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RIVELATORI AD LHC Parte II
M. Cobal, Università di Udine
Sistema calorimetrico
Calorimetria ad LHC Risposta veloce: Ad ogni bunch, 25 minimum-bias producono 1500 particelle in |η| < 2.5 con <Et> ~ 500 MeV, (totale ~ 1 TeV). Degradazione della risposta evento per evento (pile-up noise) e una degradazione della risoluzione (pileup_r.m.s.)/E.. Es. E=250 MeV nella parte centrale forniscono un contributo 2.5% nella risoluzione in energia per elettroni di 10 GeV. Alta granularita’: Evitare che particelle di pileup siano nella stessa regione della particella interessante Resistenza alla radiazione Ermeticita’: soprattutto per evitare perdite di energia che possano simulare presenza di neutrini. Es. per H(m=150 GeV)-> tau tau la rms (Etmiss) ~ 2 GeV per |η|<5 e ~8 GeVper |η|<3. Eccellente risoluzione in energia elettromagnetica. Per l’osservazione di risonanze strette. Risoluzione in massa a1% per M~150 GeV se vogliamo osservare una risonanza di Higgs su background da γγ. Μisura angolare. Per la misura della massa invariante abbiamo bisogno della direzione delle particelle. Risoluzione in massa a1% richiede una risoluzione angolare ~ 50 mrad/ Risoluzione in energia dei Jet e linearita’. e la linearita’ in energia almeno al 2% fino a 4-5 TeV
)(GeVE
%3)(/%50/ ⊕≈ GeVEEσ
Identificazione di particelle I calorimetri sono in grado di fornire una buona identificazione (distinguere fotoni, da elettroni e adroni) in quanto gli sciami adronici sono piu’ lunghi e larghi di quelli elettromagnetici. Reiezione di jet come falsi elettroni o fotoni. Ma la combinazione di piu’ sottorivelatori fornisce migliori risultati
ATLAS
Calibrazioni del calorimetro Hardware Equalizzazione dei canali di elettronica (impulsando), equalizzazione risposta del rivelatore con luce o carica nota (con sorgenti radiattive o laser). Dispersione <2% Test beam Esposizione durante la fase di costruzione a fasci di particelle di energia nota In situ Calibrazione con segnali di fisica (comprendere la risposta del calorimetro se si tiene conto del materiale davanti). Importante per conoscere la scala assoluta di energia degli elettroni (incertezza syst.) 1) Utilzzo di risonanze note per basse energie e per alte energie. Es. Utilizzando la relazione si cercano I parametri che consentono di ottenere un valore della massa della Z ricostruita pari a quella nominale. 2) Misura di E/p per elettroni isolati, E con calorimetro e p con tracker: la distribuzione piccata a 1. Per misurare la Mw con precisione a 15MeV a LHC e’ necessaria una precisione sulla scala di energia a 0.02%! Misura della scala assoluta di energia dei jet: non possibile durante i test beam. Molte incertezze (neutrini da decadimento, non contenimento dello sciame, non compensazione del calorimetro). Si utilizzano eventi con un jet + Z ->ll o jet+fotone nello stato finale che abbiano . Quindi dalla misura dell’impulso di Z o del fotone (da calorimetro o tracker) si ricava quella del jet. Richede molta statistica. Ad LHC si riesce a calibrare l’energia dei jet con precisione di pochi %
−+→Υ−+→Ψ→ eeeeJ ,/,0 γγπ−+→ eeZ δα += meastrue EE
Preshower
Importante calibrazione del rivelatore durante test beam Inter-calibration (fra moduli)
electron beam – cosmic muon comparison
〈σ〉 = 1.5%
electron beam calibration
reproducibility
9 Supermodules (25%) inter-calibrated with e-
Risoluzione in energia
a = termine stocastico • statistica dei fotoni (2.3%) • contenimento laterale (1.5%) • Preshower (5%) Totale barrel 2.7% Totale endcap (5.7%) c = rumore elettronico Barrel 155 MeV Endcap 770 MeV
Per un calorimetro a cristalli il termine costante ad alta energia limita la risoluzione in energia CMS ECAL GOAL= 0.55% b= termine costante
• Perdita di energia: avanti-dietro, zone morte <0.2% • Intercalibrazione fra cristalli (la maggior parte dell’energia in un singolo cristallo) • Stabilita’ in e temperatura e tensione
Risoluzione in energia
120 GeV
E (GeV)
Central impact (4x4 mm2)
0.5%
Response for Σ(3x3) varies by ~3% with
impact position in central crystal Correction made using information
from crystals alone (works for γ)
Does not depend on E,η,φ position (η )
