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Studio con raggi cosmici delle prestazioni delle camere a deriva MDT installate
nell'esperimento ATLAS del Large Hadron Collider al CERN
Pavia, 29 settembre 2006
Tesi di
Silvia Franchino
Corso di laurea specialistica in S cienze Fisiche
Sommario:
Esperimento Atlas
Large Hadron Collider
Camere a deriva MDT
Descrizione dei test con raggi cosmici
Analisi dei dati
Large Hadron Collider (LHC)
GINEVRA
collisionatore p-p 14 TeV
27Km
CMS: Compact Muon Solenoid
LHC-b: LHC-bottom
ALICE: A Large Ion Collider Experiment
CERN
ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS
1) bosone di Higgs2) verifica delle teorie SUSY3) misure di precisione (Bottom, Top, SM)
Higgs(mH= 500 GeV) ~ 1pb
inel(pp) ~ 80mb10
11
s a livello dei costituenti ~ 1 TeV
obiettivi di ricerca:Motivazioni e caratteristiche di LHC
Luminosità (freq./ ) 1034 cm-2 s-1
tot 100mb
H 1 pb
27Km
ATLAS
ALICE
LHCb
CMS
LHC
esperimento a targhetta fissa, fisica quark bottom LHC-b
interazioni forti in collisioni di ioni Pb+ Pb +
ALICE
4 ESPERIMENTI:
ricerca del bosone di Higgs
studi di precisione su quark pesanti bottom e top nuova fisica
ATLAS
CMS
esperimenti a carattere generale
ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS
CMS: Compact Muon SolenoidLHC-b: LHC-bottom
ALICE: A Large Ion Collider Experiment
ATLAS
calorimetri elettromagnetici
calorimetri adroniciToroide “in aria” (4T)Toroide “in aria” (4T)
camere per muonitracciatore centrale
Solenoide (2T)Solenoide (2T)
Larghezza: 44 mDiametro: 24 mPeso: 7000 t
Atlas: alcune fasi della costruzione
maggio 2004: caverna sperimentale
installazione della prima bobina del magnete toroidale
(25m*5m)
ottobre 2005: magnete toroidale
B Magnete toroidale in ariabasso contributo dello scattering multiplo
misure ad alta precisione "stand alone"
necessario equipaggiare una grande superficie con camere ad alta precisione
1200 camere a deriva MDT ( Monitored Drift Tube)organizzate in tre stazioni di misura all'interno del campo magnetico
toroidalecamere di trigger RPC (Resistive Plate Chamber)
Per lo studio del bosone di Higgs uno dei canali più facilmente identificabili è
presenta una segnatura molto pulita e facilmente distinguibile dal fondoSpettrometro muonico ad alta precisione
Posizione definitiva delle camere
visione trasversale di Atlas
camere di trigger RPC: stessa struttura di supporto delle MDT, forniscono la misura della seconda coordinata
Spettrometro muonico
camere a deriva MDT: misura di precisione delle tracce dei muoni
+HV
Il disegno NON è in scala
MDT: Monitored Drift Tube
gas: Ar-Co2 (93:7) 3bar
Guadagno: 2*104
V = 3080 V
r = 1.5 cm
regime di contatore proporzionale
complesso sistema di monitoraggio di temperatura, campo magnetico ed allineamento per la correzione a posteriori delle tracce ricostruite
PARAMETRI DI OPERAZIONE
moltiplicazione a valanga
μ
Camere a deriva (Drift)
conoscendo la velocità di deriva degli elettroni nel gasmisurando il tempo di raccolta degli elettroni sull'anodo
si ricava la distanza di passaggio della particella dal filo
possibilità di ricavare una misura di posizione tramite il tempo di deriva degli elettroni nel gas START: tempo di arrivo del
segnale di triggerSTOP: superamento della soglia del discriminatore da parte del segnale raccolto sull'anodo
tempo di deriva misurato dal TDC (Tstart - Tstop)
tempo di "start"
TTDC
T0 = ritardo introdotto dalla catena elettronica di lettura
operazione da ripetere per ogni tubo che ha dato un segnale compatibile con il trigger
TTDC = Tderiva + Tprop + T0
Tderiva = tempo di deriva della carica di ionizzazione nel gas
rcerchio di deriva
Tprop = tempo di propagazione del segnale lungo il filo di anodo
indeterminazione dovuta alla simmetria cilindrica dei tubi
Procedura di ricostruzione delle tracce (1)spettro di TDC di un tubo: distribuzione dei tempi di deriva degli elettroni
Ricostruzione delle tracce in 3D: dal tempo di deriva si ricava un cilindro concentrico al tubo;
Procedura di ricostruzione delle tracce in 2D (2)
è necessaria la misura della seconda coordinata che viene fornita dai rivelatori di trigger (disposti perpendicolarmente ai tubi)
Si esegue un fit di tutti gli anelli con una retta tangente
anelli scartati dal fit, il cui segnale è dovuto a rumore elettronico
Lavoro di tesi
Analisi dei risultati provenienti dalle camere sotto test
Partecipazione alla presa dati per i test con raggi cosmici svolti al CERN nel periodo dicembre 2005 - luglio 2006 nella sala sperimentale sotterranea ed ai test svolti in superficie
Sviluppo di una procedura semiautomatica per individuare eventuali patologie nei segnali in uscita dalle camere
MDT Test di superficie
Controllo dei parametri più significativi
1) tenuta del gas
2) rumore elettronico
3) integrità dei fili di anodo
ultimo test prima dell'installazione.
