Uno strumento per laHeavy Ions Physics

ALICEA Large Ion Collider Experiment

SOMMARIOSOMMARIO• La fisica degli ioni pesanti: intenti, motivi di interesse, gli

osservabili e le grandezze in gioco;

• L’esperimento ALICE: caratteristiche, novità e particolarità;

• L’apparato sperimentale: struttura, funzione e prestazioni

della varie componenti;

• Prestazioni “combinate” circa risoluzione in impulso e PID

• Conclusioni

Collisioni nucleo-nucleoCollisioni nucleo-nucleo• Collisione di ioni pesanti ad alta energia: alta densità di energia (> 2–3 GeV/fm3) su un volume esteso (> 1000 fm3)

• Evidenza di deconfinamento (transizione di fase) all’ SPS (Pb-Pb, √s=17GeV );

RHIC continua lo studio a √s=200GeV (Au-Au)

Prossimo passo: LHC con Pb-Pb a √sNN=5.5 TeV

deep deconfinement: “fluido ideale” di gluon e quark (QGP) con densità di energia ~ 100 GeV/fm3

abbondante produzione di jet e heavy quark strumenti per studiare le proprietà del QGP

Principali obbiettivi della HI physicsPrincipali obbiettivi della HI physics

• Studiare la transizione di fase della QCD e la fisica del QGP

• Capire i fenomeni collettivi e le proprietà macroscopiche che emergono dalle leggi microscopiche della fisica delle particelle elementari;

• Rispondere a tali questioni nel settore delle interazioni forti studiando la materia in condizioni di temperatura e densità estreme.

• Come applicare ed estendere lo SM ad un sistema complesso, a dimensioni finite ed in evoluzione dinamica;

Heavy-Ion CollisionHeavy-Ion Collision

Facility Location System Energy NicheAGS BNL, New York Au+Au 2-11 AGeV High baryon density SPS CERN, Geneva Pb+Pb 158 AGeV High-T, Medium baryon densityRHIC BNL, New York Au+Au 100+100 GeV Highest EnergyLHC CERN, Geneva Pb+Pb 3.3 + 3.3 TeV Ultrahigh energy collisions

Colliding Nuclei HardCollisions

Parton Cascade

Hadron Gas & Freeze-out

1 2 3 4

Nuovi aspetti(I): processi sofficiNuovi aspetti(I): processi soffici

10-6 10-4 10-2 100

x

108

106

104

102

100

M2 (

GeV

2)

• Si sonda lo stato iniziale partonico in un nuovo range di x (10-3 - 10-5):

– nuclear shadowing,

– distribuzioni partoniche a alta densità gluonica

• produzione di particelle dominata dalla regione di saturazione (CGC)

LHC

RHIC

SPS

(h++h-)/2

0

17 GeV

200 GeV

5500 GeV=√s

LO p+p y=0

I processi Hard contribuiscono significativamente alla sez. d’urto totale AA

(σhard/σtot = 98%) Proprietà del “Bulk”

dominate dai processi hard Sonde very hard prodotte in

abbondanza

Sonde debolmente interagenti diverranno accessibili (γ, Z0, W±)

Nuovi aspetti(II): processi duriNuovi aspetti(II): processi duri

Nuovi aspetti(III): MolteplicitàNuovi aspetti(III): Molteplicità

hep-ph0104010

5

√s (GeV)10 102 103 102 103 104

1.0

5.0

10.0

15.0

Nch

/(0

.5N

par

t)

dN

ch/d|

<1

2

5

103

dNch/d ~ 1500dNch/d ~ 2500

(from K.Kajantie, K.Eskola)

Dai dati di RHIC estrapolati alle condizioni di LHC ci si attende una molteplicità nel range dN/dy (charged) ~ 1500 – 6000 (ln√s? ln²√s?)ALICE ottimizzato per dN/dy (charged) ~ 4000; operativo fino a ~ 8000

QGP - nuovi aspetti:

SPS RHIC LHC

√sNN (GeV) 17 200

dNch/dy 500 850

0QGP (fm/c) 1 0.2

T/Tc 1.1 1.9

(GeV/fm3) 3 5

QGP (fm/c) ≤2 2-4

f (fm/c) ~10 20-30

Vf(fm3) few 103 few 104 few 105 bigger

5500 X 28

1500-8000 ?

