Studio con raggi cosmici delle prestazioni delle camere a deriva MDT installate

nell'esperimento ATLAS del Large Hadron Collider al CERN

Pavia, 29 settembre 2006

Tesi di

Silvia Franchino

Corso di laurea specialistica in S cienze Fisiche

Sommario:

Esperimento Atlas

Large Hadron Collider

Camere a deriva MDT

Descrizione dei test con raggi cosmici

Analisi dei dati

Large Hadron Collider (LHC)

GINEVRA

collisionatore p-p 14 TeV

27Km

CMS: Compact Muon Solenoid

LHC-b: LHC-bottom

ALICE: A Large Ion Collider Experiment

CERN

ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS

1) bosone di Higgs2) verifica delle teorie SUSY3) misure di precisione (Bottom, Top, SM)

Higgs(mH= 500 GeV) ~ 1pb

inel(pp) ~ 80mb10

11

s a livello dei costituenti ~ 1 TeV

obiettivi di ricerca:Motivazioni e caratteristiche di LHC

Luminosità (freq./ ) 1034 cm-2 s-1

tot 100mb

H 1 pb

27Km

ATLAS

ALICE

LHCb

CMS

LHC

esperimento a targhetta fissa, fisica quark bottom LHC-b

interazioni forti in collisioni di ioni Pb+ Pb +

ALICE

4 ESPERIMENTI:

ricerca del bosone di Higgs

studi di precisione su quark pesanti bottom e top nuova fisica

ATLAS

CMS

esperimenti a carattere generale

ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS

CMS: Compact Muon SolenoidLHC-b: LHC-bottom

ALICE: A Large Ion Collider Experiment

ATLAS

calorimetri elettromagnetici

calorimetri adroniciToroide “in aria” (4T)Toroide “in aria” (4T)

camere per muonitracciatore centrale

Solenoide (2T)Solenoide (2T)

Larghezza: 44 mDiametro: 24 mPeso: 7000 t

Atlas: alcune fasi della costruzione

maggio 2004: caverna sperimentale

installazione della prima bobina del magnete toroidale

(25m*5m)

ottobre 2005: magnete toroidale

B Magnete toroidale in ariabasso contributo dello scattering multiplo

misure ad alta precisione "stand alone"

necessario equipaggiare una grande superficie con camere ad alta precisione

1200 camere a deriva MDT ( Monitored Drift Tube)organizzate in tre stazioni di misura all'interno del campo magnetico

toroidalecamere di trigger RPC (Resistive Plate Chamber)

Per lo studio del bosone di Higgs uno dei canali più facilmente identificabili è

presenta una segnatura molto pulita e facilmente distinguibile dal fondoSpettrometro muonico ad alta precisione

Posizione definitiva delle camere

visione trasversale di Atlas

camere di trigger RPC: stessa struttura di supporto delle MDT, forniscono la misura della seconda coordinata

Spettrometro muonico

camere a deriva MDT: misura di precisione delle tracce dei muoni

+HV

Il disegno NON è in scala

MDT: Monitored Drift Tube

gas: Ar-Co2 (93:7) 3bar

Guadagno: 2*104

V = 3080 V

r = 1.5 cm

regime di contatore proporzionale

complesso sistema di monitoraggio di temperatura, campo magnetico ed allineamento per la correzione a posteriori delle tracce ricostruite

PARAMETRI DI OPERAZIONE

moltiplicazione a valanga

μ

Camere a deriva (Drift)

conoscendo la velocità di deriva degli elettroni nel gasmisurando il tempo di raccolta degli elettroni sull'anodo

si ricava la distanza di passaggio della particella dal filo

possibilità di ricavare una misura di posizione tramite il tempo di deriva degli elettroni nel gas START: tempo di arrivo del

segnale di triggerSTOP: superamento della soglia del discriminatore da parte del segnale raccolto sull'anodo

tempo di deriva misurato dal TDC (Tstart - Tstop)

tempo di "start"

TTDC

T0 = ritardo introdotto dalla catena elettronica di lettura

operazione da ripetere per ogni tubo che ha dato un segnale compatibile con il trigger

