Upgrade do calorímetro frontal do CMS/LHC

Unidade: Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF)

Coordenador: Gilvan Augusto Alves

I – Introdução

II – Descrição da área de pesquisa em Física de Altas Energias

III – Descrição do projeto de upgrade do experimento CMS

III.1 – Upgrade do sistema de calorímetros hadrônicos do CMS

III.2 – Projeto HPS – High Precision Spectrometer

IV – Objetivos do projeto

V – Cronograma de execução

VI – Orçamento e justificativa

VII – Pessoal envolvido

Apêndice A: Breve descrição do Detector CMS com ênfase nos projetos de

atuação do grupo de pesquisa.

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RESUMO

Apresentamos um projeto de pesquisa em física experimental de altas energias

para desenvolvimento junto ao experimento CMS no LHC. O grupo do Centro

Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), juntamente com os grupos da Universidade do

Estado do Rio de Janeiro (UERJ) e do Centro Federal de Educação Tecnológica

(CEFET/RJ), participam atualmente do projeto de upgrade da eletrônica de front-end do

calorímetro hadrônico (HCAL) do CMS e do projeto de instalação de um espectrômetro

de prótons (HPS) os quais serão de grande importância para as medições na área de

física frontal a partir dos dados coletados no experimento.

O projeto é estimado por três anos: o primeiro ano será dedicado ao

desenvolvimento e teste de protótipos de placas eletrônicas do HCAL e ao estudo do

desempenho dos detectores de trajetória do HPS; o segundo ano a serviços no

desenvolvimento e confecção das placas eletrônicas definitivas do HCAL, além do

desenvolvimento do software de simulação para o HPS; durante o terceiro ano planeja-

se que será instalada a nova instrumentação do HCAL e as primeiras estações do HPS

no experimento CMS no CERN. Durante o terceiro ano são esperadas diversas

publucações sobre a performance dos sub-detectores desenvolvidos, além de análises

de dados sobre processos físicos em física frontal.

I – Introdução

O grupo de Física Experimental de Altas Energias do Centro Brasileiro de

Pesquisas Físicas (CBPF) faz parte da colaboração internacional CMS (Compact Muon

Solenoid)[1], que construiu e opera o detector CMS no acelerador de partículas LHC

(Large Hadron Collider)[2], do Centro Europeu de Física de Partículas (CERN). A

colaboração CMS é atualmente formada por cerca de 3.800 físicos de 150 instituições,

provenientes de 50 países diferentes.

O LHC é o mais avançado acelerador de partículas existente, colidindo feixes de

prótons a energias nunca antes alcançadas. O experimento CMS está em funcionamento

desde o início de operação do LHC, no final do ano 2009.

Entre os projetos do experimento CMS nos quais o grupo está envolvido estão:

- Desenvolvimento da eletrônica para o upgrade do sistema de calorímetros

hadrônicos do CMS (HCAL);

- Desenvolvimento de um “Espectrômetro de prótons” de alta precisão (HPS –

High Precision Spectrometer).

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Um projeto de pesquisa, tendo como finalidade o suporte à essas atividades, foi

aprovado recentemente dentro do Edital Pensa Rio da FAPERJ (Edital 019/2011), em

colaboração com pesquisadores do CEFET e da Universidade do Estado do Rio de

Janeiro (UERJ). A colaboração do CMS no Rio de Janeiro (CMS-Rio) incluindo CBPF,

CEFET e UERJ é formada por 15 pesquisadores e 5 estudantes atualmente em

doutoramento.

II – Física frontal (forward) no experimento CMS

A Física frontal e de baixo-x (forward and small-x) tem despertado contínuo

interesse nos últimos anos, devido aos estudo detalhados realizados nos experimentos

do HERA e do TEVATRON. A medida do fluxo de partículas a baixo ângulo polar é

também crucial para a análise de raios cósmicos de altíssima energia, como por

exemplo os estudados no experimento Pierre Auger [3]. O experimento CMS oferece

oportunidades excelentes para o estudo de física frontal. Além da cobertura do detector

central (pseudo-rapidez1 |η| < 5,0), possui detectores específicos para estudos dessa

região física como os calorímetros HF, CASTOR e ZDC (Zero Degree Calorimeter).

Espera-se instalar ainda um sub-detector adicional, chamado HPS (High Precision

Spectrometer). Este detector permitiria a identificação e medição de prótons a ângulos

muito baixos de espalhamento. Tais sinais são característicos de processos difrativos, ou

daqueles chamados de produção central exclusiva, os quais tem despertado interesse

especialmente no LHC quando associados à produção do bóson de Higgs ou novas

partículas. Uma discussão sobre este tipo de processo e as vantagens de um sistema de

detectores como o HPS é feita na Seção III.2.

