H

x BR ~ 70 fbH canale importante per mH<130 GeV

•Hbb(bar) è il decadimento dominante ma puo' essere osservato solo in produzione associata

Background H

• il fondo da bremmstrahlung e da jets puo' essere ridotto con tagli di isolamento e criteri di separazione jet/

puo essere ridotto utilizzando calorimetri granulari

sezioni d'urto (fb) dopo i tagli

H

La risoluzione sulla massa é completamente dominata dalla risoluzione della misura

H~ MeV at MH=120 GeV

dmd

L

N

dmdmd

L

N

N

NS

b

s

b

s

b

s

1

L=100 fb-1

(1 anno LHC ad alta luminosità)

10

1010

10132

3

S

%1

1

M

GeV

Risoluzione massa H

E/E ~ 1% 5 mrad

Contributi alla risoluzione m

1) Misura di E: Risoluzione intrinseca dei

calorimetro Calibrazione/uniformità del

calorimetro Pile-up

2) Misura di 12

Misura di posizione and direzione degli sciami em

Mis. del vertice di interazione zv

Calorimetri di ATLAS e CMS

• Calorimetro a Campionamento – diviso in strati di mezzi

assorbitore (Pb) e strati di materiali attivi (LAr).

CMSATLAS•Calorimetro omogeneo

•Unico mezzo usato come mezzo assorbitore e di scintillazione (PbWO4)

Caratteristiche ECAL• Formazione dello sciame

– Bremsstrahlung– Creazione di coppie – Compton (a basse energie)

• Lunghezza di radiazione X0

– distanza longitudinale dopo la quale un elettrone perde (1-1/E) della sua energia per bremsstrahlung;

– circa 25 X0 sono richieste per contenere (longitudinalmente) circa 99% dello sciame.

– Cammino libero medio di energetici ~ 9/7 X0

• Raggio di Moliere RM – scala per la dimensione trasversa dello sciame. – Es ~21 MeV– Ec = 570/Z, energia critica (alla quale la dE/dx per e per radiazione sono

uguali)– 90% dello sciame contenuto in 1 RM

• Luce emessa per unità di energia depositata• Lunghezza d'onda della luce emessa (importante per la scelta del PM)• Tempo di emissione

CMS• CMS

– piccola lunghezza di radiazione compatto

– piccolo raggio di Moliere granularità– luce di output bassa

• Amplification (noise), no PM tubes in B(4T)

– veloce bc rate

• ATLAS – meno compatto– no amplificazione del segnale– flessibilità, altà granularità– basso costo– uniformità– criogenia

ATLAS

ATLAS

Risoluzione :

• a termine “stocastico”, dovuto a fluttuazioni statistiche N termine di rumore elettronico + pileup ~ 100 MeV

• c termine costante – contributo dalle non uniformità del calorimetro < 1%

Termine stocastico: “a”

• Nei calorimetri omogenei, qualche % :– le fluttuazioni del numero dei fotoelettroni – contributi dal contenimento incompleto

• Nei calorimetri a sampling, 5-20%:– fluttuazioni nell'energia campionata nei piani attivi. Dipende dalle caratteristiche

(spessore, densità) dei mezzi attivi e passivi..

Lunghezza totale della traccia T0 X0 E/Numero di particelle prodotte N E/

• Copertura in :– 0 < || < 1.479 Barrel– 1.55< || < 3 Endcap

• Ermeticità: garantita da geometria non pointing (3° in e )

Dimensione dei cristalli:

longitudinale 25 X0 = 22.2 cm

Transversa 1 RM = 2.2 cm

95% dello sciame è contenuto in 2 RM

24x24x230 mm3 in the barrel,

30x30x220 mm3 in the end-caps

•uso di fotodiodi al Si a valanga per la rivelazione dei fotoni, vantaggi

•possono operare in campi magnetici alti (4T)•moltiplicazione alta (tra 50 e 200)

75000 cristalli

CMS : PbWO4

• Copertura in eta: 0 < || < 1.475 Barrel 1.375 < || < 3.2 Endcap

• Ermeticità: la geometria con elettrodi e assorbitori piegati a ‘fisarmonica’ garantisce una copertura totale senza zone morte nella coordinata azimutale

• Zone morte:1.4 < || < 1.55 : Transizione barrel / endcap

Posizionato al di fuori del solenoide

Granularità molto fine in delle strips

ATLAS: Pb+LAr

Strips

Middle

Back

Sampling Granularity x Depth

Strips 0.003 X 0.1 5X0

Middle 0.025 X 0.025 16X0

Back 0.05 X 0.025

2 to 10 X0 pitch 4mm

ATLAS LArGerbe

EM

e-

e-

e+

Plo

mb

E ~ 1kV/mm

Argonliquide

Ele

ctro

de

ions

e-

HTIphys

Funziona come camere a ionizzazione: segnale dato dalle cariche di ionizzazione

Il tempo di raccolta della carica dipende dalla velocità di drift, tipicamente è 400 ns (16 bc LHC!!!)

