LUMINOSITA’

M. VillaBologna, oggi

2

Organizzazione

• Luminosità, sezioni d’urto, eventi• Misure di luminosità macchina• Misure di luminosità integrate• Misure di luminosità tramite canali noti• Misure di luminosità istantanea• Problemi aperti e conclusioni

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Organizzazione

• Luminosità, sezioni d’urto, eventi• Misure di luminosità macchina• Misure di luminosità integrate• Misure di luminosità tramite canali noti• Misure di luminosità istantanea• Problemi aperti e conclusioni

4

Luminosità, sezioni d’urto, eventiIn una macchina acceleratrice, la luminosità è uno dei parametri

fondamentali per caratterizzarne le prestazioniIn una macchina acceleratrice, la luminosità è uno dei parametri

fondamentali per caratterizzarne le prestazioni

Dati due fasci collidenti di particelle di sezione d’urto totale tot

che forniscono un tasso (rate) di collisioni dNdt

Si definisce luminosità istantanea la quantità L tale chetot

dN Ldt

La luminosità istantanea di un acceleratore è definita dalnumero di particelle collidenti per unità d’area e per unità ditempo.

2

1

( )t

t

L t dtL

La luminosità integrata è definita dall’integralerispetto al tempo della luminosità istantanea.

2 2 2

1 1 1

t t t

tot tot tott t t

dNN dt L dt Ldtdt

L

L

5

LHC

• Tipicamente 2808 bunches da 4x1010 p32 2 16,5 10L cm s (7 ) 100 pp

tot TeV mb

7 16,5 10totdN L sdt

/

7

1

6,5 1011 28082, 2

pp BXB

dNdt fN

HzkHz

/ 32pp BX

24 2 28 21 1 10 10barn b cm m

6

Motivazioni di una buona misura

Consente di monitorare le prestazioni della macchina e le condizioni distabilità dei fasci collidenti.

La luminosità istantanea fornisce informazioni sul tasso di eventi, mentre quella integrata sul numero totale di eventi.

Permette di determinare la sezione d’urto di un processo fisico: R=L

Test di modelli di produzione di quark pesanti (tt, bb, cc). Fornisce una normalizzazione globale per le analisi di fisica,

necessaria per studi di nuova fisica. Misura delle Funzioni di Distribuzione Partonica (PDF). Calcolo della sezione d’urto totale pp, confronto con i raggi cosmici. Etc.

7

Motivazioni 2

Sezione d’urto totale pp. Errori sistematici dominatidalla luminosità.

L/L=10%

L/L=5%

Da 40 a 120 mb nell’intervallo

costante( )pptot s

1 20000GeV s GeV

8

Probabilità di urti

Area=A

R2R

2 2(2 ) 4S R R Probabilità di interazione 1;1: 1;1SPA

Sia Nb il numero di protoni bersaglio.Probabilità di interazione Nb;1:

;1b

bN

N SPA

Sia Nf il numero di protoni del fascio.Probabilità di interazione Nb;Nf:

;b f

b fN N

N N SP

A

9

Sovrapposizione di due fasci gaussiani

x

y 221 12 21( , )

2x y

x x y y

x y

dNg x y N edxdy

; ( , ) ( , )b f

b fN N b f

dN dN SdP g x y g x y SdA

dA

; ; ( , ) ( , )b f b fN N N N b fP dP g x y g x y SdA

221 12 21

4

b f b f

x y

x x y y

b fx y

N N e S

Sia f la frequenza di incontro dei fasci(f=40 MHz)22

1 12 21

4

b f b f

x y

x x y y

b fx y

dN fN N e S LSdt

4

b f

x y

fN NL

Fasci gaussiani

centrati

Asse z: asse del moto del fascio

piano perpendicolare al moto

10

Altre formule - I• LHC ha 3564 bunches di cui solo una frazione riempiti con

protoni1 2

1,3564

4

Orbit i ii

x y

f N NL

Frequenza di rivoluzione11Orbitf kHz

*

21 21

4 4

bkOrbit i ii b

x y N

f N N f k NL

Nxi = numero di protoni nel bunch i del fascio x; f=frequenza di rivoluzione=velocità della luce/lunghezza accelleratore; x,y=dimensionitrasverse del fascio nel punto di impatto (IP); Kb = numero di bunch pieni; *=funzione al IP; N=xy/* emittanza normallizzata; =E/mp (~7460)

11

Altre formule - II

L 1 22

eff

I Ice h

I1, I2 correnti del fascio,

heff parametri geometrici del fascio

1 2

4Orbit b

x y

f k N NL

Kb = numero di bunch pieni;

