Candidato:

Giordano CATTANI

L’esperimento ATLAS al collisore LHC L’esperimento ATLAS al collisore LHC deldel

CERN: commissioning dei rivelatori RPCsCERN: commissioning dei rivelatori RPCs

con i raggi cosmici e studi Monte Carlo con i raggi cosmici e studi Monte Carlo didi

eventi supersimmetrici nel modello eventi supersimmetrici nel modello mSUGRAmSUGRA

A.A. 2006 - 2007

Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”Facoltà di Scienze

Relatore:

Prof.ssa Anna DI CIACCIO

Contro-Relatore:

Prof.ssa Annalisa D’ANGELO

Laurea Magistrale in Fisica

L’esperimento ATLAS al collisore LHC L’esperimento ATLAS al collisore LHC deldel

CERN: commissioning dei rivelatori RPCsCERN: commissioning dei rivelatori RPCs

con i raggi cosmici e studi Monte Carlo con i raggi cosmici e studi Monte Carlo didi

eventi supersimmetrici nel modello eventi supersimmetrici nel modello mSUGRAmSUGRA

CERN - ATLAS Control Room2 Ottobre 2007

“P1 technical run”

Argomenti trattati nella Tesi:

• L’esperimento ATLAS• Ruolo delle camere RPC in ATLAS• Test delle funzionalità dei rivelatori RPC

(Commissioning) nella caverna di ATLAS con dati acquisiti con un trigger di raggi cosmici

• Studio della risoluzione spaziale degli RPC con le tracce ricostruite nello spettrometro a muoni

• Studio di fattibilità del decadimento 2

0 → 10 + nel modello supersimmetrico

mSUGRA

Il Large Hadron Collider (LHC)Energia dei fasci 7 TeV

Separazione tra i pacchetti 25 ns

Paricelle/Pacchetto 1.15 ·1011

Dipoli 1232, 15 m, 8.33T, T=1.9 K

Energia fasci 362 MJ/Beam

• Collisore p – p

• Circonferenza di ~ 27 Km

• Energia nel CdM.: √s = 14 TeV

• Luminosità: L= 1034 cm-

2s-1

• Prime collisioni nell’estate ‘08

L’esperimento ATLAS

Diametro 25 mLunghezza regione centrale 26 mDistanza tra le due Big-Wheel 46 mMassa 7000 T

• Il tracciatore interno

• Il sistema calorimetrico

• Lo spettrometro a muoni

ATLAS ed il “building 40” al CERN (5 piani di edificio!!)

Lo spettrometro a nella regione centrale (barrel)

Small

Large

Vista

BML BOLBOS BMS

Vista

12 torri:

• 6 lato A (z > 0)

• 6 lato C (z < 0)

4

A

A 576 camere RPC – 360k canali di lettura

26 unità di diversa tipologia

Superficie Totale ~ 8000 m2

(superficie di un campo di calcio)

5 6

BO

BM

BI

BIS

BIL

Deflessione dei principalmente in vista

curvati dal campo magnetico toroidale

x,

z,

y

Camere MDT – tracciamentoin vista –mCamere RPC – trigger LVL – 1 + misura della coordinata in vista

• 16 settori (8 Small + 8 Large)

• 3 stazioni per settore

y

Grounded plane

Bakelite Plates Foam

Graphite electrod

es

X readout strips

HV

Y readout strips

Gas

Polycarbonate spacer

Le camere RPC di ATLAS

• HV ~ 9.8 kV

• Egas~ 5 kV/mm

• bachelite ~ 1010 cm

• d = 2 mm

• Elettrodi per HV di grafite ~ 200m

• Superfici interne trattate con olio di lino

• Strisce (Strip) di lettura X e Y in rame, dimensione tipica 30 mm

• Gas: C2H2F4 93.5% - C4H10 6% - SF6 0.5%

•Risoluzione spaziale e temporale ~ 1 cm x 1 ns

• Possibilità di sostenere un elevato flusso di particelle: Φ ≤ ~1kHz

• Basso costo di produzione

• Usate come camere di trigger di LVL – 1 in ATLAS

Consente di misurare la posizione nella coordinata () ortogonale a quella di curvatura dei ()