La soluzione consiste nell'integrare solo la corrente di ionizzazione in un tempo piccolo (40–50 ns), raccogliendo solo una frazione della carica prodotta. Puo' funzionare solo se il tempo di trasferimento del segnale dagli elettrodi al readout è molto piu' piccolo del tempo di integrazione e cio' richiede di minimizzare cavi e connettori.

cavi lunghi, trasferimento del segnale in decine di ns, spazi morti meno ermeticità

segnale estratto dagli estremi del calorimetro, lunghezza cavi e connettori ridotti. Spazi morti minimizzati. Per evitare che le particelle non vadano nel LAr si sceglie la geometria a fisarmonica.

drift degli e- induce il segnale sugli elettrodi di lettura

Risoluzione

• Calorimetri a sampling• termine stocastico tipicamente <= 10%. Questo limita il termine costante ad essere 1% e il termine di rumore dell'ordine di qualche centinaia di MeV.

•Calorimetri Omogenei•Termine stocastico di qualche % a causa delle minori fluttuazioni di campinamento. Bisogna avere un buon controllo delle sistematiche per il termine costante O(0.5%).

CMS EM cal (crystals):

ATLAS EM cal(liquid-argon/lead sampling calorimeter):

%7.0)(

25.0

)(

%10)(

GeVEGeVEE

E

%5.0)(

2.0

)(

%7.2)(

GeVEGeVEE

E

Risoluzione AngolarePer non dominare la risoluzione sulla massa dell'Higgs, la risoluzione angolare deve essere dell'ordine

•La misura degli angoli di incidenza puo' essere fatta dall' ECAL con buona accuranza. •C'è bisogno inoltre di misurare il vertice primario. La maggior incertezza è rappresentata dalla grande incertezza sulla posizione del vertice primario lungo l'asse Z (longitudinale al fascio), lo spread è di circa 6cm.

•Nel regime di bassa luminosità ci sono in media 1-2 interazioni per bunch crossing le tracce cariche possono essere usate per individuare il vertice. Impossibile ad alta luminosità (23 interazioni per bunch crossing)

•ATLAS•la posizione dello sciame è misurato in due posizioni

•CMS•Centro di gravità• tracce cariche in ID•endcap preshower

back

middle

strips

preshower

Primary vertex

Z direction

R direction

- angle

con ID Z (H)~ decine msolo EM Z (H)~ mm

Somma tracce ad alto ptconversione high lumi: 70% di efficienza

Separazione jet/

610jj 310

j

I jet possono essere discriminati studiando l'energia depositata nel calorimetro adronico,con criteri di isolamento, studiando la shape dei depositi elettromagneticiPuo' essere ridotto al 20% del BKG

irriducibile, costituito da eventi con 0.

fraction of en. in the core

• Il calorimetro e.m. deve essere in grado di rigettare 0

– ricostruzione di due sciamo e.m. vicini– CMS :

• granularità dei cristalli e tecniche di PE/NN• preshower + Si strips nelle endcaps

– ATLAS • EM cal strips

Separazione 0/

• I fotoni convertono prima di entrare nel calorimetro (prob 30% ATLAS)

– I due elettroni sono separati dal campo magnetico in

• A seconda del raggio di conversione, i due elettroni possono raggiungere il calorimetro nello stesso cluster o in cluster separati

– Piu' è alto il campo magnetico, maggiore è l'effetto

• Algoritmi di clusterizzazione usano cluster maggiori in

.

e+ e-

Atlas

Le conversioni sono ricostruite con l'inner tracker

– Ricerca di due tracce cariche opposte provenienti da un vertice comune– Il fotone ricostruito punta al vertice di interazione

I vertici di conversione danno un immagine "a raggi X" della distribuzione del materiale inerte

• Effetti sulla risoluzione (ATLAS)

PV from calorimeter only

PV from Inner Detector

+ calorimeter

High lumi 1034

Low lumi 2x1033

Low lumi 2x1033

H: ATLAS vs CMS

• ATLAS ha una peggiore risoluzione energetica ~(1.1 GeV/c2) rispetto a CMS (0.8 GeV/c2)

• ATLAS ha un miglior sistema di ricostruzione della direzione dei fotoni e del vertice primario. Efficienza maggiore.– CMS ha un grosso campo magnetico che fa perdere una buona

frazione di fotoni che convertono nel Tracker

• Sia ATLAS che CMS hanno circa la stessa potenzialita’

Canali Possibili

• produzione diretta– 2 isolati ad alto pt (40, 25 GeV)

centrali (<2.4)