(3 x 3) around Crystal 184 (3 x 3) around Crystal 204 (3 x 3) around Crystal 224
4x4 mm2 central region
Resolution goal of 0.5%
at high energy achieved
FCAL
HEC
TILECAL EMB EMEC
EMB: 2 half-barrel (|η|<1.4) EMEC: 2 end-cap (1.4<|η|<3.2)
Calorimetria di ATLAS
endcap A endcap C
barrel
• Calorimetro a campionamento piombo-argon liquido
– Geometria Accordion (fisarmonica) – Segnale da carica di ionizzazione
• Lavora a freddo (circa 90 K) fra due criostati:
• Precampionamento for |η|<1.8: – Layer attivo of Lar (11 mm gap nel
barrel , 4 mm in endcap) • Grande granularita’ in 2.5<|η|<3.2 eno
strips • ≈190000 channels • Il calorimetro e’ fuori dal solenoide
Principio di funzionamento ECAL
Segmentazione longitudinale
segmentazione in profondità del modulo (“layers”):
– strips (o front): granularità fine in η, per separazione π0/γ (1792 canali)
– middle: raccoglie la maggior parte dell'energia (896 canali)
– back: stima del “leakage” longitudinale (448 canali). Sciami altamente energetici. Discriminazione sciami hadronici e elettromagnetici
• presampler : – posto davanti al modulo, identificazione
di “pre-showering” (244 canali)
transizione piombo
elettrodi A elettrodi B
strips
strips
middle
middle
back
back
16+16 moduli (16 per half-barrel): ciascun modulo contiene 64 assorbitori in piombo 64 elettrodi di rame e kapton (HV + raccolta segnale) divisi in elettrodi A e elettrodi B 3444 canali di read-out per modulo
Requisiti del calorimetro
• Larga accettanza: |η|<3.2 • Risoluzione in energia :
– Termine stocastico: a≤10% GeV1/2
– Termine di rumore: c≤300 MeV – Termine costante: b=0.7%
• Linearita’: < 0.1% • Risoluzione angolare: σ(θ)≈50 mrad/√E • Capacita’ di identificazione delle particelle:
– e/jet, γ/jet • Risoluzione temporale: 100 ps
bEc
Ea
EE
⊕⊕=)(σ
Linearita’ < 0.1% per E fra 20-180 GeV
0.59%
0.52%
0.57%
Uniformita’ <0.6%
Attese modulazioni in risposta per perdite di energia laterale e in η/φ . A fissata energia di elettroni scan in posizione sull’intero modulo
Linearita’ Uniformita’
Prestazioni su fasci di test
Risoluzione in energia • Dai test risultano le prestazioni attese:
– Scan di energia a posizioni fisse – Il termine costante calcolato per una singola cella:
bcell~0.2%
• 2 contributi al termine costante:
– b = bsr ⊕ blr=0.7%
Short range bsr: – Su una regione di ΔηxΔφ = 0.2x0.4 (440 regioni in
totale) ‒ φ modulations, calibration, signal reconstruction,
absorber and gap thickness,... Long range blr:
– Variazioni in temperature e HV , impurezze nell’ LAr ,..
. Il goal e’ quello di mantenere bsr ≤0.5% durante
la fase di costruzione e intercalibrare in situ with Z→ee events
η=0.68
Risoluzione in posizione e angolare
• La segmentazione transversale e longitudinale consentono una eccellente risoluzione spaziale e angolare
Barrel: 245 GeV Electrons
~550 µm at η=0
~250 µm at η=0
Barrel E=245 GeV
55 mrad/√E
Endcap η~1.8
Energy(GeV) 160 80
σZ~20mm
σZ~5mm
Eccellente segmentazione (nella zona front e middle) . Importante nella direzione longitudinale: LHC vertex spread: σz ~ 5.6 cm
Tile Calorimeter 3 cilindri, ciascuno
composto da 64 moduli central Barrel 2 Extended Barrels
Requisiti Buona ermeticita’ per jets e ET
miss Risoluzione in energia Facile da costruire (struttura periodica)
%3%50⊕=
EEσ
Calorimetro adronico di ATLAS: Tile Calorimeter
Barrel module
Calorimetro adronico di ATLAS Il Calorimetro Adronico copre tutta la regione < 4 ed e composto da quattro parti principali: un corpo centrale (Tilecal), due end-caps (HEC), e il calorimetro in avanti (FCAL), in cui sono impiegate tecniche di rivelazione differenti a causa del diverso irraggiamento a cui saranno sottoposte le diverse aree e alla risposta richiesta. I principali scopi di questo sottorivelatore sono la ricostruzione dei jet adronici e la determinazione della loro energia, ma partecipa anche al calcolo del bilancio energetico, al fine di determinare il valore di energia trasversa mancante
Tile Calorimeter: 3 cilindri, ciascuno con 64
modules 1 central Barrel 2 Extended Barrels
HEC coprono 1,5 <|η|< 3,2 e, poiche in questa zona il tasso di irraggiamento e piu intenso, e l'argon liquido ad essere impiegato come mezzo attivo .