O programa de Física frontal e baixo-x (Forward and Small-x) no CMS inclui

medições do fluxo de energia e partículas a altos valores de pseudo-rapidez em

processos de escalas a baixo e alto pT, quando associados a jatos ou bósons W/Z

[14,15]; medições de processos exclusivos em iterações mediadas por glúons ou fótons

[16]; medição da produção de jatos a alto valor de pseudo-rapidez e correlações com

jatos centrais [17]; entre outros.

Este programa de Física será diretamente beneficiado pelos projetos de upgrade dos

1 A pseudo-rapidez é definida em função do ângulo polar como = - ln(tan(

4

sistemas de detectores do experimento CMS, que discutiremos a seguir.

III – Projetos de upgrade do experimento CMS

III.1 – Upgrade do sistema de calorímetros hadrônicos do CMS

Na fase do upgrade dos detectores que compõe o CMS, a colaboração CMS-Rio

tem o compromisso de financiar parte do trabalho e material, em termos de recursos seja

em hardware (eletrônica, mecânica) como com trabalho intelectual em geral

(desenvolvimento de procedimentos, testes, etc.).

O grupo atualmente está engajado no upgrade do sistema de calorímetros

hadrônicos do CMS, o HCAL[4], e em especial com um de seus componentes, o

calorímetro hadrônico frontal, ou HF. No Apêndice A é feita uma descrição do sistema

de calorímetros HCAL e seus componentes.

As melhorias propostas para o HCAL são principalmente ligadas à eletrônica de

transmissão de sinal e à aquisição de dados. Para isto é importante redesenhar as placas

de aquisição de dados e sobretudo redefinir toda a lógica de processamento de sinais e

transmissão de dados para o sistema de trigger. Em seguida fazemos uma breve

descrição das placas e da eletrônica de Front-End com a qual trabalharemos.

A eletrônica de Front-End (EFE) é o primeiro estágio de tratamento dos sinais

dos elementos detectores, que no caso do HF são fotomultiplicadoras multianôdo

(MAPMT). Sua função é digitalizar a carga elétrica dos sinais, registrar seu tempo de

chegada e enviá-los à eletrônica de Back-End. Para o upgrade, essa eletrônica está sendo

redesenhada de forma a se adequar à nova configuração de alto fluxo de dados

decorrente do aumento programado de energia e luminosidade do LHC. Além disso a

informação da medição do tempo do sinal detectado, que atualmente não existe, deverá

ser incorporada permitindo a melhora da performance na identificação das partículas

incidentes.

A EFE será composta basicamente por 3 chips: o QIE (Charge Integrating and

Encoding Chip), que encarrega-se de digitalizar a carga elétrica do sinal da MAPMT;

uma FPGA (Field Programmable Gate Array), que implementa algumas funções de

controle do QIE, além de fazer a checagem de erro e formatar os dados de tempo para o

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link digital; o GBT (Gigabit Transceiver), que é um chip para a formação do link. O

GBT está em fase de desenvolvimento por um grupo do CERN.

O projeto e fabricação da placa de circuito impresso, PCB (Printed Circuit

Board), que acomodará esses três chips e outros componentes periféricos é um dos

trabalhos críticos do projeto. Dado o alto número de interconexões entre os chips, a

PCB deverá conter entre 10 e 16 camadas.

Além disso, dado que essa eletrônica será instalada próximo aos detectores a

PCB deve ser concebida levando-se em conta a alta dose de radiação à qual será

submetida. O processo de testes das placas, com e sem os componentes eletrônicos

montados, deverá também ser desenvolvido.

Atualmente a EFE instalada no HCAL é responsável pela leitura de dados de 3

regiões: o HCAL-Barrel (HB), o HCAL-EndCap (HE) e o HCAL-Outer (HO) (ver

apêndice). Existe uma versão modificada da EFE do HCAL que é utilizada para ler

dados em mais três sub-detectores: o HCAL Frontal (HF) e os calorímetros CASTOR e

ZDC. Estes sub-detectores trabalham com uma combinação de tecnologias de foto-

sensores, por exemplo os sub-detectores HB, HE e HO, que foram construídos com

fotodetectores híbridos, serão atualizados para funcionar com fotomultiplicadoras de

silício (SiPM); os outros detectores restantes que utilizam tubos fotomultiplicadores

também serão atualizados.

Os foto-sensores geram pulsos eletrônicos de alta velocidade que são atualmente

digitalizados a 40 MHz por um dispositivo ASIC de conversão analógico-digital (ADC)

de carga integrada chamado QIE8. As saídas digitais do ASIC QIE8 são agrupadas de

três em três e transmitidas serialmente por fibras ópticas para a sala de contagem do

experimento.

