UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA

DIPARTIMENTO DI FISICA

Corso di Laurea Magistrale in Scienze Fisiche

Studi di longevity

per i rivelatori RPC

dell'esperimento CMS

Relatore

Dott.ssa Cristina Riccardi

Correlatore

Dott. Paolo Vitulo

Tesi Sperimentale di Laurea di

Luca Polito

Anno Accademico 2012/2013

Indice

Introduzione 3

1 L'esperimento CMS a LHC 5

1.1 LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.1 La sica di LHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2 I rivelatori di CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2.1 Il tracciatore centrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2.2 I calorimetri elettromagnetico e adronico . . . . . . . . 131.2.3 Il sistema muonico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.3 Le sde sperimentali di CMS e il suo sistema di trigger deimuoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2 Resistive Plate Chambers a CMS 21

2.1 Rivelatori a gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2 La struttura generale degli RPC . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.3 La sica degli RPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.1 Interazione delle particelle . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3.2 Moto delle cariche e moltiplicazione a valanga . . . . . 312.3.3 Segnale generato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.3.4 Miscela di gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.4 Modi di operazione degli RPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.5 RPC a multigap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.6 Gli RPC di CMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.7 Caratteristiche operazionali dei rivelatori RPC . . . . . . . . . 45

3 Studio di longevity su rivelatori RPC 49

3.1 Setup sperimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.1.1 Il sistema di ussaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.1.2 Monitoraggio parametri ambientali . . . . . . . . . . . 533.1.3 Alta tensione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.2 Misure di resistività . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1

3.3 Misure di ecienza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.4 Misure di carica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Conclusione 71

Bibliografia 75

Ringraziamenti 79

2

Introduzione

Il Compact Muon Solenoid (CMS) è uno dei due rivelatori general purposedel Large Hadron Collider (LHC) del CERN. CMS utilizza tre dierentitipologie di rivelatori a gas per il trigger dei muoni e la ricostruzione delleloro tracce: i Drift Tube (DT) nella regione di barrel (|η| < 1.2), i CathodeStrip Chamber negli endcap (0.9 < |η| < 2.4) e i Resistive Plate Chamber

(RPC) in entrambe le regioni, dedicati al trigger dei muoni.

Il sistema di RPC è caratterizzato da una risoluzione temporale . 3 ns euna risoluzione spaziale dell'ordine di 1 cm. Ognuno dei 912 rivelatori RPCinstallati a CMS ha una struttura a doppia gap (2 mm di spessore) con duepiani paralleli di elettrodi di bakelite (resistività ∼ 1010Ω cm) e un piano distrip di rame per la raccolta del segnale.

E' fondamentale monitorare nel tempo la conservazione delle caratteristi-che operazionali di questi rivelatori. Obiettivo di questo lavoro di tesi è lostudio di longevity su rivelatori RPC provenienti dalla produzione di massadi CMS, per valutare l'aging naturale di questi rivelatori. Caratteristicheche sono state studiate sono la resistività dei piani di bakelite, l'ecienza delrivelatore e la carica indotta su un elettrodo di lettura.

La tesi è articolata in tre capitoli. Nel primo capitolo, dopo aver descrittola sica di LHC, verranno illustrati i vari rivelatori di CMS, dando rilievo alsistema muonico e in particolare ai rivelatori RPC. Il capitolo si concluderàcon una sezione nella quale verrà illustrata l'importanza del sistema di trigger.

Nel secondo capitolo verrà illustrata la sica dei rivelatori a gas e analizza-ti in dettaglio i rivelatori RPC. Dopo una sezione dedicata ai rivelatori RPCa multigap, il capitolo si concluderà con la descrizione delle caratteristicheoperative degli RPC di CMS.

La descrizione dell'apparato sperimentale costruito per questo studio saràpresentata nel terzo capitolo, dove saranno illustrati in particolare il sistemadi ussaggio del gas, il sistema per il monitoraggio dei parametri ambientalie il sistema dell'alta tensione. Verranno quindi descritte le misure eseguite:resistività dei piani di bakelite, ecienza dei rivelatori RPC e misure di caricaindotta sugli elettrodi. I risultati ottenuti saranno confrontati con misure

3

eettuate su rivelatori RPC installati a CMS e sottoposti al fascio di LHC.

4

Capitolo 1

L'esperimento CMS a LHC

1.1 LHC

Il Large Hadron Collider [1] (LHC) è un acceleratore di particelle costruitoal Centro Europeo di Ricerca Nucleare (CERN) di Ginevra in cui due fascidi protoni (o ioni pesanti), circolanti in direzione opposta, sono accelerati adalta energia e fatti incrociare in quattro punti di interazione intorno ai qualisono stati installati quattro grandi apparati sperimentali: il Compact Muon

Solenoid (CMS), A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS), LHC Beauty expe-

riment (LHCb) e inne A Large Ion Collider Experiment (ALICE). I primidue esperimenti, CMS e ATLAS, sono detti general purpose, in quanto ideatiper lo studio completo delle collisioni protone protone (pp). LHCb è invecededicato allo studio delle particelle con quark b prodotte nelle interazioni pp,mentre ALICE è mirato allo studio delle collisioni tra ioni pesanti. LHC èsituato in un tunnel sotterraneo lungo 27 km ed è entrato in funzione nelnovembre del 2008. La scelta di utilizzare fasci di protoni è stata dettata dadue ragioni principali:

- i collisionatori di protoni permettono di investigare un ampio intervallodi energie e rispetto a quelli di elettroni. Alte energie possono essereraggiunte senza perdite radiative (dovute al processo di bremsstrahlung)tipiche degli elettroni;

- i collisionatori protone-protone permettono di raggiungere maggioriluminosità comparati con i collisionatori protone-antiprotone, essen-do la produzione di protoni più facile, rispetto a quella della propriaantiparticella;

LHC ha un'energia nominale nel centro di massa (√s) di 14 TeV, cioè i fasci

di protoni sono accelerati con un'energia di 7 TeV. Questo valore è stato scelto

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in modo da poter studiare la sica alle energie dell'ordine del TeV. Infattinonostante nora il Modello Standard (MS) della sica delle particelle siastato vericato con eccellente precisione, bisogna ancora indagare a fondo laconsistenza del MS alle energie superiori al TeV. Esistono ipotesi di teoriealternative al MS, le quali invocano un maggior numero di simmetrie, comela supersimmetria, oppure nuove forze o costituenti, come il technicolour.Questi modelli costituiscono la cosiddetta sica esotica.

In un collisionatore pp l'energia persa per radiazione di sincrotrone ètrascurabile e il momento massimo p dei protoni è limitato dal massimocampo magnetico B raggiungibile, una volta che il raggio R dell'orbita èssato:

p(TeV) = 0.3B(Tesla)R(Km).

Siccome i protoni sono particelle composte da partoni (quark e gluoni), l'e-nergia dei partoni è solo una frazione x dell'energia del protone e quindil'energia nel centro di massa

√s′ richiesta per dar vita a particelle di massa

maggiore è minore dell'energia nel c.m.√s dei fasci di protoni:

√s′ =

√s x1x2.

Un altro parametro fondamentale di LHC oltre a√s è la luminosità L,

misurata in cm−2s−1 e denita dalla seguente formula:

L =γfkbN

2p

4πεnβ∗F,

dove γ è il fattore di Lorentz, f è la frequenza di collisione dei pacchettidi particelle, kb è il numero di pacchetti, Np è il numero di protoni perpacchetto, εn è l'emittanza trasversa, β∗ è la funzione di betatrone al puntodi interazione e F è un fattore dovuto all'angolo di collisione. La luminositàè importante perché determina con quale rateo un dato processo avrà luogoe quindi quanto tempo è necessario per accumulare abbastanza statistica peravere un suciente livello di condenza sulle misure. Il rateo di interazioniè infatti dato da:

R = Lσ, (1.1)

dove la sezione d'urto σ è una grandezza che esprime la probabilità che unadata reazione avvenga; è interpretata come l'area della sezione trasversaleche la particella bersaglio mostra al fascio incidente e per questo ha le stesseunità di misura di un'area (cm2 o barn ≡ 10−24 cm2). Il numero totale diinterazioni accumulate è quindi esprimibile come:

N = Lintσ,

6

Figura 1.1: Sezione d'urto inclusiva dell'interazione protone-protone per i processi sicipiù interessanti [2].

dove Lint, la cosiddetta luminosità integrata, è l'integrrale della luminositàsul periodo di run del collisionatore:

Lint =

∫L dt.

Come mostrato in Figura 1.1 la sezione d'urto dei processi sici più inte-ressanti è molto bassa e un'alta luminosità permette di compensare que-sta bassa probabilità di interazione. La luminosità nominale di LHC è1034 cm−2 s−1, ma così come per l'energia nel centro di massa, nei primianni di attività di LHC non si raggiungono questi valori. I principali pa-rametri caratteristici di LHC e i relativi valori nominali sono elencati nellaTabella 1.1.

I due fasci di protoni accelerati in LHC vengono immessi nel collisionatorecon un'energia di 450 GeV da un sistema di iniezione rappresentato in Figura1.2 e costituito da vari acceleratori sia lineari che circolari, tra cui PS e SPS.

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Fasci ppCirconferenza 26.66 KmEnergia nel c.m. (

√s) 14 TeV

Numero di pacchetti 2808Protoni per pacchetto 1011

Bunch crossing 25 nsFrequenza di collisione 40 MHzLuminosità istantanea 1034 cm−2s−1

Tabella 1.1: I parametri nominali di LHC [1].

Figura 1.2: Il complesso degli acceleratori del CERN.

Per mantenere fasci di protoni sulle traiettorie circolari prestabilite vengonousati circa 9600 magneti di vario tipo e con diversa funzione.

In LHC i protoni sono raggruppati in 2808 pacchetti (bunch), lunghi qual-che centimetro e con un diametro di circa 20 µm (valore nominale) ognunocontenente all'incirca 1011 protoni. Nei quattro punti di collisione, gli incrocitra i pacchetti di protoni avvengono ogni 25 ns (valore nominale) e in ogni

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incrocio si vericano in media 20 collisioni1 che generano eventi interessan-ti dal punto di vista della sica (hard collision), sovrapposte con circa 100particelle soft prodotte in ciascuna collisione.

1.1.1 La sica di LHC

I costituenti fondamentali della materia e le leggi che regolano le loro inte-razioni sono descritti dal Modello Standard (MS). LHC è stato progettatoprincipalmente per studiare il settore di Higgs del MS e la relativa rottu-ra spontanea di simmetria. I risultati accumulati negli ultimi anni hannopermesso di raggiungere un importante obiettivo: la scoperta di un nuovobosone, compatibile con il bosone di Higgs di MS[3]. Durante il 2010 e il 2011LHC ha accelerato protoni con un'energia di 3.5 TeV per fascio. Si è rag-giunta una luminosità istantanea massima di 5 x 1033 cm−2 s−1 e si è raccoltauna luminosità integrata di 5 fb−1. Nel 2012 l'energia per fascio è aumen-tata a 4 TeV, con una luminosità istantanea massima di 7 x 1033 cm−2 s−1,per una luminosità integrata totale di 20 fb−1. I valori anno per anno dellaluminosità integrata sono mostrati in Figura 1.3. Sia nel 2011 che nel 2012la separazione temporale tra due pacchetti successivi era di 50 ns, rispetto alvalore nominale di 25 ns.

Questi valori di luminosità integrata hanno permesso di accumulare ab-bastanza dati per poter osservare intorno al valore di massa di 125 GeV uneccesso di eventi rispetto al fondo atteso con una signicanza maggiore di5 sigma, necessaria per poter annunciare la scoperta di una nuova particel-la. L'acquisizione di ulteriori dati chiarirà sempre più le proprietà di questobosone e se queste proprietà implicano nuove teorie siche oltre il ModelloStandard. Infatti gli obiettivi di LHC oltre alle conferme e misure a più altaprecisione del MS (compreso anche lo studio della sica dei quark b e t edel leptone τ) prevedono la ricerca di nuove teorie siche esotiche. In questadirezione gli obiettivi di LHC sono:

- la ricerca di particelle supersimmetriche (SUSY). Il decadimento diparticelle supersimmetriche, quali ad esempio gli squark o il gluino,coinvolge sempre, se la R-parità è conservata, la particella SUSY piùleggera. Questa particella è prevista interagire molto debolmente conla materia e dunque comporta una signicante energia trasversa man-

1Come si può ricavare dalla Formula 1.1 inserendo i valori di luminosità istantanea(1033 − 1034 cm−2 s−1) e di sezione d'urto dell'interazione pp (' 100 mbarn, Figu-ra 1.1) e moltiplicando per la distanza temporale tra due pacchetti di protoni (25 ns):< n >= Lσ∆t.

9

Figura 1.3: Andamento anno per anno della luminosità integrata in funzione dei giorniper collisioni pp in CMS [4].

cante EmissT nello stato nale. Il resto del decadimento porta ad una

abbondanza di leptoni e fotoni;

- la ricerca di bosoni vettori massivi. Alcune teorie suggeriscono l'esisten-za di un bosone vettore pesante e neutro (Z ′) ed LHC vuole testare lapossibilità di scoprire questa nuova particella;

- la scoperta di Universal Extra Dimensions (UED). L'esistenza di extra-dimensioni può causare uttuazioni della metrica, descritte nel RandallSundrum model scome radiazioni che possono interagire con il bosonedi Higgs.

1.2 I rivelatori di CMS

Il Compact Muon Solenoid [5] (CMS) è uno degli esperimenti presenti a LHC.Il sistema di rivelatori di CMS è situato in uno dei quattro punti di interazionedel collisionatore e ha l'obiettivo di identicare particelle e misurare le loroenergie e impulsi. I rivelatori di cui è costituito sono (Figura 1.4):

- sistema tracciatore centrale;

- calorimetro elettromagnetico;

- calorimetro adronico;

- sistema muonico.

