Università degli Studi di Roma TreFacoltà di Scienze Matematiche Fisiche e NaturaliDipartimento di Fisica E. Amaldi

Tesi di Laurea in Fisica

I rivelatori Monitored Drift Tubes dell’esperimento ATLAS:assemblaggio e misure con raggi cosmici.

AnnaRita Pecora

Sommario

Programma di fisica del Large Hadron Collider L’esperimento ATLAS Funzionamento dei Monitored Drift Tubes Assemblaggio e test delle camere Analisi dati ottenuti in laboratorio

Il Modello Standard funziona ma ci sono domande in sospeso:

origine delle masse ricerca bosone di Higgs.

asimmetria materia-antimateria studio produzione coppie bb e tt

LA FISICA DI LHC

Di conseguenza sono necessarie: Elevata Luminosità ( 1034 cm-2 s-1) Massima Energia Possibile (ECM = 14 TeV)

Sappiamo: prod(Higgs) 10 pb

110 Gev < MHiggs < 1 TeV

g

g

t

tt H

ATLAS

CMS

LHCb

ALICE

Collisore pp con energia del centro di massa di 14 TeV

L =1034cm -2s -

1

IL LARGE HADRON COLLIDER

Rivelatore Interno

CalorimetroElettromagnetico

CalorimetroAdronico

Spettrometro Muonico

ToroideEnd Cap

ToroideBarrel

IL RIVELATORE ATLAS

Solenoide Centrale

p

p

SPETTROMETRO PER MUONI

Minimizzazione diffusione coulombiana toroidi superconduttori in aria.

Tracciatori di precisione: Monitored Drift Tubes & Cathode Strip Chambers.

Trigger dedicato e misura III coordinata: Thin Gap Chambers & Resistive Plate Chambers.

Esigenza: misurare con precisione l’impulso dei muoni tra 6 Gev e 1TeV.

Il gruppo Atlas Roma Tre si occupa dell’assembaggio, in particolare dell’equipaggiamento, e del test delle MDT.

FUNZIONAMENTO MDT• Se una particella ionizzante li attraversa si generano coppie ione-e -.• Consentono una buona risoluzione (80 m).• Tempo di deriva: tempo tra l’entrata della particella nel rivelatore e l’arrivo degli e - sul filo.

Punto di lavoro : Miscela: 93 % Argon + 7 % CO2

Pressione: 3 bar Guadagno: 2x104 ( HV=3080 V )

prodotti ~ 100

ep/cm ad 1 bar

Tubo di alluminio diametro 3 cm spessore 400 m

start

stop

Filo tungsteno 50 m t

dc Tempo di

deriva degli elettroni

Conteggi TDC (0.78 ns)En

trat

e

SISTEMA DISTRIBUZIONE GASDensità, temperatura, e purezza del gas influenzano la velocità di deriva. E’ dunque necessario garantire stabilità delle condizioni operative nel tempo.

Pressione di lavoro: 3 bar ( ± 1 mbar ) Stabilità della miscela: 0.25 % per componente Impurezze: < 100 ppm Limite massimo fughe di gas: 2·10-8 bar ·l/s·tubo (a 3 bar assoluti)

Il gas viene distribuito alla camera da sistemi detti gas-bar attraverso capillari connessi con le due estremità (ingresso e uscita) di ogni tubo.

SISTEMA PARALLELO

SISTEMA SERIALE

Questo sistema utilizza jumper di connessione in modo tale che due capillari forniscano il gas a tre tubi.

E’ STATO SCELTO IL SISTEMA SERIALE !

TEST DEL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE DEL GAS

MANOMETRO DIFFERENZIALEUna volta assemblate, le gas-bar vengono sottoposte ad un test preliminare con uno spettrometro ad Elio. Superato questo test, vengono sottoposte al test in pressione nel quale viene misurata la differenza tra la pressione di un volume di riferimento e quello della gas-bar o della camera da testare.

Massima caduta pressione consentita:

1 mbar/giorno per le camere

3 mbar/ora per le gas-bar10-8 bar·l/s per connessione

RISULTATI DEI TEST DI PRESSIONEIl segnale del manometro viene inviato ad una scheda di acquisizione e letto da un programma LabView la cui uscita viene registrata su file ed analizzata con PAW.

Perdita stimata = 0.1 mbar/giorno

EQUIPAGGIAMENTO DELLE CAMERE

Effettuato il test di pressione, sulle camere vengono montate:

Schede di alta tensione (H.V.)

Schede di lettura (R.O.)