A atualização da EFE apresentará três grandes melhorias no processamento dos

sinais dos detectores: a primeira melhoria é o aumento no número de canais para

permitir uma segmentação longitudinal do detector e possibilitar a leitura redundante

dos dados. No caso do detector HB, o número de canais aumenta de 72 para 256

mantendo-se o módulo de leitura (readout box) existente. A segunda melhoria é a

definição das temporizações (timing), necessárias para a rejeição de sinais espúrios de

fundo e uma melhor caracterização dos sinais de interesse. Esta melhoria será alcançada

com a utilização de um Conversor Tempo-Digital (TDC) que terá uma resolução de 2

ns, contra os 25ns da resolução existente. A terceira melhoria é o aumento no número de

bits que serão utilizados na integração de carga do ADC.

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III.2 – Projeto HPS – High Precision Spectrometer

O projeto HPS (High Precision Spectrometer) tem como objetivo desenvolver e

instalar um sistema de sub-detectores integrado ao CMS, para medir prótons espalhados

a baixos ângulos provenientes de interações próton-próton e próton-Núcleo no LHC.

Os processos de interesse são aqueles do tipo pp p + X + p, onde os prótons

provenientes da interação se mantêm intactos e estão separados do sistema central X por

uma região em espaço de rapidez caracterizada pela ausência de atividade hadrônica

(denominado um gap de rapidez). Tais processos são chamados de Produção Central

Exclusiva (Central Exclusive Production - CEP). A medição das propriedades dos dois

prótons são utilizadas na determinação da massa do sistema central X, com alta

resolução da ordem de 2 GeV. Como a determinação da massa do sistema central X é

feita a partir da detecção dos prótons, esse método pode ser utilizado inclusive para

sistemas cujo estado final é composto de jatos ou neutrinos, que são em geral difíceis

por métodos tradicionais. Processos de produção central exclusiva onde o sistema

central consiste de objetos previstos em extensões ao Modelo Padrão, ou o bóson de

Higgs (pp p + H + p), tem sido objeto de estudos recentes [5,6,7,8]. Além da

possibilidade de medição da massa do sistema central com alta resolução, esse tipo de

processo é caracterizado pela produção, em boa aproximação, de sistemas do tipo JPC

=

0++

, permitindo portanto a determinação dos números quânticos e particularmente do

spin de qualquer nova partícula ou ressonância, bastando ela ser observada com esse

método.

O sistema de detectores proposto no projeto HPS é composto de estações

localizadas a uma distância de +/- 240 m e, em uma etapa posterior, +/- 420 m do ponto

de interação do CMS. Cada estação consiste de um sistema de medição de trajetórias de

tiras ou pixels de silício, e um conjunto de detectores de radiação Cherenkov para a

medição do tempo de passagem de partículas atravessando o detector. O conjunto de

detectores funciona como um espectrômetro, utilizando os magnetos do LHC entre o

ponto de interação do CMS e as estações instaladas ao longo do acelerador que desviam

prótons que tenham perdido apenas uma pequena fração de seu momento longitudinal

na colisão próton-próton (e analogamente próton-Núcleo). Os detectores devem ser

movidos próximos ao feixe durante operação, quando a localização transversal deste é

conhecida. Durante o processo de injeção e ajuste do feixe, os detectores devem estar no

7

entanto afastados. A técnica proposta consiste na instalação de um setor móvel do tubo

do feixe, com os detectores integrados. Os detectores são separados por uma janela fina

do interior do tubo mantido a alto vácuo. O controle de uma seção móvel do tubo do

feixe deste tipo é similar ao sistema de colimação existente para o LHC.

O projeto HPS é a evolução do projeto FP420, desenvolvido de forma conjunta

entre as colaborações CMS e ATLAS, que estudou a possibilidade de instalar

espectrômetros de prótons, compostos por detectores de silício, para medida de posição,

e detectores para medição de tempo com alta precisão localizados a +/- 420 m do ponto

de interação. Os resultados obtidos pela colaboração FP420 estão detalhados em [9]. A

proposta do projeto HPS inclui além das estações a +/- 420 m, estações adicionais a +/-

240 m, como mencionado acima.

A instalação do projeto HPS é proposta em uma primeira etapa a +/- 240 m, com

duas estações a cada lado do ponto de interação do CMS, durante o período 2013-2014

quando o acelerador não estará em funcionamento, e em uma segunda etapa com a

instalação de duas estações em cada lado do ponto de interação a +/- 420 m,

complementando aquelas a +/- 240 m. A instalação das estações a +/- 420 m pode ser

feita durante um período em que o acelerador não esteja em funcionamento por um

período de pelo menos 3 meses, a partir de 2015 ou 2016.