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Figura 1.4: Una visione prospettica del rivelatore di CMS [5].

CMS è stato concepito per studiare le collisioni protone-protone di LHC.Gli aspetti principali che lo caratterizzano sono il solenoide con grande campomagnetico (4 T), il sistema di tracciatori centrali interamente basato sulsilicio e un calorimetro elettromagnetico omogeneo con cristalli scintillatori.

Il solenoide superconduttore di CMS è lungo 13 m ed ha un diametro di5.9 m. E' stato scelto un alto campo magnetico da 4 T per poter avere unabuona risoluzione di impulso con uno spettrometro compatto, senza doverfare richieste rigorose sulla risoluzione delle camere muoniche. Il foro dellabobina del magnete è abbastanza grande da poter ospitare al proprio internoil tracciatore centrale e i calorimetri.

Il rivelatore di CMS presenta due dierenti sezioni: una parte centralecilindrica, chiamata barrel, costituita da cinque parti a forma di ruota, eda due sezioni a forma di disco che chiudono l'apparato, detti endcap. Ivari rivelatori di CMS sono dislocati con dierenti geometrie a seconda dellasezione in cui sono collocati: paralleli alla direzione del fascio nel barrel,perpendicolari al fascio negli endcap.

Le dimensioni complessive del rivelatore di CMS sono una lunghezza di21.6 m, un diametro di 14.6 m e un peso totale di 12500 tonnellate.

Una variabile importante per la descrizione dell'apparato è la pseudora-pidità η:

η = − ln

[tan

(ϑ

2

)],

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Figura 1.5: Risoluzione dell'impulso trasverso per muoni di varie energie in funzionedella pseudorapidità η[6].

dove ϑ è l'angolo polare, cioè l'angolo formato con l'asse del fascio.

1.2.1 Il tracciatore centrale

L'obiettivo principale del sistema di tracciatori centrali di CMS è quello diricostruire con grande precisione le tracce delle particelle con alto impulsotrasverso pT nella regione centrale con |η| < 5 e ricostruire i vertici seconda-ri di interazione. Questo viene fatto misurando con precisione il parametrod'impatto, che è fondamentale conoscere per la sica dei quark pesanti eil b-tagging ad alte luminosità. La risoluzione raggiunta ad alti pT per ilparametro d'impatto è di 10 µm nel piano trasverso e 20 µm in quello longi-tudinale. La risoluzione per pT è compresa tra 0.7% e 5% (Figura 1.5) e perpT = 100 GeV:

σ(pT )

pT∼ 1− 2%.

Considerando la grande molteplicità di tracce, per avere la necessariagranularità e precisione, sono installati nel tracciatore centrale 10 strati dimicrostrip detector al silicio. Inoltre sono presenti 3 strati di pixel detectoral silicio, situati vicino alla zona di interazione per migliorare la misura delparametro di impatto per tracce di particelle cariche e l'identicazione dallaposizione dei vertici secondari.

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(a) (b)

Figura 1.6: (a) Schema dei pixel detector ; (b) immagine dei microstrip detector neltracciatore centrale[7].

I pixel detector forniscono misure tridimensionali con un'alta risoluzione,che vengono utilizzate per la ricostruzione delle tracce delle particelle cariche.La loro eccellente risoluzione permette anche di misurare il parametro d'im-patto, di identicare i b-jet e i τ -jet e di ricostruire il vertice dell'interazionein tre dimensioni. Questi rivelatori sono costituiti da quadrati di pixel disilicio di lato 150 µm, posti su un substrato sempre di silicio. Una risoluzio-ne spaziale di ∼ 15µm è ottenuta attraverso l'interpolazione analogica dellacarica indotta in pixel vicini, grazie anche al grande angolo di Lorentz nelcampo magnetico. Negli endcap sono presenti due dischi per lato e in totaleil rivelatore consiste di 4.4 milioni di pixel (Figura 1.6(a)).

Oltre ai pixel detector nel tracciatore centrale sono presenti molti stratidi microstrip detector al silicio (Figura 1.6(b)), con un'eccellente risoluzionedi traccia. In totale sono presenti 15000 microstrip detector, con dimensionivariabili tra 80 e 180 µm. Alcuni moduli sono costituiti da due rivelato-ri montati back-to-back con le strip ruotate di 100 mrad. Questi modulipermettono anche misure nella coordinata ortogonale alle strip.

1.2.2 I calorimetri elettromagnetico e adronico

L'obiettivo principale del calorimetro elettromagnetico (ECAL) è la misuraaccurata dell'energia e della posizione degli elettroni e dei fotoni. Uno deicriteri per la realizzazione di ECAL è stato la capacità di rivelare il decadi-mento H → γγ previsto dal MS. Questo richiede una risoluzione della massainvariante di due fotoni dell'ordine dell'1%. Per questo motivo è stato scel-to un calorimetro omogeneo. ECAL è costituito da circa 80000 cristalli diTungstato di Piombo (PbWO4) nemente segmentati. Il Tungstato di Piom-bo è uno scintillatore veloce molto resistente alle radiazioni, caratterizzatoda un piccolo raggio di Moliere (21.9 mm) e una lunghezza di radiazione li-

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mitata (8.9 mm). Queste caratteristiche permettono di contenere la cascatanel limitato spazio a disposizione di ECAL. Il tempo di decadimento dellascintillazione di questi cristalli è dello stesso ordine di grandezza del tempo dibunch crossing di LHC: ≈ 80% della luce è emessa entro i 25 ns. Questa lucedi scintillazione viene rivelata da fotodiodi a valanga al silicio (APD) nellaregione del barrel, da fototriodi a vuoto (VTP) nella regione dell'endcap. Lalunghezza dei cristalli è 230 mm nel barrel e 220 mm negli endcap, che cor-rispondono rispettivamente a 25.8 e 24.7 lunghezze di radiazione. I cristallisono trapezoidali, con una faccia quadrata di 22 x 22 mm2 nel barrel e di 30x 30 mm2 negli endcap. ECAL copre la regione con pseudorapidità |η| < 3 eha una risoluzione energetica parametrizzata in funzione dell'energia:

σ(E)

E=

S√E⊕ N

E⊕ C,

dove l'energia E è espressa in GeV, S = 2.8% è il termine stocastico, N =0.128 è il termine di rumore e C = 0.3% è il termine costante irriducibile.

Un sistema di preshower è installato davanti al calorimetro elettromagne-tico nelle regioni di endcap. E' costituito da due radiatori di piombo e dadue piani di strip detector al silicio, con una lunghezza totale di 3 lunghezzedi radiazione X0. Il preshower permette il rigetto delle coppie di fotoni pro-venienti dal decadimento del π0 e migliora la determinazione della direzionedei fotoni.

ECAL è circondato da un calorimetro adronico (HCAL) a campionamentoscintillatore plastico/Ottone, con la stessa copertura geometrica in η. HCALè l'ultimo rivelatore di CMS incluso nel solenoide e permette la misura dei jete di Emiss

T . Come materiale assorbitore è stato scelto l'Ottone perché ha unapiccola lunghezza di radiazione ed è diamagnetico. La luce di scintillazione èconvertita attraverso delle bre wavelength-shifting (WLS) incorporate nelloscintillatore e convogliata ai fotorivelatori (fotodiodi ibridi, HPD) che sonoin grado di operare anche nella zona con elevato campo magnetico assiale.HCAL è integrato anche da un calorimetro a campionamento Ferro/bre diQuarzo che permette di coprire no ad una pseudorapidità di 5. La luceCerenkov emessa dalle bre di Quarzo è rivelata da fotomoltiplicatori. Larisoluzione energetica del calorimetro adronico è (E in GeV):

σ(E)

E=

92.2%√E⊕ 6.5%.

Lo spessore del rivelatore di CMS in lunghezze di radiazione è maggioredi 25 X0 per ECAL, mentre lo spessore in lunghezze di interazione varia tra7 e 11 λI per HCAL a seconda di η. Il confronto delle risoluzioni energetiche

14

Figura 1.7: Confronto delle risoluzioni energetiche del tracciatore, di ECAL e di HCALin funzione dell'energia[8].

del tracciatore, di ECAL e di HCAL in funzione dell'energia è mostrato inFigura 1.7, dalla quale si può notare come i calorimetri migliorino la loroprecisione all'aumentare dell'energia della particella incidente, al contrariodei rivelatori presenti nel tracciatore centrale.

1.2.3 Il sistema muonico

Ad LHC gli elettroni e i muoni giocano un ruolo fondamentale nello studiodi ogni settore della sica; dallo studio del bosone di Higgs alla ricerca dinuova sica e alle misure dei parametri elettrodeboli della sica dei quark b et. Per questi motivi il sistema di rivelatori dei muoni di CMS[7](Figura 1.8)è stato progettato per soddisfare quattro requisiti fondamentali:

- identicazione di bunch crossing ;

- identicazione dei muoni;

- misure di impulso;

- triggering.

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Figura 1.8: Sezione longitudinale di un quadrante del rivelatore di CMS. Sono mostratiin verde le quattro stazioni di DT nel barrel (MB1-MB4), in blu le quattro stazioni diCSC nell'endcap (ME1-ME4) e in rosso le stazioni di RPC[9].

La regione di barrel (|η| < 1.2) è equipaggiata con Drift Tube chambers

(DT) e Resistive Plate Chambers (RPC). Questi rivelatori sono organizzatiin quattro stazioni, con una DT alternata ad una o due RPC. La regionedi endcap invece è coperta da Cathode Strip Chambers (CSC) nella regionetra η = 0.9 ed η = 2.4 e da RPC tra η = 0.9 ed η = 1.6. Ogni endcap èsuddiviso in 4 dischi, ma solo i 3 più interni sono già equipaggiati con gliRPC. Durante l'attuale upgrade di CMS del 2013-2014 saranno installati gliRPC anche sul quarto disco. Ogni disco è diviso in 36 settori azimutali con3 anelli radiali in ogni settore. In totale nello spettrometro muonico di CMSsono implementati 250 DT, 540 CSC e 912 RPC. La scelta delle tecnologiedei rivelatori da utilizzare nel sistema muonico di CMS è stata guidata dallagrande estensione della supercie da coprire e dalle dierenti condizioni diradiazione. Nella regione del barrel, dove il campo magnetico è debole eil fondo indotto dai neutroni è piccolo, così come il rateo dei muoni (perentrambi 1−10 Hz/cm2), sono stati scelti i DT. Nei due endcap invece, doveil fondo indotto dai neutroni è grande (1 KHz/cm2) e il campo magneticoè grande (> 3.5 T) e non uniforme, sono stati installati i CSC. In aggiuntagli RPC sono stati utilizzati sia nelle regioni di barrel che di endcap, eccettoperò nelle regioni ad alto η, cioè la zona più vicina al fascio di particelle. Lascelta di non coprire questa regione è motivata dal rateo di interazione, chein questa zona, al valore nominale di luminosità di LHC, è prossimo al limite

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di tolleranza degli RPC.

Resitive Plate Chambers

Gli RPC sono rivelatori a gas, che combinano una buona risoluzione spazialecon una risoluzione temporale di 1 ns, comparabile con quello degli scintilla-tori. Grazie a queste caratteristiche sono in grado di identicare un eventodi ionizzazione in un tempo molto minore rispetto ai 25 ns che intercorronotra due pacchetti consecutivi di particelle in LHC. Il sistema di trigger suimuoni basato sugli RPC può quindi identicare senza ambiguità il pacchettodi particelle al quale la traccia muonica è associata, anche in presenza di unalto rateo (anche no a 103 Hz/cm2) e con il grande fondo atteso ad LHC.Segnali provenienti da questi sistemi forniscono direttamente il tempo e laposizione di un muone con l'accuratezza desiderata.

Questi rivelatori sono costituiti da piastre parallele con due elettrodi fat-ti da materiale plastico con resistività molto alta. Gli RPC possono esseremolto larghi e sottili ed operare ad alti ratei e con grande guadagno senzaprodurre grandi scariche. Il sistema consiste di circa 3000 m2 di rivelatori adoppio gap, operanti in modalità valanga. Nel sistema muonico di CMS gliRPC sono utilizzate come rivelatori dedicati al trigger sui muoni, sia nellaregione del barrel sia nella regione di endcap. Questi rivelatori contribui-scono all'identicazione, ricostruzione e tracciamento dei muoni, insieme aiDrift Tubes nel barrel e alle Cathode Strip Chambers nell'endcap. Lo studioriguardante gli RPC[9] è stato progettato, costruito e commissionato a 8 isti-tuti presenti sin dall'inizio del progetto in Bulgaria, Cina, India, Italia, Coreae Pakistan ed a 7 istituti che si sono aggiunti nel tempo in Belgio, CERN,Colombia ed Egitto. Il primo rivelatore RPC del barrel è stata costruita nel2002 dalla ditta italiana General Tecnica Company e la produzione completasi è conclusa nel 2008 con la produzione dell'ultimo rivelatore RPC di endcap.Nel prossimo capitolo questi rivelatori saranno trattati più in dettaglio.

1.3 Le sde sperimentali di CMS e il suo siste-

ma di trigger dei muoni

Come accennato nella Sezione 1.1, la sezione d'urto totale dell'interazioneprotone-protone a

√s = 14 TeV è attesa essere approssimativamente 100

mb, mentre alla luminosità di progetto ci si aspetta di avere un rateo dieventi di circa 109 interazioni inelastiche al secondo. Questi valori compor-tano grandi sde sperimentali. Prima di tutto il processo di selezione onlinedegli eventi (trigger) deve riuscire a ridurre il rateo da un miliardo di in-

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terazioni/s a circa 100 eventi/s per poterne permettere la memorizzazionee la successiva analisi. Inoltre il breve tempo tra un pacchetto e l'altro diparticelle (25 ns) ha grandi implicazioni sul progetto dei sistemi di read-outdi trigger. Inne con una luminosità di 1034 cm−2 s−1 in media ci saranno 20collisioni inelastiche dalle quali emergeranno dalla regione di interazione circa1000 particelle cariche ogni 25 ns. Queste collisioni si sovrapporranno all'e-vento di interesse, causando il cosiddetto eetto di pile-up, il quale può essereridotto scegliendo di utilizzare rivelatori ad alta granularità e con un'ottimarisoluzione temporale. La scelta di rivelatori con grande granularità richiedeperò un gran numero di canali di elettronica di rivelazione, i quali devonoavere una buona sincronizzazione.

