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Rivelatori di Particelle 1

Lezione 23Lezione 23LHCb IntroduzioneLHCb Introduzione

Motivazione fisica:Motivazione fisica:Studiare la fisica del B con particolare riguardo alla violazione di CP ed alla determinazione degli elementi della matrice CKM.

PerchPerchéé ad LHC?ad LHC?Paragonato ad altri acceleratori, funzionanti o in costruzione, LHC è la più copiosa sorgente di B a causa dell’alta sezione d’urto per produrre coppie di b ed antib e dell’alta luminosità della macchina.P.S. la sezione d’urto a BABAR è ≅ 1nb mentre ad LHC è ≅ 500 µb.



La sezione d’urto totale pp a ~14 TeV è ~120 mb, ma si perde tutto l’elastico ed il quasi elastico nel tubo a vuoto σvis~80 mb.

La sezione d’urto per produzione di coppie di b e antib è ~500 µb i canali con produzione di b sono sommersi da un fondo di minimum bias.I canali interessanti di decadimento del B hanno “branching ratios” ~10-5 fondo da decadimenti comuni del B.



La luminosità di progetto di LHC è L=1034 cm-2s-1 R=σL=8x108 HzI bunch sono separati da 25ns il numero medio di interazioni per crossing è<n>=8x108x25x10-9=20!

Ridurre la luminosità per avere in media un evento per ogni bunch crossing.

( in media anche se <n>=1 ho nel 26% dei casi più di un evento per bunch crossing (Poisson)).

Proposta L(LHCb)=2x1032 cm-2s-1

323

36

279 105102

1010801025

1×=

×=

×××= −−L



Vantaggi (con luminosità più bassa):

L’apparato non è affollato ( si riduce il danno da radiazione)

Gli eventi sono dovuti a singole interazioni (meno pile-up) piùfacili da analizzare



Dimensioni di LHCb


Lezione 23Lezione 23LHCb Richieste per l’apparatoLHCb Richieste per l’apparato

1) Le coppie b antib (nelle interazioni forti si conserva la bellezza, quindi si producono in coppie) sono prodotte essenzialmente a piccolo angolo (seguono cioè la direzione dei fasci incidenti) e tendenzialmente dallo stesso lato

Spettrometro a piccolo angolo

θmin~15 mrad (beam pipe e radiazione)

θmax~300 mrad (prezzo)

Ovvero 1.88≤η≤4.89

Accettanza simile a quella che si avrebbe con un detector centrale (molto più grande)



Definizione di variabili.Definizione di variabili.

Normalmente nelle collisioni adroniche la produzione di quarks pesanti è caratterizzata da 2 variabili, l’impulso trasverso ai fasci e la rapidità

Spesso si approssima la rapidità con la speudo-rapidità η

−+

=//

//ln21

pEpEy

( )( )2tanln ϑη −=



Commenti.Commenti.

La produzione di coppie di b se plottata in η è uniforme (in questa variabile) piccolo o grande η è approssimativamente la stessa cosa. Ma: per alti valori di |η| (piccolo angolo) i b hanno impulso maggiore più facile osservarne i decadimenti (ovvero determinare vertici secondari).

LHCb è da un lato solo. Un apparato da tutti e due i lati ( sempre a piccolo angolo ) raddoppierebbe la statistica errore ridotto di 21/2. Però il costo èaumentato di un fattore 2 compromesso qualità costo si fa da un lato solo.

Determinazione del vertice secondario parametro d’impatto bb~(cτB)~ 450 µm

Il parametro d’impatto è indipendente dall’impulso della particella conviene avere particelle ad alto impulso perché riduco lo scattering multiplo (~1/p)



Concludendo 1) vogliamo con un apparato a piccolo angolo, raccogliere molti B (~1012 prodotti in un anno di presa dati) basandoci su particelle ad alto impulso trasverso e vertici secondari

Trigger efficiente e flessibileSpettrometro magnetico per la misura dell’impulsoTracciatore con elevata risoluzione e posizionato molto vicino alla zona d’interazione per la determinazione dei vertici secondari.