As principais características do sistema de detectores proposto são:

I) Detectores de trajetória (tracking) : Os magnetos do LHC entre o ponto

interação e as regiões a +/-240 e +/-420 m desviam os prótons que perderam

uma pequena fração de seu momento inicial. Detectores de trajetória devem

portanto ser instalados próximos à linha do feixe. A medição em alguns

pontos sucessivos (em uma distância de cerca de 10 m) da posição e o ângulo

dos prótons relativamente ao feixe permite a determinação da sua fração de

momento perdido e momento transverso. Em processos centrais exclusivos a

fração de momento perdido por ambos os prótons está diretamente

relacionada à massa do sistema central, independentemente de seu estado

final. Para se obter uma resolução em massa de 2 GeV, uma precisão de 10

μm na medição da posição e 1 μrad na determinação do ângulo do próton, são

necessárias. Para aumentar a cobertura para prótons com pequena fração de

momento perdido, os detectores devem operar a distâncias de poucos mm da

linha do feixe. É portanto importante que a sua área sensível se estenda o

8

máximo possível à borda do detector. Estes também devem ser resistentes à

níveis de radiação elevados.

II) Seção móvel do tubo do feixe : Os detectores devem ser movidos próximos à

linha do feixe durante operação, no entanto apenas quando o feixe está em

condição estável e sua posição é bem conhecida pelo sistema de

monitoramento do acelerador. Em qualquer outro momento e em especial

durante a injeção dos feixes eles devem ser colocados a uma distância de

segurança. Devido a limitações de espaço, em particular a 420 m do ponto de

interação, a solução adotada é a de seções móveis do tudo do feixe, com os

detectores integrados. O sistema de controle dessas seções do tubo do feixe

são praticamente idênticos àqueles utilizados pelo sistema de colimação do

LHC.

III) Detectores de medida de tempo e determinação do vértice de interação : Os

detectores devem operar a uma luminosidade da ordem de 2 . 1034

cm-2

s-1

,

com 20 a 40 interações por cruzamento do feixe (colisões extras de pile-up).

Eventos de pile-up que produzam prótons espalhados a baixos ângulos, e que

aconteçam simultaneamente a um evento central podem ser confundidos com

eventos de produção central exclusiva. A determinação da diferença do

tempo de passagem dos prótons de cada lado do ponto de interação nas

estações a 240 ou 420 m com resolução da ordem de 10 ps permite associar

os prótons ao vértice de interação central com precisão de 2 mm. Dessa

forma a contribuição de eventos de pile-up pode ser reduzida a um nível

consideravelmente mais baixo. Técnicas de análise levando em consideração

a correlação entre as propriedades medidas dos prótons e do sistema central

podem reduzir ainda mais essa contribuição. Os detectores a +/- 240 m

permitem ainda o envio de um sinal que pode ser incluído no primeiro nível

do sistema de trigger do CMS (L1)[10]. Os detectores a 420 m estão muito

distantes para que o sinal chegue a tempo.

O sistema proposto para os detectores de tempo de vôo é chamado de

QUARTIC (QUARtz Timing Cherenkov)[11]. Eles serão integrados nas

seções móveis do tubo do feixe. Detectores desse tipo podem ser

segmentados, permitindo medir independentemente o tempo de passagem de

diversos prótons provenientes do mesmo cruzamento do bunch (e portanto

incluindo aqueles provenientes de interações de pile-up). Esse sistema

9

depende de um sinal de referência de tempo de baixa distorção entre as

estações nos dois lados do ponto de interação.

Para os detectores instalados na primeira etapa do projeto HPS, a +/- 240 m, em

geral tecnologias já existentes podem ser utilizadas. As seções móveis do tudo do feixe

podem ser integradas com o sistema de colimação do LHC. Uma série de protótipos de

detectores de tempo QUARTIC foram desenvolvidos nos últimos anos e mostraram

alcançar a performance desejada. Os detectores de trajetória devem usar tecnologia

similar àquela do sistema de trajetória e vértice do CMS. A eletrônica de captação do

sinal também pode ser construída utilizando tecnologia já em uso em outros sub-

sistemas do CMS.

10

IV – Objetivos do projeto

IV.1 – Objetivos do projeto e avaliação de desempenho

Podemos listar os objetivos deste projeto no que diz respeito à participação dos

pesquisadores brasileiros como:

Execução do desenho e confecção das placas da Eletrônica de Front-End (EFE);

elaboração e instalação da instrumentação no experimento CMS dentro do

tempo considerado para o upgrade dos instrumentos;

Finalização do estudo de performance do detector de trajetória do HPS e

instalação no experimento CMS. A instalação está prevista em duas etapas,

primeiro durante o shut-down durante o período 2013-2014 se instalarão as

estações localizadas a 240m do ponto de interação do CMS e em uma segunda

etapa durante um período de shut-down do LHC de pelo menos 3 meses (winter

shut-down) a partir de 2015 ou 2016 se instalarão as estações a 420m;

Redação de artigos relacionados à performance da nova eletrônica do HCAL;

Redação de artigos relacionados à performance do HPS;

Redação de artigos de análises em física frontal utilizando as novas

componentes instaladas pela equipe brasileira no CMS.