0.1 faster

3.0-4.2 hotter

15-60 denser

≥10longer

30-40

Qualitativamente un nuovo regimeQualitativamente un nuovo regime

Matsui e Satz predisseropredissero la soppressione nella produzione di J/ nel Quark Gluon Plasma causa screening di colore

Collisioni periferiche: (grande paramatro di impatto)DI INTERESSANTE ACCADE POCO …

Collisioni centrali :(piccolo paramatro di impatto)QGP?!Quarkonio come sonda…

Cos’è L? la lunghezza media del

percorso del sistema cc attraverso la materia nucleare densa

Permette di combinare dati da diverse energie, bersagli e fasci

“Anomalous J/ suppression in Pb-Pb

interactions at 158 GeV/c per nucleon”,

Phys. Lett. B410, 337 (1997).

Suppression pattern vs. L DIVERSO per Pb-Pb

Evidenze…? Evidenze…? J/J/ψψ suppression suppression

Evidenze…? Evidenze…? Jet QuenchingJet Quenching

Collisione Au – Au @ RHIC

Nonostante le cose sembrino confuse…

… e’ evidente che qualcosa di nuovo accade!

STAR, Phys Rev Lett 91, 072304

• I partoni attraversano ~ 5 fm di materia ad alta densità di gluoni

• Perdita di energia per

radiazione di gluone–modifica le distribuzioni in impulso

–dipende dalle proprietà del mezzo

• Si confronta le distribuzioni in pt in AA e in pp:

Perdita di energia nel mezzoPerdita di energia nel mezzo

tpp

tAA

colltAA dpdN

dpdN

NpR

/

/1)( < 1 perdita di energia

PHENIX Collab.nucl-ex/0304022

Ncollision

scaling

Fattore 4 di soppressione in collisioni Au-Au centrali!

2 ˆ LqCE Rs

Fattore di Casimir:4/3 x i quarks, 3 x i gluoni

Coefficiente di trasporto del mezzo (densità gluonica, impulso)

Osservabili Globali

Osservabili globali:– Charged particle multiplicity, dN/dy

– Transverse energy, ET & d ET/dy

– Azimuthal anisotropy, v2

– Energia dei partoni spettatori, Zero-degree energy E0

• La dipendenza della geometria dell’emissione da tali osservabili permette la caratterizzazione degli eventi.

• Essi hanno un ruolo rilevante nel testare p.es modelli di adronizzazione, di produzione di particelle, permettono la selezione di eventi rari (alta dN/dy o ET)

• La misura dell’ “azimuthal flow” fornisce informazioni sulla geometria della regione

spaziale coinvolta nella collisione ed è sensibile alle condizioni iniziali del sistema e

della sua termalizzazione; in presenza di re-scattering della materia prodotta,

l’anisotropia spaziale si trasmette a quella degli impulsi

• L’anisotropia negli impulsi comporta una dipendenza del momento trasverso

dell’angolo di emissione relativo al piano della collisione; nello sviluppo della

molteplicità in serie di Fourier in funzione di y, , mt e b, a y=0 il primo coefficiente è

nullo; il primo non nullo è appunto il v2

• In modelli di tipo idrodinamico il coefficiente di “flusso ellittico” v2(pT;b) proviene

dal gradiente anisotropico di pressione nel piano trasverso dovuto alla forma oblata

della regione di sovrapposizione dei due nuclei incidenti; il tensore energia momento

è quello di un fluido ideale in equilibrio

• Deviazioni rispetto ad una dipendenza lineare dalla centralità potrebbero indicare un’

avvenuta transizione di fase o un dis-equilibrio termico

• Nello sviluppo della cascata (parton cascade) il flusso ellittico satura prima

dell’adronizzazione si può raffrontare quello misurato su varie specie adroniche

Azimuthal Anisotropy & Elliptic Flow

...)2cos();,(2)cos();,(21)(

2

1)(21 ptpt

ttptt

bypvbypvdydmm

bdN

dyddmm

bdN

IP, Two-/many-particle correlation e fluttuazioni

23

3

13

3

23

13

6

2,1 )(pd

Nd

pd

Nd

pdpd

NdppC

la distribuzione al denominatore si costruisce mescolando le particelle in differenti eventi; si guarda particelle con una vrel piccola

)(2)()()(exp)(1

),2/(),2/(

),(1),(

2222222

44

)(4

ikkikkjjii

ix

RRRR

xxSdxxSd

xSxedC

; ; 2121 pppp

• Nelle collisioni tra ioni pesanti svariati fenomeni dipendono dalla centralità dell’urto la misura del parametro d’impatto b è essenziale per la caratterizzazione dell’evento.

• In eventi ad alta molteplicità, la funzione di correlazione a due particelle C(p1,p2) viene messa in relazione a fenomeni quali la (anti)simmetrizzazione quantistica (QS) della funzione d’onda e le interazioni di stato finale (FSI) passando per le funzioni di emissione* S della sorgente di emissione, parametrizzate dal parametro di intercetta e dai raggi HBT

• si studia poi la fluttuazione di alcuni osservabili tra diversi eventi per metterla in relazione a quantità estensive del mezzo p.es pT CV; Nq+/q- S

*: densità di Wigner della sorgente ~prob di emissione di una part con impulso ad x

Obbiettivi ed oggetti di interesse Obbiettivi ed oggetti di interesse da studiare con ALICE...da studiare con ALICE...