FCAL Garantisce l'ermeticita necessaria per rivelare i jet ad angoli inferiori ad un grado. Copre la regione tra 3.1 <|h|< 4.9.Utilizzato l’argon liquido come mezzo attivo
Scintillator
WLS fibre
La luce prodotta negli scintillatori e e’ inviata a PMTs via fibre WLS fibres
Celle definite raggruppando WLS fibres su PMTs
Segmentazione: 3 profondita’ radiali Δη×Δϕ = 0.1× 0.1 (0.2×0.1 nell’ultima parte)
Basic period, 18mm
master plate (5mm) spacer (4mm)
scintillator (3mm)
Barrel module
Il mezzo attivo e costituito da tegole di materiale scintillatore disposte in una matrice di ferro, con funzione di mezzo assorbente
Calorimetro nella regione del barrel
L'ottimizzazione della geometria del calorimetro adronico guidata dalla corretta risoluzione in energia
- sorgente di Cesio • Sistema principale di intercalibrazione fra le celle • calibrazione segnale + PMT durante la costruzione
– laser: • monitors PMTs + elettronica. Linearita’, dynamic range
– charge injection system (CIS): • calibration of front-end electronics. Useful diagnostic pulses
• Calibrazione utilizzando fasci di tes • in-situ calibration:
– E/pT for single hadrons (e.g. coming from τ-decay) – Z/γ + jet: pT balance – W→jj
Risoluzione in energia e calibrazione L'energia rilasciata dai jet viene calcolata sommando l'energia rivelata da tutte le celle calorimetriche contenute in un cono di raggio La risoluzione in energia e tanto migliore quanto maggiore e’ R. Allo stesso tempo, pero, la larghezza del cono non deve essere troppo grande, per evitare sia la degradazione del segnale dovuta al rumore dell'elettronica Importante il sistema di calibrazione
Cs/muon ratios
Calibrazione durante i test su fascio
Segnale da muoni per cella: RMS 2.5%
Energy resolution
Pioni da 180 GeV
Risposta ai pioni. Variazione della risoluzione con η per perdite trasversali e longitudinali
Confronto sistema calorimetrico di Atlas e CMS
ATLAS usa calorimetro a campionamento con LAr con buona risoluzione in energia e eccellente segmentazione laterale e longitudinale CMS usa cristalli PbWO4 con eccellente risoluzione in energia segmentazione lateral ma non longitudinale
E
5%-3
E
(E) !
"
E
10%
E
(E) !
"
Calorimetro elettromagnetico CMS ATLAS
Test beam: CMS superior intrinsic resolution ATLAS excellent uniform response
11λ
CMS
ATLAS
CMS
Realizzato con Fe-scintillator (barrel) and Cu-liquid argon (end-caps) per un totale di 11 lunghezze di interazione. Buona risoluzione in energia:
03.0//%50/ ⊕≈ GeVEEEσ
Realizzato con Cu-scintillator. Risoluzione in energia
05.0//%100/ ⊕≈ GeVEEEσ
Calorimetro adronico
Sistema muonico
• Misurare la carica e gli impulsi trasversi dei muoni fino a 1-2 TeV/c
- Richesto grande campo magnetico - Alta risoluzione di tracciamento dei rivelatori. • Identificazione dei muoni - filtrati da 15-20 lunghezze di interazione • Capacita’ di triggerare e identificare il bunch
crossing - Soppressione di eventi di minimum bias - Eccellente risoluzione temporale • Differenti tecnologie adottate: - Per scopi di triggering necessario un rivelatore non
sensibile a fotoni e neutroni - Tecnologia tipica : rivelatori a gas.
Sistema di muoni a LHC
!
