il Modello Standard prevede che questi mesoni, prodotti come canale quasi totale del decadimento delle Y(4S), debbano violare, come già osservato per i K, la simmetria CP. Il modello delle interazioni debole ed elettromagnetica include in maniera naturale un meccanismo che porta alla violazione di CP, attraverso il mescolamento delle tre famiglie di quark che vi compaiono, descritto dalla matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)

7 Perchè rivelare i : Tale violazione si evidenzia in una asimmetria nelle distribuzioni temporali dei decadimenti del mesone B 0 e della sua antiparticella B 0 in particolari stati finali. Poiché tali decadimenti sono piuttosto rari, è necessario produrre una gran quantità di per poter accumulare la statistica sufficiente per effettuare la misura. Per questo motivo sono nate le B-factory di

8 : di è il primo, complesso, elemento di. Esso è costituito da 42 mezzelune di silicio spesse 0.3 mm che poco prima del bunch crossing vengono avvicinati alle pipes fino ad una distanza di circa 3,5 mm. Misure di posizione. Sensibilità 10 µm

9 : L intero rivelatore di vertice è posto all interno della pipe a vuoto di LHC per essere il più vicino possibile alle interazioni primarie Per mantenere il vuoto spinto, i sensori di silicio sono separati dal resto attraverso fogli di alluminio spessi 0.3 mm. di di raffreddamento a CO 2 per l elettronica

10 Pile-up VETO : Il pile-up veto counter ha lo scopo di contare il numero di vertici primari, e viene utilizzato dal trigger di livello 1 per scartare gli eventi contenenti più di un interazione pp per incrocio. E costituito da strip al silicio. di Risoluzione lungo i fasci sulla posizione del vertice: 1 mm

11 Obiettivo RICH: identificare la particelle cariche in un range di energie compreso fra 1 e 150 GeV. : Accettanza angolare: mrad Necessario identificare le particelle per ridurre il fondo di

12 Costituito da due diversi radiatori: : 1 aereogel al silicio (immediatamente dopo ) 2 C 4F 10 Tracce di particelle di basso-medio impulso di

13 : di L aereogel di silicio è un colloide di quarzo solido a bassa densità ( riduzione di MS) ma ad alto indice di rifrazione (n = ) adatto a discriminare particelle a basso impulso (pochi Gev/c) Il gas C 4F 10 è utile invece, unitamente al radiatore di RICH 2, per la di particelle di medio-alto impulso.

14 Effetto Cherenkov... : Quando una particella attraversa un mezzo con velocità maggiore della luce in quel mezzo cos(θ c) = 1/βn esiste, per ogni mezzo, una velocità di soglia β s = 1/n tale che viene emesso un fotone ad angolo nullo (cosθ c = 1) di Fotoni emessi per unità di lunghezza e di lunghezza d onda: d 2 N dxdλ = 2πz 2 α sin 2 (θ c) λ 2

15 Rivelare i fotoni Cherenkov : di Hybrid Photon Detectors (HPDs) rivelano la posizione dei fotoni emessi 1 Energia media depositata nel silicio per fotoelettrone: 3.6 ev 2 Voltaggio operativo HPD: 20 kv 5000 coppie e h

16 bipolare da 1.1 T : di 1 apertura: ±250 mrad verticali e ±300 mrad orizzontali 2 risoluzione su misure del momento fino allo 0.4% campo integrato 4 Tm 3 Due avvolgimenti da 27 tonnellate ciascuno

17 : Il sistema consente di visualizzare il percorso di una particella nell alttraversare il rivelatore. Ciò permette di: collegare i segnali lasciati dalle particelle nei vari sottorivelatori ricostruire i decadimenti delle particelle B di

18 Tracciatori - Tracciatori al silicio : La stazione TT è posta fra il rivelatore di vertice ed il magnete e la IT (che consta di 3 diverse stazioni) è interna all Outer Tracker. Ognuna delle 4 stazioni consta di 4 strati di. microstrip di silicio con un passo di 200 µm superficie sensibile di circa 11 m 2 di

19 Tracciatori - Tracciatori al silicio : di TT 150 cm di larghezza per 130 cm di altezza copre l intera accettanza dell esperimento Figure: Silici del TT IT 120 cm di larghezza per 40 cm di altezza posizionato al centro delle 3 stazioni di tracciamento

20 Tracciatori - Tracciatori al silicio : di Vediamo ora come funzionano: le particelle passando attraverso il rivelatore strappano elettroni agli atomi e liberi di muoversi nel materiale campo elettrico 100 V attira gli e agli elettrodi elettrodi segmentati finemente possibilità di determinare dove la particella è passata Vantaggi: più di e elettrodi e misura della posizione di una particella con precisione di 0.05 mm Svantaggi: la tecnologia a silici è costosa!

