L’esperimento ALICE e il suo programma di fisica

protone-protone

Lab.Naz. Frascati, 24 Ottobre 2006

Marco Monteno INFN Torino

Workshop sui Montecarlo, la Fisica e le simulazioni a LHC

Motivazioni per un programma di fisica protone-protone in ALICE

• ALICE è nato come un esperimento dedicato per lo studio di collisioni di ioni pesanti

• Lo studio delle collisioni pp è necessario per stabilire un confronto con misure AA e pA– per definire una baseline di riferimento nello stesso

rivelatore, in modo da poter minimizzare gli effetti sistematici nelle analisi

• Nuovo regime di energia delle collisioni pp a LHC– Studio della fisica ‘soffice’ protone-protone (interazioni

forti, non solo nel limite di pQCD), con possibili sorprese!– Possibilità di capire meglio il background di UE per gli

altri processi rari studiati a LHC (top, Higgs, SUSY) tuning dei Monte Carlo

ITSLow pT trackingVertexing

TRDElectron ID (TR)

TOFPID

HMPIDPID (RICH) @ high pT

FMDCharged multiplicity

TPCTracking, PID (dE/dx)

PHOSγ, π0

Not shown: T0, V0, ZDC

L’esperimento ALICE

MUON μ-pairs

L3 Magnet 0.5 T

Upgrade per ALICE: EMCAL

• Calorimetro EM a sampling (design di STAR)

• Pb-scintillatore con risposta lineare – -0.7 < < 0.7– < <

• Risoluzione energetica ~15%/√E

• Primo supermodulo installato per il run 2008

• Accettanza ~ 50% per run 2009• Rivelatore completato per il run

2010

Accettanza di ALICE

Molteplicità: -3.7<η<5

Ricostr. di tracce (|η|<0.9): pT>0.1 GeV/c (pions)pT>0.3 GeV/c (protons)

V0 V0

TPC

SPDPixel di Si

V0 (e rivelatori ‘in avanti’)

ITS (6 strati di Si)

Identificazione di particelle

• Eccellente su un ampio intervallo di momento p

separazione @ 3 separazione @ 2

Con il suo sistema di rivelatori ALICE potrà misurare evento-per-evento il contenuto in sapore e la distribuzione nello spazio delle fasi degli eventi di alta molteplicità prodotti da collisioni di ioni pesanti ultra-relativistici a LHC:

• Misura su (2 * 1.8 unità di η) di: adroni (dE/dx + TOF), leptoni (dE/dx, radiazione di transizione) e fotoni (calorimetria EM ad alta risoluzione).

• Traccia e identifica particelle da pt molto bassi (~ 100 MeV/c; processi soft) fino a pt molto alti (~ 100 GeV/c; processi hard).

• Ricostruisce particelle short-lived (iperoni, mesoni D/B) tramite la rivelazione del vertice secondario (risoluzione sul parametro d’impatto è inferiore a 100 µm)

• Identifica jet

Caratteristiche generali di ALICE

Peculiarità di un programma pp per ALICE

• ATLAS e CMS sono esperimenti dedicati

• ALICE può effettuare misure di collisioni pp?– In pp basse molteplicità: il tracciamento offre

prestazioni migliori (in termini di efficienza e risoluzione) che con ioni pesanti

– Previsto un trigger Minimum Bias e un altro per eventi di alte molteplicità

• Che cosa rende ALICE speciale per pp?– Il basso pT cut off (~ 0.1 GeV/c)

• Basso campo magnetico (max. 0.5 T)• Basso spessore di materiale del tracciatore

(X/X0 ~ 10%)– Eccellenti capacità di identificazione di

particelle

• Quali svantaggi per essere un esperimento dedicato a misure con ioni pesanti?

