Verifica delle funzionalità

delle camere MDT al CERN

prima dell’installazione

Candidato Federico Felici

RelatriceProf.ssa Fernanda Pastore

Anno Accademico 2005/2006

Tesi di laurea in fisica Primo livello

SOMMARIO

• Introduzione• L’apparato di rivelazione Atlas ad LHC• Le camere MDT dello spettrometro a muoni• Test di commissioning delle camere,

nel laboratorio sito in SX1 al Cern: – Verifiche preliminari– Rumore– Calibrazione del TDC– Linearità del TDC

• Conclusioni

Introduzione: bosone di Higgs

¤ Nel “Modello Standard” delle interazioni elettrodeboli, il meccanismo di

generazione delle masse introduce la presenza del

“bosone di HIGGS”.

La sua scoperta è fondamentale per

verificare la consistenza della

teoria.

Necessità di una nuova macchina con alta energia

e alta luminosità

(L)

• Limiti sperimentali sulla sua massa (ottenuti al LEP): MHiggs>114 GeV/c²

• Energia nel c.m. raggiunte finora non sufficiente per la

scoperta

• La sez.d’urto di produzione dell’Higgs () è dell’ordine del

pb;

ricordando che

la frequenza degli eventi: N = L •

LHC (Large Hadron Collider) al Cern

• Collisore protone-protone (in prima fase)

• Circonferenza di ~~27 km

• Energia nel c.m. di 14 TeV (7+7)

• Luminosità: L = 1.7•1034 cm-2 s-1

• 1011 protoni per pacchetto

• pacchetti distanziati di 25 ns => freq. d’incrocio di 40MHz

¤ Esperimento utile per verificare sperimentalmente l’esistenza dell’ “Higgs” ( H )

¤ “H” è osservabile per

via dei suoi prodotti di

decadimento:

ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS )

H ZZ 4μ

(Golden

Channel)

ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS )

¤ è uno dei 4 principali esperimenti ad LHC

Lo spettrometro per µ di ATLAS:

• Equipaggiato con camere di precisione e di trigger

• Tre regioni, di pseudorapidità: [ =-ln(tan(/2)) ]– || < 1 barrel– 1.0 < || < 1.4 regione di transizione– 1.4 < || < 2.7 endcap

• magneti toroidali in aria

¤ Necessità di ¤ Necessità di elevata precisioneelevata precisione

nella ricostruzione delle nella ricostruzione delle traccetracce e nella misura dell’ e nella misura dell’ impulsoimpulso dei dei μμ

Le camere di precisione: (misura nella direzione della curvatura)

MDT (Monitored Drift Chambers):• regione degli end-cap e del barrel• tubi a deriva

CSC (Cathode Strip Chambers)• regione degli end-cap• MWPC (Multi Wire Proportional Chamber)• piccolo tempo di deriva ~ 30 ns • risoluzione temporale ~ 7 ns

Risoluzione spaziale di singolo filo ~80m

Le camere di trigger:

RPC (Restistive Plate Chambers):

• regione del barrel

• installate sui lati delle camere MDT

TGC (Thin Gap Chambers) :

• regione degli end-caps

• 3 stazioni vicino alle camere MDT “middle”.

Risoluzione temporale ~ 1 ns Risoluzione spaziale Φ~ 1 cm

¤ composte da tubi a deriva:

- tubi di Al : 3 cm e lunghezze da 70-630 cm

- fili-anodici di: 50 µm

- contenenti miscela di gas Ar:CO2 = 93:7

a pressione 3bar alla temperatura 298 K

- per d.d.p. di 3080 V (guadagno: 2104 )

- massimo tempo di deriva ~ 700 ns

- disposti in 2 multistrati (ML)

da 3 strati ciascuno

(4 per le stazioni interne)

Le camere MDT

ML1

ML2

RO side

HV side

¤ in ATLAS utilizzati:

~3.5•105 tubi

(~1200 camere)

“Monitored” Drift Tubes

¤ Per ricostruire una traccia spaziale, si combinano informazioni di tre

camere;- La posizione relativa delle camere va conosciuta con risoluzione migliore di quella richiesta per la misura della traccia;

¤ Le camere MDT sono ”Monitorate”

da un sistema di allineamento ottico

chiamato “RASNIK technology”;

Elettronica delle camere MDT

Lato HV (High-Voltage):

- 2plug-in alte tensioni (3080V),

- distribuzione sui vari canali,

- suddivisi in ML1 e ML2.

Lato RO (Read-Out):

- camere dotate di elettronica di lettura FEE (Front-End Electronics),

- raggruppata in “mezzanini”,

- 1 scheda “CSM” (Chamber Service Module).

Elettronica delle camere MDT

¤ Ogni mezzanino:

• raggruppa 24 canali(tubi a

deriva),

• comprende:

- 3 ASD-chips (Amplifier-Shaper-

Discriminator),

- 1 TDC-chip (Time to Digital Converter),

- 1 ADC-chip (Analog to Digital Converter).

¤ Tutta l’elettronica è sincronizzata dal clock di LHC (40MHz).