Nx = numero di protoni per ogni bunchriempito del fascio x;

b i iek N Q Carica totale nel fascio i-esimo

ib i Orbit b i i

acc

Q cek N f ek N IT l

Corrente totale nel fascio i

21 1 2 1 22 24 4

Orbit b acc acc

x y b Orbit b x y b eff

f k I l lI I I I ILek f ek c ce k ce h

12

Organizzazione

• Luminosità, sezioni d’urto, eventi• Misure di luminosità macchina

(Metodi diretti sulle proprietà del fascio)– Metodi di Van der Meer– Monitor in avanti sui neutri– Beam gas

• Misure di luminosità integrate• Misure di luminosità tramite canali noti• Misure di luminosità istantanea• Problemi aperti e conclusioni

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Metodo di Van der Meer IDati 2 fasci di particelle di forma gaussiana NON centrati, la luminosità vale:

Metodo di van der Meer:Misurando il tasso di conteggioin funzione della posizionerelativa tra i fasci si ottengonodelle gaussiane da cui ricavarele dimensioni trasverse deifasci stessie si puo’ trovare la condizionedi massima sovrapposizione:

2 22 21 1 1 12 2 2 2

max1

4

b f b f b f b f

x y x y

x x y y x x y y

b fx y

L fN N e L e

,b f b fx x y y

,x y

x

dNdt

fx

y

fy

dNdt

14

Van Der Meer II

2124

x

xx y

g gL e

zg

1 21 2

eff2eff

1 2

(x) dx (x) dxI I(t) , h ( x)

ce h ( x) (x)g (x) dx

Dati 2 fasci di particelle di eguale altezza e larghezza centrati in y, e spostati di una quantità ∆x in x, si puo dimostrare che:

Metodo di van der Meer:Misurando il tasso di conteggio in funzionedella distanza verticale h tra i due fasci,si ottiene una curva che ha un massimoper ∆x =0.

Van der Meer dimostrò che:

x 0effarea sotto la curvah

valore della curva a

Scan 26/04/2010: X, Y

50x m

15

BRAN: LHC collision rate monitor

L

221 2b1 b2 rev b 1 2

2 2 2 22 2 2 2x1 x2 y1 y2x1 x2 y1 y2

(y y )N N f k (x x )exp2(σ σ ) 2(σ σ )2π (σ σ )(σ σ )

Beam offsetsBeam parameters

Troppi parametri per determinare la luminosità dalle osservabili del fascio è necessario un monitor dedicato. BRAN misura il tasso di collisioni rivelando ilflusso in avanti delle particelle neutre generate dalle interazioni.

Errore previsto ~ 10%

N.B. Per determinare la scala delle distanze sono

necessari gli esperimenti !

16

BRAN: i rivelatoriIl rivelatore utilizzato deve essere in grado di:

1. Sostenere alte dosi di radiazione (1 Ggy) 2. Fare misure bunch per bunch (40 MHz)

Si sono adottate due tecnologie diverse, ognuna delle quali performante su uno dei due punti.1. Atlas & CMS : fast ionization chamber

formata da 7 piatti paralleli con celle di gas di spessore 1mm e superficie 90x90 mm2. Il rivelatore è inserito in un contenitorealla pressione di circa 10 bar (94% Ar e 6% N2).

2. Alice & LHCb : sensori a stato solido (CdTe)rivelatori policristiallini Cadmium‐Telluride con 

dischi di diametro di 16 mm e spessore di 380 m.

17

LHCb: il metodo del beam gas dtxdt,xρt,xρφ/2cosNNf 3

212

21

L misurato dal gruppo AB misurato da LHCb

~30

Hz

per

bunc

h

<1% statistical uncertaintyafter few minutes.

Zpv (mm)Ev

ents

10-7 mbar Xe1011 p/bunch

--- beam1-gas... beam2-gas___ beam/beam___ sum

Il metodo:

Iniettare una piccola quantità digas (per es. Xenon) nella regione del rivelatore di vertice.

Ricostruire i vertici dellainterazione tra il bunch e il gas .

determinare gli angoli dei fasci,i profili e le posizioni relative.

calcolare l’integrale disovrapposizione.

Necessità di Run dedicati: passo iniziale: usare il gas residuo.

18

LHCb: il metodo beam-gas (II)

Simultaneamente si possono ricostruire i vertici bunch-bunch e calibrare unasezione d’urto di riferimento (es. Z+-).

Il canale di riferimento potrà quindi essere utilizzato per monitorare la luminosità in maniera continua durante i Run di fisica.

