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...
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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
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
27 km around
Large Hadron Collider
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
Interazioni pp e pile up
e
e
All tracks with pT > 1 GeV
H ZZ* 2e2H ZZ* 2e2
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
Scattering multiplo
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
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
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
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
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
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
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)
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)
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
Risoluzione CMS
• Domina il tracciatore interno
• Contributo dello Spettrometro solo per l’identificazione e il trigger. Fino a 200 GeV
ATLAS & CMS Tracking Performances
ATLAS ID
CMS -System
ATLAS -System
ATLASCMS
Higgs New Physics
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.
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)
• 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
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
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
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)
ATLAS: TRT Microfibre di polietilene fra tubi a streamer
Particle ID con il TRT di ATLAS
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
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)
Significanza
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
Backup
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
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
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
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
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