Relatore: Laureando: Dott. Giovanni Ambrosi Matteo Duranti

Studio delle riflessioni multiple diprotoni ultrarelativistici in

deflettori cristallini

Una possibile rispostaai problemi di collimazione

per ilLarge Hadron Collider

15/09/2008 Matteo Duranti

Sommario

Nel corso di questa presentazione parleremo di:

- problemi di collimazione per il LHC

- fenomenologia di channeling e volume reflection per particelle cariche in materiali cristallini

- applicazione di questi fenomeni per un possibile sistema di collimazione (collaborazione H8RD22)

- analisi dei dati sperimentali per il deflettore a controllo remoto MQM7

15/09/2008 Matteo Duranti

Collimazione

Al LHC verranno fatti collidere fasci di protoni di 7 TeV/ce fasci di ioni Piombo di 574TeV/c.

Uno dei problemi tecnologici più rilevanti per il raggiungimento delle prestazioni nominali riguarda il sistema di collimazione:

15/09/2008 Matteo Duranti

Collimazione con cristalli

Tradizionale: Materiale amorfo, deflessione “casuale”

Assorbitori di materiale amorfo

deflessioni casuali dell’alone

difficoltà nel posizionamento degli assorbitori secondari

Effetti direzionali: Proposta: Materiale cristallino

deflessione “controllata”

15/09/2008 Matteo Duranti

Potenziale Reticolare

In un un materiale cristallino il campo medio coulombiano tra due piani reticolari può essere approssimato con un canale parabolico:

L’energia potenziale per una particella carica positivamente all’interno del canale può essere scritto come:

15/09/2008 Matteo Duranti

Channeling: angolo critico

Una particella incidente con un piccolo angolo rispetto agli assi di simmetria del cristallo può essere confinata tra due piani cristallini

Le condizioni cinematiche per il confinamento dipendono dal momento

trasverso e dall'altezza della buca di potenziale:

In Si, W, Ge:

Angolo critico di Lindhard

15/09/2008 Matteo Duranti

Cristallo curvato

L'idea di Tsyganov ('70)

L Utilizzo di cristalli curvati come deflettori, con angolo di deflessione:

Con un campo magnetico (per particelle di 400 GeV/c e L=400μm):

15/09/2008 Matteo Duranti

Volume reflection

Con un campo magnetico (per particelle di 400 GeV/c e L=400μm):

L’angolo di deflessione è:

L’accettanza angolare è:

L

R

15/09/2008 Matteo Duranti

La collaborazione H8RD22

Lo scopo della collaborazione è la misura di precisione delle grandezze fisiche collegate ai fenomeni di channeling e volume reflection:angolo di deflessione - accettanza angolare - efficienza

Per la prima volta:

- Misura dell’effettivo angolo di deflessione (telescopi in ingresso ed uscita)

- Tracciamento di singola particella con rivelatori al silicio di alta risoluzione spaziale (O(10μm))

- Goniometro di elevata risoluzione angolare (~ 1μrad)

12/09/2008 Matteo Duranti

Dispositivi

Piegatura del cristallo macroscopica

Piegatura microscopica di precisione

forze “anticlastiche”

15/09/2008 Matteo Duranti

Multi-cristalli

Aumento della deflessione angolare tramite più cristalli in sequenza:

Angolo di deflessione:

Efficienza di deflessione:

MQM7

15/09/2008 Matteo Duranti

Analisi preliminari

Procedure preliminari all’analisi dei dati collezionati:

• Allineamento dei rivelatori al silicio dei telescopi

• Selezione degli eventi:

compatibilità e coerenza delle coordinate ricostruite con i rivelatori SD3 ed SD4

pulizia dell’evento

selezione della “golden region” per i punti di impatto nel cristallo

15/09/2008 Matteo Duranti

Cristalli non allineati

Scansione angolare di 10μrad:

15/09/2008 Matteo Duranti

Non allineati - VR

Sezioni di 2.5μrad:

- per l’efficienza: tracce deflesse all’interno di 3σ intorno al valore medio

-la bontà del “fit” è controllata tramite la larghezza delle gaussiane

θ1,2

[μrad] 19.8 ± 0.9

θ3

[μrad]10.8 ± 0.9

θ4

[μrad]9.3 ± 0.9

θ5

[μrad]10.9 ± 0.9

15/09/2008 Matteo Duranti

Non allineati - Channeling

Sezioni di 5μrad:

- la deflessione è misurata

all’angolo del goniometro per cui si ha massima

efficienza

θ1 [μrad] -114.4 ± 1.4

θ2 [μrad] -100.4 ± 1.4

θ3 [μrad] -108.9 ± 1.4

θ4 [μrad] - 96.9 ± 1.4

θ5 [μrad] - 91.5 ± 1.4

15/09/2008 Matteo Duranti

Cristalli allineati

Scansione angolare di 5μrad:

15/09/2008 Matteo Duranti

Allineati - VR

Sezioni di 2.5μrad:

- deflessione del dispositivo per

volume reflection:51.7 ± 0.9 μrad≈ (19.8 + 10.8+ 9.3 + 10.9) μrad

- in un intervallo angolare di incidenza

di ~ 40μrad si ha un’ efficienza di deflessione > 90%

15/09/2008 Matteo Duranti

Collimazione

15/09/2008 Matteo Duranti

Collimazione

tradizionale: channeling: multi volume reflection:

Assorbitori di materiale amorfo

deflessioni casuali dell’alone

difficoltà nel posizionamento degli assorbitori secondari

15/09/2008 Matteo Duranti

Conclusioni

Dall’ analisi dei dati per il deflettore multicristallo MQM7:

• conferma delle caratteristiche degli effetti di channeling e volume reflection per singoli cristalli

• misura di precisione degli effetti di volume reflection per un deflettore multicristallo:

θv=51.7 μrad ed efficienza > 90% in un intervallo di 40μrad

• prestazione di un deflettore multicristallo come elemento base di un eventuale sistema di collimazione:

pulizia dell’80% del fascio in un intervallo di 80μrad

alcuni risultati di questa analisi sono parte integrante di un articolo della collaborazione H8RD22 sottomesso per la pubblicazione a Physical Review Letters

15/09/2008 Matteo Duranti

Conclusioni (bis)

15/09/2008 Matteo Duranti

Scansione angolare

15/09/2008 Matteo Duranti

Uniformità e Torsione

Muovendosi lungo il profilo del fascio:

15/09/2008 Matteo Duranti

Uniformità e Torsione

Muovendosi lungo il profilo del fascio:

15/09/2008 Matteo Duranti

Pulizia necessaria ad LHC

Energia [GeV] Tasso di perdita(10 ore di vita media)

[p/s]

Limite di Quenching[p/s·m]

Richiesta di pulizia

450 (SPS) 8.4 ·109 7.0 ·108 92.6%

7000 (LHC) 8.4 ·109 7.6 ·106 99.91%

R. Assman e W. Scandale, da un seminario per ALICE (Aprile 2007)