• Proprietà globali – Molteplicità, distribuzioni in η

• Gradi di libertà VS Temperatura

– Adroni (spettri e rapporti)– Dilepton continuum– Direct photons

• Effetti collettivi – Elliptic flow

• De-confinement– spettroscopia di charmonio,

bottonio

• Chiral symmetry restoration– rapporto particelle neutre / cariche– Decadimenti delle risonanze

• Partonic energy loss nel QGP– Jet quenching, spettro ad alto pT

– Open charm and beauty

• Geometria dell’emissione– HBT correlation, zero-degree energy

flow

• Fluttuazioni e comportamenti critici

– Spettroscopia e PID event-by-event

……e conseguenze sperimentali per e conseguenze sperimentali per ALICEALICE

• Larga copertura in accettanza• Spettro di impulsi da misurare ampio

(da 100 MeV/c fino a > 100 GeV/c)• Alta granularità (fino a dN/dy ~ 8000 @ mid-

rapidity, cioè decine di migliaia di particelle)– Spettroscopia ed identificazione di adroni (mesoni,

iperoni,…) e leptoni• c-, b- vertex recognition• Eccellente photon detection

(in Δφ =450 ed η = 0.1)

• Inner Silicon Tracker – Pixels, Si- Drift*, Si- strips

• TPC*: il più grande al mondo– Specifiche di performance molto ambiziose– Elettronica di readout altamente integrata

• Transition radiation detector– 1.2*106 canali; capacità di trigger;

• HMPID : Cherenkov CsI photo-cathodes• FMD: vasta area di Si- detector per la misura di molteplicità in avanti

per complementare il central tracking

• PHOS : spettrometro per i fotoni a 20000 cristalli calorimetrici di PbWO4

• Spettrometro a Muoni– il magnete dipolare caldo più grande al mondo– precision tracker a 1.2*106 canali

• Arrays di detectors specializzati a grande copertura -3.4 ≤ η ≤ 5.1 (FMD, V0, T0) per particelle cariche, triggering beam gas rejection

• Photon Multiplicity Detector (PMD) per i fotoni in avanti (2.3 ≤ η ≤ 3.5)• Zero Degree Calorimeters (ZDC) nel range di rapidità della beam pipe per

la misura dei partoni “spettatori” nelle collisioni A-A• ACORDE: rivelatore di raggi cosmici a scintillatori plastici

ALICE Detector SuiteALICE Detector Suite~8000 collisioni/sec @ L= 1027 cm-2 s-1 di cui circa solo il 5% centrali

BASSA interaction rate consente l’utilizzo di detector “lenti” ma molto granulari

TPCTPC

PHOSPHOS

Muon armMuon arm

TOFTOF

TRDTRDHMPIDHMPID

PMDPMD

ITSITS

ACCORDEACCORDE

ALICE DetectorALICE Detector

Internal Tracking SysyemInternal Tracking Sysyem6 layers di detectors al silicio: • pixel • rivelatori a drift • doppio strato di micro strip

SCOPISCOPI• Particle-ID via dE/dx nel regime non

relativistico (1/β², p < 1.2 GeV/c)

• ricostruire di vertici primario e secondari, risoluzione spaziale sulle decine di m; alta risoluzione sul parametro d’impatto ( < ~100 m)

• tracciamento e ID di particelle con p < 100 MeV/c (viste solo dall’ITS) per complementare le misure del TPC

• studio della correlazione nelle componenti dell’impulso ↔ evoluzione spazio temp. del sistema) → primo punto delle tracce !

REQUISITIREQUISITI• capacità di gestire alte densità di particelle

(sino ad 80 ch_part/cm² per gli strati interni )

• grande accettanza (raggio minimo e massimo fissati da beam pipe e TPC )

• strati sottili per limitare il Multiple Scattering VS spessore minimo ( ~ 300 m) per una efficiente misura della densità di ionizzazione (S/B ratio OK)

• risoluzione in massa ~ larghezza di

• buona risoluzione angolare

• range del redout sufficiente per le particelle altamente ionizzanti a basso impulso

• Occupancy e tempi di redout contenuti (due distinti trigger: generale e dallo spettrometro a ) → quattro layer con redout analogico

Per- tracking di precisione, - vertex reconstruction (primary / secondary) - PID via dE/dx

