Risultati dell’esperimento TOTEM -...

Risultati dell’esperimento TOTEM

Maurizio Lo Vetere (Università di Genova & INFN) In rappresentanza della collaborazione TOTEM

La collaborazione TOTEM @ LHC

CERN, ESTONIA, FINLANDIA, ITALIA, UNGHERIA, REPUBBLICA CECA, USA

Maurizio Lo Vetere - Università di Genova & INFN

Università e INFN di BARI, GENOVA, PISA e SIENA Gruppi italiani:

Nazionalità agenzie di finanziamento:

Spokesman: Dott. Simone Giani

Collaboration Board Chairman: Prof. Angelo Scribano

SOMMARIO

•  Scattering elastico: dσel /dt •  Scattering elastico: σtot ,σel,σanel •  Scattering anelastico: σanel , dNch/dη

•  Programma di fisica •  Il rivelatore •  L’ottica della macchina

Programma di fisica di TOTEM

b

Sezione d’urto totale p-p Scattering elastico

Produzione di particelle cariche in avanti

Misure di processi diffrattivi


I rivelatori di TOTEM

T1 T2

CMS Telescopi x evt. inelastici

RP (147m) RP (220m)

T1: T2:


3.1<|η |< 4.75.3<|η |< 6.5

The TOTEM experiment

programme• elastic scattering measurement in a wide t-range• total cross-section measurement and• a study of soft and hard diffraction

detectors

beam 1

beam 2

RP RPIP5

sector 56 !sector 45

forward telescopes T1 and T2charged particles from inelasticcollisions

Roman Pots in the LHCelastic+diffractive protons

• all detectors fully operational•T1 and T2 ready for data-taking•Roman Pots waiting for beam-based alignment

2

IP5

Roman Pots (all’interno del tunnel LHC)

Roman pot detectors

Pot orizzontale Pot verticali BPM

Una unità dei Roman pot 10 edgeless Si detectors

Ø  Roman pot stations: a 147m e a 220m dall’IP nel tunnel LHC (entrambi i lati)

Ø  10 edgeless (<50 µm) Si micro strip detectors per pot

Ø  Risoluzione ~15 µm

Rilevazione dei protoni nella beam pipe

V

V

H


Telescopi inelastici Conteggio eventi anelastici, molteplicità particelle cariche, gap pseudo-rapidità

§  5 piani di CSC �(Cathode Strip Chambers)

§  6 camere per piano §  3.1<|η|<4.7 §  Δφ = 2π


§  10 piani di GEM �(Gas Electron Multipliers)

§  5.3<|η|<6.5 §  Δφ = 2π

Ottica LHC e trasporto dei protoni


La posizione dei protoni misurata nei RP (x, y) è funzione della posizione (x*, y*) e degli angoli (θx

*, θy*) all’IP

RP IP

Misurate nei Roman

Pots Ricostruite

Matrice di trasporto dei protoni

Θy* = (yRP − vyy

*) / Ly Θx* = Θx,RP −

dvxds

x*⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ /dLxds

Δpp

= 0σ (θ y

*) = 1.7µrad@β*= 90m

σ (θy

*) = 12.5µrad@β*= 3.5m

Tracce dei protoni in eventi elastici

β* = 3.5 m (2010) Roman pots a 7 σbeam ∫L ~6.2 nb-1

dσ/dt in 0.36<|t|<2.5 GeV2

β* = 90 m Roman pots at 10 σbeam ∫L ~1.65 mb-1

dσ/dt for |t|>0.02 GeV2

Richiesta coincidenza destra basso-sinistra alto e viceversa

β* = 90 m (ottobre 2011) Roman pots at 6.5, 5.5, 4.8 σbeam ∫L ~83 mb-1

dσ/dt for |t|>5·10-3 GeV2

Settore 56

Settore 45


ξ = Δp / pt = −(pθ*)2 Alone del

fascio

Limitazione apertura

Limitazione apertura

Analisi dello scattering elastico: schema


Selezione degli eventi + collinearità (destra-sinistra) Θ*

x,45çè Θ*x,56

Θ*y,45çè Θ*

y,56

+ tagli per selezionare ξ bassi + taglio sul vertice ricostruito

Sottrazione dei fondi

Correzione di accettanza

Unfolding risoluzione t

√𝒔 =𝟕 𝑻𝒆𝑽

Scattering elastico: dσel/dt ISR

tdip = 1.4 GeV2

Confronto con i modelli

0.36<|t|<2.5 GeV2

EPL 95 (2011) 41001


Scattering elastico: dσel/dt

EPL 96 (2011) 21002

0.02 GeV2 < |t| < 0.33 GeV2 Luminosità fornita da CMS

Posizione RP

# Eventi elastici

Lum [μb-1]

|t|min [GeV2]

