Paolo Bagnaia - I rivelatori di LHC (2)1 LHC : rivelatori (2)

Paolo Bagnaia - I rivelatori di LHC (2) 1

LHC : rivelatori (2)


ATLAS : inner detector

• 2.5;

• silicon pixel : 3 punti / traccia; inner @ r=4cm; = 10 m (r);

= 50 m ();

• silicon strip (SCT): ~4 punti / traccia; = 16 m (r);

= 580 m (z);

• transition radiation (TRT) : ~36 punti/ traccia; part.id. (e±).


ATLAS : inner detector

risultati in funzione dell’angolo di produzione polare della particella, per un momento trasverso pT = 500 GeV.

NB - se l’errore di misura predomina (v.oltre) pT / pT pT..

[anche misura del parametro di impatto per vertici secondari (c,b,)]


prestazioni della calorimetria

• risoluzione in energia : migliora linearmente il rapporto s/b per segnali “stretti”;

range dinamico degli ADC : segnali da ~100 MeV (mip) a ~1 TeV (H );

linearità (e/jet);

• risoluzione in posizione : necessaria (e.g.) per H ;

• “forma” dello sciame : discriminazione (e.g.) e/;

• robustezza rispetto ad errori sistematici;

velocità di risposta/digitizzazione (un’interazione / 25 ns !!!);

• resistenza alla radiazione (subito prima del calo, in ATLAS 2 KGy/anno (1));

• (…)_____________________________________

(1) 1 Gy = “gray” = 1 joule / Kg = 6.24 × 1012 MeV / Kg = 100 rad; misura la radiazione assorbita;

1 Sv = “sievert” = 1 Gy × w; w = “peso”, = 1 (ex. raggi X, ) 20 (n lenti); misura la pericolosità biologica della radiazione;

dose consentita dalla legge europea = 15 mSv / anno; dose letale 2.5 3.0 Gy.


errori dei calorimetri

parametrizzazione comune :

E / E = a / E b c / E :

“a” : “termine stocastico” statistica dei fotoni (migliore nei calo omogenei, ex. CMS);

“b” : termine costante errori di calibrazione, non omogeneità, temperatura, invecchiamento, …

“c” : termine di rumore fluttuazione dei piedistalli, interazioni sovrapposte, rumore elettronico;

[la realtà è più complicata, ex. non contenimento laterale/frontale circa E-¼];

E /E

a

Eb

1 GeV

[non in scala]

ATLAS e.m (t-beam) :• a 9.85 % GeV½;• b 0.42 %;• c trascurabile;

CMS meglio.


ATLAS : calorimetria

• calo e.m. : Pb/ liquid-argon;

• calo had. : sandwich scintillatore/ferro.


ATLAS : calorimetria e.m.

“accordion” (fisarmonica) :• no buchi;• 3 letture longitudinali (e/);• “presampler”;• buona risoluzione

(CMS meglio, vedi H);• resistente alla radiazione.


ATLAS : calorimetria adronica


ATLAS : magneti

B = 2 T

Solenoide

Bℓ 3 T·m

Toroide


p / p

semplice esercizio : errore di misura su p da misure di deflessione magnetica :[ meglio : R.L. Gluckstern, NIM 24, 381 (1963)]

ℓ : lunghezza di traccia misurata;

r = pT / (0.3 z B) [GeV, T, m];

: errore di misura;

(r-s)2 r2 - 2rs = r2 - (ℓ / 2)2;

s ℓ2 / (8r) B ℓ2 / p;

p/p = s/s p s /(B ℓ2);

s p / p p / (B ℓ2);

nel caso in 3D, ppT, ℓ ℓT :

pT / pT pT / (B ℓT2).

s

ℓ/2

r r-s

scattering multiplo :

(s)apparente ℓ ’ 1/p;

p/p = s/s non dipende da p


ATLAS : ± - 1


ATLAS : ± - 2

centrale :

rivelatori di trigger : RPC;

misura : MDT; F/B :

trigger : TGC;

misura : CSC;


ATLAS : ± nel “barrel” (centrale)

un ± attraversa 3 camere + 3 RPC;

in media, B dℓ = 3 Tm;

3 livelli (cilindri) di camere : interne : 4+4 strati di

tubi; medie : 3+3 strati, 2

RPC; esterne : 3+3 strati, 1

RPC;

camere di trigger (RPC) : (vedi sopra).


