130 GeV/c 2 < M H < 2 M Z H ZZ* l - l + l - l + con l = e, 2 M Z < M H < 600 GeV/c 2 H ZZ l - l + l...

40
130 GeV/c 2 < M H < 2 M Z H → ZZ* → l - l + l’ - l’ + con l = e, 2 M Z < M H < 600 GeV/c 2 H → ZZ → l - l + l’ - l’ + con l = e, Golden Decay mode

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• 130 GeV/c2 < MH < 2 MZ

H → ZZ* → l- l+ l’- l’+ con l = e,

• 2 MZ < MH < 600 GeV/c2

H → ZZ → l- l+ l’- l’+ con l = e,

Golden Decay mode

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Come dobbiamo tracciare i leptoni?

• Innanzi tutto essere capaci di tracciare con efficienza nell’ inner detector.

• La risoluzione in impluso influenza la risoluzione in massa– Vogliamo ricostruire la Z con una larghezza di un paio

di GeV

• Necessità di distinguere la carica dei muoni fino ad 1 TeV -> (p)/p < 10 % ad 1 TeV

• Constraint sul design dei detector

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27 km around

Large Hadron Collider

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Interazioni pp e pile upInteractions/s:

• Lum = 1034 cm–2s–1 = 107 mb–1 Hz• inel(pp) = 70 mb• Interaction Rate, R = 7108 Hz

Events / beam crossing:• t = 25 ns = 2.510–8 s• Interactions/crossing = 17.5

Not all proton bunches are full:• Approximately 4 out of 5 are full• Interactions/“active” crossings =

17.5 × 3564/2835 = 23

Normalmente ad ogni bunch crossing:1) Un’interazione con candidato Higgs +2) ~20 extra (minimum bias) interazioni

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Interazioni pp e pile up

e

e

All tracks with pT > 1 GeV

H ZZ* 2e2H ZZ* 2e2

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Misura di impulso

Intrinsecamente la risoluzione in impluso è proporzionale all’impulso stesso ed inversamente proporzionale a BL2

Gli allineamenti e le calibrazioni sono delle “sistematiche su (x)” e quindi il contributo alla risoluzione è proporzionale a p

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Scattering multiplo

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ATLAS vs CMS• Spettrometro in Aria + campo

toroidale per avere risoluzione costante in eta

• Differenti tecnologie per l’inner Detector (pochi punti molto precisi e molti punti, 50, a precisione peggiore)

• Spettrometro in Ferro con campo solenoidale (più compatto)

• Inner detector tutto in silicio (pochi punti altamente precisi)

tracker

calorimeter

MS

Toroid, B~0.5T

solenoid, B~2T

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ATLAS Inner DetectorID inside 2T solenoid fieldTracking based on many pointsPrecision Tracking:• Pixel detector (2-3 points) 5-25 cm• Semiconductor Tracker – SCT (4 points) 25 –50 cmContinuous Tracking:(for pattern recognition & e id)• Transition Radiation Tracker – TRT (36 points) 55-105cm

ATLAS

46m Long, 22m Diameter, 7’000 Ton Detector

2.3 m x 5.3 m Solenoid ~ 2 Tesla Field ~ 4 Tesla Toroid Field

ATLAS

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CMS

CMS

22m Long, 15m Diameter, 14’000 Ton Detector

13m x 6m Solenoid: 4 Tesla Field Tracking up to ~ 2.4

ECAL & HCALInside solenoid

Muon system in return yoke

First muon chamber just after solenoid Extended lever arm for pt measurement

CMS Tracker Inside 4T solenoid fieldTracking rely on “few” measurement layers, each ableto provide robust (clean) and precise coordinate determinationPrecision Tracking:• Pixel detector (2-3 points)• Silicon Strip Tracker (220 m2) – SST (10 – 14 points)

5.4 m

Outer Barrel (TOB)

Inner Barrel (TIB)

End cap (TEC)Pix

el 2

,4

mInner Disks

(TID)

volume 24.4 m3

running temperature – 10 0Cdry atmosphere for YEARS!