6.5σbeam 841 k 68 7.3 ·10-3

5.5σbeam 106 k 8.2 5.7 ·10-3

4.8σbeam 89 k 6.6 4.6 ·10-3

Dati di ottobre 2011 con β* = 90 m


σ el = 24.8 ± 0.2(stat ) ±1.2(sist )mb

dσ el

dt t=0

= 503.7 ±1.5(stat ) ± 26.7(sist ) mb/GeV2

B = 20.1± 0.2(stat ) ± 0.3(sist )GeV −2

dσ el

dt∝ e−B|t|

Scattering elastico: Elastic scattering cross-section

EPL 95 (2011) 41001

EPL 96 (2011) 21002

To be published

|t|dip= 0.53 GeV2

B = 19.9 GeV-2

|t|-7.8

||tBEL Aedt

d

ICHEP 2012 Hubert Niewiadomski, TOTEM 16


Estrapolazione a t=0 Elastic scattering cross-section

EPL 96 (2011) 21002

To be published

= 506 ±22.7syst±1.0stat mb/GeV2 A = 503±26.7syst±1.5stat mb/GeV2

B = 19.9±0.26syst±0.04stat GeV-2

Elastic cross-section

25.4±1.0lumi±0.3syst±0.03stat mb (90% directly measured) 24.8±1.0lumi±0.2syst±0.2stat mb (50% directly measured)

Extrapolation to t=0

0

t

EL

dtdA

ICHEP 2012 Hubert Niewiadomski, TOTEM 17

||/ tBEL Aedtd

dσEL

/dt

[mb/

GeV

2 ]

-t [GeV2]

A0

t

EL

dtd

measELextrapolELEL ,.,


±1.2

Sezione d’urto inelastica Misura diretta con i telescopi T1 e T2

Correzioni agli eventi visibili in T2 •  Efficienza di trigger ( BX data ) 2.3 % ± 0.7% •  Efficienza di riconstruzione di traccia ( MC ) 1.0 % ± 0.25% •  Fondi dovuti a eventi beam-gas ( non-collinding bunches ) 0.6 % ± 0.4% •  Pile-up (μ=0.03 ) 1.5 % ± 0.4%

PRELIMINARE


σ inel , visibilein T 2 = 69.7 ± 0.1(stat ) ± 0.7(sist ) ± 2.8(lumi )mb

T2

η

tracce

T2

η

η

Classificazione degli eventi in T2 •  tracce in entrambi gli emisferi

minimum bias + doppio diffrattivo •  tracce in un solo emisfero

essenzialmente eventi singolo diffrattivo con Mx>3.4 GeV/c2

Correzioni per la parte non visibile della sezione d’urto Eventi visibili in T1 ma non in T2, gap in rapidità che coprono T2, diffrazione centrale con T1 e T2 vuoti, eventi diffrattivi con una massa diffrattiva piccola ( <3.4 GeV )

σ inel = 73.7 ± 0.1(stat ) ±1.7(sist ) ± 2.9(lumi )mb

Sezione d’urto totale: il metodo

Teorema ottico:

Misura della sezione d’urto totale: 4 metodi

1.  (bassa) Luminosità da CMS + Scattering elastico + Teorema ottico 2.  (alta ) Luminosità da CMS + Scattering elastico + Teorema ottico

3.  (alta ) Luminosità da CMS + Scattering elastico + Scattering anelastico

4.  Scattering elastico + Scattering anelastico + Teorema ottico


σ tot =8πk s

ImFel (s,t) t=0

ρ = ReFelImFel

= 0.14−0.08+0.01

σ tot2 = 16π (c)

2

(1+ ρ2 )dσ el

dt t=0

σ tot =σ el +σ anel

σ tot =

16π (c)2

(1+ ρ2 )dNel / dt t=0Nel + Ninel

INGREDIENTI

Collaborazione COMPETE PHYS REV LETT 89 (2002) 201801

Indipendente da ρ

Indipendente da luminosità

σ anel =σ tot −σ el

Sezione d’urto totale: risultati Misura della sezione d’urto totale: 4 metodi

1.  (bassa) Luminosità + Scattering elastico + Teorema ottico

2.  (alta ) Luminosità + Scattering elastico + Teorema ottico

3.  (alta) Luminosità + Scattering elastico + Scattering inelastico

4.  Scattering elastico + Scattering inelastico+ Teorema ottico

PRELIM

INA

RE


σ tot = 98.3± 2.8mb

σ tot = 99.1± 4.4 mb

σ tot = 98.6 ± 2.3mb

σ tot = 98.1± 2.4mb

EPL 96 (2011) 21002

Four cross-section measurements

perfect consistency among all 4 cross-section determinations

90

95

100

105

110

s

tot

(mb)

stot

65

70

75

80

s

inel

(mb)

sinel

20

22

24

26

28

30

s

el(m

b)

elas

t.on

ly(J

un)

elas

t.on

ly(O

ct)