IV.2 – Infraestrutura e apoio técnico disponível

A infraestrutura existente que permitirá o desenvolvimento deste projeto inclui:

A colaboração CMS-Rio (CBPF, CEFET e UERJ) que forma parte do CMS está

engajada e já obteve um apoio inicial via o projeto do Edital Pensa Rio da

FAPERJ para desenvolver as placas eletrônicas relativas ao upgrade do HCAL,

além do desenvolvimento dos componentes do projeto HPS;

Este projeto está inserido no contexto do programa citado acima. Os laboratórios

no CBPF, CEFET e na UERJ, incluindo as bancadas de teste planejadas na

execução deste programa, serão parte da infraestrutura necessária para o

desenvolvimento do projeto. A colaboração CMS-Rio engloba físicos,

engenheiros e técnicos que participarão do projeto e darão suporte técnico.

Parte das atividades planejadas e em especial na etapa de testes de protótipos finais

dos componentes desenvolvidos e sua eventual instalação devem ser realizados nos

11

laboratórios do CERN.

IV.3 – Ganhos e benefícios para a colaboração CMS-Rio

A participação da colaboração CMS-Rio no projeto de upgrade de um dos

principais detectores do CMS trará grandes benefícios, tanto para as instituições

envolvidas, pela participação institucional em uma atividade de grande impacto dentro

do experimento CMS, ampliando portanto a visibilidade dentro do experimento, como

para o setor privado em geral, através da possível transferência de tecnologia de ponta e

execução de parte do projeto, como a confecção de protótipos e produção das placas da

Eletrônica de Front-End. Além destes, a própria formação de pessoal de alto nível,

tanto em física como engenharia, representa um benefício que extrapola os limítes da

colaboração, sendo um ganho para toda a sociedade.

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V – Cronograma de Execução

Observação: O cronograma acima é apenas uma tentativa, dada a dinâmica dos

acontecimentos envolvendo o LHC, a programação pode sofrer alterações.

ANO SEMESTRE ATIVIDADES

2013 SET-DEZ Projeto, confecção e testes de protótipos de placas

eletrônicas para o HCAL

2014

JAN-JUN Finalização dos testes de protótipos de placas eletrônicas

para o HCAL

JUL-DEZ

Construção das placas eletrônicas do HCAL

Desenvolvimento do software de simulação para HPS

Testes das placas eletrônicas finais do HCAL

2015

JAN-JUN Envio das placas para o CERN e instalação

JUL-DEZ Instalação e testes no local do HCAL

Participação na instalação do detector HPS

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VI – Orçamento e justificativa

Orçamento 2013

Item Valor (R$)**

Fonte de Alta Tensão 1.5 kV 10mA CAEN SYx527 (8 unid.) 78.332,89

Picoamperímetro Keithley 6487 18.741,55

Sistema modular de contrôle o monitoramento Siemens S7-

300 11.700,62

Total 108.775,06

** câmbio 1 Euro = R$ 2,9; 1 US$ = R$ 2,23

A aquisição das fontes de alta tensão – CAEN SYx527, representa uma

necessidade para os trabalhos em desenvolvimento da eletrônica de Front-End, uma vez

que esse sistema fornece as tensões de alimentação para as fotomultiplicadoras

utilizadas no sistema de testes da eletrônica de front-end. O picoamperímetro da

Keithley e o sistema de contrôle e monitoramento da Siemens serão usados para

contrôle e monitoramento remoto de toda a eletrônica de front-end. Estamos solicitando

a aquisição deste sistema, com entrega no CERN, uma vez que estaremos

desenvolvendo os trabalhos em conjunto com engenheiros do CERN, sendo que um

sistema idêntico será adquirido, para entrega no Brasil, com verba do projeto Pensa Rio.

A aquisição dos sistemas desenvolvidos pelos fabricantes citados (CAEN, Keithley e

Siemens), representa uma necessidade em razão da compatibilidade com outros

componentes da eletrônica de front-end do CMS.

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VII – Pessoal envolvido Pesquisadores principais

Nome/Instituição Especialização

Gilvan Alves (CBPF) Física experimental

Luiz Mundim (UERJ) Física experimental

Maria Elena Pol (CBPF) Física experimental

José Afonso Sanches (UERJ) Engenharia de sistemas

Alberto Santoro (UERJ) Física experimental

Mario Vaz (CBPF) Engenharia eletrônica

Antonio Vilela (UERJ) Física experimental

Alessandro Zachi (CEFET/RJ) Engenharia eletrônica

Bolsistas de Pós-Doutorado

Nome/Instituição Especialização

Patricia Telles (CBPF) Física experimental

Clemencia Herrera (CBPF) Física experimental

Estudantes

Nome/Instituição Nível

Walter Alda (UERJ) Doutorado

Lucas Cavalcanti (CBPF) Doutorado

Marcos Correa (CBPF) Doutorado

Thiago Martins (CBPF) Doutorado

Diego Figueiredo (UERJ) Doutorado

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Apêndice A: Breve descrição do Detector CMS com ênfase no

sistema de calorímetros HCAL

O Detector CMS

O detector CMS (Compact Muon Solenoid), de formato cilíndrico, mede

aproximadamente 21,6 m de comprimento, 15 m de diâmetro e pesa 12500 toneladas.