Un'altra sda è rappresentata dal fatto che il grande usso di particelleuscente dalla regione di interazione produce un alto livello di radiazioni. Sonoquindi necessari rivelatori ed elettronica di front-end resistenti alle radiazioni.

Tutti questi obiettivi sono ottenuti sfruttando le caratteristiche principalidei rivelatori di CMS:

- una buona identicazione dei muoni e risoluzione di impulso su unampio intervallo di impulsi nella regione |η| < 2.5, buona risoluzionein massa dei muoni (≈ 1% a 100 GeV/c2) e la capacità di determinaresenza ambiguità la carica dei muoni con p < 1 Tev/c;

- una buona risoluzione di impulso delle particelle cariche ed ecienzadi ricostruzione nel tracciatore centrale. Sono necessari pixel detectorvicini alla regione di interazione per poter eettuare un eciente triggere distinguere oine i vertici dei jet originati da un τ o da un quark b(tagging);

- una buona risoluzione energetica e di massa per fotoni ed elettroni(≈ 1% a 100 GeV/c2), un'ampia copertura geometrica (|η| < 2.5),misure della direzione dei fotoni e corretta localizzazione del verticeprimario di interazione;

- una buona risoluzione dell'energia trasversa mancante EmissT e della

massa dei jet, che richiedono un calorimetro adronico con una coperturageometrica ermetica (|η| < 5 ) e con una segmentazione laterale ne(∆η ×∆ϕ < 0.1× 0.1).

Fondamentale per gli obiettivi di CMS è il sistema di trigger dei muoni,che è basato su due livelli: al primo (L1) tutti i dati vengono memorizzatiper 3.2 µs, dopo il quale non più di 100 KHz di eventi memorizzati sonotrasmessi al secondo livello di trigger, chiamato High Level Trigger (HLT).

18

L1 è un trigger hardware basato su elettronica prodotta ad hoc, mentre HLTè un trigger software basato su processori commerciali.

Il trigger muonico L1 utilizza tutti e tre i rivelatori DT, CSC e RPC,ognuno dei quali ha il proprio trigger logico. Nel primo processo per DT eCSC l'informazione locale di ogni rivelatore forma i trigger locali, quindi imuoni da dierenti rivelatori sono raccolti dal Track Finder, che li combinaper formare la traccia percorsa dal muone con un valore assegnato di impul-so trasverso per ciascun evento. Vengono selezionati no a quattro muonicandidati (quelli con il più alto pT e migliore qualità) da ciascun sistema emandati al Global Muon Trigger (GMT). Nel caso degli RPC invece sonoraccolti i risultati provenienti da tutte le stazioni e se questi sono allineatilungo una possibile traccia muonica, è assegnato un valore di impulso tra-sverso pT e l'informazione è mandata al Muon Sorter, il quale seleziona iquattro muoni con il più alto pT provenienti dalla regione di barrel e quattrodall'endcap e manda l'informazione al GMT. Una soglia al impulso trasversoè applicata dal GMT per tutte le condizioni di trigger. Il Global Muon Trig-

ger combina quindi 3 trigger indipendenti e ha un'ecienza molto alta sututta la copertura angolare η. Invece i sistemi di trigger di DT, CSC e RPChanno dierenti ecienze in η e in φ e dierenti comportamenti in pT dovutia proprietà di costruzione e dierenti algoritmi di trigger. GMT utilizzandoquesti dierenti risultati non solo ha una maggiore ecienza complessiva, maanche un eetto levigante sulle regioni con minore ecienza.

19

20

Capitolo 2

Resistive Plate Chambers a CMS

2.1 Rivelatori a gas

I rivelatori gassosi a ionizzazione[10] sono stati i primi strumenti elettronicisviluppati per la rivelazione delle particelle. I primi rivelatori di questo tiposono stati la camera a ionizzazione, il contatore proporzionale e il contatoreGeiger-Muller. Tutti questi strumenti si basano sulla raccolta diretta deglielettroni di ionizzazione e degli ioni prodotti nel gas dalla radiazione che lo haattraversato. Il numero medio di coppie elettrone-ione create è proporzionaleall'energia depositata dalla particella incidente e sotto l'azione di un campoelettrico gli elettroni vengono accelerati verso l'anodo e gli ioni verso il catodo,dove sono raccolti.

La congurazione base (Figura 2.1) consiste in un cilindro, con pareticonduttrici che fungono da catodo, riempito con un gas con opportune ca-ratteristiche. Lungo l'asse del cilindro è presente un lo conduttore (anodo)a cui è applicato un potenziale positivo +V0 rispetto alle pareti. E' quindipresente un campo elettrico radiale, inversamente proporzionale alla distanzadall'anodo, che conferisce le seguenti caratteristiche a questi rivelatori:

Figura 2.1: Schema di base di un semplice rivelatore a gas[10].

21

Figura 2.2: Numero di ioni raccolti in funzione della tensione applicata agli elettrodi inun rivelatore a gas[11].

- la regione di moltiplicazione e le dimensioni radiali della valanga sonoben limitate in una distanza dell'ordine del diametro del lo conduttore;

- il rivelatore è stabile in quanto l'intensità del campo è molto debolesulla faccia del catodo;

- la risoluzione temporale è relativamente bassa a causa del moto di de-riva degli elettroni no alla regione di moltiplicazione, che si trova inprossimità dell'anodo.

La camera a ionizzazione, il contatore proporzionale e il contatore Geiger-Muller dieriscono tra loro per i parametri operazionali ai quali lavorano, inparticolare l'alta tensione applicata agli elettrodi, ed esplorano quindi feno-meni dierenti. Infatti, come mostrato in Figura 2.2, al variare della tensioneesistono dierenti comportamenti del numero di coppie di ioni raccolte infunzione della tensione applicata agli elettrodi.

Se non è applicata nessuna tensione o una tensione molto bassa nessu-na carica viene raccolta in quanto le coppie elettrone-ione si ricombinano acausa della loro attrazione elettrica (regione I in Figura 2.2). Se la tensioneinizia a salire, allora viene vinta la forza di ricombinazione e le coppie ven-gono raccolte sugli elettrodi. Ad un certo punto, tutte le coppie prodottesaranno raccolte e un aumento ulteriore della tensione non produrrà alcun

22

eetto: siamo nella regione II e un rivelatore che opera in questa regioneè detto camera a ionizzazione in quanto raccoglie la ionizzazione prodottadirettamente dal passaggio della radiazione. Aumentando ulteriormente latensione applicata, il campo elettrico diventa abbastanza forte per accelera-re gli elettroni di prima ionizzazione a energie sucienti per ionizzare a lorovolta gli atomi del gas e produrre coppie elettrone-ione di seconda ionizzazio-ne. Questi nuovi elettroni possono essere accelerati e ionizzare a loro volta, ecosì via, producendo di fatto una valanga (regione III). Il numero di coppieelettrone-ione presenti nella valanga è direttamente proporzionale al numerodi elettroni primari. In questa regione opera il contatore proporzionale. Unsuccessivo aumento di tensione oltre la regione III causa la perdita di questaproporzionalità, infatti il numero di ionizzazioni totali diventa così grandeche la carica spaziale che si viene a creare distorce il campo elettrico applica-to esternamente. Questa regione prende il nome di limite di proporzionalità.Aumentando ancora la tensione, l'energia diventa così alta che nel gas avvie-ne una scarica elettrica. Invece di una valanga localizzata lungo la tracciadella particella incidente, si propaga nel rivelatore una reazione a catena dipiù valanghe. Per fermare questa scarica è necessario utilizzare un gas (dettoquencher) che assorbe i fotoni. I rivelatori a gas che lavorano in questa re-gione sono i contatori Geiger-Muller. Un aumento ulteriore di tensione causauna scarica continua con conseguente rottura del rivelatore.

Rispetto ai rivelatori con la struttura illustrata in precedenza in Figura2.1, una migliore risoluzione temporale, per i minori tempi di deriva, è otteni-bile con rivelatori planari, che utilizzano un campo elettrico uniforme tra dueelettrodi piani paralleli. Il primo rivelatore progettato con questa congura-zione è stato il Parallel Plate Counter (PPC) sviluppato da J.W. Keuel[12]negli anni '40. Questo prototipo aveva elettrodi circolari di rame con unasupercie di 25 cm2 e una gap di 2.5 mm riempito con una miscela di gasbasata su argon e xilene1 alla pressione di circa 500 mbar. Il campo elettricoapplicato era di circa 1−3 kV/2.5 mm. Il passaggio di una particella caricafaceva iniziare il processo di moltiplicazione di carica, che continuava noalla formazione di una scintilla (spark), che produceva il segnale del rivelato-re. L'azione di un circuito esterno di spegnimento era necessaria per fermarela scarica. Per questo fatto i PPC avevano un tempo morto relativamentelungo (tra 0.1 e 1 s), che ne limitava l'uso a causa di un basso rateo massimodi rivelazione. Tuttavia il modo di operazione spark porta a grandi segnaliche non necessitano di un'ulteriore amplicazione. La risoluzione temporaleraggiunta da questi contatori spark era di circa 1 ns, migliore rispetto ai circa

1Lo xilene è un idrocarburo aromatico costituito da un anello benzemico e due gruppimetilici(−CH3): C8H10.

23

Figura 2.3: Schema base del PSC[14].

100 ns dei contatori Geiger-Muller comunemente usati negli anni '50.

Un'importante novità fu introdotta negli anni '70: l'introduzione di elet-trodi resistivi in sostituzione di uno o entrambi gli elettrodi metallici. Ilvantaggio principale è che non serviva più il circuito elettrico esterno di spe-gnimento e quindi si poteva raggiungere un più alto rateo di rivelazione.Infatti gli elettrodi si ricaricavano in un tempo costante che era proporzio-nale alla loro resistività e normalmente molto maggiore rispetto al tempotipico dello sviluppo della valanga (∼10 ns). In questa situazione la molti-plicazione di carica si estingue da sola; inoltre la scarica è limitata in un'areaintorno alla ionizzazione primaria, lasciando il resto dell'area del rivelatoresensibile ad altre particelle incidenti. Il primo rivelatore che ha utilizzatoelettrodi resistivi fatti di vetro fu costruito da Yu.N. Pestov[13] nel 1971 allaINP di Novosibirsk (U.R.S.S.) e venne chiamato Pestov Planar Spark Coun-ter (PPSC). Questo prototipo era costituito da un elettrodo di vetro ad altaresistività (109 − 1010Ω cm), mentre l'altro era di rame. La miscela di gasche riempiva la gap (0.1 cm) del rivelatore era basata su argon o neon più ungas organico per l'assorbimento dei fotoni UV alla pressione di circa 1 atm.La risoluzione temporale era di circa 1 ns e l'ampiezza del segnale circa 2V. Nel 1978 il PPSC evolve nel Planar Spark Chamber (PSC): la risoluzionetemporale del nuovo rivelatore è di circa 24 ps con una gap di 0.1 mm ad unatensione di 4.5 kV. La miscela di gas, analoga a quella del PPSC è tenuta adalta pressione (12 atm). La struttura del PSC è rappresentata in Figura 2.3.

All'inizio degli anni '80 i laminati plastici ad alta pressione (HPL) co-stituiti da resine fenoliche2, comunemente indicate come bakelite, hanno so-

2Le resine fenoliche sono una famiglia di polimeri ottenuti per reazione tra il Fenolo (un

24

Figura 2.4: Immagine schematica della geometria di un RPC[16].

stituito gli elettrodi in vetro e rame utilizzati negli PSC. Il nuovo rivelatorecostruito con questo materiale fu chiamato Resistive Plate Chamber (RPC)e fu testato per la prima volta da R. Santonico[15].

2.2 La struttura generale degli RPC

Gli RPC sono rivelatori a gas costituiti da due elettrodi di bakelite spessi2 mm con una resistività di circa 1010 − 1012Ωcm, separati da una gap di 2mm. Lo spessore della gap e la rigidità del rivelatore è garantita da cilindridi policarbonato (PC) alti 2 mm e con un diametro di 10 mm. Sulla super-cie esterna degli elettrodi è presente un sottilissimo strato di grate con lafunzione di distribuire l'alta tensione agli elettrodi resistivi e strisce (strip) dirame per la lettura del segnale del rivelatore. La separazione tra i piani di let-tura e la grate è garantita da uno strato di 200 µm di polietilene-tereftalato(PET). Le strip sono ottenute per erosione meccanica su di un foglio di rameincollato su un substrato di PET di 190 µm. Dal lato opposto alle strip dilettura è presente un foglio di rame messo a terra (ground). La separazionetra due strisce di lettura contigue è di 2 mm e poiché ogni striscia ha una suaimpedenza caratteristica e costituisce una linea di trasmissione, queste sonoterminate ad entrambe le estremità con un'opportuna resistenza. Da un latola terminazione verso massa è passiva e avviene attraverso una resistenzacollegata al ground, mentre dal lato di lettura la terminazione è l'ingressodel circuito di amplicazione e discriminazione. Lo schema generale appenadescritto è mostrato in Figura 2.4.

All'inizio gli RPC erano contatori a singola gap, che operavano in moda-lità streamer, in cui il campo elettrico era sucientemente elevato anchénel gas avvenisse una scarica elettrica in seguito alla ionizzazione del gas.

composto aromatico derivato dal benzene recante un gruppo ossidrile −OH: C6H5OH) ela Formaldeide (la più semplice delle aldeidi: CH2O).