– Concepito per basse luminosità (TPC è un rivelatore lento, max tempo di deriva = 88 µs)

Trigger Trigger Minimum bias • Richieste:

– Selezione di collisioni pp– Rejezione di collisioni beam-gas

• Def. logica del Trigger MB: SPD.FastOR & V0.OR & not V0.BG

– SPD.FastOR = OR globale tra tutti i segnali sui Pixel di SPD

– V0.OR richiede un segnale su uno dei due lati del V0

– V0.BG identifica collisioni beam-gas

• More details: ALICE-INT-2005-025 (J.Conrad, J.G.Contreras, C.E.Jorgensen)

Trigger di alta molteplicità

Soglia sul numero di canali accesi nel SPD si arricchisce il campione di eventi di alta molteplicità

nFO > 100nFO > 150

nFO > 200

Condizioni di luminosità per ALICE• Limiti alla luminosità per ALICE

– Fino a L = 2 · 1029 cm-2 s-1 1 collisione / tempo di deriva nella TPC Condizioni ideali !! Per L maggiori inizia pile-up di eventi nella TPC

– A L = 3 · 1030 cm-2 s-1 1 collisione / tempo di deriva nella Si-drift dell’ITS. In corrispondenza vi è un pile-up di 20 collisioni nella TPC.

tracciamento ancora fattibile (la TPC riesce a separare tracce di eventi diversi impilati), anche se il volume di dati è molto maggiore. Si può considerare la condizione di massima luminosità per ALICE.

– Luminosità nominale : L = 1034 cm-2 s-1 Non sarà alla portata di ALICE. Necessarie delle strategie per ridurre la luminosità. Per es. con defocalizzazione dei fasci nel Punto 2, oppure con un loro spostamento (collisioni tra le code dei fasci)

L(D) = L0 exp(–D2/42)

Installation offorward detectors

TPC installation- in L3 magnet

ALICE: piano delle installazioni fino al Day-1

TPC sector test-two sectors testedat point 2

(… as it looks now)

9-2007

LHC closure1-2008

Shutdown

One beam-injection energy 450GeV-beam-gas events-alignment & calibration

ITS installation

8-2006

First collisions -√s=900GeV-extend SPS results

Higher energy-new physics?

Allo start-up: bassa luminosità (< 6 · 1028 cm-2 s-1) Conditioni ideali per ALICE !!!

12-2006

La fisica dei primi giorni di LHC

• Configurazione di ALICE al Giorno-1– Barile centrale: ITS, TPC (completi) e TRD, TOF e

PHOS (parziali)– Trigger minimum bias– Rivelatori in fase di calibrazione ed allineamento

• Energia delle collisioni– 0.9 TeV

• Con un rate del DAQ di 100 Hz :– 3.6 M di eventi al giorno, assumendo 10 h al giorno

effettive di run

Prime misure: proprietà globali degli

eventi pp • Dopo l’accensione di LHC, con poche decine di migliaia di eventi sarà

già possibile determinare importanti distribuzioni: dN/d, d/dpT, etc.

(prima a 900 GeV, poi a 14 TeV).Claus Jorgensen

Mean pT vs multiplicity

Multiplicity distribution

pT spectrumof chargedparticles

Pseudorapidity density dN/dη

CDF:Phys. Rev. D41, 2330 (1990)30000 events at √s=1.8TeV9400 events at √s=640TeV

UA5:Z. Phys43, 357 (1989)6839 events at √s=900GeV4256 events at √s=200GeV

CDF:Phys. Rev. Lett.61, 1819 (1988)55700 events at √s=1.8TeV

CDF:Phys. Rev. D65,72005(2002)3.3M events at 1.8TeV2.6M events at 630GeV

Densità di particelle in pseudorapidità

Produzione di particelle cariche primarie a η=0:

dN/dη|η=0=a+b×log(s)- Feynman: PRL23,1415(1969)

dN/dη|η=0=a+b×log(s)+c×log2(s)-Termine log2 dovuto a processi hard (Phys Lett B121,209(1983))

Domande aperte in fisica pp

• Come evolvono con l’energia i meccanismi di produzione di particelle? (% di processi soft o hard)

• Come funzionano i processi di adronizzazione? Produzione di mesoni/ barioni, risonanze…

• Quanto conosciamo la frammentazione di partoni? E’ universale? Quanto è cruciale tener conto della flavor dependence quando si fanno calcoli nel framework del teorema di fattorizzazione?