Singola unità di sinistra

Singola unità di destra

Le due unità si sovrappongono per aumentare l’accettanza

Event Display di raggi cosmici

Software + Set di dati

• Preparazione dei dati (ROOTple) in ATHENA, il software dell’esperimento ATLAS:

basato sull’uso di packages (scritti in linguaggio C++)

la selezione dei packages e delle loro impostazioni tramite file job option (Python)

• Analisi compiuta in ambiente ROOT/C++

45

7

8

• Sono stati analizzati i dati acquisiti con trigger di raggi cosmici in 4 settori per un totale di 144 camere e 2304 pannelli

Hit e cluster

Il segnale indotto su ciascuna strip e letto dall’elettronica di front end, definito hit, è analizzato usando le informazioni contenute nella ROOTpla:

• la posizione di ciascun hit

• il numero identificativo della strip che ha prodotto l’hit

hits

Elettronica di front end e di trigger installata su una camera RPC

clusters

Un cluster è un gruppo di strip associate secondo una certa logica:

• un cluster è definito come un gruppo di strip adiacenti accese allo stesso tempo o entro una finestra di 15 ns;

• il tempo associato al cluster viene scelto come il tempo associato al primo impulso;

• a ciascun cluster viene associata una dimensione, definita come il numero di strisce utilizzate per costruire il cluster (cluster size);

• la posizione associata al cluster è fornita dal baricentro delle strip che lo costituiscono.Cluster di

dimensione 2Cluster di

dimensione 1

Studi con gli hit

x,

z,

y

Settore 5, camere BOL, vista

Settore 8, camere BOS, vista

StripNumero vs. posizione

Strisce non attive

Test delle strisce

attive e del cablaggio

Studi con gli hit Correlazione piani di lettura sovrapposti

Ly 1

Ly 2

Sett. 4, Torre -5, BML (32)

Sett. 7, Torre 2, BML (32)

Sett. 5, Torre 3, BML (64)

Sett. 5, Torre 4, BML (80)

Sett. 8, Torre 2, BML (64)

Sett. 5, Torre 5, BOL (32)

Dopo le correzioni

Tipici studi con i cluster

Settore 5Settore 4HV@9400

Studi di Cluster Size:

• Distribuzioni di Cluster Size

• Studi di Cluster Size vs. HV

• Studi di Cluster Size in ogni torre

~ 1.3

CS vs. HV CS vs. pannello

Distribuzione di Cluster Size

Utile nel comprendere casi particolari e nell’individuare i criteri di selezione migliori

BIL

BML

BOL

Camere MDTCamere RPCHit MDTHit RPC - gasgap = 1Hit RPC - gasgap = 2

Le tracce ricostruite: MOORE ed il display degli eventi

• Sono usate le tracce ricostruite dal pacchetto MOORE

• Sono stati usati i seguenti parametri:

Il perigeo (x, y, z)

L’angolo della traccia in vista

L’angolo della traccia in vista

BML

BOL

La selezione degli eventi

Taglio # Eventi %

Nessuno 88500 100.0

Eventi con tracce 73474 83.0

Eventi con 1 traccia

72177 81.5

χ2/dof<5 62045 70.1

2<# di Cluster<20 55235 62.1

Hit RPC in > 1 51809 58.5

• No eventi multitraccia

• χ2/dof < 5

• 2 < # di Cluster < 20

• Hit RPC in > 1

Settore 5Settore 5

Settore 4Settore 5Taglio # Eventi %

Nessuno 101064 100.0

Eventi con tracce 76135 75.3

Eventi con 1 traccia

74543 73.8

χ2/dof<5 64616 63.9

2<# di Cluster<20 60832 60.2

Hit RPC in > 1 60360 59.7

Settore 5Settore 4

Per condurre lo studio della risoluzione spaziale è stata attuata una selezione del campione di dati a disposizione secondo i seguenti criteri:

Cosmic Ray Bundle

Fake Trigger

Eventi multitraccia

Residui e risoluzione spaziale• Residui in vista

• Correlazione tra la coordinata zdel punto di estrapolazione della traccia al piano di lettura RPC e coordinata z dei

cluster RPC

σfit ~ 10 mm

• NO selezione della dimensione dei cluster

• NO allineamento

BOL Torre 1 Settore 5

Piano di lettura vista

Cluster Size = 2 Cluster Size = 1

Residuo = zclusterRPC – ztracciaMDT

Normalizzate alla stessa

area

Coord

ianta

tr

acc

ia

Coordinata Cluster

Cluster RPC – tracce ricostruite

~ 30 mm

• Residui in vista

• Dimensioni cluster = 1

• Residui in vista

• Dimensioni cluster = 1

Settore 5

Settore 5

L’elevata precisione nel tracciamento delle camere MDT permette di riprodurre

la larghezza delle strisce RPC

Il solo tracciamento RPC in vista determina una

distribuzione più stretta con un picco evidente

Cluster RPC – tracce ricostruite

Settore 4

Settore 5

Estrapolazione delle tracce al livello della superficie

Settore 7/8

Posizione Y strip vs. Posizione X strip

Efficienza delle camere RPC

•Esclusione delle camere che rientrano nella configurazione di trigger.

• Estrapolazione della traccia in vista , ottenendo una lista di coordinatex – y

• determinazione della coordinata z estrapolando la traccia in vista

• associazione tra posizione geometrica di ciascun punto ed un numero identificativo del pannello di lettura

• determinazione del residuo di ogni cluster della traccia: se il residuo cade all’interno di una finestra di accettanza predefinita allora il pannello viene ritenuto efficiente

È stato elaborato un algoritmo che permette di calcolare l’efficienza delle camere RPC nella vista in maniera indipendente dal rivelatore stesso

Settore 13

Roma2 Group

Efficienza vs. HV

Settore 5

Settore 4

Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei muoni – residui vs. zestrapolata

1 2 3

A

AC

Settore 4

Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei

muoni – spiegazioneResiduo = zcluster –

ztraccia

Posizione Reale: quota alla quale i piani di lettura RPC sono collocati nello spettrometro

Posizione Geometrica: quota alla quale la descrizione geometrica dell’apparato, in ATHENA, pone i piani di lettura RPC

Settore 4

Y

Z

1 2 3

Studio del processo supersimmetrico

20 → 1

0 + a s = √14 TeV

Supersimmetria - MSSM

~ @1016 GeV

Il Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) è l’estensione minimale al Modello Standard che consente di realizzare la supersimmetria:

• ad ogni bosone (fermione) è associato un partner fermionico (bosonico)

Consente di colmare i limiti del Modello Standard,tra cui:• elimina le divergenze quadratiche nelle correzioniad 1-loop alla massa dell’Higgs• consente la convergenza delle costanti di accoppiamento delle tre interazioni fondamentali (esclusa la Gravità)• fornisce un candidato per la Materia Oscura

Supersimmetria - mSUGRA

Parametro Descrizionem0 Massa delle particelle scalari (GeV)

m1/2Massa delle particelle fermioniche

(GeV)A0 Termine trilineare comune

tan Rapporto tra i VEV dei bosoni di Higgs

sign()Segno del superpotenziale nel

settore di Higgs

La Lagrangiana del MSSM contiene 105 parametri liberi. In mSUGRA il loro numero si riduce a 5

In mSUGRA:

• La R-Parità è conservata: R = (-1)3(B – L) + 2s

• Le particelle SUSY sono prodotte in coppie

• La particella SUSY più leggera (LSP), con R = - 1, è stabile

• La LSP è il Neutralino 10, buon candidato per la composizione della

Materia Oscura

lqql

g~ q~l~

~

~p p LSP

20 → 1

0 + e scelta del punto nellospazio dei parametri mSUGRA

WMAP0.09<h2<0.13

Regione esclusa da ricerche a LEP 2

Regione esclusa teoricamenteA. Lionetto

Senza l’esclusione di LEP 2

A. Lionetto

• Il decadimento del secondo Neutralino 2

0 → 10 + è previsto da

diagrammi di Feynman ad 1-loop e quindi sfavorito rispetto a decadimenti in due e tre corpi al livello fondamentale (tree level) dello sviluppo perturbativo

• In alcune regioni dello spazio dei parametri mSUGRA dove i decadimenti in due corpi sono chiusi e quelli in tre sono soppressi dinamicamente e/o cinematicamente allora può essere il canale dominante