2) Cerchiamo decadimenti del B con B.R. ~10-5 necessaria una identificazione del tipo di particella per ridurre il fondo dovuto a decadimenti del B poco interessanti, ma più copiosi.



In breve serve :


Lezione 23Lezione 23Apparato (versione TDR)Apparato (versione TDR)


Lezione 23Lezione 23Apparato (versione Light)Apparato (versione Light)

Per questioni di costo e di troppo materiale l’apparato è stato ridisegnato nella versione light

Risultato: materiale sceso di un fattore 2 e apparato migliore


Lezione 23Lezione 23Apparato (versione Light)Apparato (versione Light)

Anche con un apparato light la vita non è semplice


Lezione 23Lezione 23Layout generaleLayout generale

Il punto d’interazione non è al centro della sala (caverna) per permettere un apparato (solo da un lato) lungo onde ricoprire piccoli angoli ( ~15 mr).Per determinare l’intervallo d’impulsi in cui deve operare lo spettrometro magnetico si è studiato il decadimento B0

d π+π− e B0s π+D-

s

Poche tracce hanno impulsi superiori a 159 GeV/c

Accettanza ridotta ad alti impulsi (le particelle restano nel tubo a vuoto.

Accettanza ridotta a bassi impulsi (troppo poche camere attraversate dalla particella)



Le richieste per il rivelatore di vertice possono essere illustrate dalla distribuzione della lunghezza di decadimento del B0

d π+π− (valor medio 1cm).



Riassumendo LHCb comprende:

◙ Rivelatore di vertice◙ Spettrometro magnetico (tracciatore + magnete)◙ Identificatore di particelle (rich)◙ Calorimetro elettromegnetico◙ Calorimetro adronico◙ Rivelatore di µ


Lezione 23Lezione 23Rivelatore di verticeRivelatore di vertice

Il rivelatore di vertice deve fornire una misura precisa delle coordinate delle tracce vicino alla regione d’ interazione, per ricostruire il vertice di decadimento del B e per misurare il parametro d’impatto delle particelle usate per “etichettare” il B.

Usato anche nel trigger di livello 1 per arricchire il contenuto di B dei dati.Installato in ROMAN POTS (dentro il tubo a vuoto) per poter andare a piccolo angolo.Spostato più lontano dal fascio durante l’iniezione.21 stazioni pari a 42 piani di silicio



Silici convenzionali

Ma disposti in maniera molto complessa

Misura di R e φ per la ricostruzione del parametro d’impatto.

Dimensioni variabili (minimo 40 µm) occupazione costante <0.75%

Elettronica di lettura fuori dall’accettanza

La strip più corta ~6 mm



Radiazione

• 1014 neutroni equivalenti /cm2/anno e non uniforme

• Scelta la tecnologia n su n che da studi con fasci di test sembra essere la più adatta per sensori di così alta risoluzione

• Possibilità di cambiare pezzi dell’apparato ogni anno



Tutte le particelle misurate a valle dello spettrometro passano almeno 3 stazioni del rivelatore di vertice (VELO). Ogni stazione è 2 dischi che misurano r e φ.

Risoluzione degli hit ~ 6÷10 µm.

Pile-up veto: i silici posizionati prima della regione d’interazione aiutano (al primo livello di trigger) a rigettare eventi multipli dallo stesso bunch crossing.

Readout analogico (12500 e- per un MIP) in quanto miglior controllo del danno da radiazione e miglior separazione segnale/rumore. I 222000 segnali pre-amplificati sono immagazzinati in una pipeline analogica in attesa della decisione del trigger di livello 0.