25

In seguito, per migliorare l'ecienza del rivelatore si introdusse la strutturaa doppio gap e si aumentò (anche di un ordine di grandezza) il numero diinterazioni al secondo rivelabili utilizzando la modalità a valanga, in cui ilcampo elettrico causava la moltiplicazione a valanga della ionizzazione, masenza arrivare ad avere la scarica elettrica nel gas. Rispetto ai rivelatori alo descritti nella sezione precedente, in cui la ionizzazione primaria prodottadalle particelle incidenti raggiunge, sotto l'azione del campo elettrico radiale,la zona di moltiplicazione che si trova in prossimità del lo, negli RPC laionizzazione primaria ovunque si formi è sempre soggetta allo stesso campoelettrico. Quindi le valanghe prodotte dal passaggio di una particella caricanel rivelatore iniziano a propagarsi tutte allo stesso istante di tempo no aduna distanza massima dipendente dalla distanza della ionizzazione primariadall'anodo e il segnale prodotto sulle strips è la somma del contributo di tuttele valanghe simultanee.

2.3 La sica degli RPC

2.3.1 Interazione delle particelle

In un rivelatore a gas una particella ionizzante che lo attraversa cede ener-gia alla miscela di gas in seguito alle collisioni anelastiche con gli elettronidegli atomi del gas (l'interazione elettromagnetica è la più probabile). Sicreano così elettroni liberi e ioni positivi (prima ionizzazione) e la perditacomplessiva di energia è quanticata dalla formula di Bethe e Bloch:

−dE

dx= 2πNAr

2emec

2ρZ

A

z2

β2

[ln

(2meγ

2v2Wmax

I2

)− 2β2 − δ − 2

C

Z

],

in cui compaiono:

• NA: numero di Avogadro (6.022 x 1023 mol−1);

• re: raggio classico dell'elettrone (2.817 x 10−15 m);

• me: massa dell'elettrone (1.67 x 10−27 Kg);

• c: velocità della luce nel vuoto (3 x 105 Km/s);

• ρ: densità del gas;

• Z: numero atomico del gas;

• A: numero di massa atomica del gas;

26

Figura 2.5: Stopping power medio⟨− dEρdx

⟩per muoni positivi nel rame in funzione

dell'energia cinetica T[17].

• z: carica della particella ionizzante in unità e;

• β = vc, con v velocità della particella incidente;

• γ = 1√1−β2

, fattore di Lorentz;

• Wmax: energia massima trasferita dalla particella incidente in unasingola collisione;

• I: potenziale medio di eccitazione;

• δ: termine correttivo che tiene conto degli eetti di polarizzazione nelgas;

• C: termine correttivo che tiene conto degli eetti dovuti alla velocitàdella particella incidente comparabile o minore rispetto alla velocitàorbitale degli elettroni legati.

Nella Figura 2.5 è mostrato l'andamento dell'energia media persa dai muonidurante il loro percorso nel rame.

Analizzando il comportamento delle particelle cariche incidenti in un rive-latore RPC attraverso una simulazione eettuata con Geant43 si verica cheè predominante la cessione di energia per ionizzazione secondo la formula di

3GEometry ANd Tracking (Geant4) è una piattaforma per la simulazione del passaggiodi particelle attraverso la materia.

27

Figura 2.6: Istogramma dei processi generati dalle particelle che giungono nelle gapquando vengono fatti incidere su un rivelatore RPC a doppia gap muoni con energia di 1GeV (simulazione con Geant4, 100000 eventi).

Bethe e Bloch. La Figura 2.6 rappresenta un istogramma dei processi gene-rati dalle particelle che giungono nelle gap quando vengono fatti incidere suun rivelatore RPC a doppio gap muoni con energia di 1 GeV (100000 eventi).In Tabella 2.1 sono descritti gli spessori di materiale componenti il rivela-tore della simulazione. Nelle gap oltre ai muoni incidenti giungono ancheparticelle secondarie prodotte dall'interazione dei muoni con gli altri stratidi materiale del rivelatore RPC. Con riferimento alla Figura 2.6 i processigenerati dalle particelle che attraversano la gap sono:

- ionizzazioni diretta dei muoni (muIoni);

- ionizzazioni prodotte dagli elettroni secondari (eIoni);

- bremsstrahlung degli elettroni secondari (eBrem);

- eetto fotoelettrico e eetto Compton prodotti dai fotoni secondari(phot e compt);

- decadimento del muone (Decay): µ− → e−νeνµ [18].

La Figura 2.7 mostra a quale profondità vengono generate le particelle chegiungono nella gap con i muoni incidenti che giungono da sinistra (coordi-nata z = 0). Sono presenti discontinuità dovute alla struttura a strati delrivelatore RPC ed è interessante notare la presenza di picchi di produzionein corrispondenza del rame.

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Materiale Spessore (mm)PET 0.25rame 0.019PET 0.38grate 0.02bakelite 2gas (gap I) 2bakelite 2grate 0.02PET 0.38rame (strip) 0.019PET 0.38grate 0.02bakelite 2gas (gap II) 2bakelite 2grate 0.02PET 0.38rame 0.019PET 0.25

Tabella 2.1: Composizione e spessori del rivelatore RPC a doppia gap utilizzato per lesimulazioni in Geant4.

Attraverso simulazioni con Geant4 è stato studiato anche il comporta-mento di particelle neutre incidenti su un RPC, in particolare neutroni efotoni, i quali rappresentano la componente fondamentale del background diCMS. Tale background è dovuto in particolare all'interazione delle particellesecondarie prodotte dalle collisioni pp di LHC o dei protoni del fascio con imateriali circostanti il punto di interazione. Vi sono inoltre altri contributial background dovuti a fenomeni non collisionali:

- alone del fascio (beam halo): particelle che fuoriescono dal fascio ecolpiscono il tubo del fascio stesso o il collimatore;

- interazioni fascio-gas: protoni del fascio che collidono con molecoleresidue di gas nel vuoto del tubo del fascio;

- raggi cosmici: i rivelatori sono sempre attraversati dai raggi cosmici;

- radiazione residua: le particelle che attraversano CMS possono attivaregli elementi del rivelatore producendo radionuclidi.

29

Figura 2.7: Profondità di generazione delle particelle che raggiungono le gap di unrivelatore RPC a doppia gap. L'istogramma è stato prodotto con una simulazione inGeant4 in cui sono stati generati muoni con energia di 1 GeV (100000 eventi). I muoniincidono perpendicolarmente sul rivelatore da sinistra (coordinata z = 0).

In queste simulazioni si sono utilizzate come energie delle particelle incidentigli intervalli di energia con cui queste particelle sono presenti nel backgrounddi CMS: dai termici al GeV per i neutroni e tra 10−2 e 102 MeV per i fotoni.I processi che possono indurre un segnale sugli elettrodi di read-out generatidalle particelle che giungono nella gap quando vengono fatti incidere neutro-ni o fotoni sono riportati, rispettivamente, negli istogrammi di Figura 2.8 eFigura 2.9. Per quanto riguarda i neutroni, a basse energie (< 10−6 MeV)questi interagiscono prevalentemente con la bakelite e gli strati di PET perscattering elastico e cattura neutronica, cioè reazioni (n,γ), che hanno una se-zione d'urto σ ∝ 1√

Ee che producono fotoni responsabili dell'eetto Compton

presente nell'istogramma. All'aumentare dell'energia, in particolare sopra alMeV, diventa dominante la componente inelastica e inne (sopra i 50 MeV)predomina la componente di reazioni nucleari. Per i fotoni invece si può ve-dere come per energie < 5 x 10−2 MeV avviene solo eetto fotoelettrico, poipredomina l'eetto Compton no a 10 MeV, inne ad alte energie predominala produzione di coppie. Tale andamento è in accordo con le sezioni d'urtorelative dei processi di interazione con la materia dei fotoni su materiali abasso Z. Infatti gli RPC sono costituiti prevalentemente da nuclei bersaglileggeri: C, O e H presenti negli strati di PET, bakelite e nel gas che riempela gap.

30

Figura 2.8: Istogramma bidimensionale dei processi generati dalle particelle che giungononelle gap quando vengono fatti incidere su un rivelatore RPC a doppia gap neutroni(simulazione con Geant4, 100000 eventi). In ascissa le energie dei neutroni, espresse inMeV.

Figura 2.9: Istogramma bidimensionale dei processi generati dalle particelle che giun-gono nelle gap quando vengono fatti incidere su un rivelatore RPC a doppia gap fotoni(simulazione con Geant4, 100000 eventi). In ascissa le energie dei fotoni, espresse in MeV.

2.3.2 Moto delle cariche e moltiplicazione a valanga

Le coppie elettrone-ione positivo, una volta prodotte, sono sottoposte ad unmoto di diusione causato dall'agitazione termica che comporta perdita dienergia per le collisioni casuali con gli atomi del gas. Questo moto è indipen-dente dalla presenza di un campo elettrico esterno applicato agli elettrodi delrivelatore e tende a diondere la carica spaziale, la cui distribuzione segue

31

una legge gaussiana:dN

N=

1√4πDt

e−x2

4Dt dx,

dove dNN

è la frazione di cariche che si trovano nell'elemento dx alla distanzax dall'origine della ionizzazione dopo un tempo t, mentre D è il coeciente didiusione, che dipende dalla miscela di gas ed è denito attraverso la primalegge di Fick:

JD = −D∂c

∂x,

con JD usso di diusione e c concentrazione delle particelle. La deviazionestandard della distribuzione della carica spaziale è σx =

√2Dt nel caso lineare

e σV =√

6Dt nel caso tridimensionale. La velocità media di diusionetermica degli elettroni è dell'ordine di 107 cm/s, mentre per gli ioni è 104−105

cm/s. Questa dierenza di 2−3 ordini di grandezza è dovuta alla massamaggiore degli ioni e di conseguenza il libero cammino medio per gli elettroniè circa 4 volte maggiore rispetto a quello degli ioni. Durante il processo didiusione le cariche positive e negative possono venire assorbite dalle paretidel rivelatore o neutralizzarsi tra loro. Quando viene applicato un campoelettrico esterno si osserva un movimento netto, risultante da più collisionicon gli atomi del gas, degli ioni positivi lungo le linee di campo con unavelocità di deriva v+D dipendente dall'intensità del campo elettrico e dallapressione del gas. Introducendo il fattore proporzionale µ+, detto mobilitàdegli ioni, si può scrivere:

~v+D = µ+ ~E.

La mobilità degli ioni dipende dal tipo di ione e dal gas, ma è essenzialmentecostante per campi elettrici elevati. Nel caso in cui la densità degli ioni siaespressa dalla distribuzione di Boltzmann, esiste una relazione che lega µ+

con il coeciente di diusione degli ioni D+, detta relazione di Einstein:

D+ = µ+KbT

qe,

dove Kb è la costante di Boltzmann, T è la temperatura del gas e qe è lacarica dell'elettrone. La mobilità degli elettroni invece dipende dal campoelettrico esterno applicato ed è costante solo per campi deboli. La velocitàdi drift degli elettroni può essere espressa dalla formula di Townsend:

v−D =qemEτ,

con τ il tempo medio tra due collisioni successive. In Figura 2.10 sonomostrate diverse v−D in funzione del campo elettrico per dierenti gas.

32

Figura 2.10: Velocità di deriva degli elettroni in dierenti gas in condizioni normali(20C e 1 atm)[19].

Lo sviluppo di un segnale in un RPC, come in qualsiasi rivelatore a gas,è basato oltre che sul processo di ionizzazione del gas, sulla moltiplicazio-ne a valanga degli elettroni. Se il campo elettrico costante applicato aglielettrodi del rivelatore RPC fosse debole, un elettrone libero che si trovassenella gap di un RPC tenderebbe semplicemente a muoversi con una velocitàdi deriva costante vD verso l'anodo per l'azione del campo elettrico stesso.Quello che invece avviene è che il campo elettrico è sucientemente grande(maggiore di qualche kV/cm) anché gli elettroni generati dalla prima io-nizzazione abbiano energia suciente per ionizzare a loro volta, generandocosì una moltiplicazione. Gli elettroni liberati dalle ionizzazioni successivealla primaria vengono anche loro accelerati dal campo elettrico e questo pro-cesso di moltiplicazione dà vita ad una valanga, detta di Townsend, in cuiciascun elettrone libero creato può potenzialmente creare più elettroni liberiattraverso lo stesso processo. La forma che assume questa valanga è moltosimile ad una goccia (Figura 2.11) con gli elettroni in testa e in coda gli ionipositivi, che diminuiscono in numero a causa della minore velocità di diu-sione e in estensione laterale per la minore velocità di deriva. L'aumento dndel numero di elettroni per unità di cammino percorso dx è regolato dallarelazione:

dn = nαdx, (2.1)

33

Figura 2.11: Tipica distribuzione a forma di goccia delle cariche in una valanga, con inbasso gli elettroni più veloci degli ioni positivi[10].

dove α è chiamato primo coeciente di Townsend per il gas e corrispondeall'inverso del cammino libero medio per la ionizzazione. Il suo valore èzero per campi elettrici deboli che non producono la moltiplicazione, poigeneralmente aumenta all'aumentare della forza del campo. Per un campocostante, come quello della geometria a piatti paralleli degli RPC, α, che è unafunzione del campo elettrico ridotto E

P, è costante e integrando l'Equazione

(2.1) si ottiene:

n = n0eαx,

dove n0 rappresenta il numero di elettroni prima della moltiplicazione. Que-sta formula indica che il numero totale di elettroni creati in una valangadopo un cammino x aumenta esponenzialmente. Il fattore di moltiplicazionerisulta essere:

M =n

n0

= eαx. (2.2)

Questo fattore è sicamente limitato a circa M < 108 o equivalentementeαx < 20, in quanto oltre questi valori avvengono scariche. Questo limite èconosciuto come limite di Raether. Il fattore di moltiplicazione, detto ancheguadagno, è un elemento fondamentale per la rivelazione delle particelle esono stati sviluppati vari modelli teorici per poter calcolare α per diversigas. Uno di questi (Figura 2.12), sviluppato da M.E. Rose e S.A. Kor[20],prevede la formula:

α

p= Ae−

BpE , (2.3)

34

Figura 2.12: Coeciente di Townsend ridotto αp in funzione del campo elettrico ridotto

per vari gas nobili[20].

dove p è la pressione del gas e A e B sono due costanti dipendenti dal tipodi gas, chiamate coecienti di Paschen.