CMS has chosen an all-silicon configuration

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Magnet System LayoutsATLAS

3 air-core (to minimize multiple scattering) superconducting toroids: 1 barrel (BT) + 2 End Caps toroids (ECT) track curvature in r-z plane. Radial Overlap of the BT and ECT fields (1< < 1.4) ensures the widest acceptance for single muons

BT: |<1• 26 m long • Internal/External radii: 9.5m/20m• 8 separate coils,1 cryostat per coil• bending power ∫Bdl=2-6 Tm

ECTs: 1.4< | <2.7• Inserted into the BT edges, 8 coils per ECT, ruotated of 22.5o with respect to BT coils• 5 m long• Internal/External radii: 1.7m/10.7m• 1 cryostat per ECT• bending power ∫Bdl=4-8 Tm

1.0<||<1.4 transition region

ECT pT resolution constant up to | <2.7

BT Open structure allows for chambers installed inside and for alignment optical corridors to cross it

Long barrel+short EC minimize magnetic forces and costs

B field measured with 5000 Hall probes

(~0.1% resolution),but global calibration of the

energy scale is needed

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More than a single More than a single time-to-distancetime-to-distance relation per wirerelation per wire

Need to measure accurately the coordinate inNeed to measure accurately the coordinate in

the non bending planethe non bending planeField integral Field integral inhomogeneous inhomogeneous in the tracking in the tracking

volumevolume

Need to take into account the differences inNeed to take into account the differences in Lorentz angle for the calibration of theLorentz angle for the calibration of thetracking chamberstracking chambers

y(cm)y(cm)

x(cm)x(cm)

Field map in the ECT median plane: field lineField map in the ECT median plane: field lineare separated of 0.1 Tmare separated of 0.1 Tm

Field integral vs Field integral vs for radial tracks for radial tracks

Magnetic field configuration

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CMS

Central superconducting solenoid with saturated iron yoke

• ~ 14m long • 3m radius• B = 4T• B ~ 1.8 T in the return yoke (1.5m of ironinstrumented with the muon chambers),

∫Bdl decreases with | inside the solenoid:• ∫Bdl= 12Tm (| < 1.45) down to ∫Bdl ~ 4Tm (|)• B/B~0.1-0.5%

And in the yoke, where the spectrometer is located:• ∫Bdl ~3Tm outside solenoid down to ∫Bdl ~ 0.6Tm (|)• B/B~1% is enough

Field integral

•Favorable ratio length/radius and high field efficient detection up to |•Large bending power benefits in resolution for tracking and triggering sharp threshold to keep Level 1 rates lower•Measurements inside and outside solenoid•Large amount of material in the spectrometer safe muon trigger and identification

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Contributi alla risoluzione dello spettrometro a muoni di ATLAS

• (p) = a + b ∙p + c ∙p2

• (p)/p = a/p + b + c ∙p

a termine dovuto alle fluttuazioni in energy loss (Code di Landau nel calorimetro)

b termine di scattering multiplo (minore contributo a basso pt per la ricostruzione vettoriale dei punti)

c termine intrinseco di risoluzione (+ allineamento)

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2x4 MDT layers

2x3 MDTlayers

2x3 MDTlayers

2 RPC gaps

2 RPC gaps

2 RPC gaps

ATLAS: Tracking

La disposizione dei tubi in multilayer su tre stazioni consente

1. di minimizzare la risoluzione dell’apparato rispetto alla configurazione in cui tutti I punti sono equispaziati

2. Di ridurre l’impatto del multiplo scattering sulla risoluzione a basso impulso perchè consente la misura molto precisa degli angoli di uscita della traccia da ogni layer di tubi (misura vettoriale)

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Risoluzione ATLAS Inner Detector

Muon spectrom. standalone

Inner trackerstand alone

Nell’ Inner Detector ho soprattutto il contributo proporzionale a p.

Lo Spettrometro domina per muoni di impulso superiore a 100 GeV

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Risoluzione CMS

• Domina il tracciatore interno

• Contributo dello Spettrometro solo per l’identificazione e il trigger. Fino a 200 GeV

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ATLAS & CMS Tracking Performances

ATLAS ID

CMS -System

ATLAS -System

ATLASCMS

Higgs New Physics

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CMS: I rivelatori per muoniBarrel

• 4 stations of Drift Tubes, interleaved with the iron of magnet yoke, each with 3 superlayers, 2 r- and 1 r-z (not in the 4-th station), of 4 layers of cells self-triggering and bunch-crossing Id.• 6 double-gap RPC layers triggering and bunch-crossing Id.

Endcaps• 4 stations of CSC, each with 6 layers,interleaved with iron disk yoke self-triggering and bunch-crossing Id.• 4 double-gap RPC layers triggering and bunch-crossing Id.