¤ I dati:

• digitalizzati dal TDC (e ADC),

• escono dal mezzanino

• entrano nel modulo “CSM”,

• vengono compressi, riformattati

e trasmessi via cavo a fibra ottica (1.2

GByte/s),

• raggiungono il DAQ di ATLAS.

Elettronica delle camere MDT

Modulo CSM(Chamber Service Module)

Test in “SX1”

¤ Tutte le camere MDT sono state testate: - nel sito di produzione,

- all’arrivo al CERN,

- prima di essere

installate ad

ATLAS“SX1” [CERN bld.3185]:

• verifica delle funzionalità (causa danni nel trasporto),

• certificazione di pronta installazione,

• discesa nel pozzo, verso la caverna di ATLAS (posta sotto SX1),

• installazione.

1. controllo qualitativo (visivo) dell’integrità esterna dei tubi;

2. test del DCS (Detector Control System);

3. analisi con il protocollo Jtag (Joint Test Action Group);

4. verifica del funzionamento del sistema RASNIK per il controllo dell’eventuale deformazione delle camere (“In-plain”);

5. controllo presenza di fili spezzati (canali morti).

PRIMA FASE DI VERIFICA AD “SX1”:

Esempio filo spezzato: camera BOL3A13

Dead_Channel (mezz.7,ch.19)

1. Test del rumore:

necessario a verificare la funzionalità

dell’elettronica e permettere la corretta lettura

degli eventi considerati buoni;

2. Pulse test “T0 relativo”: calibrazione del

TDC;

3. Pulse test “delay”: linearità del TDC.

SECONDA FASE DI VERIFICA AD “SX1”:

Test del rumore:

¤ Il rumore (noise) è definito per ciascun

filo come:

noise(Hz) = nHits/timeWindow(s)

timeWindow = nTrigger • (1.2 • 10-6) s

¤ Per lo studio del rumore si effettua

l’acquisizione degli eventi (letti dal

rivelatore) usando un “random trigger”

(non correlati con il passaggio di una

particella).

¤ “random trigger”

prodotto da un generatore di impulsi.

Esempio di rumore: camera BOL3A13. Il plot mostra canali rumorosi: (9,1), (9,3), (10,17), (10,18), (10,19).

Mezzanine

(FEE)

PulseHV side

RO side

¤ Simulazione del “passaggio di un muone”tramite impulsi elettrici prodotti da un ‘Dual Timer Unit’ e mandati sui canali della camera per via delle prese HV.

Pulse test:

¤ Schema della distribuzione degli impulsi di test,verso tutti i canali, tramite prese HV della camera.

ML1

3 157911

2 046810

ML2

HV

T0 relative - TDC calibration:

¤ In generale il rivelatore MDT registra dei valori di tempo

che chiamiamo tempo misurato (Tm):

Tm = Td(r) + T0 + Tp

•Td(r): tempo di deriva da cui si ricava r (conoscendo la relazione r-t)

•T0: offset (differente per ogni canale) corrispondente a un cammino di deriva nullo

•Tp: tempo di propagazione del segnale lungo il filo-anodo,

dipende dal punto lungo la direzione dal filo in cui è passata la particella.

¤ Nel caso del “pulse test”:

T0 relativo = Tp + T0

Distribuzione del “To relativo”

Esempio: camera BOL1A13

• Plot dei valori “T0 relativo”: per ogni canale

• Plot dei valori “T0

relativo”: in media per

ogni 8 canali (ASD-chip).

Linaerità del TDC:

¤ Si può verificare la linearità del TDCritardando l’impulso rispetto al random trigger fissato,

tramite (2) ‘Delay Units [(2.5-66)ns]’ programmabili (in serie).

¤ Valori di ritardo forniti (Tdelay): (72, 74, 90, 122, 138, 170, 194) ns,

oltre il cavo di riferimento (fisso) usato come zero.

Time(ns)

Neven

ti

Esempio: BOL2A13

Linearità del TDC:

Plot dei valori della “slope” = T0 / Tdelay

ottenuti dal fit lineare dei dati acquisiti

(per ogni canale).

Ch.

Mezz.

slope

Ch. Mezz.

slope

T0(ns)

Tdelay(ns)

Esempio del fit lineare sui dati di un solo canale:

Esempio del fit gaussiano sui valori di “slope” di tutti i canalidella camera:

Conclusioni• I test svolti durante il mio periodo di stage al Cern [2005]

(prototipi per test futuri)

hanno riguardato solo 9 delle ~1200 camere MDT:

( [BML*A13, BML*C13, BOL*A13] con * = [1,2,3] );

• ho potuto apprendere le tecniche usate

per la verifica delle funzionalità di questi rivelatori;

• ho partecipato ai test descritti;

• ho scritto i programmi KUMAC (macro) eseguiti con PAW,

per l’analisi dei dati nei differenti tipi di test effettuati;

• ho scritto un manuale per gli utenti dei test in SX1;

• infine ho assistito all’installazione delle prime MDT, nella caverna di

ATLAS.