TTDC = Tderiva + Tprop + T0

Tderiva = tempo di deriva della carica di ionizzazione nel gas

rcerchio di deriva

Tprop = tempo di propagazione del segnale lungo il filo di anodo

indeterminazione dovuta alla simmetria cilindrica dei tubi

Procedura di ricostruzione delle tracce (1)spettro di TDC di un tubo: distribuzione dei tempi di deriva degli elettroni

Ricostruzione delle tracce in 3D: dal tempo di deriva si ricava un cilindro concentrico al tubo;

Procedura di ricostruzione delle tracce in 2D (2)

è necessaria la misura della seconda coordinata che viene fornita dai rivelatori di trigger (disposti perpendicolarmente ai tubi)

Si esegue un fit di tutti gli anelli con una retta tangente

anelli scartati dal fit, il cui segnale è dovuto a rumore elettronico

Lavoro di tesi

Analisi dei risultati provenienti dalle camere sotto test

Partecipazione alla presa dati per i test con raggi cosmici svolti al CERN nel periodo dicembre 2005 - luglio 2006 nella sala sperimentale sotterranea ed ai test svolti in superficie

Sviluppo di una procedura semiautomatica per individuare eventuali patologie nei segnali in uscita dalle camere

MDT Test di superficie

Controllo dei parametri più significativi

1) tenuta del gas

2) rumore elettronico

3) integrità dei fili di anodo

ultimo test prima dell'installazione.

4) sensori di temperatura ed allineamento5) verifica dell'elettronica di lettura del segnale6) corrente di perdita

Le camere sono calate nella caverna sperimentale

ed installate

nella posizione definitiva

Test con raggi cosmici

scopo: verifica del funzionamento delle componenti hardware e del software di ricostruzione delle tracce

1) valutazione delle prestazioni delle camere dopo gli stress meccanici subiti durante il trasporto e l'installazione

2) individuazione di eventuali problemi da risolvere prima dell'inizio effettivo dell'esperimento

viene svolto su tutte le camere che vengono installate nella posizione definitiva all'interno dello spettrometro

I test sino ad ora effettuati sono stati svolti con assenza di campo magnetico

Test con raggi cosmici

livello del suolo

raggi cosmici

Nel settore 13 sono state installate e connesse ai servizi le prime camere MDT ed RPC; queste, oltre ad essere state sottoposte ai test con raggi cosmici, sono state utilizzate come banco di prova per sviluppare i sistemi di acquisizione ed analisi dei dati.

settore 13

visione trasversale di Atlas

1

2

3

4 5 6

7

8

9

10

11

1213

14

15

16

Disposizione delle camere sotto test

BML1A13 BML2A13 BML3A13

BOL1A13BOL2A13

BOL3A13

Analisi dei risultatidati non elaborati dati ricostruiti

spettro dei tempi (spettro di TDC)

distribuzione della carica rilasciata dal muone (spettro di

ADC)

mappa di occupazione dei singoli tubiconfronto tra dati acquisiti con qualità diversa del gas all'interno delle camere

illuminazione delle camerequalità della procedura di ricostruzione

presentazione grafica di alcuni eventi ricostruiti

Gli studi effettuati sono stati svolti su un sistema in evoluzione: nei primi periodi di presa dati le camere non erano ancora connesse ai servizi definitivi.

I dati raccolti, anche se con statistica limitata, hanno permesso di mettere a punto un sistema diagnostico per l'individuazione di eventuali anomalie presenti nei segnali in uscita dai rivelatori.

Distribuzione di carica (spettro di ADC)

"piedistallo" dovuto al rumore dell'elettronica di lettura

distribuzione di carica compatibile con una particella al minimo di ionizzazione

curva di Landau

valore proporzionale alla carica rilasciata dal muone all'interno del tubo

Distribuzione dei tempi (spettro di TDC)

rumore con distribuzione uniforme dovuto all'elettronica

t0 tMAX

D

Mappa di occupazione dei tubi

numero di tubo numero di tubo

numero di tubo numero di tubo

trigger di scintillatori trigger di RPC

trigger di scintillatori trigger di RPC

camere BML

camere BML

camere BOL camere BOL

Mappa di occupazione dei tubitrigger di RPC

camere BOL_ layer1

camere BOL_ layer2

camere BOL_ layer3

numero di tubo

numero di tubo

numero di tubo

tubi rumorosi

assenza di segnale

Studio di rumore dei tubispettro di TDC

t< t0

t > tMAX

frequenza di rumore per tempi scorrelati dal segnale dovuto al passaggio di una particellafrequenza di rumore per tubo

layer_1_BML

per ogni tubo:

spettro di TDC di un tubo molto rumoroso

conteggi di TDC

spettro di ADC con gas flussato

spettro di ADC senza flussaggio del gas

Confronto risultati ottenuti con e senza flussaggio del gas

variazione della composizione e della pressione della miscela di gas

Le prestazione delle camere MDT sono fortemente condizionate dalle condizioni del gas