Velo testbeam 2006(2 targets)

84mm

19

Organizzazione

• Luminosità, sezioni d’urto, eventi• Misure di luminosità macchina• Misure di luminosità integrate

– Teorema ottico– Scattering elastico in avanti

• Misure di luminosità tramite canali noti• Misure di luminosità istantanea• Problemi aperti e conclusioni

20

Ottica della diffusione

( ) ikzin z e

( ) ikzout z e

( , ) ( )ikr

scatter fr

tot out scatt

2

0

( , ) (2 1) ( 1) (cos )2

lil ikr ikrtot l l

l

ir l e e e Pkr

2 li

le Effetto dell’urto

2

0

1 1, 0 ( , ) (2 1) ( 1) (cos ) ( , )2

li l ikr ikr ikzl l l tot l in

l

ie l r l e e P e rkr

2

10

11 (2 1) (cos ) ( )2

liikr ikrl

scatt tot out ll

ee el P fr k i r

Urti elastici:22

2 22

0

14( ) , ( ) (2 1)2

lil

ell

ed f f d ld k i

Assenza di fenomeni di assorbimento: 22

0

41 (2 1)sinl el ll

l lk

z

r

Trattazione nonrelativistica

21

Teorema otticoSezione d’urto di reazione o sezione d’urto inelastica

2 2 2 22

0

0 1 (2 1)(1 )outgoing outgoingl inel in out l

l

r d lk

20

2 (2 1)(1 cos 2 )tot el inel l ll

lk

Sezione d’urto totale

2

0

11( ) (2 1) (cos )2

lil

ll

ef l Pk i

2

0

11(cos 0) 1 (0) (2 1)2

lil

ll

eP l f lk i

0

1Im (0) (2 1) 1 cos 22 l l

lf l

k

20

2 4(2 1)(1 cos 2 ) Im (0)tot l ll

l fk k

Teorema ottico:

Teorema ottico: la sezione d’urto totale è collegata alla parte immaginaria dell’ampiezza di diffusione a 0 gradi

Interpretazione fisica: unitarietà della diffusione

22

Diffusione elastica in avanti

1p

1 fp 22 2 21 1 1 1 0( )f ft E E p p k

2 2

0

( ) , (0)d df fd d

2 2 20cos , cos 1 / 2 / 2 /(2 )d d d d d d dt k

2

0 0

1 22 t

d dkd dt

2 2 22 2 2

0 0

(0) Re (0) Im (0)t

d d f f fdt k d k k

posto Re (0)Im (0)

ff

2

2 2 2 22 2 2

0 0

1(0) 1 Im (0)16 tot

t

d d f fdt k d k k

22

0

116 tot

t

ddt

Teorema ottico

23

Scattering bosone vettore

σpp

ρpp

Principali caratteristiche: sezione d’urto “costante” vs spiccolo valore di

p

p

p

XJ 2 2( ) (ln )Js s O s

1J

24

TOTEM: estrapolazione a t=0

22

0

116

eltot

t

el inelev tot el inel ev ev

ddt

N N N

L L

22

0

116

ev

el

t

evtot

NdNdt

N

L =

L

In un run dedicato, misurando il numero di urti totali Nev ed il numero di eventi di scattering elastico in avanti èpossibile ricavare sia la luminosità totale del run cheσtot• Nev = misura dell’interazione totale

➡ grande copertura in accettanza |η|~ 7-8• Nel = protoni deflessi a piccolo angolo

➡ molto vicino alla linea di fascio• ρ = Re F(0)/Im F(0) noto con sufficiente accuratezza da non

alterare la misura per più dello 0.5%

0/el t

dN dt

25

Sezione d’urto elastica in avantip

p

p

XJ

2 2Jd sdt

1 1 / 2J at tb

Poli di Regge: J continuo

Eq. evoluzione

lnb t se

lnbt bt sd s edt

26

Scattering in avanti

22

0

( ) ( ) ( )C N

t

d f t f t f tdt

In avanti si sente anche il contributo dello scattering coulombiano. L’urto è in parte coulombiano ed in parte nucleare

min

2 2( )C EM EMf tt t t

2 2ln ln( ) (0) Re (0) Im (0)b bt s t sN N N Nf t f e f i f e posto

Re (0)Im (0)