Lezione 23Lezione 23MagneteMagnete

Posto dopo il primo identificatore di particelle (RICH1) è un magnete superconduttore che assicura un alto campo integrato (4Tm) in una corta lunghezza.

Il campo è orientato in verticale ed ha un valore massimo di 1.1 T. La polarità può essere invertita, per poter eliminare eventuali asimmetrie dell’apparato che potrebbero introdurre un bias in misure di asimmetria di carica.

L’apertura del magnete è 4.3 m in orizzontale e 3.6 m in verticale.


Lezione 23Lezione 23TracciatoreTracciatore

Il compito principale del tracciatore è quello di fornire una ricostruzione efficiente delle tracce di particelle cariche ed una misura del loro impulso.Il numero di stazioni presenti è diminuito nella configurazione light (non ci sono più camere nel magnete)Ogni stazione è divisa in due parti:

Parte interna (inner tracking system) siliciParte esterna (outer tracking system) tubi straw

Il sistema di tracciatura fornisce un’accurata misura delle traiettorie delle particelle nel piano di deflessione (orizzontale) del magnete usando fili e strip quasi verticali. La ricostruzione tridimensionale delle tracce è ottenuta usando piccoli angoli stereo (±5o).Risoluzione: 150-200 µmElettronica: preamplificatore/discriminatore come quelli di ATLAS.Dati in pipeline


Lezione 23Lezione 23identificazione di particelleidentificazione di particelle

L’identificazione di particelle è fondamentale (specialmente la separazione di pioni da K) su tutto l’intervallo d’impulso di LHCb.


Lezione 23Lezione 23RICHRICH

Servono a separare K da pioni.

areogel

Camera di precisione

RICH1 RICH2


Lezione 23Lezione 23RICHRICH

Richieste per il fotorivelatore:


Lezione 23Lezione 23FotorivelatoreFotorivelatore


Lezione 23Lezione 23FotorivelatoreFotorivelatore

Cerchi visti con particelle


Lezione 23Lezione 23CalorimetriCalorimetri

Servono ad identificare elettroni ed adroni e misurare l’energia e posizione dei medesimi.Copertura da 30 a 300 mr.Il calorimetro e.m. deve anche ricostruire π0 e γ.La selettività richiesta al primo livello di trigger impone una segmentazione longitudinale del calorimetro 3 sezioni:

i. Preshowerii. Calorimetro elettromagnetico a shashlik (ECAL)iii. Calorimetro adronico a tegole di scintillatore


Lezione 23Lezione 23presciamatorepresciamatore

Serve ad identificare elettroni e fotoni a livello di trigger.Consiste in 14mm di spessore di piombo seguito da quadratini di scintillatore spessi 10 mm. I quadratini hanno dimensioni di 4,8,16 cm in modo da accordarsi con le torri dello shashlick. I quadratini sono letti da delle fibre wls accoppiate ad APD o fotomoltiplicatori multianodi.


Lezione 23Lezione 23ECALECAL

o Identificazione di elettroni (usata in vari livelli di trigger)o Misura dell’energia di elettroni e fotonio Ricostruzione dei pioni neutri

Accettanza θ(x)<300 mr θ(y)<250 mr (non puo’ andare troppo vicino alla beam pipe)Risposta in tempo <25ns (sta nel trigger di livello 0)Variabile in funzione della distanza dal tubo a vuoto per minimizzare l’affollamentoRisoluzione in energia ~10%/E1/2

Buona resistenza alla radiazione


Lezione 23Lezione 23ECALECAL


Lezione 23Lezione 23HcalHcal

Scopo del calorimetro adronico è fornire dati per il trigger. In particolare deve fornire l’energia trasversa di adroni isolati con alto impulso trasverso.

Deve migliorare la separazione elettroni adroni specialmente per particelle di alta energia


Lezione 23Lezione 23Spettrometro dei Spettrometro dei µµ

Costituito da camere e ferro .


Lezione 23Lezione 23TriggerTrigger

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