UNIVERSITA DEGLI STUDI ROMA TRE Tesi di Laurea in Fisica I RIVELATORI PER IL TRACCIAMENTO DEI MUONI...

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI “ROMA TRE”

Tesi di Laurea in Fisica

I RIVELATORI PER IL TRACCIAMENTO DEI MUONI NELLO SPETTROMETRO DELL’ESPERIMENTO ATLAS

AL LARGE HADRON COLLIDER

Ilaria Di Sarcina

Il programma sperimentale di LHC

Il rivelatore ATLAS

Lo spettrometro per

MDT: principi di funzionamento

Le camere BIL: tecniche di costruzione e metodi di test

I risultati ottenuti in laboratorio e al CERN

ConclusioniIlaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Sommario:

Il programma sperimentale di LHCIl Modello Standard rappresenta attualmente la migliore teoria per descrivere la fisica delle particelle elementari, tuttavia ha bisogno di ulteriori riscontri sperimentali:

esistenza del bosone di Higgs ( 110 GeV<mH<1 TeV)

Necessità di costruire una macchina acceleratrice che sondi un intervallo di massa così ampio

Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

prod (ppH) 10 pb ( = 14 TeV)

s

Necessità di luminosità elevata (LMAX = 1034 cm-2 s-1) per ottenere una frequenza di produzione (RHiggs)

apprezzabile

RHIGGS 10–3 Hz (L = LMAX=1034 cm-2 s-1)


Enorme numero di eventi non

interessanti• Sistema di trigger implementato in modo che RTOT sia ridotta di molti ordini di grandezza. Si vogliono registrare infatti circa 100 eventi/s corrispondenti ad un flusso di dati in uscita pari a circa 100 Mb/s• Necessità di rivelare con grande precisione leptoni carichi, jet, fotoni e identificare neutrini

RTOT >> RHIGGS

Costruzione di rivelatori ermetici, ad alta granularità e ad alta risoluzione

tot (p - p) 100 mb Rtot =109 Hz (s= 14 TeV e L = LMAX)

Il Large Hadron Collider


L =1034cm -2s -

1

Collisore pp con energia del centro di massa di 14 TeV

CMS

ATLAS

ALICE

LHCb

Il rivelatore ATLAS


Inner Detector

ElectromagneticCalorimeter

HadronicCalorimeter

Muon Detectors

End CapToroid

BarrelToroid

ATLAS: lo spettrometro per muoniRequisiti:

buona risoluzione nella misura dell’impulso nell’intervallo tra 6 GeV e 1 TeV;

capacità di trigger su eventi con uno o più in un vasto range di pT;

necessità di operare per molti anni ad alto flusso ed elevato fondo;

CAMPO MAGNETICO toroidale in aria

RIVELATORI DI POSIZIONE: buona risoluzione sul singolo punto 3 stazioni di misura

TRIGGER con camere apposite

problemi di invecchiamento


MDT (Monitored Drift Tubes)

Buona risoluzione sul singolo punto (~ 80 m)Limiti sull´invecchiamento

Scelta della miscela: Argon (alta densità di ionizzazione primaria) + CO2

Alta pressione (si riduce l’effetto della diffusione)

Molta cura nell’elettronica di front-end

prodotti ~ 100 ep/cm

Tubo di alluminio diametro 3 cm spessore 400 mm

start

stop

Filo tungsteno 50 m

tdc

Tempo di deriva degli

elettroni

Miscela: 93% Argon 7% CO2Pressione: 3 barGuadagno: 2104 (HV=3080V)


BIL (Barrel Inner Large) e BIS

BML (Barrel Middle Large) e BMS

BOL (Barrel Outer Large) e BOS

MDT per il barrel di ATLAS


BIL


Il progetto dello spettrometro prevede la costruzione di 62 camere di tipo BIL

nell’area romanaLaboratorio dell’ Università La Sapienza:

test dei tubi e assemblaggio meccanicoLaboratorio dell’ Università Roma Tre:• costruzione e test del sistema di distribuzione del gas • montaggio sulle camere e test di tenuta del gas• equipaggiamento dell’elettronica di front-end e test• verifica della stabilità e funzionamento nell´ odoscopio a raggi cosmici