2.3.3 Segnale generato

In un RPC, come detto, le cariche libere vengono accelerate da un campoelettrico uniforme sucientemente grande per dare origine ad un processo divalanga. Il segnale del rivelatore è quello indotto sugli elettrodi di lettura dalmoto della distribuzione di carica. In particolare negli RPC viene raccoltasolo la componente veloce del segnale indotto, quindi quella data dal motodegli elettroni, i quali hanno una velocità di deriva maggiore rispetto a quelladegli ioni.

Gli elettrodi di read-out degli RPC possono avere la forma di striscie(strip) o di quadrati (pad). Le strip presentano il vantaggio di comportarsicome linee di trasmissione con una denita impedenza che trasferisce il se-gnale a grandi distanze con una perdita minima in ampiezza e informazionitemporali. Il vantaggio principale delle pad invece consiste nella migliorelocalizzazione bidimensionale della traiettoria della particella incidente, mapresentano lo svantaggio di necessitare di un maggiore numero di canali dielettronica.

La corrente prodotta dal moto delle cariche nel gas induce un segnalesugli elettrodi di read-out con una carica concentrata in un'area tipicamente

35

Figura 2.13: Circuito equivalente semplicato di un rivelatore RPC, prima (a) e dopo(b) il passaggio di una particella ionizzante[21].

dell'ordine di 10−3 cm2. Infatti la carica, grazie alla alta resistività ρ deglielettrodi, non si disperde sull'intera supercie, ma resta localizzata. Questopermette di immaginare gli RPC come costituiti da un insieme di celle dirivelazione indipendenti tra loro, la cui sezione dipende dalle dimensioni dellavalanga. L'estensione superciale S di ogni singola cella è proporzionale allacarica totale Q liberata nel gas e allo spessore g della gap secondo la formula:

S =Qg

ε0V0,

dove ε0 è la costante dielettrica del vuoto e V0 è la dierenza di potenzialeapplicata agli elettrodi. Il circuito equivalente di queste singole celle, inassenza di ionizzazione nel gas, può essere rappresentato come in Figura2.13(a), dove Rel = ρ d

Se Cel = εrε0

Sdsono rispettivamente la resistenza

e la capacità del volumetto degli elettrodi (con costante dielettrica εr) dispessore d della cella immaginaria; mentre Cgap = ε0

Sgè la capacità del

volumetto di gas nella cella e Rgap è la resistenza del gas, che ha valore innitoe quindi tutta la tensione è applicata ai capi di Cgap. Quando è presenteun processo di ionizzazione nel gas, il circuito equivalente diventa quello diFigura 2.13(b), in cui Rgap è sostituito da un generatore di corrente I, ilquale determina una diminuzione della tensione ai capi della gap. In questasituazione il condensatore Cgap si scarica e la tensione applicata è trasferitaal condensatore Cel, cioè agli elettrodi. Si verica quindi un aumento delladierenza di potenziale ai capi degli elettrodi per bilanciare la diminuzione

36

Figura 2.14: Circuito equivalente di un elettrodo di lettura di un rivelatore RPC[21].

ai capi della gap e mantenere V0 costante ai capi della cella. Il tempo mortoτ della cella del rivelatore per ripristinare le condizioni iniziali, dovuto allaricarica di Cgap, è legato a Rel e alle due capacità dalla relazione [22]:

τ = Rel(Cel + Cgap) = ρε0

(εr + 2

d

g

).

Tipicamente per la bakelite ρ vale circa 1010 Ω cm, quindi risulta τ ∼ 10ms. Siccome il tempo di scarica tipico in un RPC è ∼ 10 ns, signica chein questo intervallo di tempo τ gli elettrodi si comportano come isolanti,impedendo un'ulteriore alimentazione del processo a valanga degli elettronie favorendone la soppressione.

Il circuito equivalente degli elettrodi di lettura può essere rappresentato(Figura 2.14) come un generatore di corrente che carica un capacitore C inparallelo con un resistore R, dove C è la capacità di un elettrodo e R èla resistenza che connette a terra l'elettrodo. In questo caso la costante idtempo risulta più piccola del tempo di salita del segnale stesso, evitando cosìintegrazioni o distorsioni del segnale di corrente che risulta, in ogni istante,proporzionale alla corrente di scarica nel gas.

Sfruttando il teorema di Ramo[23], il segnale indotto sugli elettrodi dauna valanga costituita da N(t) elettroni al tempo t è:

i(t) =EwVw

qev−DN(t),

con qe la carica dell'elettrone e v−D la velocità di deriva degli elettroni. Ew(weighting eld) è il campo elettrico nella gap se un elettrodo è posto allatensione Vw rispetto agli altri elettrodi messi a terra. Il segnale è letto suelettrodi di lettura posti dalla stessa parte dell'elettrodo alimentato a Vw.Nel caso degli RPC vale:

EwVw

=εr

2d+ gεr. (2.4)

37

2.3.4 Miscela di gas

La scelta standard del gas per i rivelatori è quella dei gas nobili a causa delloro costo contenuto e della loro bassa soglia per la moltiplicazione a valanga.Viene comunque inserita una certa quantità di altri composti per migliora-re le prestazioni del rivelatore. Per aumentare il guadagno senza provocarescariche si aggiungono molecole poliatomiche dette quencher. Queste mole-cole dissipano parte dell'energia, che altrimenti sarebbe emessa come raggigamma, soprattutto nella regione dell'UV, che potrebbero causare emissio-ne fotoelettrica dagli elettrodi degli RPC o valanghe secondarie. I quencherportano però uno svantaggio: assorbendo energie queste molecole tendononel tempo a dissociarsi e depositarsi sugli elettrodi, agendo come isolanti ecausando quindi un calo delle prestazioni del rivelatore. Un'altra aggiuntanella miscela del gas è quella di molecole elettronegative. Queste catturanoelettroni liberi e ioni negativi che possono viaggiare dall'anodo verso il catodocreando valanghe multiple ed eventualmente scariche. In questo modo si au-menta il guadagno raggiungibile, ma si diminuisce l'ecienza dell rivelatoreRPC in quanto si possono anche catturare gli elettroni primari prodotti dalpassaggio nel rivelatore della particella ionizzante. Infatti in un gas elettrone-gativo ogni elettrone ha una probabilità η, detto coeciente di attachment,di legarsi ad una molecola formando uno ione negativo4. In analogia conl'equazione 2.2 il guadagno totale può essere riformulato come:

Meff = e(α−η)x = eαeffx,

dove αeff è chiamato coeciente di Townsend eettivo.La miscela standard utilizzata negli RPC di CMS consiste in tetrauoroe-

tano (C2H2F4), isobutano (iC4H10) e esaoruro di zolfo (SF6), nelle percen-tuali rispettivamente di 95.2%, 4.5% e 0.3%. In questa miscela il quencher èl'iC4H10, mentre il composto elettronegativo è il SF6.

2.4 Modi di operazione degli RPC

Un rivelatore RPC può operare in due modalità: a valanga o streamer. Carat-teristica operazionale fondamentale per discriminare i due modi è la tensioneapplicata.

La modalità a valanga è in grado di sopportare alti ratei di particelleincidenti (no a 1 kHz/cm2) e ha proprietà temporali stabili. La modalitàstreamer invece ha il vantaggio di avere segnali più grandi (circa 100 pC),ma un tempo morto maggiore.

4La probabilità di attachment è invece pressoché nulla per un gas nobile.

38

Figura 2.15: Tipiche forme d'onda di segnali di un rivelatore RPC a varie tensioniapplicate. Le frecce indicano gli impulsi di segnale dati dal precursore della valanga[24].

Un problema che si riscontra nella modalità a valanga è la probabilitàche avvenga una scarica nel gas che genererà un segnale molto grande. Perridurre questo rischio esistono due soluzioni: la prima è quello di aumentarela frazione del quencher nella miscela del gas (di cui abbiamo parlato nellaSezione 2.3.4); la seconda consiste nell'aumentare la larghezza della gap.Un'altra possibile soluzione sarebbe quella di diminuire la tensione applicata,ma questa comporta una diminuzione dell'ecienza del rivelatore.

In Figura 2.15 sono mostrati esempi di segnali, che esibiscono dierentiproprietà in corrispondenza di dierenti tensioni. I dati si riferiscono ad unostudio[24] in cui è stata usata una miscela di C2H2F4, Ar e C4H10 in rappor-to 83/10/7. Per tensioni applicate minori di 9.2 kV si ha un unico segnaleproporzionale alla carica incidente, la cui ampiezza dipende fortemente dallatensione. Intorno a 9.2 kV il segnale smette di crescere con la tensione appli-cata e si comporta come una valanga saturata. Inoltre inizia ad apparire unimpulso ritardato: si tratta di un segnale di streamer. La Figura 2.16(a), chemostra la distribuzione di carica alla tensione di 9.4 kV, mostra chiaramentela presenza di due picchi con massimo di carica a 0.8 pC e 32 pC, che rap-presentano i due impulsi di valanga e di streamer. La carica è stata ottenutaintegrando nel tempo la forma d'onda del segnale.

La regione tra 9.2 kV e 9.8 kV è la regione di transizione dalla modalitàa valanga a quella streamer. In Figura 2.16(c) è mostrato l'andamento della

39

(a) (b)

(c) (d)

Figura 2.16: (a) Distribuzione in carica dei segnali a 9.4 kV; (b) valori della carica mediain funzione della tensione applicata V (i triangoli rappresentano il segnale di valanga oprecursore e i cerchi il segnale totale); (c) probabilità di streamer in funzione di V in eventicon segnale di valanga; (d) ritardo relativo tra il segnale del precursore e quello di streamerin funzione di V[24].

probabilità di streamer in funzione della tensione applicata. Questa è nullasotto 9.2 kV e cresce rapidamente no a raggiungere circa 100% già a 10.0kV. Tra 9.8 kV e 11 kV il segnale è normalmente caratterizzato da due im-pulsi: uno dovuto alla valanga saturata seguito da un impulso causato dallostreamer. Il ritardo dell'impulso di streamer rispetto al precursore dato dallavalanga diminuisce con la tensione applicata (Figura 2.16(d)) e intorno ai10.6 kV i due impulsi si confondono in uno solo, con una struttura non moltopronunciata che rivela la presenza della fase di valanga. Questa regione è

40

Figura 2.17: Schema base di un rivelatore MRPC[25].

detta di singolo streamer, mentre quella successiva (sopra 11 kV) di multiplostreamer, perché è caratterizzata da un'alta probabilità di avere più impulsidi streamer. Aumentando ulteriormente la tensione applicata si manifestauno spark : un lamento di cariche connette gli elettrodi e l'ampiezza delsegnale d'uscita può essere molto maggiore.

2.5 RPC a multigap

Nel 1996 è stata proposta e sviluppata una nuova geometria per gli RPC,oltre a quella standard nora descritta. Si tratta della geometria a multigap(MRPC)[25][26] (Figura 2.17), in cui si ha una pila di piani resistivi di vetromantenuti equamente separati da spaziatori isolanti, li di nylon da 200−300µm. La tensione è applicata attraverso un rivestimento resistivo che ricopre idue strati più esterni di questa pila, mentre tutti gli strati interni sono lasciatielettricamente ottanti. Negli MRPC la tensione applicata agli elettrodi èelettrostaticamente distribuito fra tutti le gap. I piani ottanti sono semprein equilibrio dinamico (uguale guadagnoM in ogni gap), reso possibile grazieal usso di elettroni e ioni attraverso i vetri. Sugli elettrodi di lettura ilsegnale indotto è generato dal moto delle cariche in una qualunque delle gap.Ogni valanga ha lo stesso tempo di sviluppo in quanto il campo elettrico èuguale in tutto il rivelatore.

41

Il vantaggio principale degli MRPC rispetto agli RPC standard è la ridu-zione del segnale di jitter causato dalle uttuazioni statistiche nello sviluppodella valanga: questo comporta una migliore risoluzione temporale. Si è rag-giunta una risoluzione temporale di 50 ps con un rivelatore MRPC costituitoda 10 gap da 250 µm [27]. Un altro vantaggio dato dalla suddivisione dellospazio tra gli elettrodi in più gap è di evitare che più valanghe si uniscano inun unico streamer.

Gli MRPC richiedono l'uso di una miscela di gas con un alto coecientedi Townsend α anché si abbia la stessa ecienza rispetto ad un rivelatoreRPC a singola gap. Questo perché la valanga ha una minore distanza persvilupparsi e raggiungere quindi la minima carica necessaria per rivelare l'e-vento. Assumendo lo stesso fattore di moltiplicazione Mmin per entrambi icasi, si può ricavare dall'Equazione 2.2 il minimo coeciente di Townsendper un rivelatore RPC e un rivelatore MRPC, rispettivamente:

αRPC =lnMmin

gRPC − xminRPC

,

αMRPC =lnMmin

gMRPC − xminMRPC

,

dove xmin è la distanza minima sopra la quale almeno una valanga è generatacon una probabilità del 99%. Considerando per esempio un rivelatore RPCcon gRPC = 2 mm e un rivelatore MRPC costituita da tre gap di spessoregMRPC = 0.67 mm e assumendo una media di 3 valanghe per millimetro (λ =mm−1), valore a cui corrispondono xminRPC = 1.5 mm e xminMRPC = 0.5 mm, siottiene:

αMRPC

αRPC=

dRPC − xminRPC

dMRPC − xminMRPC

' 3.