$in

depe

nden

t

Lin

depe

nden

t

sel

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

s

tot,

s

inel

,an

ds

el(m

b)

101 102 103 104 105p

s (GeV)

stot

sinel

sel

p̄p (PDG)pp (PDG)Auger + GlauberATLASCMS

ALICE

TOTEM (L indep.)

best COMPETE stot fits

11.4 � 1.52 ln s + 0.130 ln2 s

stot (red), sinel (blue) and sel (green)

low uncertainty ) important for extrapolations10



90

95

100

105

110

s

tot

(mb)

stot

65

70

75

80

s

inel

(mb)

sinel

20

22

24

26

28

30

s

el(m

b)

elas

t.on

ly(J

un)

elas

t.on

ly(O

ct)

$in

depe

nden

t

Lin

depe

nden

tsel

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

s

tot,

s

inel

,an

ds

el(m

b)

101 102 103 104 105p

s (GeV)

stot

sinel

sel


ALICE

TOTEM (L indep.)


11.4 � 1.52 ln s + 0.130 ln2 s





90

95

100

105

110

s

tot

(mb)

stot

65

70

75

80

s

inel

(mb)

sinel

20

22

24

26

28

30

s

el(m

b)

elas

t.on

ly(J

un)

elas

t.on

ly(O

ct)

$in

depe

nden

t

Lin

depe

nden

t

sel

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

s

tot,

s

inel

,an

ds

el(m

b)

101 102 103 104 105p

s (GeV)

stot

sinel

sel


ALICE

TOTEM (L indep.)


11.4 � 1.52 ln s + 0.130 ln2 s



1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

TOTEM s = 7TeV

Sezioni d’urto vs √s TOTEM

PRELIMINARE

Perfetta compatibilità tra le quattro determinazioni delle sezioni d’urto totale, elastica e anelastica. I risultati di TOTEM sono in ottimo accordo con le previsioni della collaborazione COMPETE.


s = 7TeV

Molteplicità di carica in avanti dNch/dη nell’intervallo di pseudo-rapidità 5.3<|η|<6.5

ALICE, ATLAS, CMS, LHCb and TOTEM

•  Utilizzato un campione di dati a bassa luminosità e basso pile up, triggerati con T2

•  Definizione di tracce primarie: t>0.3 �10-10 s & pt > 40 MeV/c

•  Secondari sono i prodotti di decadimento di K0

S, Λ e le particelle prodotte nella interazione con i materiali di fronte a T2

•  Dettagliata analisi per separare le particelle primarie dai secondari dovuti a interazione con beam pipe;

Confronto tra dati e Monte Carlo

EPL 98 (2012) 31004


η = − ln[tan(θ / 2)]

Diversi MC sono stati comparati con i dati. Nessuno descrive accuratamente le misure.

CMS + TOTEM

�  Sono stati presi con successo dati in comune che dimostrano la possibilità di scambiare i segnali di trigger in entrambe le direzioni e di combinare i dati offline: ◦  eventi pb-pb (autunno 2011) ◦  eventi p-p (primavera 2012)

�  E’ stato formato un gruppo di lavoro congiunto per l’analisi dei dati presi insieme

�  Sono previsti altri run in comune

�  Possibili studi: ◦  Distribuzioni di molteplicità, correlazioni ◦  Studi dei gap di rapidità ◦  Produzione diffrattiva di jet (protoni nei RPs + jets in CMS)

detector with the largest acceptance

T2 CASTOR


Riassunto e prospettive


�  TOTEM ha conseguito: ◦  misura di σtot,σel, σanel (p-p) @ 7 TeV ◦  misura di dσel/dt, nell’intervallo 7 �10-3<|t|<2.5 GeV2 ◦  misura di dNch/dt nell’intervallo di pseudo-rapidità: 5.3<|η|<6.5

�  Pubblicazione della analisi dei dati a 7 TeV in corso �  Altre misure sono in progress ◦  Misura di dσel/dt, σtot,σel, σanel @ 8 TeV usando l’ottica a β*=90m ◦  Distribuzione di molteplicità di carica in T1 ◦  Studio di processi diffrattivi

�  Prospettive ◦  Misura dσel/dt, a valori di t molto piccoli e determinazione di ρcon

ottica aβ*>500 m (per avere accesso alla regione di interferenza tra diffusione coulombiana e nucleare)

◦  Programma di fisica in comune CMS-TOTEM (con ottica speciale e con ottica standard)

Risultati dell’esperimento TOTEM -...

Documents

Transcript of Risultati dell’esperimento TOTEM -...