• Quali potenzialità da ALICE nello studio di jet, non solo in PbPb (jet quenching), ma anche in pp, in virtù delle caratteristiche dei suoi rivelatori?

• Quali potenzialità nello studio della produzione di heavy quark a basso pT, e di heavy quarkonia?

• Fisica diffrattiva; ricerca di particelle esotiche, etc…

Per continuare le ricerche avviate alle precedenti generazioni di collider adronici (da ISR, a SppbarS, fino al Tevatron). E più recentemente a RHIC (rivelatori per Heavy Ions, con analogie di design con ALICE) su collisioni pp a GeV200s

Altre misure possibili con ALICE

Analisi di jet e underlying eventCome in CDF: PRD65, 092002(2002), PRD70,072002 Analizzando molteplicità e pT di adroni carichi in regioni intorno

al jet (a seguire: utilizzando ET di EMCal). Tuning dei MC (multiple parton collisions)

Proprietà di jet da correlazioni tra coppie di adroniCome in PHENIX: hep-ex/0605039

estrazione del momento trasverso jT della frammentazione del jet e del momento trasverso partonico kT

Un ricco programma di fisica dei processi soffici(produzione di particelle) e fisica del flavour: Spettri in pt: π,π0, K, KS

0,p , Λ, Ξ, Ω, μ… Asimmetrie barioni/anti-barioni Risonanze (per es. K*(892) e Λ(1520) ) Produzione di prompt Produzione di Heavy Flavours (mesoni D, B...) J/Ψ and Υ (nei canali di decad. in e+e- o μ+μ-) Fisica diffrattiva (rapidity gaps) Correlazioni HBT Produzione di mini-Buchi Neri da Large Extra Dimensions

Talk di D. Stocco

Talk di A. Dainese

pT range (PID o limite stat) per 1 anno: 107 ev. centrali Pb-Pb (o 109 ev. pp min. bias)

, K, p: 0.1- 0.15 50 GeV (usando la relativ.rise di dE/dx nellaTPC) Particelle instabili (decad. forti o deboli) : fino a 10-15 GeV

Mid-rapidity

Range di identificazione di particelle in ALICE (in un anno)

Produzione di stranezza in pp a RHIC

La produzione di stranezza non viene riprodotta da calcoli LO (contrariamente alla produzione di pioni). Necessarie correzioni NLO.

STAR, nucl-ex/0607033 Dati pp a GeV200s

Calcoli NLO di spettri di barioni strani

AKK, hep-ph/0502188, Nucl.Phys.B734 (2006)G. Abbiendi et al. (OPAL Coll.) Eur. Phys. J. C16, 407 (2000)

Il calcolo NLO di AKK (Albino-Kniehl-Kramer) include FF ricavate da dati di OPAL ‘light quark flavor-tagged’

Ricostruzione di in ppcon ALICE

Statistica 1 anno = 109 MB events

> 106 Λ ricostruite

Spettri di adroni non strani

Gli spettri di pioni sono in accordo con LO pQCD (PYTHIA, e modello EPOS con multiple parton scattering).

Gli spettri di protoni invece richiedonocalcoli NLO à la AKK (parametrizzazione‘flavor-specific’ delle FF dei barioni).

STAR Coll, PLB 637 (2006) 161

Spettri in pT di π0: da RHIC a LHC

ALICE Start up scenario:

2 moduli PHOS (=40, y=0.25)

-- p+p run @ L=1030 cm-2s-1,

T=10 gg=8.6105 s LT= 8.6 108 mb-1

75 counts75 counts

5050

3 103 1088 counts counts

Spettri in pT di : da RHIC a LHC

ALICE Start up scenario:

2 moduli PHOS (=40, y=0.25)

-- p+p run @ L=1030 cm-2s-1,

T=10 gg=8.6105 s LT= 8.6 108 mb-1

15 counts15 counts

3535

3 103 1066 counts counts

Identificazione di jet in ALICE

• Misura dell’Energia del Jet– Nel suo design originale, ALICE misura solamente le particelle cariche con i

suoi rivelatori centrali di tracciamento (e energia elettromagnetica nel PHOS)