N

N

ff

2

2ln

0

24

b t sEMtot

t

d i edt t

2 2ln ln( ) Im (0)4

b bt s t sN Ntot

if t i f e e

Teorema ottico

Il contributo coulombiano domina per valori di t attorno a 0.001 GeV2

27

Scattering elastico a 14 TeV

Regione esponenziale

Quadrimomento trasferito

14 TeV

28

Scattering a piccoli angoliSezione d’urto B(t)B(t) ted A

dt 14 TeV:

adronico e coulombianosolo adronico

18<B(t)<21 GeV-2

* = 1540 m: |t|min = 0.001 GeV2

* = 11 m: |t|min = 0.4 GeV2TOTEM ATLAS * = 2600 m: |t|min = 0.0006 GeV2

29

Conteggio di eventi in avanti

momento trasferito -t ~ (pθ)2

θ = angolo di scattering p = momento del fascio

L, σtot , b, e ρ estratte simultaneamente dal FIT nella regione di Coulomb-

Nuclear Interference (CNI)

2/ 2

0

24

btEMtot

t

dN i edt t

L

30

T1 T2CASTOR

RP1 (147 m) RP2 (180 m) RP3 (220 m)

10.5 m~14 m

Forward Detectors @ CMS/TotemForward Detectors @ CMS/Totem

HF

+ FP420 ?

ZDC

CMS detectors:Hadron Forward Calorimeter HF: 3 ≤|| ≤ 5Castor Calorimeter: 5.2 ≤|| ≤ 6.5Beam Scintillation counters BSCZero-Degree Calorimeter ZDC

TOTEM detectors:T1 (CSC) in CMS endcaps, T2 (GEM) dietro HFT1 + T2: 3 ≤ || ≤ 6.8Roman Pots con Si det.

31

TOTEM: Roman Pots e rivelatori al Si

Horizontal pot Vertical potBPM

TOTEM RPs pronte, in fase di installazione

• Proton detection a una distanza minima di 10fascio + d (bordo fisico del rivelatore)

• Necessari rivelatori edgeless per minimizzare d: Silicon strip edgeless detectors (bordo di ~50m)

• fascio ~0.1 – 0.5 mm (a seconda dell’ottica)

• Risoluzione ~20m

32

ATLAS: ALFA detectorTracciatore a fibre

Regione di interferenza Coulomb-Nucleare|t| ~ 0.00065 GeV2 o ~ 3.5 rad

Rivelatore vicino alla beam pipe (1.5 mm) Elevata risoluzione spaziale (< 100 m, goal 30 m).

Assenza di area inattiva

33

ALFA

per εN = ε/γ~ 1µm rad e mantenendo una distanza di sicurezza di 15σ dal fascio ènecessario β~ 2600m , fascio largo con piccola divergenza

• Misura lo scattering elastico pp ad angoli ~μrad → Coulomb-Nuclear Interference region (fC ≈ fN ) → -t ~ 6.5 10-4 GeV2;

• Problema: il fascio deve avere una divergenza intrinseca minore degliangoli che si vogliono misurare (~μrad)

• Vincoli: teorema di Liuville.Lo spazio delle fasi ha volume costante

, , costantex y x rms y rms

34

ALFA Sensitivity

Inelastic

ElasticStrong

ElasticEM

ALFA

35

Misura della luminosità e tot (2)

Run tipicamente di 1 giorno (per avere statistica sufficiente):• misura del rate inelastico Ninel

(dominato dal background e dalle sistematiche sul trigger);• misura del rate elastico Nel ed estrapolazione di dNel/dt a t = 0 (punto ottico)

(dominato da sistematiche model-dependent).• parametro non noto, dall’estrapolazione di COMPETE:

errore relativo[1 / (1 + 2)]:

0058.00025.0 .00150 1361.0

*=1540m 90m0.8 % 0.8 %

< 1 % < 10 %

0.16 %

TOTEM

ATLAS - ALFA *~2600m

-tmin~10-3 GeV2

L~1028 cm-2s-1-tmin~310-3 GeV2

L~1030 cm-2s-1

-tmin~610-4 GeV2

L~1027cm-2s-1

Misura del rate elastico nella zona di interazioneCoulumb- Nucleare e fit dei parametri L, tot, r e b

∆L/L ~ 3%

36

Misura assolutaTOTEMMisura di L e tot attraverso il Teorema Ottico*=1540m (luminosità tipica L ~ 1028 cm-2 s-1 )Accettanza in |t| sino a 0.001 GeV2 ottimale per l’estrapolazione di d/dt a t=0Errore sull’estrapolazione ben al di sotto dell’1% → errore finale ~1%

*=90m (luminosità tipica L ~ 1029 – 1030 cm-2 s-1 )Accettanza in |t| sino a 0.03 GeV2 copre abbastanza bene la regione esponenziale di d/dtMaggiore dimensione del fascio rende l’errore sistematico sulla posizione meno critico (t/t y/b )Errore sull’estrapolazione dell’ordine del 5-10%*=90m più facile da ottenere partendo dall’ottica a 11m → ideale per i primi runs

