Nadia  Pastrone  

           Is.tuto  Nazionale  Fisica  Nucleare  Torino                                                                                esperimento  CMS  @  CERN        

Otranto  –  Serra  degli  Alimini                                                        21  seCembre  2013  

XXV  SEMINARIO  NAZIONALE  di  FISICA  NUCLEARE  e  SUBNUCLEARE    “FRANCESCO  ROMANO”  EDIZIONE  SPECIALE:  IL  BOSONE  DI  HIGGS  

 ATLAS  e  CMS:  appara.  sperimentali  gigan.  a  LHC  

La  fisica  e  la  macchina  

1  

2  

Standard  Model  dopo  LEP  

Total Luminosity: 1000 pb-1  

20 Million Z’s

40,000 W+W-

A few Higgses?

Precision: 0.1%  

Energy: 88  →    209.2 GeV  

1989-2000 LEP Run

1989-->2000

Courtesy  of  G.  Rolandi  

3  

INPUT  

Global  Fit  allo  SM  

Mean: 0.22 ± 0.28 Sigma: 1.1 ± 0.4

Internal Consistency of the Standard Model?

Largest discrepancy (-2.9σ) well inside statistical expectation; χ2 probability = 8%. Just fine.

Pull distribution = Normal Gaussian?

4  

Higgs  dietro  l’angolo?  

SM  Global  Fit  (misure  di  precisione  LEP,  Tevatron,  e  altri  esperimen.):  

mH  <  193  GeV  (95%  CL)      

0

1

2

3

4

5

6

10030 300mH [GeV]

6r2

Excluded Preliminary

6_had =6_(5)

0.02758±0.000350.02749±0.00012incl. low Q2 data

Theory uncertaintymLimit = 144 GeV

mH (GeV)

Limite  direCo  LEP:  

mH  >  114.4  GeV  (95%  CL)  

MANCAVA  UN  PEZZO  CRUCIALE!  

5  

Misura  di  Mtop  &  Mw  

W              W  

top      bo;om  

Higgs  

MW  =  MW0  +  C1  Mtop

2  +  C2  ln(MHiggs2)  

Mtop  (GeV)  

MW  (G

eV)  

150                                                  175                                                  200    

80.5          80.4          80.3  

Inputs: αs, αem(MZ

2), MZ

Misure  precise  da  LEP200  &  Tevatron  

6  

Misura  di  Mtop  &  Mw  

LHC:  30  anni  di  prepara.vi……    !   1982:  Iniziano  gli  studi  preliminari  !   1994:  CERN  Council    approva    il  proge;o  LHC  !   1996:  Decisione  finale  di  cominciare  construzione    LHC  !   2004:  Inizio  dell’installazione  dell’acceleratore  !   2006:  Inizia  la  messa  a  punto  del  hardware  !   2008:  Primi  fasci  !   2009:  Primi  daW  di  fisica  !   2012:  1  miliardo                                    di  interazioni  al  sec    

7  

Lake of Geneva

Large Hadron Collider

CMS

ATLAS

LHCb

ALICE

Large Hadron Collider Anello lungo 27 km Tunnel a circa 100 m profondita’

 LHC  @  CERN  di  Ginevra    

8  

acceleratore, esperimenti, rete mondiale (GRID) di computer TUTTO HA AVUTO INIZIO 20 ANNI FA

Avventura  scien.fica  globale  

9  

10  

LHC:  nuova  fron.era  

1011  

LHC  alla  caccia  di  segnali  rari!  

•   A  spanne:                            un  faCore  2  in  σ  equivale  ad    un  faCore  ~10  in  luminosità    •   Energia  limitata  dal  raggio  dell’anello  esistente  

 •   LHC  deve  operare  ad  alta  luminosità:  luminosità  finale  di  disegno:  1034  cm-­‐2s-­‐1    

• Alta  frequenza  even.  • Grande  fondo  QCD    

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La  luminosità  

•   La  sezione  d’urto  dei  processi  interessanW  (Higgs)  sono      assai  piccole  (~pb  =  10-­‐36  cm2)  •   Se  si  vuole  osservare  un  numero  ragionevole  di  evenW  in        un  anno  (1y=107  s)  assumendo  una  qualche  efficienza  di        rivelazione  (ε  =10%)    

Ma…  Jet  

Jet  

12  

LHC  è  una  “fabbrica”!  

