1

Comportamento di un modulo “Silicon Strip Detector” dell'esperimento Alice:

simulazione e prove con particelle minimo ionizzanti

Federica Benedosso Trieste, 10 novembre 2003

2

Sommario

● La fisica di Alice● Il rivelatore Alice● Il programma di simulazione e risultati● Test sotto fascio e analisi dei dati raccolti● Confronto tra i dati della simulazione e quelli

sperimentali● Calibrazione dei parametri della simulazione

3

La fisica: diagramma di fase● QGP presente subito dopo il

Big Bang

– Deconfinamento di quark e gluoni

– Ripristino della simmetria chirale

● Scompare con il raffreddamento

● Attualmente presente nelle stelle di neutroni? (bassa temperatura, alta densità)

● Esperimenti mirano a riprodurre alte temperature

4

La fisica: evidenze del QGP● Collisioni Pb-Pb per produrre

QGP

● 5 TeV per nucleone nel centro di massa

● 2x104 particelle per evento

● Segnature della QGP

– Riduzione nella produzione di J/

– Aumento coppie elettroniche

– Aumento della stranezza

STAR @ BNL➔AuAu➔200 GeV per nucleoneNA49 @ CERN➔PbPb bersaglio fisso➔150 GeV per nucleone

Inizio presa dati: 2007 prove p-p prove p-Pb prove Pb-Pb

5

Il rivelatore Alice @ LHC● Due componenti principali:

– Parte centrale per lo studio dei segnali adronici ed elettronici

● Magnete● TPC● ITS● Altri rivelatori

– Uno spettrometro muonico per lo studio dei quark nella materia densa

6

Sistema di tracciamento interno ITS

● Ricostruzione vertici primari e secondari

● Tracciamento particelle basso impulso

● Tecnologia al silicio

● 6 layer

– 2 SPD (interni)– 2 SDD (intermedi)– 2 SSD (esterni)

7

Silicon Strip Detector

● Occupa gli strati più esterni dell'ITS, r=40cm(748 moduli) e r=45cm (950 moduli)

● Area=73x40mm², W=300m

● 768 strip per lato, passo 95m, angolo stereo di 35 mrad

● Risoluzione: 15m (x) e 700m (y)

● Lettura effettuata da 12 chip, ciascuno collegato a 128 strip. Gli ADC convertono la carica in numero

x

y

modulo

Chip di lettura e ibrido

Microcavi

8

Efficienza di ricostruzione

Angolo stereo piccolo● Risoluzioni molto

diverse (15 m e 700m)

● Riduzione del numero di ghost (utile per la molteplicità)

● Lettura solo su due lati

true

ghost

9

Il programma di simulazioneAliRoot è il framework per la simulazione, la ricostruzione

e l'analisi dei dati di Alice. Integra passaggi compiuti da programmi diversi

● Produzione dell'evento fisico● Trasporto attraverso i rivelatori (Geant) e produzione

degli hit (informazione che ingloba posizione e energia rilasciata) GEOMETRIA

● Simulazione della risposta (digitizzazione) GEOMETRIA

● Ricostruzione di punti e tracce GEOMETRIA

In ogni passaggio la geometria è fondamentale

10

Geometria per il beam test

● Scopo: calibrare la risposta del rivelatore SSD utilizzando i dati dei beam test

● Condizioni della simulazione il più possibile realistiche

➔ Un solo modulo SSD (oppure un telescopio)➔ Fascio di a 7 GeV/c

● Per introdurre una geometria appropriata, due alternative:

✗ Scrivere programma isolato (Geant)✔ Utilizzare AliRoot

● Grazie alla struttura object-oriented, gli algoritmi di simulazione, di digitizzazione e di ricostruzione non richiedono modifiche

11

Simulazione della risposta 1/2

Conoscendo gli hit si ricostruisce quale strip viene attivata e con quale segnale

● Perdita di energia "quasi" continua e produzione coppie elettrone/lacuna

● Le coppie migrano verso le strip con distribuzione gaussiana

● Al segnale viene sommato un rumore gaussiano

12

Simulazione della risposta 2/2

● Accoppiamenti capacitivi: a ciascuna strip viene aggiunta una frazione del segnale della strip precedente e di quella seguente