ATLASMisura nella regione di interferenza*~2600m (luminosita’ tipica L ~ 1027 cm-2 s-1 )Accettanza in |t| sino a 0.0006 GeV2 , nella regione di interferenzaFit di L, tot , b, e Errore finale ~3% (dal 2011)

37

Organizzazione

• Luminosità, sezioni d’urto, eventi• Misure di luminosità macchina• Misure di luminosità integrate• Misure di luminosità tramite canali noti

– QED (come LEP: Babha)– EW (Z, W) and QCD– Inelastici

• Misure di luminosità istantanea• Problemi aperti e conclusioni

38

Misure su canali notiMetodoMetodomisuramisura delladella luminositluminositàà a a partirepartire dada unauna sezionesezione

dd’’urtourto notanota

con con efficienzaefficienza == geomgeom triggertrigger selsel recoreco

•• Interazioni elettromagneticheInterazioni elettromagnetiche– pp (p+*)+(p+*)p+(ll)+p

•• Interazioni Interazioni elettrodebolielettrodeboli Z, W Il goal è (stat+ sist)

•• Interazioni forti Interazioni forti --> > luminositaluminosita’’ istantanea istantanea – QCD, Inelastici, ….

Il goal è (sist)

mis missig backN - N

×

L

L

L/L ~ 1%

L/L ~ 3%

mis missig backN - N×

LL

39

Fotoproduzione di coppie p

p

•QED Pura• Ben conosciuta teoricamente• Assenza di interazioni fortinello stato finale• re-scattering pp puo’ esserestimato• Sezione d’urto conosciutameglio del 1%

Problemi: La cinematica dell’urto favorisce una produzione di coppie lungo la linea di fascio, di bassa massa invariante e quindi piccoli impulsi trasversi dei muoni difficile fare un trigger sul segnale

40

Dimuoni ad ATLAS e CMS

(rad)(pT1 -pT2)/pt

I fondi sono ridotti con tagli I fondi sono ridotti con tagli offlineoffline su su e (e (ppT1T1--ppT2T2) (17%).) (17%).

((μμμμ) ~1pb (~ 0.01 Hz a ) ~1pb (~ 0.01 Hz a LL =10=103434 cmcm--22 ss--11) ) L >L >10103333 cmcm--22 ss--1 1

•• segnalesegnale: : coppiacoppia μμμμ concon

mmμμμμ ~ ~ GeVGeV, , ppTT((μμμμ) ) ≃≃ 00ppTT((μμ))≳≳ 5 5 GeV/cGeV/c, |, |ηη((μμ)|<2.5,)|<2.5,

•• FondiFondi: : DrellDrell--YanYan DecadimentiDecadimenti semileptonicisemileptonici deidei

quark quark pesantipesanti

Segnale

Fondo

L/L ~ 2% per 10 fb-1

41

Dimuoni ad LHCb(μμ) ~88 pb mμμ ~ GeV

– pT(μμ) > 0.9 GeV/c– pT(μ)≳ 7 GeV,– 1.6 <|η(μ)|< 5 mμμ pT(μμ)

segn

ale

fond

o

fond

o

L/L ~ 2% per 1 fb-1

42

Interazioni elettrodeboli Z, W

) ( l

• Vantaggi:– Canali molto puliti, basso bkg– Fisica nota– LHC è una Z-factory, W-factory– Applicabilità già a 10 pb-1

• Svantaggi:– incertezze pdf– Efficienze di ricostruzione

non note all’inizio

20Hz20HzW W

2Hz2HzZ Z

L= 1033 cm-2s-1

43

Sezione d’urto di produzione Z (W)

21 2 1 2 1 2

( ) ˆ( , , ) ( ) ( )ab FabF

d pp Z x x Q ab Z x x x dx dxdx

2 2 21 2 1 2( , , ) ( , ) ( , )ab a bx x Q f x Q f x Q

Modello partonico: ogni partone nel protone trasporta una frazione di impulso iniziale.Partoni: quark di valenza, quark e antiquark del mare, gluoni

•• CalcoloCalcolo teoricoteorico delladella sezionesezionedd’’urtourto disponibiledisponibile per NNLOper NNLO

nbZpp 019.0972.1)/( *

44

Incertezze nella sezione d’urto partonica

Le bande indicano l’incertezzaottenuta variando la scala dirinormalizzazione (mR) e difattorizzazione (mF) nell’intervallo