Confronto risultati ottenuti con e senza flussaggio del gas

gas flussato

gas non flussato

Spettro di TDC

Esempio di diagnostica, patologie riscontrate: 1) picco spurio correlato negli spettri di ADC e di TDC;

spettro di ADC spettro di TDC

TD

C

ADC

2) Presenza di rumore correlato tra i canali di lettura

dovuto ad un'errata inizializzazione dell'elettronica di lettura

spettro di TDC di un tubo rispetto allo spettro del tubo adiacente

dovuto alla presenza di alcuni cavi scollagati che generano un effetto antenna

Distribuzione angolare delle tracce ricostruite

cot (theta)

le tracce ricostruite sono per la maggior parte perpendicolari alle camere testate;

compatibile con la geometria del sistema e le finestre di accettanza dei raggi cosmici

Numero di tracce per evento

dati non elaborati

dati ricostruiti

lunga coda dovuta ai tubi rumorosi

picco a 12 perchè ci sono 2 camere sovrapposte con 6 strati di tubi ciascuna

numero di hit per evento numero di hit per traccia (2 camere sovrapposte)

numero di tubi con segnale

numero di tubi con segnale

Event Display (ATLANTIS)

run combinato RPC-MDTrun combinato RPC-MDT-calorimetro adronico

Event Display (PERSINT)

Conclusioni:

Sono state testate le prime 6 camere MDT e 9 RPC nelle loro posizioni definitive all'interno di uno dei settori dello spettrometro.

Nonostante la bassa statistica di raccolta dei dati, sono stati ottenuti ottimi risultati: si sono potuti sviluppare dei sistemi diagnostici per analizzare i rivelatori in maniera rapida ed efficiente, ed individuare eventuali patologie da risolvere prima dell'inizio dell'esperimento.

Queste camere sono state utilizzate come banco di prova per testare tutte le componenti hardware e software dei rivelatori e per acquisire esperienza nell'elaborazione dei dati combinati tra diversi tipi di camere.

Grazie alle procedure sviluppate, i test con raggi cosmici saranno estesi rapidamente su tutte le camere che si stanno installando; date le grandi dimensioni dell'esperimento ed il gran numero di canali di lettura, la procedura semiautomatica sviluppata sarà di grande utilità.

Produzione dell'Higgs

B

Large Hadron Collider (LHC)

LEP (2000) --> LHC (2007) collisionatore p-p 14TeV

visione aerea del CERN a Ginevrae del tracciato del tunnel che ospita LHC

camere di trigger RPCtubi MDT

Studio di illuminazione delle camere sotto test

Principi di funzionamento rivelatori cilindrici a gasdiversi regini di operazione in base alla tensione applicata

camera a ionizzazione

contatore proporzionale

zona a limitata proporzionalitàcontatore Geiger-Muller

Perchè geometria cilindrica?

Mappa di occupazione dei tubi

dati grezzi

dati ricostruiti

Spettrometro muonico

µ con pT=1TeV

s 600 µm

Requisiti prestazionali:

alta risoluzione in massa e momento trasverso

pT/pT ~ 1% per pT = 100 GeV (H µ+ µ- µ+ µ-)

pT/pT ~ 10% per pT = 1 TeV (Z' µ+ µ-)

pT/pT~ 10-4 p

[GeV]

S = 60 µmSistematiche al livello di ~ 10 µm

Misura del momento:

pT [GeV]

m 0.6 s

LHC: caratteristiche

Parametri operativiFasci p-p

Circonferenza (km) 26.66

Energia C.M. (TeV) 14

Numero pacchetti 2835

Particelle x pacchetto 1011

Intervallo collisioni (ns) 25

Freq. collisioni (MHz) 40

Luminosità (cm-2 s1) 1034