- 0.9 < < 0.9

- 2 < < 2

pixels, drift, strips

Inner Tracking SystemInner Tracking System6 layers di Si detectors

Strip

Drift

Pixel

Silicon Pixel Detector SPDSilicon Pixel Detector SPD• Il primo layer dell’SPD con maggiore copertura in rapidità

(||< 1.98) per una miglior misura, assieme al FMD, della molteplicità delle particelle cariche (per tutto il resto dell’ITS, ||< 0.9)

• raggio interno del primo layer a ridosso della beam pipe

• matrici 2-d (ladder sensor) diodi di silicio reversed-bias

• 256 x 160 celle per ogni sensore matrice, 50(r) x 426(z) m, su 60 doghe, 240 ladders, per un totale di ~ 107 celle;

• connessioni al chip dell’elettronica di redout (CMOS, Ø ~ 0.25 m) con la tecnica del “bump-bonding”

• redout binario, soglia applicata al segnale pre-amplificato e formato

• Partecipe ai due trigger di II livello [40 Hz & (di-)1kHz]

• Alta potenza dissipata dall’elettronica + piccola massa del detector efficace sistema di raffreddamento (vapori di C4F10 in tubi sotto le doghe); intorno, copertura in fibra di carbonio allumineata per limitare il trasporto di calore attraverso i vari strati (SPD molto sensibile alle variazioni di temperatura)

• ~2% χ0 di materiale attraversato per una traccia verticale

Alta segmentazione

bassa capacità di diodo e quindi

buon rapporto S/B ad alte rate

velocità

precisione geometrica

alta capacità di risolvere doppi hit

redout bidimensionale non ambiguo

REQUISITI: Alta granularità, precisione e resistenza alla radiazione (in 10 anni ~ 2.2 kGy) Detector a pixel silicio, segmentazione 2D

Silicon LADDER sensor

Risoluzioni (m)

spaziale: 12(r – 100(z)

2-track: 100(r – 280(z)

SDD: Si Drift DetectorSDD: Si Drift Detector(2 layers intermedi dell’ITS)(2 layers intermedi dell’ITS)Particle-ID via dE/dx: si misura la densità di ionizzazione (come per le strip); ~7 tracce cariche/cm²; 300 m di silicio altamente omogeneo ad alta resistività; regione sensibile ~ 70 x 75 mm²; raffreddamento ad aria

detect. eff. ~ 99.5% (soglia = bkg*10); risoluzioni medie (m): spaziale: 38(r) – 30(z),60 ai bordi2-track : 200(r) – 600(z); 700@70%eff

χ/χ0 = 2x1.43 %; vdrift = 8.1 m/ns

•griglia di schermo ai bordi:145 strip di catodo (passo 32m) con voltage divider indipendenti

• 3 file di 33 iniettori di carica controllano vdrift (~ c* T -2.4)

X

Z

ionizing particle

Collection

catodi di drift, 291 p+ strip (passo 120m)

pull-upcathode

bias HV divider

p+

Area sensibile divisa in due regioni di drift da un catodo centrale a -2.4 kV; altri -40V sui 256 anodi di raccolta (passo 294m)

Struttura di supporto a “scale” in plastica rinforzata con fibra di carbonio con 14 o 22 sensori; raffreddamento a acqua per l’elettronica

Silicon Strip Detector SSDSilicon Strip Detector SSD• Cruciali per la track-connection

ITS-TPC• Granularità richiesta inferiore• Particle-ID via dE/dx (regime non

rel.)• Strips “double-side” anziché quelli

a faccia singola scelti perché – introducono meno materiale nella

regione attiva – correlando l’altezza dei segnali delle

due facce si eliminano le ambiguità del redout proiettivo; piccolo angolo stereo (3.5 mrad) per ridurne il numero

• Inclinazione differente per i due lati del sensore ed opposta per i due layer per ridurre le prob. di fake tracking

P-Hybrid

N-Hybrid

Sensor

• sensori paralleli al campo magnetico direzione inclinata piu’ sensibile

• anelli di guardia attorno all’area sensibile del sensore

Area attiva 73x40 mm² 2x768 strip x sensore

risoluzioni medie (m): spaziale: 20(r) – 300(z);

2-track : 300(r) – 2400(z);

EE

510 cm

EE

88us

TPCTPC

Δp/p = 1% @ p < 100 Mev/c (10% ad alti p con TRD e ITS), Risoluzioni: r =1100 – 800 m, z: 1250 – 1000 m (inner

-outer r); dE/dx= 5.5% - 6.9% (isolate – dN/dy=8000); 560000 redout pads; tracking eff. ~90% (primary)