4) sensori di temperatura ed allineamento5) verifica dell'elettronica di lettura del segnale6) corrente di perdita
Le camere sono calate nella caverna sperimentale
ed installate
nella posizione definitiva
Test con raggi cosmici
scopo: verifica del funzionamento delle componenti hardware e del software di ricostruzione delle tracce
1) valutazione delle prestazioni delle camere dopo gli stress meccanici subiti durante il trasporto e l'installazione
2) individuazione di eventuali problemi da risolvere prima dell'inizio effettivo dell'esperimento
viene svolto su tutte le camere che vengono installate nella posizione definitiva all'interno dello spettrometro
I test sino ad ora effettuati sono stati svolti con assenza di campo magnetico
Test con raggi cosmici
livello del suolo
raggi cosmici
Nel settore 13 sono state installate e connesse ai servizi le prime camere MDT ed RPC; queste, oltre ad essere state sottoposte ai test con raggi cosmici, sono state utilizzate come banco di prova per sviluppare i sistemi di acquisizione ed analisi dei dati.
settore 13
visione trasversale di Atlas
1
2
3
4 5 6
7
8
9
10
11
1213
14
15
16
Disposizione delle camere sotto test
BML1A13 BML2A13 BML3A13
BOL1A13BOL2A13
BOL3A13
Analisi dei risultatidati non elaborati dati ricostruiti
spettro dei tempi (spettro di TDC)
distribuzione della carica rilasciata dal muone (spettro di
ADC)
mappa di occupazione dei singoli tubiconfronto tra dati acquisiti con qualità diversa del gas all'interno delle camere
illuminazione delle camerequalità della procedura di ricostruzione
presentazione grafica di alcuni eventi ricostruiti
Gli studi effettuati sono stati svolti su un sistema in evoluzione: nei primi periodi di presa dati le camere non erano ancora connesse ai servizi definitivi.
I dati raccolti, anche se con statistica limitata, hanno permesso di mettere a punto un sistema diagnostico per l'individuazione di eventuali anomalie presenti nei segnali in uscita dai rivelatori.