MZ/2 < (mR = mF) < 2MZ

At LO: ~ 25 - 30 % x-s error At NLO: ~ 6 % x-s error At NNLO: < 1 % x-s error

Anastasiou et al., Phys.Rev. D69:094008, 2004

Lo sviluppo perturbativo sembra convergere e l’incertezza sulle scale di rinormalizzazione e fattorizzazione sono a livello del 1%

45

Incertezze nelle PDF

Z,W @ LHC: 10-1 > x > 10-4

Antiquark del mare e gluonidominano i processi diproduzione di bosonivettore

Distribuzione gluonica a basso x è molto importante(e poco nota)

Regione nota con poca statistica

46

Incertezze nelle PDF

Contributo all’errore sullasezione d’urto W/Z: 4-8%

E’ un contributo destinato a ridursi a seguito delle misure ad LHC.

Obiettivo: incertezza(PDF) <1%

47

Z a CMS• Metodo di misura 3 campioni indipendenti di ricostruzione della Z → +-

così da stimare insieme anche le efficienze di ricostruzione e ridurre l’errore

L = 150 pbL = 150 pb--11

*( / ) 0.005pp Z X

(stat)

SegnaleSegnale ::

||| <2.0| <2.0

2 2 isolatiisolati con con ppTT>20 >20 GeVGeV,,

mm++-- >40 >40 GeVGeV,,

BassaBassacontaminazionecontaminazione daldalfondofondo (~ 0.1 %)(~ 0.1 %)

((fondofondo pipiùù importanteimportantettttbarbar ))

PreceduraPrecedura dd’’analisianalisi::

Fit Fit 22 in in massamassainvarianteinvariante per i per i varivaricampionicampioni

48

Misure di W->

• 1 isolato con pt > 25 GeV. Eventi con 2 con pt > 20 GeVsono rigettati.

• ETmiss > 50 GeV.

• Topologia dell’evento: un leptone isolato ad alto impulso trasverso, quadrimpulso mancante (energia trasversa mancante) nell’evento

angolo (l, ) nel piano trasverso

Maggiori sorgenti di incertezze:incertezze nella ricostruzione (0(1%))incertezze teoriche (pdf, pT) (0(2-8%))

49

Organizzazione

• Luminosità, sezioni d’urto, eventi• Misure di luminosità macchina• Misure di luminosità integrate• Misure di luminosità tramite canali noti• Misure di luminosità istantanea

– Luminosità istantanea– Rivelatori: LUCID, HF, Pixels– Tecniche di misura: conteggio diretto, indiretto

(zero counting), misure proporzionali• Problemi aperti e conclusioni

50

Luminosità istantanea• Il controllo della stabilita’ del fascio è un aspetto

fondamentale. Idealmente vorremmo avere un fascio stabile per tutta una presa dati (decine di ore).

• Diversi effetti di macchina non lo consentono:– Il fascio ha una struttura a bunch non banale– L’omogeneità di riempimento dei bunch non è garantita – Il fascio si deteriora con il tempo

• Conseguenze– Il numero medio di interazioni (tracce/hits) varia con il

tempo e con il BX number– Le efficienze di ricostruzione (patter recognition) possono

diventare funzione della luminosità istantanea.– Vi sono contributi sistematici a tutte le misure di BR, Yield,

sezioni d’urto dovuti a come varia la luminosita’ istantanea.• ATLAS e CMS fanno diverse misure indipendenti di

luminosità istantanea.

51

Struttura del fascio di LHC

3564 bunch; 2808 riempiti, 756 vuotiL’omogeneità di riempimento dei bunch non è garantita

52

Riempimento non uniformeEffetto di uno

SmearingGaussiano ad Alta

Luminosità

Pile-up non Poissoniano

Elevato numero di interazioni per

Bunch crossing

pure Poisson

10% smearing

20% smearing

50% smearing

53

Deterioramento del fascio

L (c

m-2

s-1)

• La luminosità istantanea della macchina decresce esponenzialmente come:

• Dovuto a:– Scattering tra i bunch– Interazioni tra i fasci – Interazioni con il gas residuo– Radiazione di sincrotrone

• La luminosità istantanea della macchina decresce esponenzialmente come:

• Dovuto a:– Scattering tra i bunch– Interazioni tra i fasci – Interazioni con il gas residuo– Radiazione di sincrotrone

L L0 et / 14 h

Deterioramento atteso ~ 1% in 10 min Taratura dei pre-scaler

Deterioramento atteso ~ 1% in 10 min Taratura dei pre-scaler

[LHC Design Performance, EDMS [LHC Design Performance, EDMS CERNCERN--0000020013]0000020013]