Quindi con tre gap più piccole rispetto ad un rivelatore RPC standard, ilrivelatore MRPC richiede l'uso di un gas con un coeciente di Townsendcirca tre volte maggiore. Siccome α cresce all'aumentare del campo elettri-co secondo l'Equazione 2.3, è necessario aumentare la tensione applicata alrivelatore anché un rivelatore MRPC operi con gli stessi parametri di unrivelatore RPC. Aumentando il numero di gap la tensione da applicare au-menta in quanto si aumenta la distanza tra i due elettrodi ai quali è applicatal'alta tensione. Per un rivelatore MRPC con n gap separate da m piani divetro la Formala 2.4 che esprime il weighting eld diventa:

EwVw

=εr

md+ ngεr.

42

Figura 2.18: Schema di un rivelatore RPC a doppio gap utilizzato a CMS[29].

Parametri Range richiestiecienza > 95%risoluzione temporale ≤ 1 nsestensione media del segnale indotto ≤ 2 stripcapacità di rateo 1 kHz/cm2

carica media del segnale indotto 2.5−5 pC

Tabella 2.2: Caratteristiche richieste agli RPC a CMS[29].

2.6 Gli RPC di CMS

Come accennato nel primo capitolo, gli RPC sono utilizzati in CMS comerivelatori muonici. La congurazione utilizzata è quella a doppio gap (Figura2.18). In questi rivelatori le strip sono situate tra le due gap, mentre ipiani di massa sono posti sui lati esterni delle due gap. In questo modoil segnale indotto sulle strip è dato dalla somma dei contributi nelle duegap. Questo vantaggio comporta la possibilità di poter avere una sogliamaggiore sull'elettronica di lettura per tagliare il rumore. I requisiti richiestidall'esperimento CMS a questi rivelatori sono illustrati in Tabella 2.2, mentrela Figura 2.19 mostra l'elevata ecienza raggiunta.

Misure variando la tensione di alimentazione sono state eseguite all'iniziodel 2011 e del 2012 per determinare la condizione operativa di ogni RPC.In Figura 2.20 è riportato come esempio l'ecienza in funzione della tensio-ne applicata eettiva HVeff (denita nella prossima Sezione) per un tipico

43

(a) (b)

Figura 2.19: Ecienza degli RPC di CMS in funzione dela tensione applicata, in terminidi soglia di carica (a) e di numero di gap (b) [29].

RPC di endcap. La dipendenza dell'ecienza ε da HVeff è parametrizzataattraverso una sigmoide:

ε =εmax

1 + e−HVeff−HV50%

C

, (2.5)

dove εmax è l'ecienza massima che si raggiunge asintoticamente per HV →∞, C è un parametro dipendente dalla velocità di salita della curva e HV50%è il valore della tensione al 50% di εmax. In Figura 2.20 è indicato il ginocchio(knee), che è il valore di HVeff per cui è raggiunto il 95% di εmax. Il valoreottimale del punto di lavoro (WP, Working Point) è scelto tra il ginocchio ela regione di plateau, per avere un'elevata ecienza senza applicare tensionitroppo elevate. WP è quindi denito per ogni RPC come il valore del gi-nocchio più 100 V per rivelatori situati nel barrel o 150 V se negli endcap.Questa dierenza tra barrel e endcap riette la dierenza nelle richieste ditrigger. Infatti quello di endcap è maggiormente sensibile alle variazioni diecienza, richiedendo tre coincidenze in tre piani diversi. E' attualmente infase di completamento il quarto piano che fornirà la ridondanza necessaria aottenere un'ecienza maggiore.

44

Figura 2.20: Ecienza in funzione di HVeff per un tipico RPC di CMS[30]. Sonomostrati il ginocchio e il punto di lavoro deniti nel testo.

2.7 Caratteristiche operazionali dei rivelatori

RPC

Pur essendo stati inizialmente sviluppati per la sica passiva (ad esempio perrivelare i raggi cosmici), gli RPC sono giunti ad essere largamente utilizzati invari esperimenti di sica delle alte energie, non solo in CMS. Questo successoè merito anche dei vari studi, che continuano tutt'oggi, che hanno permessodi migliorare le prestazioni di questo rivelatore, in particolare in termini diecienza, risoluzione spaziale e temporale. Due punti critici da studiare congrande importanza per gli scopi pressati sono la miscela di gas e l'elettronicadi lettura del segnale.

La massima capacità di rateo raggiunta dagli RPC è dell'ordine di qualchekHz/cm2 in modalità a valanga, mentre in modalità streamer questo valorediminuisce di un fattore 10. In genere tutti gli RPC sono caratterizzatida una corrente di buio dell'ordine del kHz/m2, che non rappresenta unproblema per le normali operazioni del rivelatore essendo solo lo 0.01% dellacapacità massima di rateo. Un'opportuna elettronica di read-out permettedi controllarla, attraverso una corretta scelta della soglia del discriminatore.

Fattori importanti da monitorare, in quanto inuenzano i parametri otti-mali di operazione degli RPC, sono la temperatura, la pressione e l'umidità.Gli RPC sono particolarmente sensibili alla pressione esterna in quanto in-uisce sul coeciente di Townsend, comparendo nell'esponenziale di Formula2.3, e quindi sulla formazione della valanga. La temperatura inuenza l'ef-cienza, infatti questa aumenta all'aumentare della temperatura, ma sopra

45

i 40C l'andamento si inverte con un'improvvisa diminuzione dell'ecienza,in quanto la temperatura inizia ad inuire sul comportamento della bakelite.L'eetto dell'umidità invece è meno importante perché il suo contributo di-venta signicativo solo per valori relativamente alti e la percentuale di acquanella miscela di gas è facilmente controllabile da circuiti di condensazionededicati. Temperatura e pressione nell'esperimento CMS sono due parametrinon facilmente ssabili ad un punto di lavoro: la temperatura è soggetta allevariazioni ambientali e alle dissipazioni di calore causate dai rivelatori in fun-zione; la pressione del gas dipende dalla pressione atmosferica ed è soggettaa variazioni secondo le condizioni meteorologiche. Il monitoraggio di questiparametri ambientali fornisce una spiegazione sul cambiamento dell'ecienzadel rivelatore.

Per tener conto delle variazioni di pressione P e temperatura T all'internodella caverna di CMS si è pensato di riscalare questi parametri a dei valoridi riferimento (P0 = 965 mbar e T0 = 293 K):

HVeff (P, T ) = HVappP0

P

T

T0, (2.6)

dove HVeff è l'alta tensione eettiva e HVapp quella applicata al rivelato-re. L'eetto dominante è dovuto alla variazione di pressione: una variazio-ne dell'1%, dell'ordine di 10 mbar, produce una signicativa dierenza inHVeff (P, T ) di circa 100 V. Utilizzando la Formula 2.6 si sono trovati peròeetti di sovracorrezione, per questo la formala da utilizzare è stata ranatain:

HVapp = HVeff

(1− α + α

P

P0

), (2.7)

con α costante con valore 0.8. In questa formula non compare la correzioneper la temperatura in quanto per CMS non si vericano variazioni notevolidi T . L'utilizzo di queste formule correttive per la tensione è stata introdottanel corso della presa dati di CMS del 2011 (luglio 2011) e dalla Figura 2.21si può vedere come le uttuazioni nell'ecienza degli RPC, principalmentecausate dalla variazione di pressione, sono diminuite da circa ±1% a circa±0.5% grazie a questa correzione. La maggiore ecienza media (∼ 97%comparato a ∼ 96%) nella prima parte del 2011 è dovuta alla scelta di 965mbar come valore di riferimento. Infatti nella seconda parte dell'anno lapressione atmosferica era in media maggiore di 965 mbar, dando luogo avalori più bassi di HVeff e quindi valori di ecienza minori rispetto allaprima parte dell'anno.

Durante il loro funzionamento gli RPC sono soggetti a fenomeni tran-sitori che ne diminuiscono l'ecienza. Esempi sono il possibile sviluppo di

46

Figura 2.21: Ecienza degli RPC nel barrel in funzione del numero di run, cioè infunzione del tempo, per run presi tra aprile 2011 e ottobre 2011. Sono mostrate le dueregioni, prima e dopo l'utilizzo della correzione HVeff (P, T )[30].

radioattività, con il materiale di cui è composto il rivelatore che viene at-tivato e quindi irraggia, aumentando il fondo delle interazioni da rivelare.L'alta tensione applicata può dare origine a scariche nel gas, che limitanole condizioni operazionali degli RPC. L'alto usso di particelle inoltre puòamplicare questi eetti.

Le caratteristiche operazionali degli RPC dipendono da molti fattori ilcui eetto è amplicato dall'invecchiamento (aging) del rivelatore. Uno diquesti fattori è per esempio la miscela di gas. Infatti l'aggiunta di molecolepoliatomiche per mantenere il rivelatore in modalità a valanga causa, sottol'azione dell'alto campo elettrico, il deposito di polimeri sugli elettrodi e laformazione di acido uoridrico (HF ) per rottura molecolare e successiva ri-combinazione con il Fluoro presente. HF è un acido molto aggressivo chepuò facilmente corrodere qualsiasi materiale presente nel rivelatore. Il us-sare della miscela di gas nel rivelatore permette di controllare questo eetto,ma non elimina il problema, in quanto è presente l'accumulo sugli elettrodidi questi agenti. I problemi di aging possono essere amplicati da tecnichedi produzione degli RPC che si rivelino non ottimali. L'invecchiamento delrivelatore è aumentato anche dall'alto usso di particelle incidenti, in quan-to un maggiore fondo, in particolare neutroni e fotoni, può causare dannipermanenti al rivelatore RPC, cambiando le proprietà di alcuni materiali,soprattutto bakelite ed elettrodi.

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Oltre a questi fenomeni è importante studiare l'aging naturale degli RPC.All'interno di questo contesto si inserisce questo lavoro di tesi, in cui si sonostudiate le prestazioni di alcuni RPC provenienti dalla produzione di massaper CMS, ma che non sono stati installati al CERN. Lo studio di longevitydi questi rivelatori, che sono invecchiati naturalmente, e il loro confronto conle proprietà degli RPC installati al CERN permette di capire l'eetto nettodelle radiazioni su questi ultimi.

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Capitolo 3

Studio di longevity su rivelatori

RPC

Lo studio di longevity è stato condotto nel laboratorio di CMS presso il Dipar-timento di Fisica dell'Università degli Studi di Pavia, in cui erano conservatein ottime condizioni cinque RPC provenienti dalla produzione di massa perCMS degli anni 2006 e 2007. Si trattava di RPC a singola gap con la strut-tura mostrata in Tabella 3.1. Gli elettrodi di lettura erano a forma di stripe ogni singola strip, spessa 2.1 cm, era terminata attraverso una resistenzada 22 Ω collegata al foglio di massa (Figura 3.1). Le dimensioni dei piani dibakelite degli RPC erano 70.7 x 104.5 cm2. Gli RPC in nostro possesso sonostati nominati con un numero da 1 a 5. Gli RPC numero 2, 4 e 5 prove-nivano dalla produzione del giugno 2006 e la bakelite di cui erano compostiall'origine aveva resistività 1−3 x 1010Ω cm; mentre gli RPC 1 e 3 erano statiprodotti nell'aprile del 2007 e la resistività della loro bakelite era inizialmente3−6 x 1010Ω cm.

Figura 3.1: Resistenze di terminazione delle strip, collegate al piano di massa.

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Materiale Spessore (mm)Al 1foam 15Al 1PET 0.3foam 2.4PET 0.2rame (foglio di massa) 0.2PET 0.3grate (+HV) 0.02bakelite 2gas (gap) 2bakelite 2grate (ground) 0.02PET 0.3rame (strip) 0.3PET 0.3Al 1foam 15Al 1

Tabella 3.1: Composizione e spessori degli RPC numero 1−5.

Sono stati studiati anche due RPC, nominati 6 e 7, provenienti anch'essidalla produzione di massa per CMS, ma che erano stati conservati presso laGeneral Tecnica. Questi RPC erano privi degli elettrodi di lettura e dellastruttura esterna in alluminio. Le dimensioni del rivelatore RPC numero 6erano 115.5 x 198 cm2, mentre il numero 7 aveva dimensioni 123.7 x 206cm2. Entrambi avevano come valore nominale della resistività della bakelite2−3 x 1010Ω cm.

3.1 Setup sperimentale

3.1.1 Il sistema di ussaggio

La prima operazione eseguita è stata quella di costruire il sistema per il us-saggio del gas all'interno degli RPC. E' fondamentale che il gas che deveriempire le gap degli RPC sia ussato, in quanto, come già accennato nel-la Sezione 2.7, bisogna ripulire la miscela di gas dalle impurezze prodotte

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dalle rotture molecolari delle molecole poliatomiche presenti. Infatti senza ilussaggio del gas le impurezze causano un aumento della corrente, mentremaggiore è il ussaggio maggiore è la pulizia del gas.