Distribuzione di carica (spettro di ADC)
"piedistallo" dovuto al rumore dell'elettronica di lettura
distribuzione di carica compatibile con una particella al minimo di ionizzazione
curva di Landau
valore proporzionale alla carica rilasciata dal muone all'interno del tubo
Distribuzione dei tempi (spettro di TDC)
rumore con distribuzione uniforme dovuto all'elettronica
t0 tMAX
D
Mappa di occupazione dei tubi
numero di tubo numero di tubo
numero di tubo numero di tubo
trigger di scintillatori trigger di RPC
trigger di scintillatori trigger di RPC
camere BML
camere BML
camere BOL camere BOL
Mappa di occupazione dei tubitrigger di RPC
camere BOL_ layer1
camere BOL_ layer2
camere BOL_ layer3
numero di tubo
numero di tubo
numero di tubo
tubi rumorosi
assenza di segnale
Studio di rumore dei tubispettro di TDC
t< t0
t > tMAX
frequenza di rumore per tempi scorrelati dal segnale dovuto al passaggio di una particellafrequenza di rumore per tubo
layer_1_BML
per ogni tubo:
spettro di TDC di un tubo molto rumoroso
conteggi di TDC
spettro di ADC con gas flussato
spettro di ADC senza flussaggio del gas
Confronto risultati ottenuti con e senza flussaggio del gas
variazione della composizione e della pressione della miscela di gas
Le prestazione delle camere MDT sono fortemente condizionate dalle condizioni del gas
Confronto risultati ottenuti con e senza flussaggio del gas
gas flussato
gas non flussato
Spettro di TDC
Esempio di diagnostica, patologie riscontrate: 1) picco spurio correlato negli spettri di ADC e di TDC;
spettro di ADC spettro di TDC
TD
C
ADC
2) Presenza di rumore correlato tra i canali di lettura
dovuto ad un'errata inizializzazione dell'elettronica di lettura
spettro di TDC di un tubo rispetto allo spettro del tubo adiacente
dovuto alla presenza di alcuni cavi scollagati che generano un effetto antenna
Distribuzione angolare delle tracce ricostruite
cot (theta)
le tracce ricostruite sono per la maggior parte perpendicolari alle camere testate;
compatibile con la geometria del sistema e le finestre di accettanza dei raggi cosmici
Numero di tracce per evento
dati non elaborati
dati ricostruiti
lunga coda dovuta ai tubi rumorosi
picco a 12 perchè ci sono 2 camere sovrapposte con 6 strati di tubi ciascuna
numero di hit per evento numero di hit per traccia (2 camere sovrapposte)
numero di tubi con segnale
numero di tubi con segnale
Event Display (ATLANTIS)
run combinato RPC-MDTrun combinato RPC-MDT-calorimetro adronico
Event Display (PERSINT)
Conclusioni:
Sono state testate le prime 6 camere MDT e 9 RPC nelle loro posizioni definitive all'interno di uno dei settori dello spettrometro.
Nonostante la bassa statistica di raccolta dei dati, sono stati ottenuti ottimi risultati: si sono potuti sviluppare dei sistemi diagnostici per analizzare i rivelatori in maniera rapida ed efficiente, ed individuare eventuali patologie da risolvere prima dell'inizio dell'esperimento.
Queste camere sono state utilizzate come banco di prova per testare tutte le componenti hardware e software dei rivelatori e per acquisire esperienza nell'elaborazione dei dati combinati tra diversi tipi di camere.
Grazie alle procedure sviluppate, i test con raggi cosmici saranno estesi rapidamente su tutte le camere che si stanno installando; date le grandi dimensioni dell'esperimento ed il gran numero di canali di lettura, la procedura semiautomatica sviluppata sarà di grande utilità.
Produzione dell'Higgs
B
Large Hadron Collider (LHC)
LEP (2000) --> LHC (2007) collisionatore p-p 14TeV
visione aerea del CERN a Ginevrae del tracciato del tunnel che ospita LHC
camere di trigger RPCtubi MDT
Studio di illuminazione delle camere sotto test
Principi di funzionamento rivelatori cilindrici a gasdiversi regini di operazione in base alla tensione applicata
camera a ionizzazione
contatore proporzionale
zona a limitata proporzionalitàcontatore Geiger-Muller
Perchè geometria cilindrica?
Mappa di occupazione dei tubi
dati grezzi
dati ricostruiti
Spettrometro muonico
µ con pT=1TeV
s 600 µm
Requisiti prestazionali:
alta risoluzione in massa e momento trasverso
pT/pT ~ 1% per pT = 100 GeV (H µ+ µ- µ+ µ-)
pT/pT ~ 10% per pT = 1 TeV (Z' µ+ µ-)
pT/pT~ 10-4 p
[GeV]
S = 60 µmSistematiche al livello di ~ 10 µm
Misura del momento:
pT [GeV]
m 0.6 s
LHC: caratteristiche
Parametri operativiFasci p-p
Circonferenza (km) 26.66
Energia C.M. (TeV) 14
Numero pacchetti 2835
Particelle x pacchetto 1011
Intervallo collisioni (ns) 25
Freq. collisioni (MHz) 40
Luminosità (cm-2 s1) 1034