54

LuminositàIstantaneaL 1027-1034

Cerenkovintegrating detector (Monitor)

LuminositàIntegrataL1027

Roman Pots con fibre scintillanti

LuminositàIstantanea L comm.MBTS

MBTSTILE

Inelastic

LuminositàIstantanea L 1027-1034

Beam ConditionMonitor (BCM)

LuminositàIstantanea L >1028

Tile (integratedanode current)

LuminositàIstantanea L 1033

LAr (High voltage current)

Forward Detectors @ ATLAS

55

Rivelatore LUCID

2x20 tubi di alluminio riempiti di un gas ad alto indice di rifrazione (C4F10).pressionepressione del gas Cdel gas C44FF1010 mantenutamantenuta a 1.25/1.5 bar (Leak <10 mbar/day).a 1.25/1.5 bar (Leak <10 mbar/day).

Copertura : 5.6, 6.0

56

Principio di funzionamento del LUCID

La luce Cherenkov è emessaa 3o e dopo 3 riflessioni

interne è letta da un PMT.

• Soppressione dei fondi:– Soglia Cherenkov nel gas (10 MeV per e- e 2.8 GeV per )– I tubi hanno una geometria che punta alla regione di interazione pp.

• La risposta veloce (pochi ns) permette di rivelare le interazioni ad ogni bunch crossing (BX).

• L’ampiezza del segnale e’ proporzionale al numero di tracce passate

PMT

57

Forward Hadron calorimeter (HF, CMS)

HAD (143 cm)

EM (165 cm)

5mm Rivelatore: fibre di quarzo(radiation hard : >1 Grad/10 years)

Rivelatori a luce Cherenkov .

Anche alle più alte luminosità, ilrivelatore HF è principalmente vuoto.

Evento tipico alla luminosità diprogetto (25 pp interactions/BX)

Segmentazione x = 0.175 x 0.175Copertura 3 < < 5 1728 torri, i.e. 2 x 432 torri per EM e HAD

58

Beam Condition Monitors

ATLAS: BCM CMS: PLT

Forward Diamond pixel sensors (pochi canali, alta risoluzione temporale)

Misure Bunch-per-bunch Misura relativa di luminosità Incertezze dell’ ~1% sulla luminosità 1028 – 1034 cm-2s-1

59

Strategia generale di misura • Si usano rivelatori veloci in grado di fornire segnali ad ogni bunch

crossing (BX, ogni 25 ns). I dati devono uscire dal rivelatore.

• Una elettronica dedicata fornisce una misura di L(BX) medio in un certo intervallo (Luminosity Block ) – Misura relativa – Online (Bandwidth in ingresso O( Gbyte/s))

• Offline si effettua una calibrazione fine della luminosità istantanea e integrata con altri metodi.

( )(1 )LB BXBXL L BX

60

Luminosity Block

LB: Intervallo temporale per cui è possibile definire un valore di luminosità istantanea costante (~ min, ~ 106 cicli LHC)

• Per poter definire tali intervalli temporali è necessario avere un buon controllo della luminosità del fascio istante per istante (L)

• I dati di fisica acquisiti in ogni LB faranno riferimento al relativo valore di luminosità integrata

• Per poter definire tali intervalli temporali è necessario avere un buon controllo della luminosità del fascio istante per istante (L)

• I dati di fisica acquisiti in ogni LB faranno riferimento al relativo valore di luminosità integrata

( ) LBLBRUN L L• Run luminosity:

Lumi Block 0

DATA0 L0

Lumi Block 1

DATA1 L1

Lumi Block n

DATAn Ln

RUN

61

Misure di luminosità da minimum bias

• Conteggio diretto – (per <<1)

• Conteggio indiretto, Zero-counting– (per 0.01 < < 5)

• Misura del segnale

p(0;) e

Numero medio di interazioni:

NBX

mb L

f10110 mb20mb

40 MHzf QCD

62

Metodo del conteggio diretto

• Assunzione: distribuzione poissonianadelle interazioni in un certo BX:

• Per <<1: devo distinguere gli eventi vuoti (N=0) da quelli pieni (N=1). N>=2 ha una frequenza trascurabile.

• Ogni definizione semplice di evento pieno può andare bene:– HF: almeno una torre calorimetrica con ET > ET0 – LUCID: segnale negli scintillatori/tubi Cerenkov

• Problemi:– Occorre considerare una efficienza: <N> = <M>/ε con ε grande.– Sensibilità al fondo; metodo valido solo per μ piccolo (no eventi

sovrapposti).

Numero medio di interazioni:

NBX

mb L

fObiettivo: 22

( ; )!