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CMS : DT• Celle 42x13 mm2, Ar(85%) CO2 (15%)

– Campo E lineare (shaping con catodi e strip)

• 4 layer staggerati = 1 superlayer (SL)– Auto-triggering con identificazione del BX,

t ~ 4 ns

• Camera composta da 2 SL r- (coordinata bending) + 1SL r-Z

Relazione x-t

Spetto dei tempi di drift (time box)

- Ottima linearità: vd~costante

- Per avere la massima risoluzione:x = f (t, , Bwire, Bnorm )parametrizzata con GARFIELD

t (ns) x (cm)

t (n

s)

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• 3 barrel layers – r = 4.1 – 4.6 cm, 7.0 – 7.6 cm, 9.9 – 10.4 cm– ~ 60 x 106 pixels

• 2 pairs of Forward/Backward disks– Radial coverage 6 < r < 15 cm– Average z position: 34.5 cm, 46.5 cm– Later update to 3 pairs possible (<z> ~ 58.2 cm)– Per Disk: ~3 x 106 pixels

3 high resolution space points for < 2.2

• Pixel size: 100 m x 150 m driven by FE chip

• Hit resolution:– r-~ 10-20 m

(Lorentz angle 23° in 4 T field)– r-z~ 17 m

• Modules are the basic building elements– 800 in the barrel + 315 in the endcaps

The CMS Pixel Detector

Occupancy is ~ 10-4

Pixel seeding fastest starting point for track reconstruction despite the extremely high track density

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The CMS Silicon Strip TrackerOuter Barrel (TOB): 6 layers• Thick sensors (500 m)• Long strips

Endcap (TEC): 9 Disk pairs• r < 60 cm thin sensors• r > 60 cm thick sensors

Inner Barrel (TIB): 4 layers• Thin sensors (320 m)• Short strips

6 layers6 layersTOBTOB

4 layers4 layersTIBTIB

3 disks TID3 disks TID

Radius ~ 110cm, Length ~ 270cmRadius ~ 110cm, Length ~ 270cm ~1.7~1.7

~2.4~2.4

9 disks TEC9 disks TEC

Inner Disks (TID): 3 Disk pairs• Thin sensors

Black: total number of hitsGreen: double-sided hitsRed: ds hits - thin detectorsBlue: ds hits - thick detectors

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ATLAS : MDT

• Stima della relazione r(t) e del t0 senza l’aiuto di rivelatori esterni

• r(t) e` funzione di molti parametri esterni

– Composizione del gas– Temperatura– Pressione – Campo magnetico

• E` richiesta la autocalibrazione dei tubi ad intervalli regolari

– L’errore sulla relazione r(t) deve essere ≤20m

x bias accettabile sulla determinazione della traccia

Spetto dei tempi di drift

)(trdr

dN

dt

dN

Calibrazione

Dati testbeam H8

Posizione dei fili misurata con tomografie a raggi x

Risoluzione vs r

• MDTs (Monitored Drift Chambers)– Gli elementi di base sono tubi a drift

con un diametro di 3 cm ed una lunghezza variabile da 70 cm a 630 cm

– I tubi sono disposti in multilayer di 3 (4 per le stazioni interne) – Risoluzione di singolo filo 80 m

– Risoluzione per stazione 50 m, 0.3mrad

– Miscela di Ar(93%) CO2(7%) a P=3bar per prevenire l’invecchiamento

Relazione r-t

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Transition Radiation Detector

Alla separazione di 2 mezzi con costante dielettrica diversa si ha l’emissione di radiazione

Potenza irraggiata

Frequenza di plasma alla separazione del mezzo (corrisponde a 20 eV circa)

Numero di fotoni per emissione

Spettro di energia (raggi X)

Angolo di emissione

Si usa lo Xeno (Z=54) per aumentare la sezione d’urto di effetto fotoelettrico (Z4)

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ATLAS: TRT Microfibre di polietilene fra tubi a streamer

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Particle ID con il TRT di ATLAS

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Selezione del segnale H -> 4• 4 muoni con maggiore pt nell’evento• Almeno 2 con pt > 20 GeV• Una coppia + - deve avere una massa invariante fra mZ

± 15 GeV • L’altra coppia deve avere una massa maggiore di una

soglia che dipende dalla massa dell’Higgs che cerchiamo (per mH = 130 GeV almeno 20 GeV)

• Isolamento dei muoni – Poche tracce in un cono intorno ai muoni selezionati– Piccoli depositi calorimetrici in un cono intorno ai muoni

• Taglio di accettanza in una finestra intorno alla massa invariante dei 4 muoni pari a 2 sigma intorno al picco

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Selezione del segnale H -> 4e o 2e 2