ATLAS : ± nel “barrel” (centrale)

un ± attraversa 3 camere + 3 RPC;

in media, B dℓ = 3 T·m;

3 livelli (cilindri) di camere : interne : 4+4 strati di

tubi; medie : 3+3 strati, 2

RPC; esterne : 3+3 strati, 1

RPC;

camere di trigger (RPC) : (vedi sopra).

BOL

BOS

BML

BIL

BMS

BIS


ATLAS : camere MDT per ±

MDT :• “Monitored Drift

Tube”;

• schema di una camera;

• principio di funzionamento.


ATLAS : camere per ±

• Calypso, costruita a Roma-Pavia;

• prototipo camera MDT per ± ;

• in presa dati al CERN per due anni ad un “test beam”.


ATLAS : risoluzione camere per ±

MDT : risoluzione della misura (m) in

funzione della distanza traccia-filo; dati di test-beam con prototipo

costruito a Roma-Pavia (Calypso); miscela Ar-CO2 (93-7);

confronto con calcolo “teorico” [Garfield], che include :

fluttuazioni di ionizzazione primaria (cluster position/size);

fluttuazioni nel cammino di drift (diffusione);

fluttuazioni nella valanga; fluttuazioni nella risposta

elettronica.


ATLAS : pT/pT per ±

la risoluzione in impulso (pT/pT) dipende da molti effetti, mostrati separatamente :

• errore di misura ( pT);

• errore sulla posizione della camera ( pT );

• scattering multiplo ( costante);

• fluttuazioni in Eµ(calo) (complicato, aumentano con p, ma se alte sono misurabili evento×evento).

[ad alto , transizione centrale/FB, pT peggiore]

pT /

pT


ATLAS : trigger ±

“pT trigger” :

in un campo magnetico, piccola curvatura alto impulso;

ricerca di segnali allineati ( “strade”);

risoluzione temporale 2 ns ( bunch crossing).


il trigger

• il trigger di un esperimento ad un collider adronico usualmente è un “OR” logico di varie condizioni (ex. leptoni di alto pT, cluster localizzati di energia adronica, presenza di ET

M, evidenza di vertici secondari, …), corrispondenti ai vari tipi di fisica allo studio;

• ciascuna condizione, a sua volta, può risultare da un “AND” logico (ex. per selezionare il decadimento We si può richiedere la presenza contemporanea di leptoni e di ET

M) oppure da una combinazione di “OR” e “AND”, e così via;

• lo stesso tipo di condizione può essere imposto in modo diverso (ex. la presenza di leptoni con un certo tipo di pT [ex. >10 GeV] richiede anche ET

M, mentre se il pT è più elevato [ex. >30 GeV] non c’è richiesta di ET

M);

• il trigger è articolato su più livelli (3 livelli in ATLAS) : ai livelli superiori, che introducono un qualche “tempo morto” (dead time) arrivano solo gli eventi che hanno superato il livello inferiore;

• se il tempo morto è eccessivo, il trigger può essere “parallelizzato” di un fattore n : ciascun evento va ad un differente processore, in modo da realizzare una riduzione effettiva del tempo di processamento di n volte;

[ … continua …]


trigger - eventi “minimum bias”

• se per una qualche categoria di eventi la statistica è eccessiva rispetto alla presa dati, si può operare in due modi :

a) alzare la soglia di trigger;

b) “prescalare” il trigger di un fattore n, i.e. accettare solamente 1/n eventi (n è noto, l’analisi può ricostruire la frequenza reale);

• usualmente, uno dei trigger (prescalato di fattori elevati) prende eventi senza caratteristiche predefinite (trigger “minimum bias”);

• lo scopo dei m.b. è soprattutto di carattere tecnico : calibrazioni, efficienze, monitor, …;

• gli eventi m.b. possono essere anche usati

a) studi di fisica di basso pT;

b) studi del fondo da sottrarre agli eventi ad alto pT;

conclusione : il trigger è una mescolanza complessa di tecnologia, fisica, politica scientifica; richiede un attento studio preliminare di fattibilità, eseguito con una simulazione montecarlo della fisica e del rivelatore; le decisioni prese sono gravi, non possono essere cambiate a posteriori, qualora si rivelino sbagliate.


ATLAS : trigger + daq

tre “livelli”, con selezione in cascata;

trigger richiedono condizioni di fisica (ex. /e alto pT, jets);

concetto di “parallelismo”; non dimenticare il calcolo

offline (simul. montecarlo, calibrazione, ricostruzione) GRID.


Fine - rivelatori LHC

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