N

p N eN

1( 0; ) 1p N e

63

Conteggio indiretto, Zero counting

• Condizione: si contano gli eventi vuoti– Probabilità BX privi di interazione: – HF: tutte le torri con ET < ET0– LUCID: nessun segnale negli scintillatori/tubi

Cherenkov• Vantaggi:

– Minore sensibilità al fondo;– Estensione del range 0.01 < <5– Per >5 si può segmentare i rivelatori

• Ogni torre HF ed ogni tubo Cherenkov è un misuratore indipendente di luminosità

• Riduzione dell’efficienza sul singolo rivelatore; • Obbiettivo: 0.01 < <5 per il singolo rivelatore

p(0;) e

Per > 4.6p(0;) 1%

64

Conteggio del segnale• Utilizzo segnali proporzionali a L:

– HF, ATLAS, CMS: ET

– Lucid: Numero di scintillatori/tubi colpiti– TileCal e LAr: monitoraggio della corrente anodica

-> non sul singolo BX– N(Z°), N(W) -> misura integrata

• Problemi– Eventuali problemi di non linearità dovuta

alla sovrapposizione degli eventi

65

Monitor online di luminosità

per-bunch

Spread

medio: stabilità del fascio

timetime

BX

0

( ) ( )T

T t dt L( )t

( )BX

66

Typical run luminosity information

tot(pp, 0.9TeV) ~64 mb 51.9 10urtitotN L

67

Organizzazione

• Luminosità, sezioni d’urto, eventi• Misure di luminosità macchina• Misure di luminosità integrate• Misure di luminosità tramite canali noti• Misure di luminosità istantanea• Problemi aperti e conclusioni

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Conclusioni/problemi aperti• Il controllo della luminosità è un aspetto

fondamentale della presa dati di LHC• La luminosità è misurata indipendentemente da diversi

sottorivelatori in ogni esperimento e monitorata in modo real-time da tutti gli esperimenti.

• Vi sarà una evoluzione nella precisione delle misure di L: da 10-15% (iniziale) 3-5% 1-2%

• La precisione finale dipenderà da diversi fattori: dal controllo della macchina fino alla precisione sulle Parton Distribution Function, passando per una conoscenza accurata dei rivelatori e della fisica alla scala del TeV

69

Bibliografia (1)

[1] S. De Capua et al., Luminosity measurements at LHC, Il nuovo Cimento, B123 (2008), 423[2] E. Bravin, proceedings from LHC Project Workshop – ‘Chamonix XV’[3] J. Bosser et al., Nucl. Instr. and Meth. A 235 (1985) 475. [4] ATLAS forward detectors for luminosity measurement and monitor, Letter of intent, CERN/LHCC 2004-010[5] S. van der Meer, Calibration of the effective beam height in the ISR,

CERN-ISR-PO/68-31, 1968.[6] W.C. Turner et al., Development of a detector for bunch by bunch measurement and

optimisation of Luminosity in the LHC, Nucl. Instr. and Meth. A 461 (2001) 107.[7] E. Rossa et al., CERN-SL-2002-001-BI, Jan 2002.[8] M. Ferro-Luzzi, Proposal for an absolute luminosity determination in colliding beam

experiments using vertex detection of beam-gas interactions , Nucl. Instr. and Meth. A 553 (2005) 388.

[9] Velo TDR10] R. Cahn, Zeit. Phys. C15 (1982) 253[11] V. Kundrat and M. Lokajicek, Z. Phys. C63 (1994) 619–630[12] M. M. Islam, R. J. Luddy and A. V. Prokudin, Int. J. Mod. Phys. A21 (2006) 1–42[13] V. A. Petrov, E. Predazzi and A. Prokudin, Eur. Phys. J. C28 (2003) 525-533[14] Claude Bourrely, Jacques Soffer, and Tai TsunWu, Eur. Phys. J. C28 (2003) 97-105[15] M. M. Block, E. M. Gregores, F. Halzen and G. Pancheri, Phys. Rev. D60 (1999) 054024[16] TOTEM collaboration, Technical design report, CERN/LHCC 2004-02 and addendum CERN/LHCC 2004-020[17] CMS/TOTEM diffractive and forward physics working group, Prospects for Diffractive and Forward Physics at the LHC, CERN/LHCC 2006-039/G-124[18] ATLAS TDR.[19] S. Ask, ATL-LUM-PUB-2006-001[20] W. Hrr and B. Muratori, Concept of Luminosity, Zeuthen 2003, Intermediate accelerator

physics, 361.

Mauro VillaDipartimento di Fisica

mauro.villa@unibo.it

www.unibo.it