• 4 elettroni con maggiore pt nell’evento• Depositi calorimetrici isolati e con una traccia che punto nel

deposito• Una coppia e+ e- deve avere una massa invariante fra mZ ± 15 GeV • L’altra coppia deve avere una massa maggiore di una soglia che

dipende dalla massa dell’Higgs che cerchiamo (per mH = 130 GeV almeno 20 GeV)

• Taglio di accettanza in una finestra intorno alla massa invariante dei 4 muoni pari a 2 sigma intorno al picco

• Nell’analisi mista (2e 2 )si richiedono gli stessi criteri di identificazione ed isolamento e si riducono le code negli spettri di massa invariante dovuti al cattivo accoppiamento (pairing)

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Significanza

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H H 4l4l

Full simulation

I fondi principali sono : ZZ 4l, ZZ ll, Zbbar 4l+X, ttbar 4l+X

Analisi con tagli in cascata su singole variabili (masse delle 2 Z e variabili di isolamento)

Rete neurale con le 2 MZ e MH

LO

Altri sviluppi :• 2 Reti neurali (o likelihood): una con le 2 MZ ,PTH e le variabili angolari (solo se l’Higgs ha spin zero e CP=+1), l’altra con le variabili di isolamento

110fbL

Atl

as

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Backup

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The ATLAS Pixel Detector• 3 barrel layers*

– r = 5.05 cm (B-layer), 9.85 cm, 12.25 cm• 3 pairs of Forward/Backward disks

– r= 49.5 cm, 60.0 cm, 65.0 cm– ~ 2% of tracks with less than 3 hits– Fully insertable detector

• Pixel size:– 50 m x 300 m (B layer) & 50 m x 400 m

• ~ 2.0 m2 of sensitive area with 8 x 107 ch

• Hit resolution:– r-~ 12 m– r-z~ 60 m

• Modules are the basic building elements– 1456 in the barrel + 288 in the endcaps– Active area 16.4 mm x 60.8 mm– Sensitive area read out by 16 FE chips each

serving a 18 columns x 160 row pixel matrix

• * Several changes from TDR

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The ATLAS SCT Detector

5.6 m

1.53 m

1.0

4 m

Barrel: 4 layers• pitch ~ 80 m• radii: 284 – 335 – 427 – 498 mm• 2112 modules, with 2 detectors per side, read out in the middle

Endcap: 9 wheel pairs• pitch 70 - 80 m• 3 types of modules

Inner (400) Middle (640 incl. 80

shorter) Outer (936)

All detectors are double-sided (40 mrad stereo angle)• 4088 modules• 61 m2 of silicon• 6.3 x 106 channels

Hit resolution:–r-~ 16 m–r-z~ 580 m

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ATLAS: Allineamento

• Sistema ottico di monitoraggio (RASNIK) consente

– di correggere la sagitta dei tubi con quelle dei fili entro 100m

– di correggere deformazioni della camere derivanti da gradienti termici e stress meccanici

Deformazioni delle camere

Sistema di allineamento RASNIK ottico proiettivo e assiale per controllare l’allineamento relativo di tripletti di camere. Spostamenti relativi controllati entro 30 m

• Tests del sistema di allineamento ad H8:

• movimenti controllati delle camere • correzione usando le informazione del sistema ottico

Pos. nominale

rot. 6mrad

rot. 8mrad

sagitta•allineamento ~valore medio •larghezza: scattering multiplo

Pos. nominale

rot. 6mrad

rot. 8mrad

Allineamento: run speciali con toroide OFF e solenoide ON campione di tracce rettilinee di momento misurato in ID (pT>10GeV) consente di calibrare I sensori ottici rapidamente entro ~20m

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CMS: RPCCMS: RPC• RPC a doppio gap

– 90% freon/5% isobutano

• 6 layer barrel, 4 layer endcaps• Partecipano alla ricostruzione HLT/offline

CMS: CSC

(r)

• 4 stazioni, 6 layer/camera– 9.5 mm gap, Ar(30%)/CO2(50%)/CF4(20%)

• Coordinata (bending): interpolazione carica su 3 strip adiacenti, ~100-240m

• Coordinata r: lettura gruppi di 5-16 fili, ~5mm

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ATLAS : RPC• su entrambi i lati delle camere MDT

nelle stazioni “middle” e sopra o sotto le stazioni MDT esterne.

• Alta efficienza e risoluzione temporale (~1ns) per il trigger

• Risoluzione di <10mm per la misura della seconda coordinata

• Alta tolleranza meccanica

Camere di trigger (TGC e RPC) : Per l’identificazione del bunch crossing, il trigger dei , e la misura della seconda coordinata (). Il sistema di trigger copre la regione ||<2.4