Frequenza  di  produzione  di  even.  a  luminosità  1034  cm-­‐2s-­‐1  

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LHC  @  CERN  

p p H

µ + µ -

µ + µ -

Z

Z Beam crossing 107 Hz

Proton collisions 109 Hz

Parton collisions

New particle production 0.1 Hz Higgs, SUSY ...

7x1012  eV      beam  energy  1034cm-­‐2s-­‐1  luminosity  2835                      bunch/beam  1011                          protons/bunch  

7.5 m (25 ns)

Measurement  of:  mass  charge  spin  producWon  cross  secWon  decay  modes  

 “general-­‐purpose”  experiments  covering    as  much  of  the  solid  angle  as  possible    

Nev  =  σev∫L  

1236  

Magnetic Field!p (TeV) = 0.3 B(T) R(km)!For p= 7 TeV, R= 4.3 km!a B = 8.4 T !

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Max  Machine  Luminosity  1034  cm-­‐2  s-­‐2  σinel  =  100  mb          →      109  events/s    σhiggs  =  1  pb                  →      10-­‐2  events/s  

1  crossing/25ns  20  events/crossing  →  1000  tracks  Neutrons:  up  to  1017  n/cm2  

Gammas:  up  to  107  Gy  *   in  10  years  

• Granularity  (105  ÷107  channels)  • Speed  of  response  (25-­‐50  ns)  • DAQ  +  trigger  (109  →102  ev/s)  • High  radiaWon  resistance  

Condizioni  sperimentali  @  LHC  

Life  is  not  so  easy!  

Unprecedented  condiWons  for  detectors  

(*  1  Gy  =  1  Joule/Kg)  

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Gli  Esperimen.  “Generalis.”  a  LHC  

ATLAS  A  Toroidal  LHC  ApparatuS  (general  purpose)  CMS  Compact  Muon  Solenoid  (general  purpose)  

16  

ATLAS  2  volte  piu’  grande  –  CMS  2  volte  piu’  pesante  

ATLAS  (2  Tesla)  Edificio  di  6  piani    

CMS  (4  Tesla)  

17  

18  

La  par.cella  guida:  Bosone  di  Higgs  

 Gli  sta.  finali  completamente  adronici  dominano  ma  sono  inu.lizzabili  a  causa  del  fondo  di  QCD.    Cercare  sta.  finali  con  leptoni  e  fotoni  isola.  (nonostante  sta.s.camente  sfavori.)    

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Regioni  di  massa  

20  

Come  si  rivelano  le  par.celle?  Ad  un  acceleratore  i  rivelatori  hanno  il  compito  di:  

–  IdenWficare  il  Wpo  di  parWcelle  prodo;e  –  Misurarne  traie;oria  (traccia),  energia  e  quanWtà  di  moto  

Per  stabilire:  –  Che  cosa  è  accaduto  nella  collisione  –  Se  si  è  prodo;o  qualche  fenomeno  interessante    

Molte  parWcelle  hanno  vita  effimera  e  decadono  in  parWcelle  più  leggere:  –  Si  rivelano  queste  ulWme  –  Dalle  loro  cara;erisWche  si  risale  alle  proprietà  delle  parWcelle  che  le  hanno  

generate            I  rivelatori  sfruCano  le  proprieta’  di  alcuni  materiali  in  grado  di  

trasformare  il  passaggio  di  una  par.cella  in  un  segnale  “visibile”    

Strategia  generale:  rivelare  piu’  par.celle  possibile  

elettrone

muone

adroni

Tracker: non molto materiale, Rivelatore finemente segmentato Misura precisa della posizione dei punti sulle tracce