Strumento principale per gli osservabili adronici (composizione in flavours, evoluz. spazio-temporale e freezout della fireball, hard probes, jet, ev-by-ev fluctuations, correlazioni) richiesta elevata risoluz in prel & 2-track separation; buona PID per le analisi ev-by-ev

•Raggio interno minimo (85 cm) è dato dalla massima densità di hit accettabile

•Raggio esterno (250 cm) determinato dal braccio minimo necessario ad una risoluzione in dE/dx migliore del 10%

•5 x 5.6 Ø m, 88 m3, tdrift 88 s •Membrana centrale a 100 kV; •Drift gas: 90% Ne - 10% CO2 ok per vdrift (=2.84 cm/s), aging (scartate CH4 o CF4) bassa diffusione / χ0 ( mult. scatt.) / carica spaziale / riscaldamento (ΔK ≤ 0.1°K) / dipendenza di vdrift da T;

•Field defining system: strips in mylar allumineate;

•supporti interni ed esterni flussati con CO2

•piani di readout di MWPC segmentati in 18 settori trapezoidali, 20° in l’uno

•occupancy 40 - 15% @ dN/dy = 8000 (int - ext)

•Event rate ~200 Hz (Pb-Pb); possibilità di redout selettivo

•3.5 χ0 @ = 0

misure di p(ch part)

Vertex reconstr.

PID

.

B = 0.5 T (?) Edrift=400V/cm

TRD : Ionization, Tracking, TriggeringTRD : Ionization, Tracking, Triggering

1.200.000 canali

GOAL: buona e- -ID @ p>1GeV/c (ove la -rejection via dE/dx del TPC non è più affidabile); si cercano semi-lept. decay di open charm & beauty (single e- channel), misure della light-heavy vect. mes product., di-lepton continuum (double e-) e separazione di J/ψ prompt da b-decay (con TPC e con l’I.P. misurato dall’ITS); la sua velocità viene usata come fast trigger per e- ad alto pt

540 moduli: 6 layers, 18 settori () in 5 pile; 27.2 m3 di Xe-CO2 (85-15 %) in B=0.4 T; vdrift =1.5 cm/s, V=700 V/cm, 275 e-/cm per una mip A~5000; p resol = 5MeV/c; @ dN/dy=8000: Δp/p

= 2.5% + 0.8% p, (r = 600 m, (z) = 2 mm (offline), σα=0.4 - 0.7°

100 fogli di polipropilene

+ CO2

per e PID, p>1 GeV/cper e ed high pt trigger, p>3 GeV/c

- 0.9 < < 0.9

Camera più grande: 120 x 160 cm

supermodulo

ITSTPC

TRD

TRDTRD

mv

M5 nylon screw to hold fishing-line spacer

honeycomb panel (10 mm thick)

external glass plates 0.55 mm thick

internal glass plates (0.4 mm thick)

connection to bring cathode signal to central read-out PCB

Honeycomb panel (10 mm thick)

PCB with cathode pickup pads

5 gas gaps of 250 micron

PCB with anode pickup pads

Silicon sealing compound

PCB with cathode pickup pads

Mylar film (250 micron thick)

130 mmactive area 70 mm

PID per particelle cariche con impulsi tra 0.2 e 2.5 GeV/c; scelte le MRPC: serie di moduli inclinati ( ┴ alla direz. radiale) con varie strip (53, 157248 ch. totali) in miscela di gas (16m3 di CH2F4 90%, C4F10 5%, SF6

5% flussato in 6h) in un un campo elettrico elevato ed uniforme → cariche di ionizzazione prodotte a valanga dal passaggio delle particelle; segnale come somma analogica di quelli su più gaps. Principali vantaggi:

• velocità nella risposta, risoluzione temporale ~50 ps

• efficienze ~100%

• possibile alto guadagno

• tecniche costruttive semplici, materiali commerciali

• operano a pressione atmosferica

per PID di , K, p, K per p <2 GeV/c

p per p <4 GeV/c

100000 canali

42

50

20º10º

20º 10º

TRD

TOF

TOF & TOF & MRPCMRPC

HMPD: High Momentum Particle IdentificationHMPD: High Momentum Particle Identification

7 moduli da ~1.5 x 1.5 m2 l’uno @ 2h(||<0.6, 57.6°, 5% della regione barrel in accettanza)

p, T ambiente

Dedicato alla misura inclusiva di adroni identificati con p > 1GeV/c; aumenta la capacità di PID via dE/dx (ITS e TPC) o via TOF ad alti pT