Assemblata l’elettronica la camera è:

Flussata per togliere l’aria;

Portata a 3 bar;

Portata a 3400 V (10% in più della tensione di lavoro) per controllare correnti e rumore.

Limite in corrente: 6 nA per tubo 2 A per camera

Limite rumore: 1 KHz per tubo

ACQUISIZIONE IN LABORATORIO

TRIGGER: 3 piani di RPC ( Resistive Plate Chamber) con risoluzione

temporale di 1ns ciascuno letto da 6 circuiti indipendenti

2 MODUS OPERANDI:

AND dei 3 piani

OR di sei coincidenze triple (castelletti)

Z

Y

X

E’ il primo sito di test che consente di misurare tre camere contemporaneamente con illuminazione uniforme.

La segmentazione del trigger consente di

misurare la coordinata Xcon risoluzione di 3 cm

DAL SEGNALE ALLO SPETTRO

ASD

Il segnale dall’anodo è: letto e processato da circuiti di front-end (mezzanini) che contiene il chip ASD (Amplifer-Shaper-Discriminetor) ed un TDC.

Conteggi TDC (0.78 ns)

En

trat

e

inviato al CSM0 (Chamber Service Module con soglia e modus operandi programmabili), che distribuisce clock e trigger, e da qui alla CPU. con i tempi così misurati viene costruito lo spettro di deriva.

ANALISI DATIPer l’analisi dei dati è stato implementato CALIB un

programma modulare in C++

Controllo uniformità di risposta tra tubi di una stessa camera e tra camere diverse.

I fase: riempimento e fit spettri

Conteggi TDC (0.78 ns)

)(tvCOSTANTEdt

dn

t

P5 P6

t

(ns)

N TUBO

II fase: Ricostruzione tracce

Track fit: scelta della migliore tra le 4 tangenti ai due cerchi esterni Minimizzazione del 2 : utilizzando i cerchi di deriva dei 4 tubi interessati si ricostruisce la traccia

Pattern Recognition: selezione dei tubi interessati dall’evento Conversione tempi di deriva in distanze: Relazione spazio-tenpo di deriva (RT) di innesco

Traccia ricostru

ita

Circonferenza di deriva

residuo

Ricostruzione delle tracce con relazione rt di innesco

Minimizzazione dei residui

Nuova relazione rt

N iterazioni

RELAZIONE SPAZIO-TEMPO

2/ndf

entr

ate

III fase: Autocalibrazione

Raggio (mm)

Resi

dui

(mm

)- 5 m

+ 5 m

X iterazione

I iterazione

III fase: RisoluzioneOgni traccia interessa N tubi,quindi, si ricostruisce la traccia con N-1 tubi e per l’n-esimo si calcola il residuo e considerando tutte le tracce e tutti i tubi se ne ottiene la distribuzione in funzione del raggio la cui larghezza è pari a:

2(r) = (risoluzione)2 + (errore estrapolazione)2

Risoluzione = risoluzione intrinseca + multiplo scatteringAnche in questo caso si tratta di una procedura iterativa in cui si parte da una risoluzione di innesco e si itera finché la risoluzione in uscita è stabile.

Ris

olu

zion

e

(mm

)

Ris

olu

zion

e

(mm

)

10000 entrate

RM-01 ML 1

RM-01 ML 1

Raggio (mm)

Raggio (mm)

In laboratorio la risoluzione è limitata dalla diffusione coulombiana (0.016 rad per p=500 MeV in un multilayer). Se mettiamo dei tagli in 2/ndf a 10, possiamo eliminare molte delle tracce poco energetiche ottenendo una risoluzione migliore ( 40 180 m).

Raggio (mm)

Ris

olu

zion

e

(mm

)

Raggio (mm)

Ris

olu

zion

e

(mm

) 3000 entrate

RM-01 ML 1

RM-01 ML 1

Z

Y

X

IV fase: AllineamentoAttraverso misure tomografiche si è capito che non tutti i multilayer delle camere sono ben allineati. Se questi disallineamenti sono noti è possibile correggerli col programma di analisi ma non è possibile tomografare tutte le camere!

IDEA PER REALIZZARE MISURE DI ALLINEAMENTO

a = a1 – a2 0 ML inclinati!

b = b1 – b2 0 ML traslati!

Il nostro trigger è diviso in 6 zone dette castelletti, analizzando i dati castelletto per castelletto possiamo misurare anche rotazioni relative tra multilayer nel piano ZX e torsioni rispetto al piano ZY

Z

Y

X

Dati raggi cosmici bMisure Tomografo

Dati raggi cosmici bMisure Tomografo

b b

PERCHE’?

RM-01

Gradienti di temperatura?