Entre seus principais componentes está um solenoide supercondutor de 13 m de

comprimento, 5,9 m de diâmetro e que fornece um campo magnético de 3,8 Tesla. O

retorno do fluxo magnético ocorre por um cilindro de ferro de 1,5 m de espessura,

instrumentado com câmaras de múons. O CMS foi projetado para operar em colisões

próton-próton, próton-Núcleo (Pb) e Núcleo-Núcleo no LHC.

Dentro do solenoide, a partir dos detectores mais internos, o CMS inclui um

detector de pixel perto do vértice de interação, um detector de fitas de silício, um

calorímetro eletromagnético de cristais de tungstênio e um calorímetro hadrônico. Estes

detectores possuem componentes nos módulos centrais do CMS (o Barril - Barrel) e nas

Tampas frontais (Endcap), além de alguns componentes externos às Tampas, na região

Frontal (Forward).

As diferentes partes do CMS são divididas em sucessivas camadas de detectores

que permitem a observação de partículas produzidas pela colisão no ponto de interação

(IP). A Figura 1 mostra uma visão expandida do sistemas de detectores que formam o

CMS e seus principais componentes.

Figura 1: Esquema do detector CMS, com seus principais componentes, incluindo o

sistema de calorímetros HCAL.

16

HCAL: Calorímetro Hadrônico do CMS

O complexo de calorímetros do CMS inclui os sistemas de calorímetros

eletromagnético e hadrônico. O calorímetro hadrônico é por sua vez composto por sub-

detectores na região do barril (HB – HCAL Barrel), na região da tampa do CMS (HE –

HCAL Endcap) e na região frontal (HF – HCAL Forward), além de uma camada

localizada na parte exterior ao solenoide supercondutor (HO – HCAL Outer). Outros

detectores complementam o sistema de calorímetros do CMS na região frontal: os

calorímetros CASTOR (Centauro And Strange Objects Research) e ZDC (Zero Degree

Calorimeter).

Os diferentes componentes são descritos abaixo. Os calorímetros na região do

barril, tampa e frontal do CMS são ilustrados na Figura 2. O grupo do CMS no CBPF

teve participação na construção, testes e operação do sub-detector CASTOR, que

operou com sucesso durante o período de coleta de dados do CMS durante os anos 2010

e 2011. O grupo também teve participação no desenvolvimento do software de

simulação do detector CASTOR e atualmente participa dos testes e desenvolvimento de

componente.

Figura 2: Sub-detectores que fazem parte do sistema de calorímetros do HCAL: HB

(Hadron Barrel) na região central; HE (Hadron Endcap) na região da tampa do CMS;

HF (Hadron Forward) na região frontal; e HO (Hadron Outer) na região externa ao

solenoide.

17

HCAL-HB (Barril-Barrel)

A parte do calorímetro hadrônico na região do Barril (HB - Barrel) cobre um

intervalo de pseudo-rapidez | | 1,3 (veja Fig. 2). O HB é dividido em duas partes

(HB+ e HB-), cada uma inserida de cada lado da seção do barril, dentro do solenoide

supercondutor. Ele é constituído de 36 cunhas idênticas, que são construídas com placas

absorvedoras de latão alinhadas paralelamente à linha do feixe; cada cunha é formada

por quatro setores em ângulo azimutal (ϕ). As placas mais internas e mais externas são

de aço inoxidável. O meio ativo é composto de cintilador plástico e é dividido em 16

seções em pseudo-rapidez, resultando em uma segmentação .

As placas absorvedoras consistem de uma chapa de aço de 40 mm de espessura

seguida por 8 chapas de latão de 50,5 mm, seis de 56,5 mm e uma última placa de aço

de 75 mm. A absorção total para partículas incidindo perpendicularmente tem

comprimento de interação λ = 5,82. A espessura efetiva do calorímetro no entanto

cresce para partículas incidindo a mais baixos ângulos e chega a λ = 10,6 para = 1,3.

O calorímetro eletromagnético na região do barril (EB), em frente ao HB, corresponde a

aproximadamente 1,1 λ extra de material passivo.

O sinal dos cintiladores é coletado via fibras ópticas que mudam o comprimento

de onda (wavelength shifting fibre) conectadas a fibras claras. Estas por sua vez são

ligadas a um conector óptico que é ligado a um fotodiodo híbrido (HPD-Hybrid

photodiod). Uma fibra adicional é colocada nos HPD para uso com laser para

calibrações e testes. Cada cunha do HB possui quatro divisões em ϕ . As primeiras

torres em (1-14) possuem uma captação de sinal única entre suas componentes

longitudinais, enquanto as duas torres mais próximas ao HE (15 e 16) são segmentadas

longitudinalmente. A segmentação das torres é ilustrada na Figura 3.