LABORATORIO

Sito di allestimento e test

delle camere BIL dello spettrometro per muoni di ATLAS

2 multilayer4 tubi per

multilayer 2144=288 tubi/cameraVolume tubo: 1.9 litri

Volume camera = 547 litri


Sistema di distribuzione del gas


bisogna garantire una buona stabilità delle condizioni operative nel tempo

• densità

• temperatura

• purezza

influenzano direttamente la velocità di

deriva

Richieste di ATLAS: perdita di gas < 1 mbar/giorno per camera; percentuale del gas costante

Pressione di lavoro: 3 barVariazione pressione: < 10 mbarStabilità miscela gas: 0.25% per componenteImpurezze: < 100 ppmLimite max fuga gas: 10-8bar·l/s·tubo (a 3 bar abs)

Ogni MDT ha un sistema che distribuisce il gas ai singoli tubi di deriva attraverso capillari che collegano le 2 estremità del tubo a 2 volumi (gas bar): uno dei volumi distribuisce il gas in ingresso, l’altro raccoglie quello in uscita.

Costruzione e test del sistema


PROGETTO INIZIALE:

distribuzione parallela

PROGETTO ATTUALE:distribuzione seriale


DISTRIBUZIONE SERIALE:

utilizzo di jumper di connessione per la serie

di 3 tubi


Test di tenuta del sistema di distribuzione del gasTEST SOTTO VUOTO:

• fissaggio gas-bar su maschera

• collegamento allo spettrometro di massa che crea il vuoto nel sistema livello

raggiungibile ~10–6mbar

• leggero flusso di elio sulle connessioni

rilevazione presenza di elio nella gas-bar

eliminazione di eventuali fughe di gas mediante sistemazione o

sostituzione di parti

MANOMETRO DIFFERENZIALE

• misura in pressione ± 8 mbar• sensibilità 1%• segnale in uscita 4 ÷ 20 mA(conversione in pressione 1 mA per mbar)


MASSIMA CADUTA IN PRESSIONE

CONSENTITA

per una gas-bar

3 mbar/oraper una camera

1 mbar/giorno

misura della differenza di

pressione tra un volume di

riferimento e la camera o gas-bar

da testare

TEST IN PRESSIONE:


I segnali del manometro e delle sonde di temperatura

registrati su file e analizzati per monitorare la risposta del

manometro nel tempo

inviati ad una scheda di

acquisizione e letti con un programma

LabVIEW


Equipaggiamento elettronica di front-end e

test di alta tensione

Alimentazione 3400 V

I due lati degli MDT vengono equipaggiati con le schede di elettronica:

Schede di lettura dei segnali (Read Out Side)Schede di distribuzione dell’alta tensione (High Voltage Side)

flussaggio della camera con la miscela di Argon e CO2

Pressione di lavoro 3 bar

Misura dispersione corrente

LIMITI:6 nA / tubo

1 A / camera


Studio della risposta delle camereSITO DI TEST PER RAGGI COSMICI di ROMA TRE

odoscopio a raggi cosmicipermette il test

simultaneo di 3 camere e garantisce

un’illuminazione uniforme

• misura coordinata lungo il tubo • ampia copertura spaziale• trigger con ottima risoluzione in tempo (1 ns)

3 piani di RPC(Resistive Plate

Chamber)


Sistema di lettura della cameraIl segnale prodotto dal passaggio di una particella

in un tubo viene:

LETTO E PROCESSATO da una scheda di front-end (mezzanino) collegata alla camera che contiene un chip ASD (Amplificatore, Shaper, Discriminatore) e un TDC per registrare il tempo di deriva.