– reiezione di jj, j, 0

•produzione associata (W/Z, tt)•sezione d'urto di produzione 50 volte piu' piccola •possibilità di migliorare S/B richiedendo 1 leptone isolato di alto pT•vertice puo' essere identificato con la traccia carica del leptone migliora la risoluzione in massa •bkg irriducibile Z, W, tt,bb, lepton FSR

•tagli su Rl, ml

•Significativo per alta luminosità•misura dei couplings Higgs-bosoni di gauge, Higgs-top

•produzione associata con jets•2 high pt isolati + 2 jets (Et>40 GeV) centraliRj per rigettare FSR da quark •VBF

VBF~0.1ggF

•canale t taggato da 2 jets forward (>2)/emisferi opposti in pseudorapidità devono essere tra i due jets

H + jetsH + 1 jet minore statistica ma migliore S/B, puo' migliorare la misura combinata.

H + 2 jets

mH=120GeV100 fb-1

Esclus

o da

LEP

(ATLAS TDR, 1999)

3 anni low lumi

1 anno high lumi

100 fb-1

100 fb-1

H+1jH+0j

ATLFAST/DC1

Signal: VBFSignal: gg Fusion

EW+DPS jjQCD jjjjj+jjjj

H+2jL = 10 fb-1

ATLAS North American SM & Higgs Workshop (28.04.06)

NLO MC significanza aumentata

Spares

Interazioni e/ con la materia

Photon Electrons and Positrons

PDG 2004 PDG 2004

A calorimeter for LHC environment

•ATLAS and CMS have been designed to:– Minimize the pile-up in:Minimize the pile-up in:

time: fast detector with a time response compatible with the bunch crossing distance 25/50 ns

space: high granularity thus high number of channels Radiation resistance: Radiation resistance: appropriate tecnique for each rapidity

range. Measurement of neutrinos (and Susy processes): Measurement of neutrinos (and Susy processes): high

ermeticity Use of performance on important channels Use of performance on important channels to define the

reuirement on calorimeter performance. For EM calorimeters H→ …

ATLAS and CMS makes different choices: ATLAS require segmented calorimeter to have redudant mesurement of angle

CMS relies on vertex reconstruction from tracking and point to homogenous calorimeter with very low stochastic term aiming for excellent energy resolution

Termine Stocastico

Lunghezza totale della traccia T0 X0 E/Numero di particelle prodotte N E/

Nei calorimetri omogenei le fluttuazioni sono piccole perchè l'energia depositata nei volumi attivi non fluttua evento per evento. Quindi la risoluzione è migliore della aspettazione statistica (fattore di Fano)

Ne calorimetri a sampling l'energia depositata nei mezzi attivi fluttua evento per evento, cio' limita la risoluzione.

# particelle che attraversano il mezzo attivo

per tabs non troppo piccolo

Raccolta del Segnale• I fotorivelatori sono dispositivi in grado di trasformare un segnale di

luce in entrata, in un segnale di natura elettrica in uscita.– I fotoni di luce incidono sul fotorivelatore; questi generano delle cariche

(coppie elettrone-lacuna o elettroni prodotti per eetto fotoelettrico).– La carica prodotta e raccolta e, nel caso sia presente un meccanismo di

moltiplicazione amplificata.– La corrente cosi prodotta interagisce con il circuito esterno, emettendo un

segnale di uscita.

•Fotomoltiplicatori • fotocatodo, responsabile del processo di conversione della luce in carica elettrica (effetto fotoelettrico)•sistema di dinodi (coppia di elettrodi con doppia funzione anodo-catodo) responsabile della successiva fase di amplicazione.•Le prestazioni del fotomoltipicatore sono inuenzate dalla presenza di campi magnetici

•Fotodiodi•di materiali semiconduttori di elevata purezza, opportunamente drogati•i fotoni, entrando, interagiscono con il mezzo e generano le coppie elettrone-lacuna•Nella regione di svuotamento le coppie elettrone-lacuna vengono separate grazie all'azione di un forte campo elettrico; questo campo trasporta le cariche verso i relativi elettrodi, che le raccolgono.

Materiale nei Trackers

• Electrons radiate photons in the material of the tracker:– Most energy is lost as low energy

photons

– But there are also hard brems with the emission of a single high pT and a substantial change in the electron direction (kink), especially if occurring at low radii

• The energy collected by the calorimeter is spread over many cells (along ) and in the worst cases can be collected as separate clusters:– The higher the magnetic field the

larger the effect

• Need a larger cluster size along

• In case of a single hard radiation the energy-weighted barycenter of the impact points of the electron and the in the calo lies on the extrapolation of the initial electron trajectory– Must be taken into account

when trying to match electron clusters and electron tracks

Dal TDR (1999) ad Oggi ...