Calorimetro elettromagnetico: Offre materiale per gli sciami elettromagnetico e misura il Deposito di energia

Hadronic calorimeter: Offre materiale per gli sciami Adronici e misura il deposito di energia

Muon detector: Registra tracce di muoni

Neutrini scappano senza essere rivelati

Magnetic field piega le tracce e aiuta nella misura d’impulso delle particelle

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Due  problemi  principali  .pici  di  LHC  Pile up: R = Lσ = 109 interazioni / secondo Protoni sono raggruppati in bunches (di ≈ 1011 protons) collidenti nel punto di interazione ogni 25 ns

⇒ Ad ogni interazione in media sono prodotti ≈ 23 eventi minimum-bias . Questi si sovrappongono agli eventi interessanti (con high pT) , e causano il cosidetto pile-up

~1000 particelle cariche prodotte per |η| < 2.5 ad ogni bunch crossing. Comunque < pT > ≈ 500 MeV (particelle di minimum bias).

→ Taglio in pT permette di selezionare solo eventi interessanti

detector 25 ns

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danni  da  radiazione    

-­‐-­‐      diminuiscono  con  la  distanza  d2  dal  fascio  →  i  rivelatori  vicino  alla  beam  pipe  più  inficiaW  -­‐-­‐    necessaria    ele;ronica  resistente  alla  radiazione  -­‐-­‐    necessario  il  controllo  di    qualità  di  ogni  pezzo  di  materiale    -­‐-­‐    rivelatore  +  elec;ronica  devono  sopravvivee  per  almeno    10  anni   Dose:  energia  depositata  per  unita  di  massa  (1  MRad  =  6.2  1010  GeV/g)                        legata  alla  densita  di  parWcelle  (cariche).      1  GHz  di  collisioni  per  107  s,  considerando  6  parWcelle  cariche  per  unita  di  η,    si  hanno  (a  R=10  cm):  ~  1015  π/cm2  (in  un  anno)      Ogni  π  deposita  120  keV/300µm  di  silicio,    ~2.5  MRad/anno  (o  25  kGy/anno)  solo  dovuta  alle  part.  cariche  (dominanW).      Questo  significa  rivelatori  (ed  ele;ronica)  rad-­‐hard  (usata  solo  x  scopi  militari  o  civili-­‐nucleari  prima  di  LHC),  specie  quelli  piu’  vicini  alla  beam  pipe.    

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Requisi.  dei  rivelatori       Non sappiamo come la nuova fisica si manifesta → rivelatori devono essere flessibili e capaci di rivelare tutte le possibili particelle : e, µ, τ, ν, γ, jets, b-quarks, …. → esperimenti “ multi-purpose” . • Buona misura di leptoni con impulso trasverso da pochi GeV a pochi TeV : per la rivelazione -leptoni di basso Pt (es. nei decadimenti degli adroni B) - leptoni ad alto Pt (es. da decadimenti di W e Z) • Efficiente identificazione di elettroni (tracking e calorimetri), fotoni (calorimetri), b/tau-jet (silicon strip e pixel detectors, calorimetri) • Muoni identificati e impulso misurato in spettrometro a muon (+ tracker). Eccellente risoluzione richiesta tra ~ 5 GeV < pT < ~ TeV

• Impulso e carica delle tracce e dei vertici secondari (esempio decadimenti dai quark b) sono misurati nel tracker centrale. Richieste eccellenti risoluzione in impulso e posizione

24  

25  

Richieste  sul  rivelatore    

•  Buona  risoluzione  eleCromagne.ca  (|η|<2.5)  Ø  <  1%  sulla  massa  invariante  di  2  ele;roni  a  100  GeV/c2  Ø  Ricostruzione  del  verWce  primario  e/o  misura  direzione  γ  Ø  Reiezione  di  π0  

•  Buona  iden.ficazione  e  risoluzione  per  mu  (|η|<2.5)  Ø  <  1%  sulla  massa  invariante  di  2  muoni  a  100  GeV/c2  Ø  Riconoscimento  della  carica  fino  a  >1  TeV/c  