T = 1 K t = 3 ns r = 50 m

a

b

c

d

13 4

2

T

T1 – T2 0.6

T1 – T3 0.4

T1 – T4 0.4

T3 – T4 0

T

Ta – Tb 1.3

Td – Tc 1.3

Ta – Td 0.2

Tb – Tc 0.3

Conclusioni

Sviluppo di una procedura di assemblaggio e test

Allestite e collaudate con buoni risultati 5 camere

Verificata l’uniformità di risposta

Verificata stabilità delle tecniche costruttive e del sistema di test

Ricostruita la funzione di risoluzione camere

Sviluppo di un metodo di misura dei disallineamenti relativi tra multilayer: b OK, a da capire.

FINE

H (da W H , Z H e H) per 80 GeV < mH <120 GeVH ed H per 90 < mH <150 GeVH ZZ* 4l per 130 GeV< mH < 2mZ

H ZZ 4l , 2l 2 per mH > 2mZH WW l 2jet per 2mW <mH < 1 TeV.

bb tt

•Inner Detector Vicino al fascio rivelatori a semiconduttore (pixel) ad alta granularità. Nel barrel il tracciamento è effettuato da rivelatori a semiconduttore composti da silicio. Nella parte più esterna ci sono rivelatori a deriva (straw-tubes riempiti con Xenon intervallati da materiale radiativo).

•Calorimetri alta granularità e risoluzione temporale < 50 ns Elettromagnetico Strati di Pb (2.5 mm) intervallati con strati di Argon liquido (4 mm) in cui ci sono elettrodi che raccolgono gli e di ionizzazione e uno da cui si legge il segnale.

Adronico Nel barrel è composto da strati di Fe e scintillatore plastico ortogonali ai fasci. Nell’end-cap c’è Argon liquido e assorbitori in rame per garantire maggiore resistenza all’alto flusso di radiazione.

L’alta granularità dei rivelatori è necessaria per minimizzare la sovrapposizione degli eventi

Flusso spettrometro Neutroni e fotoni di bassa energia che danno segale in un unico elemento del rivelatore

particelle cariche E>10 MeV che simulano il passaggio di una traccia (rumore correlato)

A sinistra il potere curvante del toroide e a destra una mappa del campo magnetico nella regione di transizione.

 

daymbarsmbarV

slbar

nV

slbarn

V

QP

tubetubetot

/1/10/102/102 5

88

hmbardaymbarnV

VPP

sserialtubegasbar

multilayermultilayergasbar /3

32

1443/1

2

1

1

2

34

Risoluzione in funzione della distanza dal filo per miscela di Argon/CO2 con e senza sorgente (1400 Hz/cm): misure (punti) e simulazioni (linee).

La carica Q depositata per unità di lunghezza del filo nel tempo Δt è 

Q = Φ d <Ne> G e Δt  

dove Φ è il flusso di particelle, d il diametro del tubo, <Ne> il numero medio di

elettroni primari, G il guadagno del gas, Δt il periodo aspettato di presa dati dell’esperimento.

./105.210100031005 582

cmCGseGcmcm

HzQ

Considerando un flusso di 500 Hz/cm2 per 10 anni

questo ci dice che, per mantenere la carica depositata al disotto di un Coulomb per centimetro, il guadagno deve essere inferiore a 4*104. Il valore scelto nel nostro caso è 2*104 che rappresenta un buon compromesso tra risoluzione e funzionamento nel tempo della camera.

 

E = V / [ r log( Rt / Rf) ] ≈ 5 104 V/m

Tutto il sistema di lettura è sincronizzato con la frequenza di incrocio dei fasci di LHC

pari a 40 MHz. Il TDC provvede alle misure temporali attraverso il suo clock interno a

40 MHz (corse-time) ed un interpolatore a 5 bit (fine-time,25 ns/32 = 0.78125 ns) e

fornisce in uscita un conteggio di

 C T+f δT 

Dove C e f sono i conteggi di corse-time e fine-time moltiplicati per i rispettivi periodi T e δT.

Andamento della differenza tMax-t0 per tipo di tubo nei due multilayer della camera RM-

013. Come si può notare, la distribuzione seriale a gruppi di tre tubi fa sì che le impurità aumentino tra il primo ed il terzo della serie e di conseguenza aumenta anche

la lunghezza degli spettri, inoltre anche i due ML sono in serie e come si può vedere anche in questo caso la lunghezza degli spettri aumenta passando dal primo al

secondo.

BASSO FLUSSO (30 l/h)

Differenza tra la rt del primo castelletto e dell’ultimo.