● Conversione in canali ADC

● Vengono scritti su disco solo i valori che superano una certa soglia

Ogni particella attiva più strip (distribuzione di carica, rumore, accoppiamenti). L'insieme delle strip attivate dalla stessa particella forma il cluster

13

Risultati della simulazioneSegnale sulle strip Dimensione dei cluster Segnale sui cluster

Rumore

Attivate 2 strip

Picco principale

Cluster di 1 strip

P

N

P

P

NN

14

Prove sotto fascio

● Misure effettuate al Cern con fascio di a 7 GeV/c (minimo ionizzanti) dal PS

● Studio della risposta dei moduli: rumore, alimentazione, scansione della superficie, tracciamento

● Prove con moduli singoli e telescopio

● Sviluppo di un programma di analisi specifico

10000 particelle/minutofascio pulsato (3 burst/min)250 eventi/minuto raccolti

da 5000 a 20000 ev/run163 run con modulo singolo

231 run con telescopioConfigurazione de trigger

15

Il programma di analisi

16

Run di rumore: calcolo del piedestallo I run di rumore servono per conoscere il fondo e analizzare poi il segnale

● Per ciascuna strip, il piedestallo è la media sugli eventi della carica

● Per escudere segnali elevati (dovuti al passaggio di particelle) si utilizzano soglie arbitrarie (piedestallo=0, =50)

● Una strip che produca sistematicamente segnali sopra soglia viene segnalata come non funzionante

● Il calcolo viene iterato usando come soglie il piedestallo e la deviazione standard trovate precedentemente

● Il piedestallo viene sottratto strip per strip ed evento per evento

Lato P Lato N

Strip non funzionanti

Prima Dopo

17

Run di rumore: common mode

● Il common mode è una variazione di offset legato al chip di lettura

● Si calcola mediando, evento per evento, il segnale delle 128 strip lette dallo stesso chip

PrimaDopo:ora è ilRUMORE

Strip non funzionanti ???

18

Run di rumore: alimentazione

● Il rumore varia in funzione della tensione di alimentazione

● Alimentazione ottimale quando il rumore è minimo

M1 M2 M3

19

Run di segnale● Calcolo e sottrazione di pedestal e common mode come per i

run di rumore

Metodo iterativo non richiede analisi preliminare di un run di rumore: aumenta velocità di analisi

● La forma del cluster è la distribuzione di carica tra le strip; permette di ricavare gli accoppiamenti capacitivi

20

Rapporto segnale/rumore

PN

S/N=43 S/N=17

21

Prove con telescopio

● Tracciamento– Calcolo della

risoluzione spaziale– Risultati preliminari:

x=15m y=650m● Moduli diversi:

differenze minori nel rumore lato P/lato N

● Analisi tuttora in corso

22

Calibrazione dei parametri

● Aumento del fattore di conversione delle coppie elettrone/lacuna in canali ADC: da 40 a 65 canali ogni 25000 coppie

● Variazione del rumore: vengono utilizzati i valori misurati. Sul lato N il valore è doppio rispetto al lato P

● Aumento degli accoppiamenti capacitivi (dal 2% a fino al 7%), utilizzando i rapporti ottenuti dallo studio della forma del cluster

23

Confronto dopo la calibrazione

???

Segnale singola strip Dimensione cluster Segnale cluster

SimulazioneDati sperimentali

24

Conclusioni

● Sono stati calibrati il fattore di conversione, il rumore e gli accoppiamenti capacitivi

– La distribuzione del segnale dei cluster viene riprodotta– La forma dei cluster viene riprodotta nell'andamento– La distribuzione di carica sulle strip è ancora molto

diversa● La calibrazione è soddisfacente, ma si può migliorare il

modello (es. rete capacitiva)

● Moduli in fase di ridisegno per il problema del rumore

● Analisi dei run con telescopio ancora in corso

25

Run di segnale: ricerca dei cluster

● Due metodi implementati– Utilizzo di una soglia per isolare eventi associati al

passaggio di particelle e un'altra (eventualmente più bassa) per le altre strip del cluster

– Metodo geometrico: ogni strip incrocia determinate strip del lato opposto: il cluster viene ricostruito solo se c'è corrispondenza geometrica tra i due lati

● I metodi implementati danno risultati analoghi

26

Confronto con la simulazioneSegnale singola strip Dimensione cluster Segnale cluster

SimulazioneDati sperimentali