•  Buona  risoluzione  in  eneria  mancante  ETmiss  e  massa  invariante  di  sistemi  a  due  jet  Ø  Calorimetria  adronica  estesa  fino  a  |η|~5    Ø  Segmentazione  laterale  Δη  x  Δφ  <  0.1  x  0.1  

•  Buona  capacità  di  tracciatura  nel  rivelatore  centrale  Ø  B  e  τ  tagging  (rivelatori  a  pixel)    

Eccellente risoluzione in massa ( circa 1%) per particelle di massa fino a centinaia di GeV che decadono in fotoni, elettroni e muoni

Energia e posizione di electroni e fotoni misurati nel calorimetro elettromagnetico. Energia e posizione degli adroni e jets misurati principalmente nei calorimeteri adronici. Buona copertura angolare e granularità .

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•  I neutrini attraversano il rivelatore senza interagire → non possono quindi essere rivelati direttamente Ma richiedendo

P ,E P ,E iiff

=

Energia totale, impulso ricostruito nello stato finale

Energia totale , impulso dello stato iniziale

-- collisionatori e+e- : Ei = √s, → se un neutrino è prodotto allora Ef < Ei (→ energia mancante) →

0Pi =

0Pf ≠

fP - P

=ν |P| E νν

=

-- collisionatori adronici : energia e impulso dello stato iniziale non è noto (energia e impulso dei partoni che interagiscono ) . impulso trasverso iniziale e’ e quindi impulso trasverso finale e’

→ Ma se un neutrino è prodotto allora ( → impulso trasverso mancante) e 0P fT ≠

missTfTT E |P| |P| ==

ν

0P iT =

rivelazione  e  misura  dei  neutrini      

0P fT =

27  

Usiamo il bilanciamento dell’energia-impulso nel piano trasverso → concetti quali Et

miss, impulso e massa trasversi sono più frequentemente usati → recostruire “totalmente” alcune topologie con i neutrini, es. W → lν e H → ττ → lνlντ hντ

ü  il rivelatore deve quindi essere ermetico → energia trasversa misurata con alta accuratezza → nessun neutrino non-rivelato

erme.cita’      

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Energia e posizione di elettroni e fotoni misurati nel calorimetro elettromagnetico Esempio : H → γγ

H → γγ alta risoluzione

mγγ

background da pp → γγ

H → γγ bassa risoluzione

eccellente  risoluzione  in  energia      

Molti processi con grande sezione d’urto e stessa topologia del segnale nello stato finale. Struttura non risonante e decrescente con la massa invariante dei due fotoni

60))100((

)_(≈

→γγσγγσ

GeVHprocessi

Larghezza del picco e’ dominata da risoluzione energia e angolare del calorimetro

29  

eccellente  capacità  di  iden.ficazione    Esempio:  separazione      e/jet  ,  γ/jet    

e± γ

π0

Inner detector EM calo HAD calo

q jet

q π0 γ γ

In alcuni casi nel jet c’e’un high-pT π0 e le altre particelle troppo soffici per essere rivelate.

Il numero e il pT degli adroni in un jet hanno grandi fluttuazioni

Esempio pt > 50 GeV d (γγ) < 1 cm a 150 cm( nel calorimetro! ) → QCD jets possono simulare fotoni.

π0

Rapporto fra rate di elettroni e di jet e’ e/jet= 10-5 per pt > 20 GeV. Quindi jet che simulano elettroni devono essere rigettati di un fattore 106

~ 108 mγγ ~ 100 GeV ~ 108 mγγ ~ 100 GeV ~ 108 mγγ ~ 100 GeV ~ 108 mγγ ~ 100 GeV ~ 108

)( γγσσ→Hjj

~ 108

mγγ ~ 100 GeV mγγ ~ 100 GeV

Mhiggs=100 GeV/c2 richiesta alta reiezione di jet.