Le bombole dei gas utilizzati (C2H2F4, iC4H10 e SF6 per la miscela stan-dard e l'argon1) erano state collegate attraverso tubi Rilsan del diametrodi 6 mm a tre ussimetri digitali della Bronkhorst (Figura 3.2(a)). I treussimetri, controllabili attraverso un software installato su un PC con cuierano collegati via cavo RS232, erano tarati ognuno per ciascun componentedella miscela standard. Quando si è dovuto utilizzare l'argon, si è usato ilussimetro tarato per l'isobutano, sapendo che il coeciente di conversionetra il usso tarato per iC4H10 e quello eettivo di argon era 0.184. Dopo iussimetri i vari componenti della miscela di gas venivano uniti in un unicocontenitore, da cui fuoriusciva un tubo Rilsan che si diramava in due dierentipercorsi attraverso una giunzione a T. Nel primo percorso era semplicementepresente un ussimetro analogico (Figura 3.2(b)). Il secondo percorso eraanch'esso collegato ad un ussimetro analogico, ma oltre al quale si trovavaun bubbolatore (Figura 3.2(c)), un contenitore contenente acqua che rendevaumido il gas che lo attraversasse. Alla ne dei due percorsi c'era una giun-zione a forma di T che riuniva il usso di gas. Regolando l'apertura dei dueussimetri analogici era possibile variare l'umidità del gas.

Dopo essersi riunito in un unico percorso il gas arrivava in una giunzioneda cui si diramavano cinque tubi Rilsan (Figura 3.2(d)), che erano collegatiai rivelatori RPC numero 1−5. Essendo due i fori di ingresso del gas nellegap degli RPC, il tubo si dirama in due attraverso una giunzione a T. Inoltre,per uniformare il più possibile il usso di gas all'interno dei 5 rivelatori, sonostati introdotti all'ingresso delle gap degli aghi di siringa in cui il gas eraobbligato a passare (Figura 3.2(e)). Anche l'uscita dagli RPC era doppiae i tubi si ricongiungevano in un unico percorso attraverso una giunzione aT. Prima di essere portato fuori dal laboratorio il gas veniva fatto passareattraverso dei piccoli bubbolatori (Figura 3.2(f)), uno per ogni RPC in mododa vericarne l'eettivo ussaggio all'interno delle gap. Un sistema analogoè stato realizzato per gli RPC numero 6 e 7.

Il sistema di ussaggio del gas è stato sottoposto in ogni sua parte atest di tenuta, mettendo dei tappi in punti diversi del sistema e, una voltaintrodotto il gas nel circuito, vericando attraverso un manometro che lapressione del gas non diminuisse.

1Per le misure di resistività, in cui si studiano i piani di bakelite, al posto della miscelastandard di gas, si è utilizzato l'argon. Infatti con questo gas nobile la moltiplicazione avalanga avviene a tensioni minori e amplicando la scarica nel gas è possibile considerarecortocircuitata la gap.

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(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figura 3.2: (a) Flussimetri digitali per regolare il usso di gas; (b) ussimetri analogiciper regolare l'umidità del gas; (c) bubbolatore per aumentare l'umidità del gas; (d) giun-zione da cui si diramano i 5 tubi Rilsan verso i rivelatori RPC numero 1−5; (e) ingressodel tubo Rilsan nel rivelatore RPC con l'ago di siringa inserito all'interno; (f) bubbolatorinali di controllo del sistema di ussaggio del gas.

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(a) (b)

Figura 3.3: (a) Logger di temperatura e umidità del gas inserito nel sistema di ussaggio;(b) stazione meteorologica installata all'interno del laboratorio per il monitoraggio dellapressione ambientale.

3.1.2 Monitoraggio parametri ambientali

Come descritto nella Sezione 2.7, è fondamentale monitorare i parametri am-bientali, in particolare temperatura, pressione e umidità. Per questo, all'in-terno del sistema di ussaggio, il gas prima di venire suddiviso nei 5 rivelatoriRPC attraversa una scatola (Figura 3.3(a)) al cui interno è collocato un loggerdi temperatura e umidità della PICO, che comunica costantemente i dati adun PC via cavo RS232, salvandoli in un le di testo attraverso il software Pico-Log. In questo modo abbiamo a nostra disposizione i dati della temperatura eumidità proprio del gas. Mentre per quanto riguarda la pressione ambientale,questa è monitorata attraverso una stazione meteo della PCE installata al-l'interno del laboratorio (Figura 3.3(b)). I dati di questa stazione meteo ven-gono inviati via wi- ad un PC e attraverso il software Cumulus online al sitohttp://www.wunderground.com/weatherstation/WXDailyHistory.asp?

ID=ILOMBARD249&format=1&units=metric.

3.1.3 Alta tensione

Per alimentare gli RPC si è utilizzato un power supply della CAEN (Figura3.4). I cavi coassiali dell'alta tensione sono collegati attraverso dei morsetti aidue cavi già presenti negli RPC, collegati ai due strati di grate posti sui duepiani di bakelite: uno attraverso il morsetto è collegato al lo conduttore delcavo dell'alta tensione, mentre l'altro è posto a terra essendo collegato conla massa del cavo coassiale. La struttura esterna in alluminio di ogni RPC

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Figura 3.4: Power supply della CAEN utilizzato per applicare tensione ai rivelatoriRPC.

è messa a terra attraverso calze di rame collegate alla terra del laboratorio.Inoltre è stato saldato un cavo sul foglio di massa in rame degli RPC ecollegato anch'esso alle calze di rame.

3.2 Misure di resistività

Per le misure di resistività si è valutato il comportamento del rivelatore intermini di corrente quando gli sono stati applicati diversi valori di tensioneagli elettrodi. Per realizzare questa misura in modo sistematico si è usufruitodi un pacchetto software sviluppato per analoghe misure sugli RPC attual-mente in costruzione per gli endcap e sugli RPC già utilizzati in CMS e orairraggiati alla Gamma Irradiation Facility (GIF) del CERN per studiarnel'aging. Per ogni valore di tensione sono stati presi 30 valori di corrente ogni10 secondi e ne è stata calcolata la media. L'errore sulla corrente media èvalutata come la deviazione standard della distribuzione di corrente divisola radice quadrata del numero di conteggi. La tensione applicata è corret-ta per la pressione ambientale P , il cui valore veniva preso dai dati onlinedella stazione meteo PCE, in base alla Formula 2.7, in modo da avere l'ef-fettiva tensione agli elettrodi pari al valore desiderato HVeff . Utilizzandoun programma ROOT2 del CERN i dati sono stati analizzati valutando ladipendenza funzionale di Imon da HVeff . Una parte a bassi valori di tensioneè caratterizzata da correnti molto basse (. 0.3µA), mentre ad alti valori diHVeff la corrente aumenta linearmente con la tensione, in quanto è dovuta

2ROOT è un pacchetto software di analisi dati sviluppato al CERN e scritto inlinguaggio C++.

54

solo alla conduzione attraverso i piani di bakelite. I due comportamenti sonostati disaccoppiati, interpolando con due rette distinte. C'è anche una parteintermedia con punti che non presentano un comportamento lineare. I puntiper essere considerati per la parte proporzionale devono presentare un fattoredi correlazione3 R2 ≥ 0.999. Il punto di intersezione tra i due t rappresentail punto di HVonset, la tensione alla quale inizia la proporzionalità tra cor-rente misurata e tensione applicata. Questo valore è un parametro utile perstudiare l'invecchiamento dei rivelatori RPC. Il coeciente angolare del tdella regione di proporzionalità rappresenta la resistenza R della bakelite,infatti dalla prima legge di Ohm:

R =V

I.

Una volta calcolato il valore della resistenza, si può ricavare il valore dellaresistività ρ attraverso la seconda legge di Ohm:

ρ =RS

L,

dove nel nostro caso S rappresenta la supercie del piano di bakelite (7390± 10 cm2), mentre L è lo spessore dei due piani di bakelite (4 mm).

Il valore della resistività viene inuenzato dalla temperatura e viene co-munemente riscalato alla temperatura di riferimento di 20C attraverso laformula:

ρ20C = ρeα(T−20C), (3.1)

dove α = 0.13C−1. La regione di validità della suddetta relazione è tuttavialimitata ad un intervallo ristretto di T tra 19C e 21C, come confermato damisure eettuate in laboratorio (Figura 3.5).

Esempi di graci di Imon in funzione di HVeff sono riportati in Figura 3.6.Le misure sono state ripetute per gli RPC numero 1−5 per 17 giorni nell'arcodi tre mesi e l'andamento della resistività in funzione del tempo è mostrata inFigura 3.7. Tutte le misure sono state eettuate con la temperatura di 20C,senza quindi dover utilizzare la Formula 3.1. Le prime 14 misure, a sinistradella linea rossa, sono state eettuate con il ussaggio di argon secco (umiditàcirca 7−9% RH), cioè tenendo chiuso il ussimetro analogico della linea diussaggio che prevedeva il bubbolatore; mentre le ultime tre misure si sonoeettuate con argon umido, con umidità regolata a 45−48% RH. Flussandoargon secco la tendenza della resistività è di aumentare, questo può essere

3Il fattore di correlazione R2 tra due variabili statistiche è un indice che esprime un'e-ventuale relazione di linearità tra esse. E' denito come la covarianza delle due variabilidivisa per il prodotto delle loro deviazioni standard.

55

Figura 3.5: Valori di resistività misurati (triangoli neri) e corretti secondo la Formula3.1 (quadrati rossi) per il rivelatore RPC numero 5.

spiegato in quanto la bakelite viene seccata dall'argon e rilascia ioni conconseguente diminuzione di conducibilità che si traduce in un aumento diresistenza R e quindi di resistività ρ. Al contrario l'argon umido favorisce loscambio di ioni tra gas e bakelite che giustica un aumento di conducibiltà,quindi minori R e ρ nella bakelite. In alcuni RPC (in particolare 1 e 4) si notauna tendenza della resistività a diminuire per qualche giorno. La motivazionedi questo andamento può risiedere nell'aver ussato per un giorno (indicatocon la linea nera) la miscela standard umida per eettuare altre misure equesto abbia inuito sul comportamento della bakelite.

In Figura 3.8 sono mostrati due graci di Imon in funzione di HVeff degliRPC numero 6 e 7, per i quali sono state eettuate misure di resistività pertre giorni ussando argon secco.

3.3 Misure di ecienza

Le misure di ecienza degli RPC sono state eettuate con i raggi cosmici. Ilsegnale di trigger è stato ricavato richiedendo la coincidenza temporale di duescintillatori tra i quali è stata posizionata il rivelatore RPC. Gli scintillatoriutilizzati (uno di dimensioni 58 x 27.3 x 2.4 cm3 e l'altro 20 x 25.2 x 2.3 cm3)erano letti da fotomoltiplicatori di cui era stato valutato il punto di lavoro,

56

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura 3.6: Esempi di curve di corrente in funzione della tensione ecace applicata aglielettrodi per i rivelatori RPC numero 1−5.

57

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura 3.7: Andamento della resistività in funzione del tempo per i rivelatori RPCnumero 1−5. A sinistra della linea rossa si era ussato argon secco, a destra invece argonumido. La linea nera indica il giorno in cui è stata ussata la miscela standard umida peraltre misure.

58

(a) (b)

Figura 3.8: Esempi di curve di corrente in funzione della tensione ecace applicata aglielettrodi per i rivelatori RPC numero 6 e 7.

rispettivamente a 1800 V e 1650 V, attraverso la caratterizzazione che haprodotto le curve di ecienza mostrate in Figura 3.9. I segnali dei duescintillatori di trigger venivano discriminati con soglia a -50.5 mV.

Il usso atteso di raggi cosmici è di uno al cm2 al minuto. Se R è il rateodi raggi cosmici incidenti sui rivelatori, il numero N di raggi cosmici rivelatidal trigger e che quindi attraversano anche il rivelatore RPC (in un intervallodi tempo ∆t) è:

N = Rε1ε2∆t,

dove ε1 e ε2 sono le ecienze dei due scintillatori. Mentre il numero C diraggi cosmici rivelati dal rivelatore RPC che hanno attivato il trigger sono:

C = NεRPC = (Rε1ε2∆t)εRPC .

Si ricava quindi che è suciente contare N e C e farne il rapporto per ricavarel'ecienza del rivelatore RPC:

C

N= εRPC .

L'ecienza dipende fortemente dalla tensione HV applicata al rivelatoreRPC secondo la Formula 2.5. Tenendo ssati tutti i parametri operazionalidel sistema di trigger (tempo di acquisizione ∆t, posizione degli scintillatorie loro punto di lavoro) si può valutare εRPC in funzione dell'alta tensioneapplicata.

Per queste misure di ecienza è stato quindi necessario contare i segnaligenerati dai raggi cosmici sugli elettrodi di lettura degli RPC. Bisognava

59

Figura 3.9: Curve di ecienza dei due fotomoltiplicatori utilizzati per il trigger. Le lineeverticali indicano il punto di lavoro scelto.

quindi collegare le strip degli RPC all'elettronica di lettura, costituita nelnostro caso da due o tre Front End Board (FEB), una Distribution Board

(DB), un power supply a basso voltaggio, tre Receiver, una porta logica e unoScaler VME. Il power supply ha tre uscite, due digitali e una analogica, eserve per alimentare le FEB attraverso la DB (6.5−7 V). I valori di correntedi riferimento per le FEB sono: 120−150 mA per l'uscita digitale e 50−60 mAper quella analogica. La Distribution Board (Figura 3.10(a)) è caratterizzatada una corrente digitale di 10 mA. Il compito delle Front End Board (Figura3.10(b)) è quello di amplicare e discriminare il segnale analogico provenientedalle strip del rivelatore RPC. Oltre ai valori di corrente, gli altri parametridelle FEB sono: Vmon (3.5 V), valore che regola la larghezza del segnale(100 ns a metà altezza), e Vbias, che aggiusta il guadagno dell'amplicatore(2.5 V). Il valore di soglia (Vth) per il segnale analogico è settato a 220 mV.Ogni FEB ha 16 canali, uno per ogni strip a cui è collegato. Il segnale diuscita di ogni FEB è un segnale standard LVDS ed è collegato via cavo ad unReceiver, che è un modulo NIM con il compito di convertire il segnale LVDSin standard NIM. Il segnale NIM è utilizzato per fare un OR logico di tuttii canali prima di fare coincidenza temporale con il segnale proveniente daltrigger. Il numero C di coincidenze RPC/trigger veniva contato attraversouno Scaler VME, letto da un programma scritto in LabView.