– Il Calorimetro EM (EMCal) proposto per ALICE ne migliora in modo significativo le performance:

• Fornisce un efficiente trigger per jet di alta ET su di un ampio intervallo di ET

• ET viene misurata con minore bias e migliore risoluzione• Migliore definizione della funz. di frammentazione: pt/ET

• Esteso il pt reach per lo studio della frammentazione del jet che rincula da un fotone e per le correlazioni fotone-fotone

• Eccellente identificazione di elettroni di alto pt per lo studio di jet di heavy quark

• La misura della Struttura del Jet è molto importante– Richiede buona analisi in momento da ~ 1 GeV/c a ~ 100 GeV/c– E quindi ALICE può offrire eccellenti prestazioni

• Le misure in pp e pA sono essenziali come baseline di riferimento!

Produzione annua di jet in ALICE e ET reach

Misura inclusiva di jet e dijet:

Misure robuste delle funzioni di frammentazione (~104 eventi) fino a PT ~ 200 GeV/c con un trigger nell’accettanza dell’ EMCal

EMCAL estende significativamenteil range cinematico delle misuredi jet, oltre i 100 GeV.

Effetto del trigger di jet con EMCAL

Jet yield in bin di 20 GeV

Grande guadagno in statistica a causa del trigger di jet

Estensione del reach statistico per tutti i sistemi

Jet trigger

STAR EMCal+TPC Jet Cross section measurement at 200 GeV hep-ex/0604001

In ALICE si può usare lo stesso algoritmo di analisi

Tagging di jet con fotoni ALICE-INT-2005-014, HCP 2005 proceedings

min max

R

IP

PHOS

EMCal

TPC

Correlazione -jet– E = Ejet

– Direzioni opposte

Energia del fornisce una misura indipendente dell’energia del jet Svantaggio: basso rate !! Ma... È specialmente interessante nel range intermedio (decine di GeV) dove i jet non sono identificati In AA i fotoni diretti non sono perturbati dal mezzo nucleare

Processi dominanti:

g + q → γ + q (Compton)

q + q → γ + g (Annichilazione)

pT > 10 GeV/c

Ricerca di mini-Buchi Neri in ALICE

Non è fisica del primo anno…

Humanic, Koch, Stoecker, hep-ph/0607074

Sommario

Lo studio dei fenomeni di basso pT a LHC è necessario per comprendere i meccanismi di produzione di particelle, che non sonotuttora bene compresi.

ALICE risulta complementare agli altri rivelatori di LHC in quanto è ottimizzato per misure con Ioni Pesanti, e quindi per lostudio di processi soffici (ma può effettuare interessanti misure anche di particelle di alto pT e jet)

ALICE giocherà un ruolo importante a LHC per la fisica pp: aprendo una finestra unica sulla fisica soft (bassi pT) offrendo eccellente identificazione di particelle nella regione centrale

Durante il primo run a 900 GeV verranno raccolti circa 107 eventiMinimum Bias , superando i limiti (in statistica, molteplicità massima e pT reach) degli esperimenti al collider SppbarS.

Backup slides

STAR e PHENIX al RHIC

• Osservabili adroniche • Larga Accettanza, Jet• Analisi Evento-per-Evento

STAR Campo magnetico solenoidale

Tracciamento su grande con TPC e Si-vertex;

RICH, EM Cal, TOF

PHENIXCampo magnetico assialeAlta risoluzione & Rates

2 bracci centrali, 2 in avanti TEC, RICH, EM Cal, Si, TOF, -ID

• Leptoni, fotoni & adroni • Rivelazione simultanea di vari fenomeni di transizione

Baryon/Meson ratio @ 630 and 1800 GeV(Boris Hippolyte, Hot Quarks 2006)

Extracting mixed ratio from UA1 spectra (1996) and from CDF spectra (2005)

Ratio vs pT seems very energy dependent (RHIC < SPS > FNAL ?)

Where resolution also matters

Full simulation of Jet Resolution versus Jet Energy

pp (R=1 PTcut = 0) => 15%

pp jet resolution study