Ring Imaging Cherenkov detector a perfluoro esano liquido a bassa cromaticità (n~1.3, =175nm, min= 0.77, pmin = 1.21 Mpart); photon counters di nuova concezione (film di CsI depositati sul catodo delle Multy-Wire Pad Chambers come photon-converter)

muon armside

HMPID : HMPID : fotocatodi al CsIfotocatodi al CsI

multilayer pcb with metalized holes

gold front surface (0.5 m)

nickel barrier layer (7 m)

copper

fused silica plates (SiO2)(come finestra UV-transp.)

glass-ceramicNEOCERAM® elements

radiator vessels

STAR datapions

kaons

protons

p > 1 GeV

Coeff. Termico 0.5 x 10-6 °C-1

FOTOCONVERTERS

Pad s

ize:

8.0

X 8

.4 m

m

< 5

0

m fl

atn

ess

Para

llelism

o c

on le

alt

re c

om

p. <

100

m

Q.E. > 25% @ 175 nm

Photon SpectrometerPhoton Spectrometer

PHOS = EMCALPHOS = EMCAL + CPV+ CPV : ~18 000 scintillatori, cristalli di PbWO4, ~10χ0 + APD, fotodiodi a

valanga come fotodetector + pre-amplificatori a basso rumore + MWPC per vetare le particelle

cariche: ad Ar/Co2 (80/20%); efficienza ~99%, risol. spaziale 1.6mm

Alta granularità elevata risoluz. spaziale; cristalli raffreddati con idroetere di fluoro a -25°C ( produzione di luce x3); showers su più celle (agile ricostruzione del punto di impatto come baricentro). Analisi topologica e PID via TOF (~ns) per distinguere da showers adroniche e 0

~8 m²

||< 0.12 100° in

1.5 m³ 12.5 t

Range dinamico ~100 MeV-100 GeVRisoluzioni:

•in energia: ~ 3% •in massa: ~ 7% (0), 3% (0)•spaziale: ~2.3 mm/√ E•temporale: ~ 1.5 ns/√ ECapacità trigger al primo livello

Per studiare le proprietà termiche del QGP (spettri di fotoni singoli e 2 e correlazioni), e mesoni neutri ID (2-decay), jet-quenching (spettri di 0 ad alto pt)

MAGNETE

MAGNETE

Buona accettanza a basso pt (J/ ad alto pt prodotte via b-decay) + soglia di 4 GeV/c per i (per il materiale necessario per assorbire il flusso adronico) = misure di charmonio a basso pt possibile solo in avanti ove hanno il boost di Lorent

Risoluzione energetica ~100 MeV (OK per risolvere la famiglia del bottonio); risoluz. spaziale ~70 m; hit-density 0.05/cm² ; B= 0.7T

Camere ‘frameless’ a piccolo gap anodo-catodo (~2.5 mm) per una maggior efficienza e granularità; ~106 canali, miscela Ar/CO2 (80/20%); Trigger ch.: 4 piani, 150 m² con 72 RPC ad Ar/C2H2F4 /i-butano/SF6 49/40/7/1 %

Cathod pad chambers in fibra di carbonio

Muon Tracking SystemMuon Tracking Systemc’nium & b’nium ~ sonde del QGP / HF quarkonium production (di- decay) in funzione di pt, b, etc/

semi-lept decay di open c & b (di- continuum)…

2.42.4<<<<44

2 – 9 °2 – 9 °

assorbitore di adroni e carbonio e cemento

10 piani di camere traccianti ad alta granularità

muro di acciaio davanti alle camere di trigger p >4 GeV

4 piani di trigger chamber: RPC; elettrodi di bakelite trattati a semi di linoBeam shield in W, Pb e acciaio

Zero Degree CalorimeterZero Degree CalorimeterL’osservabile più direttamente connesso con la geometria dell’urto: numero di nucleoni partecipanti Stima dell’energia in avanti trasportata dai nucleoni spettatori trigger sulla centralità:

Sistema di calorimetri lungo la beam pipe: due CAL per protoni e neutroni (ZP e ZN) a 116 m da ciascuna parte dell’IP (ove la distanza tra le pipes permette l’inserzione di un detector), ed un forward EM CAL a 7 metri misurano l’energia dei partecipanti (4.8 < < 5.7; maggior rapidità maggior accettanza e correlazione tra I.P. ed energia). i sistemi magnetici che focalizzano il fascio separano p e n

Nastri di fibre di quarzo inserite tra lastre di assorbitore (Pb, ZEM; W/Ni/Fe, ZN; ottone,ZP; in volume 1:11-ZEM; 1:22-ZN; 1:65-ZP); partoni incidenti shower adroniche part. cariche radiazione Cherenkov nelle fibre letta da PM; tecnica veloce, resistente ed insensibile (soglia) alla radioattività indotta); nello ZEM, che misura essenzialmente i dai decadimenti dei , le fibre sono inclinate di 45°