INVIATO tramite un adattatore al modulo CSM che distribusce clock e trigger, legge i dati e li trasmette alla CPU

Monitoraggio on-line degli MDT

Controllo illuminazione camera:• numero di conteggi per tubo per i 4 layer di ogni multilayer

(forma dovuta ad effetti geometrici)

Controllo informazioni temporali


tmax max = t= t1 1 - t- t0 0 ~700ns~700nsdipende dalle dipende dalle

proprietà di drift della proprietà di drift della miscelamiscela

t1fine della

distribuzione

t0 inizio della distribuzione dei tempi (indipendente dalle caratteristiche di deriva del tubo) necessario per

equalizzare il tempo misurato nei vari canali


Spettro dei tempi

tMAX: dipende dalle proprietà di deriva del tubo


Controllo delle prestazioni delle camere

fit della distribuzione dei tempi degli hit per misurare il tempo di deriva massimo e minimo per ogni tubo

Programma in linguaggio C realizzato per la ricostruzione e l’analisi delle performance delle camere MDT di ATLAS

ANALISI DELLO SPETTRO DEI TEMPIUniformità degli spettri di TDC

per i tubi di una camera e confronto con altre camere

Parametro fondamentale per il

controllo delle prestazioni di una

camera

RICOSTRUZIONE DELLE TRACCE


Gli hit di un evento appartenenti ad un’unica traccia vengono identificati con una procedura di

PatternRecognition (PR) basata su informazioni geometriche degli hit e sull’ipotesi che questi siano

allineati Si calcolano i parametri della migliore tangente agli hit selezionati nella fase di PR

parametri calcolati, valori dei t0, relazione r-t e

risoluzione

RICOSTRUZIONE TRACCIA

AUTOCALIBRAZIONE


Per ottenere la risoluzione totale nella misura del tempo di deriva bisogna considerare il contributo dovuto all’incertezza nella conoscenza della relazione spazio-tempo (r-t) tra la distanza di minimo approccio e il tempo di deriva. Autocalibrazione:

metodo per il calcolo della relazione r-t senza bisogno di tracciatori esterni

utilizza i dati raccolti durante il normale

funzionamento del rivelatoreAutocalibrazione con processo iterativo di minimizzazione dei residui in funzione dei tempi mediante correzioni della relazione iniziale

• Procedura iterativa.

• Si fa un fit di traccia con le circonferenze di deriva ottenute con una relazione r-t di “innesco”.

• Si calcolano i residui.•Dalla distribuzione dei residui si ricava il valore medio in bin.

• Il valor medio dei residui è la correzione alla r-t di innesco.

Ad ogni iterazione le correzioni sono

date dalla differenza media

tra i cerchi di deriva e il punto

di minimo approccio della

retta tangente al cerchio


resi

du

als (m

m)

time (ns)

Valore medio dei residui nella bandaCorrezione

alla r-t relation

Traccia ricostru

ita

Circonferenza di deriva

residuo


Studio della risposta delle camere

presso l’area di test-beam H8 del CERNFascio di

10÷180 GeVMAGNETE

Divergenza fascio

±0.14 rad

BILBOL

BML

MISURE:• Autocalibrazione• Efficienza• Risoluzione• Allineamento e tracciamento


Prima analisi dei dati di H8: Studio degli spettri dei tempi per i diversi tipi di camere

calcolo della relazione spazio-tempo

distribuzione dei residui

differenza delle relazioni r-t di due multilayer


Risoluzione delle camere:

• Selezione di eventi “buoni” (unica traccia, 8 hits, buon 2).• Determinata la traccia con 7 punti si calcola il residuo del tubo in questione e l’errore di estrapolazione.• La larghezza della distribuzione dei residui è data da :

r)= [Resolution(r)]2+[<extrapolation error>(r)]2

r)


r)= [Resolution(r)]2+[<extrapolation error>(r)]2

Conclusioni:


• Nel laboratorio di Roma Tre è stato allestito un sistema di equipaggiamento e test delle camere di precisione dello spettrometro per muoni di ATLAS.

• sono stati realizzati sistemi per effettuare i test di tenuta del gas e di controllo dell’alta tensione.

• le camere sono state acquisite mediante un odoscopio a raggi cosmici:

• durante l’estate 2002 è stato effettuato un controllo delle camere su fascio di muoni di alta energia presso l’area di test-beam H8 del CERN

acquisizione simultanea per la prima volta di 3 camere

Le misure effettuate al CERN con particelle di impulso elevato che attraversano più rivelatori, hanno permesso di integrare i risultati ottenuti in laboratorio, fornendo una risoluzione delle camere molto buona

Validità delle tecniche costruttive e dei test di controllo e qualità

messi a punto durante il lavoro di tesi

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