Le curve di ecienza in funzione di HVeff ottenute per ciascun RPC

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(a) (b)

Figura 3.10: (a) Distribution Board (DB); (b) Front End Board (FEB) collegata allestrip di un rivelatore RPC.

RPC1 RPC2 RPC3 RPC4 RPC5εmax (89.1±0.8)% (98.0±0.2)% (94±2)% (97.9±0.4)% (93.3±0.5)%HV50% (8793±15)V (9205±20)V (8635±20)V (8870±5)V (8890±15)VC (173±8)V (360±10)V (170±10)V (185±3)V (180±10)V

Tabella 3.2: Parametri dei t delle curve di ecienza dei 5 rivelatori RPC studiati.

(Figura 3.11) sono parametrizzate dalla Formula 2.5:

ε =εmax

1 + e−HVeff−HV50%

C

,

con i parametri riportati in Tabella 3.2.

3.4 Misure di carica

Per studiare il segnale analogico degli RPC è stato preso il segnale da unapad (Figura 3.12(a)), inserita aprendo il rivelatore RPC numero 4 e postasotto il piano di massa in rame evitando il contatto con quest'ultimo attra-verso un sottile foglio di PET posizionato tra i due. La pad, di dimensioni14.5 x 7.5 cm2, era collegata ad un oscilloscopio digitale LeCroy attraversoun cavo Lemo saldato su di essa. E' stato utilizzato il segnale di questapad e non quello delle strip già presenti negli RPC per evitare i problemi diriessione (tipici di una linea di trasmissione) del segnale che non sembrava-no sotto controllo anche cambiando il valore della resistenza di terminazionedelle strip.

61

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura 3.11: Curve di ecienza in funzione di HVeff per i 5 rivelatore RPC studiati.

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(a) (b)

Figura 3.12: (a) Pad utilizzata per le misure di carica; (b) Sistema di trigger per lemisure di carica.

Due scintillatori di dimensione 7 x 7 cm2 sono stati posizionati sopra ilrivelatore RPC numero 4 in corrispondenza della pad e costituivano il triggerper i raggi cosmici (Figura 3.12(b)). I punti di lavoro dei due scintillatorierano 1600V e 1250V. I segnali dei due scintillatori e della pad erano man-dati all'oscilloscoppio e l'AND logico dei due segnali degli scintillatori (soglia-50 mV) era usato come trigger. I dati in tensione e tempo relativi al segnaleproveniente dalla pad sono stati registrati su le e rianalizzati con ROOTper calcolare la carica indotta, ottenuta calcolando l'area sottesa dalla formad'onda del segnale. E' stata applicata una soglia di 5 mV per tagliare il ru-more e i valori della carica ottenuti sono stati inseriti in un istogramma dacui si è valutata la carica media.

Le misure di carica sono state eseguite ussando la miscela standard nellagap del rivelatore RPC 4. Sono state fatte due misure in giorni dierenti e siè valutata la carica media in funzione della tensione applicata agli elettrodi.Le distribuzioni di carica ottenute durante la prima misura sono mostratein Figura 3.13. Mentre in Figura 3.15 è mostrato l'andamento della caricamedia in funzione di HV ; i punti neri rappresentano la carica totale media,mentre i quadratini rossi rappresentano la carica del picco iniziale dovutoalla valanga.

E' stata eseguita una seconda misura per valutare meglio l'andamento atensioni minori, in cui la carica diminuisce esponenzialmente, e quelle mag-giori, in cui la valanga è saturata. Le distribuzioni di carica della seconda mi-sura sono mostrate in Figura 3.14. La Figura 3.16 mostra invece l'andamentodella carica media in funzione di HV .

In Figura 3.17 sono mostrati alcuni esempi di segnali ottenuti all'oscillo-scopio.

Prima di iniziare il ussaggio della miscela standard nel rivelatore RPC

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(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g)

Figura 3.13: Distribuzioni di carica a dierenti tensioni applicate per il rivelatore RPCnumero 4 (prima misura).

64

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

(i)

Figura 3.14: Distribuzioni di carica a dierenti tensioni per il rivelatore RPC numero 4(seconda misura).

65

Figura 3.15: Andamento della carica media in funzione della tensione applicata nelrivelatore RPC numero 4 (prima misura). I punti neri rappresentano la carica totalemedia, mentre i quadratini rossi rappresentano la carica del picco iniziale dovuto allavalanga.

Figura 3.16: Andamento della carica media in funzione della tensione applicata nelrivelatore RPC numero 4 (seconda misura). I punti neri rappresentano la carica totalemedia, mentre i quadratini rossi rappresentano la carica del picco iniziale dovuto allavalanga.

66

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.17: Esempi di segnali ottenuti all'oscilloscopio: (a) tensione applicata 9000V,l'impulso è dovuto al moto della valanga; (b) e (c) tensioni applicate 9500 V e 10000 V,rispettivamente, si nota un precursore dovuto alla valanga seguito dall'impulso dovuto allostreamer; (d) tensione applicata 10500 V, l'impulso è dovuto allo streamer e il precursorenon è più visibile. Sugli assi abbiamo tensione (V) in funzione del tempo (s).

67

(a) (b)

(c) (d)

(e)

Figura 3.18: Distribuzioni di carica applicando la stessa tensione (HV = 9600 V) per ilrivelatore RPC numero 4 a dierenti tempi dall'introduzione della miscela standard.

Figura 3.19: Andamento della carica media in funzione del tempo dall'introduzione dellamiscela standard nel rivelatore RPC numero 4.

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numero 4 per la seconda misura di carica, si stava ussando l'argon umidoper le misure di resistività; abbiamo fatto misure di distribuzione di caricaalla stessa tensione applicata al rivelatore (HV = 9600V) subito dopo l'in-troduzione della miscela nel rivelatore RPC per vedere in quanto tempo lacarica media si stabilizzasse, a causa della residua presenza di argon. Ledistribuzioni di carica di questa misura sono mostrate in Figura 3.18. LaFigura 3.19 mostra l'andamento della carica media in funzione del tempodall'introduzione della miscela standard.

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Conclusione

Gli RPC sono rivelatori utilizzati nel sistema muonico di CMS come trig-ger sui muoni per la loro buona risoluzione spaziale e temporale. Obiettivodi questa tesi è stato quello di studiare l'aging naturale di rivelatori RPCprovenienti dalla produzione di massa per CMS degli anni 2006-2007.

La caratteristica principale che si è andati a valutare è stata la resisti-vità dei piani di bakelite. In Tabella 3.3 sono riportati i valori medi dellaresistività ottenuti dalle prime cinque misure eettuate sui rivelatori RPCnumero 1−5. Questi valori sono confrontati con i valori nominali al momen-to della produzione. La media è stata eseguita solo sulle prime misure pernon considerare gli eetti sulla bakelite dovuti al ussaggio di argon secco.In questo modo si crea una situazione in cui si può confrontare questi daticon quelli del funzionamento a regime degli RPC a CMS. I risultati sono staticonfrontati con misure eseguite su RPC di endcap4 eettuate al CERN nelluglio 2012 e 2013, i cui risultati sono mostrati in Figura 3.20. I rivelatoriRPC esaminati in laboratorio sono a singola gap, mentre quelli installati aCMS sono a doppia gap. Tuttavia il confronto è possibile, in quanto i datisugli RPC di endcap a doppia gap sono stati estrapolati alimentando l'elet-trodo di una sola gap alla volta. La resistività ρ è consistente per tutti irivelatori installati sui tre dischi di endcap di ogni lato (positivo e negativo)e da questi dati si può estrapolare un valore medio:

ρ = (4− 12) x 1010 Ω cm.

I risultati ottenuti in questo lavoro di tesi mostrano un'ottima condizio-ne soprattutto per i rivelatori RPC numero 1 e 3, i cui valori di resistivitàdopo quasi 7 anni dalla produzione rientrano ancora nell'intervallo nomina-le; mentre per gli RPC numero 2, 4 e 5 si è registrato un aumento di ρ.Confrontando questi valori di resistività con quelli dello studio eettuato suirivelatori RPC installati al CERN, la cui resistività nominale è compresa tra

4I rivelatori RPC numero 1−5 studiati in laboratorio possono essere confrontati conquelli di endcap in quanto rispetto a quelli del barrel hanno forme e dimensioni simili.

71

1 e 6 x 1010Ω cm, si può concludere che la componente di aging naturale suquesti rivelatori può non essere trascurabile.

Per quanto riguarda gli RPC 6 e 7, i cui valori medi della resistivitàottenuti dalle nostre misure sono riportati in Tabella 3.4, questi devono essereconfrontati con gli RPC del barrel di CMS con cui condividono la forma e ledimensioni. I risultati dello studio del luglio 2012 e 2013 su RPC del barrelsono mostrati in Figura 3.21. Da questi dati si può estrapolare come valoremedio:

ρ = (11− 13) x 1010 Ω cm.

Questo dato però è una sottostima del valore di resistività degli RPC dibarrel, in quanto, a dierenza di quelli di endcap, le misure sono state presealimentando in parallelo due gap vicine e assumendo che la resistività delledue gap sia la stessa. Risulta quindi che per gli RPC del barrel di CMS l'agingsia dominato da eetti di irraggiamento durante i run di LHC, mentre risultatrascurabile l'aging naturale.

Per questo studio di longevity è stata valutata anche l'ecienza e la caricaindotta su una pad, con risultati in accordo con precedenti misure[31],[32],[33]e [34].

Gli studi di longevity monitorano il comportamento negli anni dei rive-latori RPC di CMS; dopo tre anni di run di LHC e più di 7 anni dalla nedella produzione dei rivelatori, le caratteristiche fondamentali, quali l'e-cienza del rivelatore, risultano stabili. E' tuttavia fondamentale un controllosistematico di tali rivelatori, soprattutto alla luce delle nuove condizioni dipresa dati per la quale è previsto un aumento della luminosità.

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[x 1010Ω cm] RPC1 RPC2 RPC3 RPC4 RPC5Resistività 4.9±0.1 5.2±0.1 3.8±0.1 5.8±0.1 6.0±0.1Resistività nominale 3−6 1−3 3−6 1−3 1−3

Tabella 3.3: Valori di resistività ottenuti per le RPC numero 1−5. Questi valori sonoconfrontati con quelli nominali al momento della produzione.

Figura 3.20: Misure di resistività eettuate al CERN su RPC di endcap nel luglio 2012e 2013. E' indicato il valore medio e la dispersione tra la misura minima e quella massima.I dati del 2012 e del 2013 sono in accordo tra loro. I valori di resistività degli RPC delterzo disco positivo (EP3) sono indicati essere esclusi dall'analisi in quanto presentano unaresistività standardizzata ρ−<ρ>

σ troppo grande rispetto ai restanti RPC.

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[x 1010Ω cm] RPC6 RPC7Resistività 2.57±0.02 2.6±0.1Resistività nominale 2−3 2−3

Tabella 3.4: Valori di resistività ottenuti per le RPC numero 6 e 7. Questi valori sonoconfrontati con quelli nominali al momento della produzione.

Figura 3.21: Misure di resistività eettuate al CERN su RPC di barrel nel luglio 2012 e2013. E' indicato il valore medio e la dispersione tra la misura minima e quella massima.I dati del 2012 e del 2013 sono in accordo tra loro.

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Ringraziamenti

Eccomi a scrivere i ringraziamenti! Ovviamente non potevo che scriverli lanotte precedente la consegna della tesi. Mi sarebbe piaciuto rietterci moltosui ringraziamenti per scriverli nel miglior modo possibile e trovare le parolegiuste, visto anche che non mi sento bravo con le parole.

L'inizio è facile: non posso far altro che iniziare dalla mia relatrice Cri-stina, ringraziandola per questi mesi di lavoro insieme e per avermi propostoquesto lavoro che mi è molto piaciuto. No, no: grazie a te Paolo, che mi haipermesso di lavorare in laboratorio, imparando sempre di più: spero di nonaverti annoiato! Grazie ovviamente ai preziosi e fondamentali aiuti di Paola,Paolo, Alessandro e Roberto. Grazie anche a tutto il resto del dipartimento,che ho conosciuto man mano nel tempo. Ilaria, Francesco, Alice, Aurora eMichele: grazie dell'aiuto indispensabile per questa tesi, ma soprattutto dellacompagnia in laboratorio, delle risate, dei pranzi, caè, chiacchiere. . . Graziea Michele, Luca, Pier e Claudio per aver condiviso tutti questi anni insiemein dipartimento e non solo. Grazie ai miei genitori, sostegno sempre presen-te; a Elisa, la mia nonna, gli zii e tutta la mia famiglia! Grazie a Giuseppe,Elena, Lia e Ida per farmi sentire sempre uno di famiglia. Un grazie ai mieigrandi amici Ale e Lore, per le grandi sde a PRO, ma non solo ovviamente.Grazie anche a tutti i miei compagni di squadra, vecchi e nuovi, per con-dividere allenamenti, trasferte, birre, risate e ovviamente (a volte) grandebasket. Grazie a tutti amici, che siate a Voghera, Orio Litta, Cina o Londra,o qualunque altra parte del mondo vicina o lontana, grazie di cuore di tutto.Ti ho lasciato per ultima Amore, perché per te servirebbero libri interi perpoterti ringraziare di tutto: grazie semplicemente di esistere, amarmi cosìtanto ed essere così speciale!

Spero di non aver fatto un elenco troppo monotono. Sono sicuro che ognivolta che rileggerò nei prossimi giorni questi ringraziamenti, mi verranno inmente frasi migliori per ringraziare tutti voi: sappiate che non sono questeparole scritte di getto una notte di ne aprile a misurare l'importanza cheognuno di voi che sta leggendo queste righe ha per me!

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