ZP Cal

ZN Cal

ZEM Cal

Efficienze energetiche:

ZEM <1%;ZEM <1%;

ZN 9.1%;ZN 9.1%;

ZP 8.3%ZP 8.3%

EZDC~ 2.76 GeV x Nspett

V

ET

O

Pre

Sh

owerPMD: PMD: Photon Multiplicity counterPhoton Multiplicity counter

• energia EM trasversa ( piano di reazione)

• fluttuazioni ev-by-ev

• flow ( formazione del DCC)

Vista frontale

•Gas Proportional Counter a Ar/CO2 (70%+30%) di 1.8 m2 in 221184 celle esagonali (0.22 cm2 x 0.5 cm)

•2 piani Veto + PreShower; nel mezzo converter in Pb

•Efficienza di photon counting: 64%•Efficienza per le charged part: 96%

3 χ 0

PMD

Beam Pipe

ITS

3.55m

2.3 - 3.5

Misure di moltiplicità e distribuzione spaziale dei fotoni nella regione in avanti; in relazione con:

su

pp

ort

o

CO

NV

ER

TE

R

, -1400 V

Cu

1) Extruded boundary frame2) FEE back plane(PC-Bus)3) Back plane supports

4) FPC connector

5) Kapton flexi-links

6) MANU-like FEE board

7) Interface connector (FEE to back plane)

Impact Parameter Resolution

ET vs. Impact parameter

Total ET vs Npart

PMDPMDperformanceperformance

b

ET= ∑ dE * Sin (θ)

dE energia persa su una singola cella, la somma corre su tutte le celle

ET Resolution

FMD (Forward Multiplicity Detector) Misure precise (off-line) della charged part. multiplicity per A+A, p+p Analisi event-by-event di fluctuazioni e flow5 anelli a strip di Si counters, 51.200 canali1.7< < 5.0; -1.7< <-3.4

V0 (V0A-V0C) Centrality and collision vertex: Principale centrality trigger di I livello per A+A, trigger (pp) e Lumi monitorBeam-Gas Rejection (via TOF diff.)2 ordini di 32 scintillatori plastici letti da fibre WLS + PMT2.8< < 5.1; -1.7< < -3.7

T0 (Beam-Beam Detector) Segnale di Fast timing L0 (=50ps), online vertex determinationPrincipale timing reference, TRD wakeup, trigger backup2 serie di 12 rivelatori Cerenkov + PMT4.5< < 5.0; -2.9< < -3.3

ALICE Forward DetectorsALICE Forward Detectors

Collocazione del FMD system in ALICECollocazione del FMD system in ALICE

Si-1Si-2

Si-3

V0-R

T0-R

3 INNER rings:

20φ, 512 strips

2 OUTER rings:

40φ, 256 strips

TOTAL: 51200 ch

Out: 1.70< <2.29 In: 2.01< <3.40

Out: -2.29<<-1.7 In: -3.68< <-2.28

In: -5.09< <-3.68

Si1

Si2

Si3

V0C

T0C

V0A

T0A

FMD ’inner’ protypeFMD ’inner’ protype

2 sectors of 512 strips

Test structures on 6” wafer

Hamamatsu

Si-Sensors:

Si wafer da 300 μm

2 φ settori da 512 (256) strips l’uno

Primo prototipo consegnato nel dicembre 2004

FMD Hybrid card w. 8 x (128 ch) preamplifiers

• Trigger per I detector barrel

• Beam-Gas Rejection (via TOF diff.)

• trigger per i p-p runs

• Centrality trigger per i Pb-Pb runs

• Misuratore di centralità e Lumi monitor

• Timing per il TOF (con una precisione ~50ps)

• Primo L0 signal dead time < t bunc-cr

• Beam-Gas Rejection (via VERTEX POSITION); risoluz. su zvertex ~ 1.5cm

• Centrality trigger per i Pb-Pb runs, tre segnali:

- min. bias

- semi-central - central

2 Arrays in posizione asimmetrica rispetto al

vertice (90 – 340 cm)

Sistema di Cherenkov counters con radiatori in quarko

2 Arrays in posizione asimmetrica rispetto

al vertice (70 - 350cm)

Sistema di scintillatori con fibre WLS e PMT

Risoluz. temporale

~1ns

Risoluz. temporale

~37ps

T0 T0

V0 V0

Cosmic Ray detector ACORDECosmic Ray detector ACORDE

• Calibrarzione di altri apparati di tracking

• Trigger per i cosmici

Completa il detector ALICE un rivelatore di raggi cosmici (1015 – 1017 eV, soglia 17 GeV, 2 TeV per i ; rate attesa 3 -4 Hz/m²)