ATLAS

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• Muon-ID da assorbimento e tracciamento nelle camere a muoni • Carica dalla curvatura nel campo magnetico , Tracker e camere a Muoni • Impulso trasverso pT: Tracker (~1%) e camere a Muoni (~10%) + Alignment • Accettanza del tracker e delle camere a muoni

eccellente  capacità  di  iden.ficazione        Esempio  i  muoni    

31  

32  

Collisioni  pp  at  14  TeV  at  1034  cm-­‐2s-­‐1  

H→  4  muons:  the  cleanest  (“golden”)  signature  

Reconstructed tracks with pt > 25 GeV

20  min  bias  events  overlap  +            H→ZZ                              Z  →µµ

Layout  .pico  di  un  apparato  sperimentale  

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ATLAS  e  CMS    stessi  principi  -­‐  differen.  realizzazioni  

ATLAS CMS Tracker o Inner Detector

Silicon pixels, Silicon strips, Transition Radiation Tracker. 2T magnetic field

Silicon pixels, Silicon strips. 4T magnetic field

Electromagnetic calorimeter

Lead plates as absorbers with liquid argon as the active medium

Lead tungstate (PbWO4) crystals both absorb and respond by scintillation

Hadronic calorimeter

Iron absorber with plastic scintillating tiles as detectors in central region, copper and tungsten absorber with liquid argon in forward regions.

Stainless steel and copper absorber with plastic scintillating tiles as detectors

Muon detector Large air-core toroid magnets with muon chamber form outer part of the whole ATLAS

Muons measured already in the central field, further muon chambers inserted in the magnet return yoke

Differenza principale: il magnete 34  

Solo un magnete. Solenoide B=4 T  Curvatura  nel  piano  trasverso  (r,  φ)    Tracce  dri;e  in  (r,z)              estrapolazione  fino  al  fascio                trigger  sul  parametro  di  impa;o    Giogo  di  ritorno  del  campo  magneWco  nella  camere  a  muoni  Campo  magneWco  non  omogeneo  a  largo  η

Magnete principale e’ un toroide B= 0.7 T Curvatura in (r,z) Tracce dritte in (r, φ) estrapolazione alla coordinata z del fascio (precisione al cm). Nel tracker c’e’ un solenoide B=2 T, con curvatura in (r, φ) . I sistema a muoni non e’ nel ferro Campo magnetico omogeneo

ATLAS/CMS: differenze

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La scelta di CMS Solenoide superconduttore che fornisce un campo intenso nel tracker e un flusso di

ritorno intenso per la misura dell’impulso dei muoni.

Il magnete

- solenoide superconduttore integrato nel criostato del barrel ECAL che fornisce un campo di 2T. - Toroid nel Barrel: 8 bobine superconduttrici piatte, lunghe 25 metres e larghe 5 metri, raggruppato in forma di toroide. - Due toroidi nell’Endcap: posizionato nel Barrel Toroid all’estremita’ del Solenoide, fornisce un campo magnetico su una lunghezza radiale fra 1.5 e 5 metres.

ATLAS/CMS:  differenze  

La scelta di ATLAS

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CMS VANTAGGI: intenso e uniforme campo magnetico fornisce una eccellente risoluzione in impulso e una maggiore uniformita’ di prestazioni su una copertura maggiore in eta CMS SVANTAGGI: la posizione del solenoide fuori dal calorimetro limita il numero di lunghezze di interazioni per l’assorbimento dello sciame adronico. CMS SVANTAGGI: il sistema muonico ha una capacita’ limitata di misura di impulso stand-alone Importante il tracker. 1|| <η

ATLAS VANTAGGI: misura dei muoni con alta accuratezza in stand alone (cioe’ in maniera autonoma – no tracker )( ) ATLAS SVANTAGGI: campo non uniforme nel volume del tracker ATLAS SVANTAGGI: la posizione del solenoide in fronte a ECAL barrel limita la risoluzione in energia in quella regione

7.2|| <η

5.1||2.1 << η

ATLAS/CMS:  vantaggi  e  svantaggi:  il  magnete  

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