• Segnatura sperimentale:

• un fotone energetico ed isolato

• energia trasversa mancante ET

miss

in aggiunta ad altre topologie caratteristiche di eventi SUSY quali getti di elevato impulso trasverso e leptoni

• Canale non studiato in ATLAS nel modello mSUGRA

Studio con il generatore Monte Carlo• Herwig v. 6.510

• ISAJET v. 7.75 + ISASUGRA(masse particelle SUSY + BR)

• Analisi in ambiente ROOT/C++

• Decadimento del 20 solo radiativo

• 5000 eventi generati

pT 10

Topologia simile per il decadimento 10 → G del

modello GMSB. Studiato in ATLAS.

pT con pT

> 20

GeV permette di discriminare bene il segnale dal fondo

ETmiss> 100 GeV

SUSY CSC Note – 8

Picco a ~ 50 GeV ~ m(2

0) - m(10)

Conclusioni

L’analisi dei dati di raggi cosmici acquisiti nella caverna di ATLAS ha permesso di evidenziare e risolvere problemi di varia natura (inversione del cablaggio, canali di elettronica non funzionanti o rumorosi etc ) delle camere RPC installate in 4 settori dello spettrometro a muoni.

Lo studio delle tracce ricostruite ha permesso inoltre di studiare:

la risoluzione spaziale delle camere RPC che troviamo compatibile con quella aspettata: σ = d/√12 ~ 10 mm

le correlazione tra la coordinata della traccia ottenuta con il rivelatore di precisione MDT e la sua estrapolazione al piano di lettura RPC

un metodo per il calcolo dell’efficienza delle camere RPC (indipendente da esse) in vista ( importante per la calibrazione del rivelatore in fase di presa dati)

È stato inoltre studiato con il Monte Carlo HERWIG il decadimento2

0 → 10 + all’energia nel centro di massa di LHC nel contesto del modello

supersimmetrico mSUGRA e confrontato con lo studio del decadimento di segnatura analoga 1

0 → G analogo previsto dal modello GMSB.

Backup

L’esperimento ATLAS

Diametero 25 mLunghezza regione centrale 26 mDistanza tra le due Big-Wheel 46 mMassa 7000 T

• Il tracciatore interno

• Il sistema calorimetrico

• Lo spettrometro a muoni

• Pixel (~ 140M)

• Microstrip di silicio (SCT) (~ 6M)

• Tracciatori a transizione di radiazione (TRT) (~ 370k)

• campo magnetico solenoidale di ~ 2T

• tracciamento e b-tagging

• Centrale:

• EM: Pb + LAr

• HAD: Fe + Mat.Plast.

• Terminale:

• EM + HAD: LAr

3 magneti + 4 tipi di camere:

• MDT + CSC: misura sagitta

• RPC + TGC: LVL-1 Trigger

Risoluzione: 2-3% per di 10-200 GeV; 10% per fino ad 1 TeV

ATLAS ed il “building 40” al CERN (5 piani di edificio!!)

Trigger di LVL – 1 nello spettrometro a nella regione del barrel

Segnale sul piano Pivot

Finestra di coincidenza

Finestra di coincidenza

Piano RPC di Pivot

Piano RPC di conferma (Confirm) per trigger di

High-Pt > 20GeV

Piano RPC di conferma (Confirm) per trigger di

Low-Pt > 6 GeV

• Opera in entrambe le viste e

• Identifica il singolo pacchetto (ogni 25 ns)

• Le soglie in pT sono programmabili

pT infinito

Cluster RPC – tracce ricostruite

~ 30 mm

• Residui in vista

• Dimensioni cluster = 1

• Residui in vista

• Dimensioni cluster = 1

Settore 5

Settore 5

L’elevata precisione nel tracciamento delle camere MDT permette di riprodurre

la larghezza delle strisce RPC

Il solo tracciamento RPC in vista determina una

distribuzione più stretta con un picco evidente

Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei

muoni – spiegazione

Osservando una camera RPC dal lato HV e RO i piani di lettura sono disposti come in figura

Come sono descritte le

camere nella geometria in

ATHENA

Come sono montate le

camere nello spettrometro