20 moduli da 1.88 x 0.2 m² l’uno, strati di (doppi) scintillatori plastici

Efficienza ~ 90%

Combined momentum resolutionCombined momentum resolution

A bassi impulsi dominano

-Le fluttuazioni di energia persa per ionizzazione

-I fenomeni di multiple scattering

Ad alti impulsi determinato da

- Precisione sulla misura dei punti- Allineamenti e calibrazioni (qui assunti IDEALI)

6/12/2005 HI Future J. Schukraft

Stable hadrons (, K, p): 100 MeV < p < 50 GeV dE/dx nei silici (ITS) e gas (TPC) + Time-of-Flight (TOF) + Cerenkov (HMPD) dE/dx relativistic rise si estende il PID fino a ~ 50 GeV (limitato dalla statistica)

topologia dei decadimenti (K0, K+, K-, D+,…) K and decays up to > 10 GeV

leptoni (e, ) fotoni, 0

Combined Particle IdentificationCombined Particle Identification

Alice usa ~ TUTTE le tecniche note !

elettroni nel TRD: p > 1 GeV

muoni: p > 5 GeV

0 in PHOS: 1 < p < 80 GeV

Global PID: proposto un approccio Bayesiano per combinare le informazioni dai vari detector ciascuna componente fornirebbe solo le probabilità

condizionali (p.es P(dE/dX | ))

TPC acceptance = 90%

tracking solido e ridondante, da 100 MeV a 100 GeVCampo solenoidale modesto (0.5 T) pattern recognition semplice lunghi bracci di leva buona risoluzione in impulso (BL2 : Alice ~ CMS > Atlas !)piccola incidenza del materiale: < 10% X0

Complete simulazioni di GEANT : central Pb-Pb, dNch/dy = 6000 PICCOLA dipendenza da dNch/dy fino ad 8000 (importante per la sistematica)

Tracking & VertexingTracking & Vertexing

Parametro d’impatto

Concludendo…Concludendo…

• ALICE rappresenta lo stato dell’arte per molte applicazioni tecnologiche nella fisica dei rivelatori

• ALICE apre nuove finestre nelle regioni fisiche in esame e si troverà quindi NECESSARIAMENTE a dover affrontare fenomeni nuovi

• La H. I. Physics in alcuni campi attende soltanto (per ora) a descrizioni fenomenologiche QUALITATIVE uno dei (pochi) ambiti della fisica dove c’è ancora spazio per la fantasia!

BACKUP SLIDES

Livelli di radiazione e studio dei danni sui detector al SiLivelli di radiazione e studio dei danni sui detector al Si

Resistenza dei pixel del SPD all’esposizione testati @ LNL con fasci di protoni da 27 Mev (fattore 2 di conversione con n da 1MeV)

RISULTATIRISULTATI:

Sia la corrente di leakage che il full depletion Bias rimangono accettabili anche alla fluenza massima attesa ad ALICE

Shadowing: nuclear initial state effect

• Bjorken-x: frazione dell’impulso del partone (√s/2) posseduto dal partone che partecipa all’urto

• At the LHC• Pb ion @ LHC ~ 105-106 partons

(mainly gluons)

q

qQ

2/1 sx

2/2 sx

sMsQx qq //

43 1010~ x

xa

xb

xa+xb

gPb(x)/gp(x)

Shadowing:• reduces initial hard yield at low pt (low x)• scales trivially from pA to AA

“they are so close that they fuse”

Combined PID a basso impulsoCombined PID a basso impulso• Combinando differenti detectors (per ora NO HMPID)

– detagliataled funzione di risposta dei dectors => PID probabilities (e,,K,p,..)

– statistica Bayesiana (rapporto atteso tra particelle)

• TPC dE/dx– 5.5% (pp) -> 6.5% (central Pb)

/K/p spectra up to ~ 50 GeV– limited by statistics– requires good systematics (calibrate with data)

5 par. fit

107 central Pb

/p PID a ~ 50 GeV

reasonable efficiency

• 40% (p a 50 GeV) 90% ( at 5 GeV)

p = 5 GeV

=6.5%

/K/p = 2:1:2

Combined PID ad alto impulsoCombined PID ad alto impulso

occupancies defined as the ratio of the number of readout pads and time bins above threshold to all pads and time binsQ.E.: PERCENTUALE di fotono che producono coppie e-/lacuna (~10% per pellicole, <QE>~50% per le CCD)

CCD Charged Coupled devices: is a sensor for recording images, consisting of an integrated circuit containing an array of linked, or coupled, capacitors. Under the control of an external circuit, each capacitor can transfer its electric charge to one or other of its neighbours

TRDTRD

dE/dx distributions

Generator: AliGenBox

Fit: gaussiano