18

HCAL-HE (Tampa-Endcap)

A parte da tampa (HE - Endcap) do

calorímetro hadrônico cobre uma região em

pseudo-rapidez 1,3 < | | < 3,0 (o que

corresponde a 13,2% do ângulo sólido) e recebe

cerca de 34% do fluxo de partículas produzidas

nas colisões próton-próton. Uma vez que o

calorímetro está inserido no final do solenoide, é

importante que o absorvedor seja de material não

magnético. Os calorímetros são instalados na

estrutura de ferro da tampa (que age como

retorno do campo magnético). A parte da tampa

do calorímetro eletromagnético (EE) e um

detector preshower são montados logo em frente

ao HE.

Figura 4: Esquema e segmentação no ângulo

azimutal do componente HE (Endcap) do

sistema HCAL.

Figura 3: Segmentação das torres das componentes HB, HE e HO relativa a um

quarto do detector, no plano R-z. As diferentes cores representam o agrupamento

de captação do sinal das camadas de cintiladores.

19

A estrutura absorvedora foi projetada de forma a minimizar os espaços entre o

HB e o HE. As placas são agrupadas em camadas sucessivas, em uma configuração sem

material passivo adicional na direção entre uma torre no calorímetro e o ponto de

interação. As placas de latão têm 79 mm de espessura e espaços de 9 mm para

acomodar os cintiladores. Incluindo o calorímetro eletromagnético em frente ao HE, o

calorímetro absorve chuveiros com comprimento de interação de cerca de λ = 10.

HCAL-HO (Externo-Outer)

A componente na parte central do calorímetro hadrônico (HB), em conjunto com

a seção análoga do calorímetro eletromagnético (EB), não são suficientes para conter

todos os chuveiros hadrônicos. Para assegurar a absorção completa na região central, | |

< 1,3, o calorímetro hadrônico possui uma extensão na parte exterior ao solenoide

supercondutor (HCAL HO - Outer). O calorímetro usa a própria estrutura do solenoide

como absorvedor adicional e é utilizado para identificar chuveiros que tenham iniciado

de forma tardia, bem como para medir a energia do chuveiro depositada depois da seção

do HB.

Na parte externa ao solenoide, o retorno do fluxo magnético é feito via estruturas

de ferro projetadas na forma de cinco anéis de 2,536 m cada (ao longo do eixo-z). O HO

é instalado como primeira camada de cada um desses anéis, que são identificados por

números -2, -1, 0, +1, +2, na posições -5,342, -2,686, 0, +2,686, +5,342 m. Para

partículas incidindo perpendicularmente ( = 0), o HB tem poder de absorção mínimo e

o anél central do HO possue duas camadas de cintiladores em cada lado de um bloco de

ferro de 19,5 cm, a distâncias de 3,82 e 4,07 m do ponto de interação. A absorção total

do calorímetro é extendida dessa forma a um mínimo de 11,8 λ, com exceção de uma

pequena região entre o HB e o HE. O HO segue a geometria do sistema de múons. A

Figura 5 mostra a posição das camadas do HO nos anéis da estrutura do CMS. A

segmentação do calorímetro segue aquela do sistema de múons, cada anel possuindo 12

seções idênticas no ângulo azimutal .

20

HCAL-HF (Frontal-Forward)

O desenho do calorímetro hadrônico frontal (HF) teve como base a necessidade

de sobreviver as condições de alto fluxo de partículas na região frontal. O material ativo

deve ser em primeiro lugar resistente à radiação e por isso foram escolhidas fibras de

quartzo. O sinal é produzido por partículas carregadas com energia suficiente para

emissão de luz Cherenkov (190 keV para elétrons). Dessa forma o calorímetro é

sensível em sua maior parte à componente eletromagnética do chuveiro. Apenas uma

fração da luz produzida, que incida na superfície da fibra a um ângulo maior que o

ângulo crítico de 71o é capturada. As fibras medem cerca de 600-800 μm de diâmetro

considerando seu revestimento. Mais de 1000 km de fibras são utilizados no calorímetro

HF.

O calorímetro consiste de uma estrutura de aço que age como material

absorvedor. As fibras são inseridas com orientação longitudinal à linha do feixe em

sulcos. O detector é separado em dois segmentos longitudinais. A metade das fibras se

estendem pelo comprimento do calorímetro (165 cm) enquanto as restantes são

inseridas a partir de uma distância de 22 cm da frente do detector. Os sinais dos dois

Figura 5: Esquema e localização do componente HO (Outer) do sistema HCAL.