21 Tracciatori - Outer tracker : il design delle stazioni di Outer tracker è modulare ognuna costituita da 72 moduli sepatati ogni modulo consiste di 2 pannelli di Figure: Outer Tracker

22 Tracciatori - Outer tracker : di ogni pannello è costituito da 256 straw tubes, incollati con estrema precisione su di esso all interno di ogni tubo passa un anodo strato interno di Kapton drogato con carbonio agisce da catodo collettore di ioni positivi strato esterno di alluminio laminato scherma elettricamente gli straw tube straw tube riempiti con mistura di Argon (70%) e di anidride carbonica (30%) Ogni volta che una particella positiva passa attraverso un tubo, essa ionizza le molecole del gas, producendo elettroni. La posizione della traccia è determinata valutando il tempo che impiegano gli elettroni a raggiungere un filo anodico situato nel centro di ogni tubo. Figure: Straw tubes

23 Tracciatori - Outer Tracker : di Vantaggi: la tecnologia a straw tubes è più economica rispetto ai silici straw tubes adatti a coprire vaste aree del sistema di tracciamento la rottura di un singolo straw tube non comporta il malfunzionamento di tutto l apparato Svantaggi: hanno una risoluzione peggiore rispetto ai silici (ca. 0.2 mm)

24 RICH 2 : É situato immediatamente dopo la stazione T3 ed è un rivelatore Cherenkov: utilizza un gas come radiatore CF 4 (tetrafluorometano) accettanza limitata a regioni di piccolo angolo vi è la maggior parte delle particelle ad alto momento di

25 - SPD/PS : di SPD (Scintillating Pad Detector) determina se le particelle sono cariche o neutre PS (Pre-Shower) determina il carattere della particella se è un elettrone (nel caso sia carica) o un fotone (nel caso sia neutra) sono usati come livello di trigger per indicare la presenza di elettroni, fotoni o pioni neutri sono composti da uno spessore di piombo si 15 mm seguito da piastre scintillanti (6000) la luce è raccolta usando WLS (wavelength shifting fibers) ed è inviata a dei fotomoltiplicatori Figure: WLS

26 - ECAL ed HCAL : di In sono utilizzati due diversi calorimetri. Il calorimetro elettromagnetico è impiegato per la misura dell energia delle particelle più leggere, come elettroni e fotoni; il calorimetro hadronico è usato per misurare l energia di protoni, neutroni e altre particelle contenenti quark. Entrambi i calorimetri hanno una struttura a sandwich, che alterna strati di metallo e di materiale plastico. Quando le particelle colpiscono il metallo, producono degli sciami di particelle secondarie. Queste eccitano le molecole del materiale plastico, le quali emettono a loro volta luce ultravioletta. L intensità di raggi ultravioletti prodotti è proporzionale all energia delle particelle entrate nel calorimetro. I calorimetri costituiscono il modo principale per identificare le particelle che non posseggono carica elettrica, come fotoni e neutroni.

27 - ECAL : É un calorimetro elettromagnetico: tecnologia shashlik alternanza di piastre scintillanti e piastre di piombo la grandezza delle celle varia da 4x4 cm (parte interna del detector) fino a 12x12 cm (parte esterna) il detector ha dimensioni 7.7 x 6.30 m e copre un accettanza compresa fra mrad (piano orizzonatale) e mrad (piano verticale) luce rivelata da fotomoltiplicatori, ciascuno regolato da un proprio HV di Figure: moduli di ECAL

28 - HCAL : É un calorimetro adronico, posizionato subito dopo ECAL: piastre di ferro alternate a piastrelle scintillanti (parallele al fascio di tubi) parte interna ed esterna del calorimetro hanno dimensioni differenti: 13x13 e 26x26 cm rispettivamente luce raccolta tramite WLS e mandata a dei fotomoltiplicatori peso totale: 500 t di Figure: diagrammi di HCAL

29 di : di I muoni (particelle simili agli elettroni ma 200 volte più pesanti) sono presenti negli stati finali di molti decadimenti dei, quindi la dei muoni è di vitale importanza per l esperimento. Posizionato alla fine del rivelatore, il sistema di consiste di 5 stazioni rettangolari (M1 - M5), di dimensione crescente, le quali ricoprono globalmente un area di 435 m 2. M1 è posto di fronte a SPD/PS. M2-M5 seguono HCAL e sono separati da filtri di ferro.

30 : di Figure: rivelatore di muoni

31 : di ogni stazione contiene delle camere (MWPC) riempite con una combinazione di 3 gas: anidride carbonica, argon e tetrafluoruro di metano coprono un accettanza di ±300 mrad (orizzontalmente) e ±250 (verticalmente) 2 mm di spaziatura tra i fili; piccola gap di gas di ca. 5 mm ogni stazione è divisa in 4 regioni, poste a distanza crescente dall asse del fascio informazioni raccolte in 20 ns I rivelatori forniscono misure spaziali delle tracce, che vengono poi lette dall elettronica preposta allo scopo. Quest ultima deve essere resistente alla radiazione. Figure: rivelatore di muoni