" s( ) =3
2# " x( )
3 punti di campionamento
Schema base di tracciamento di muoni
Traettoria delle tracce in CMS • Sistema magnetico- solenoide centrale • Sistema di tracciamento centrale + camere a muoni
Spettrometro a muoni di Atlas
Piccolo scattering multiplo Alta precisione Piccola curvatura della traccia Alta precisione + allignamento
Larga copertura in
• 3 stazioni a muoni ~1200 Camere Diametro esterno ~20m • Una coordinate misurata con camere a drift (alta precisione) Coordinata (r,φ) fornita dagli RPC • RPC utilizzati anche per trigger • Allineamento
29
End Cap (CSC + RPC)
Barrel (DT + RPC)
Muon identification Muon Trigger
• Unambiguous BX identification • Trigger single and multimuon with well defined pT thresholds few GeV to 100 GeV
Muon momentum measurement • Charge assignment correct to 99% confidence level up to 7 TeV • Momentum resolution dpT/pT = 1 - 1.5% at pT = 10 GeV
dpT/pT = 6 - 17% at pT = 1 TeV
Requirements
Drift Tube Chambers and Cathode Strip Chambers are used for precision measurements and for triggering. Resistive Plate Chambers (RPC’s) are dedicated trigger chambers.
Sistema di muoni di CMS
Risoluzione in impulso
Cella di drift di ATLAS
Contributo alla risoluzione
Ricostruzione delle coordinate x= v ΔT con v= costante e t0 fornito dal trigger
Diffusione degli elettroni che driftano Fluttuazione nella ionizzazione primaria Tolleranze nella distanza di drift: Precisioni meccaniche, posizione del filo Inomogeneita’ del campo elettrico, variazione della velocita’ di drift Dovuta a variazioni del gas
Electrode Strip
Cathode Al Strips
Wire
42mm
13 mm Mylar
Φ SL θ SL
Honeycomb Φ SL
GAS: Ar/CO2 (85/15)
• 5 Wheels - 250 DT’s’, • 4 stationi (MB1,MB2,MB3,MB4): at least 3 track segments on muon track.
Drift Tube Chambers
Conditions η<1.3 Particle rate < 10 Hz/cm2
Relatively Low B
Risoluzione (per stazione)
Position RΦ : 100 µm Z : 150 µm Angle: 1 mrad
BX identification Efficiency >98% per station
Camera di Atlas
Double gap
Gas:96.2%C2H2F4 3.5%C4H10 +0.3%SF6
FEB amplify and discriminate signal (16 strip/FEB)
37
Sistema di trigger: CMS RPC Barrel system
Barrel 5 wheels RB4 120 chambers (2 double gaps per chamber) RB3 120 chambers (2 double gaps per chamber) RB2 60 chambers (2 double gaps per chamber) + 60 chambers (3 double gaps per chamber) RB1 120 chambers (2 double gaps per chamber)
60 sectors
RPCs-DT are mechanically coupled before installation
38
Resistive Plate Chambers
RB4 120 chambers RB3 120 chambers RB2 120 chambers RB1 120 chambers
Barrel 5 wheels Endcap Disks: 720 chambers
Initial system; 3 stations up to η = 1.6
Gas: 96.2%C2H2F4 3.5%C4H10 +0.3%SF6 Efficiency > 95%
Time resolution < 3ns (98% within 20 ns)
Av. cluster size < 3 strips
Rate capability > 1 kHz/cm2
Noisy rate < 10 Hz/cm2
Streamers < 10%
Output rate of LV1 trigger on single muon < 10 kHz
39
RPC Trigger layout
Principle: Digital signals coming from RPC planes combined into patterns of hits. If they match one of the predefined pattern
ATLAS RPC Trigger
ConfrontoAtlas–CMS:sistemamuonico
MDT
CSC RPC
TGC
CMS:
ATLAS:
Canale “golden”: H→ZZ→4µ richiede una risoluzione d’impulso al 1%
Obiettivo di entrambi gli esperimenti 10% in risoluzione for 1TeV muon
Copertura in η (2/3 dei decadimenti ’ H→ZZ→4µ hanno almeno un muone with η> 1.4) Trigger: capacita’ di selezionare online µ with pt > 5-10 GeV
: grande magnete toroidale con 8 coils , 3 layers cilindrici di camere (MDT e RPC) : Le tracce sono deflesse in 2 piccoli toroidi, 3 ruote (CSC, TGC e MDT) : I campi magnetici si sovrappongono. TRIGGER con RPC e TGC
1|| <η7.2||4.1 << η4.1||1 << η
Le camere a muoni sono installate nel giogo in ferro di ritorno del campo magnetico (4 stazioni bel barrel e 4 dischi perpednicolare) TRIGGER con CSC,DT eRPC Pseudorapidity CMS < 2.5 – ATLAS <2.7
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