21

conjuntos de fibras são lidos separadamente. Esta configuração permite distinguir

chuveiros eletromagnéticos gerados por elétrons e fótons, que depositam a maior parte

de sua energia nos primeiros 22 cm do material, daqueles gerados por hadrons que

produzem em média o mesmo sinal nas duas seções. As duas seções de fibras são

identificadas de L (longa) e S (curta) para as fibras medindo o sinal em toda a extensão

do calorímetro e aquelas que medem os depósitos de energia a partir de 22 cm do meio

de aço, respectivamente.

A estrutura do calorímetro é aproximadamente cilíndrica, com o raio externo

de 130 cm. A frente do calorímetro é instalada a 11,2 m do ponto de interação. A

cavidade interna para o tubo do feixe é cilíndrica, com raio 12,5 cm do centro do feixe.

Esta estrutura é dividida em cunhas de 20o cada e 36 cunhas desse tipo (18 em cada lado

do ponto de interação) formam o calorímetro HF. A Figura 6 mostra uma seção

transversa do calorímetro. As fibras são agrupadas formando torres que correspondem a

uma segmentação de 0,175 x 0,175 em pseudo-rapidez e ângulo azimutal. O detector é

instalado dentro de uma estrutura hermética de isolamento para radiação e composta de

camadas de 40 cm de aço, 40 cm de concreto e 5 cm de polietileno. Uma estrutura

adicional na parte de trás do calorímetro (plug) permite uma proteção adicional à

radiação.

Figura 6: Seção transversal do calorímetro HF, onde o ponto de interação está à direita,

a 11,2 m. A área sensível se estende desde 125 a 1300 mm na direção radial. O meio

absorvedor mede 1650 mm na direção do feixe. O sinal é captado na parte de trás do

calorímetro via fibras que passam pela estrutura de isolamento (shielding), até

fotomultiplicadoras (PMTs) instaladas em unidades RBX (readout boxes). Tubos de

aço com fontes radioativas (linhas vermelhas) são instaladas para cada torre e são

acessíveis desde a parte externa do detector para calibração.

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CASTOR

O “CASTOR” (“Centauro and Strange Object Research”) é um calorímetro que

estende a cobertura na região frontal e é de grande importância tanto para os programas

de próton-próton quanto para o programa de íons pesados, assim como para o estudo de

objetos exóticos e a busca pelo Centauro [12,13]. Este calorímetro está dividido em

seções eletromagnética (EM) e hadrônica (HAD), ambas utilizando tungstênio/quartzo

como material passivo/ativo. Este detector é posicionado em torno ao tubo do feixe, na

região mais frontal do CMS (aproximadamente a 14,38 m da região de interação),

cobrindo uma região de pseudo-rapidez entre -6,6 e -5,1. Este calorímetro foi projetado

de forma a ter excelente linearidade e resolução em energia, bem como ótima resolução

espacial. Os materiais envolvidos em sua construção lhe garantem uma resistência à

radiação, necessária para esta região mais frontal do CMS.

O calorímetro é composto de 16 segmentos azimutalmente simétricos em torno ao tubo

do feixe. Este detector também é segmentado longitudinalmente em 14 seções, duas

para a parte eletromagnética (EM) e doze para a parte hadrônica (HAD). A Figura 7

mostra uma visão esquemática do CASTOR. Este calorímetro é construído com placas

de tungstênio (W) como material absorvedor e quartzo fundido (Q) como material ativo.

O sinal é composto pela radiação Cherenkov produzida pela passagem de partículas

carregadas do chuveiro (principalmente e+,e

-) através do quartzo. Estas camadas de

W/Q formam um ângulo de 45o com a direção do feixe, de modo a maximizar a

produção da radiação Cherenkov. O índice de refração do quartzo é n = 1,46‒ 1,55 para

comprimentos de onda na faixa 600‒ 200 nm. O limiar correspondente para a produção

de radiação Cherenkov é de βc =

0,65‒ 0,69. Para βc ~ 1 o ângulo de emissão

é de arcos(1/nβc) = 46o‒ 50

o. O calorímetro

tem 16x14 subdivisões (224 canais no total)

e a luz produzida em cada canal é coletada

e focalizada por guias de luz até

fotomultiplicadoras (PMTs). Existem cinco

Figura 7: Ilustração do calorímetro CASTOR.

23

camadas de tungstênio/quartzo, chamadas de “Unidades de Amostragem” (SU), por

subdivisão, e Unidades de Leitura (RU), em ambas as seções EM e HAD.

24

Referências

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2. http://lhc.web.cern.ch/

3. http://www.auger.org/

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ph/0111078

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ph/0011393

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using the missing mass method; http://arxiv.org/abs/hep-ph/0009336 (2000)

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gap events at the Tevatron or the LHC? ; Eur. Phys. J. C14, 525–534 (2000).

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13. X. Aslanoglou et al.; Performance Studies of Prototype II for the CASTOR

forward Calorimeter at the CMS Experiment; Eur. Phys. J. C52, 495–506

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25

011-1839-3; arXiv:1110.0181

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arXiv:1202.0704