Il Calorimetro nell'Esperimento ZEUS e Misura di α s Valentina Sola

Il CalorimetronellEsperimento ZEUS

e Misura di αs

Valentina Sola

Esame di Calorimetria 19102009

V Sola Esame di Calorimetria 19102009

2

HERA = Hoch Energie Ring Anlagee

p

H1

ZEUS

HERA I 1993-2000 Ep = 820-920 GeV

HERA II 2003-2007 Ep = 920-460-575 GeV

HERA I e II Ee = 275 GeV

Unico collider ep al mondo (circonferenza 63 Km)

In funzione dal 1992 al 2007

I fasci collidevano ogni 96 ns

Poteva accelerare e- o e+


3

Il Rivelatore ZEUS

p

Rivelatore di micro-vertice MVD (microstrip di silicio)

Camere per muoni (tubi a streamer)

Solenoide superconduttore (14 T)

Rivelatore di tracciamento - CTD(camere a deriva)

Calorimetro a uranio e scintillatore - CAL

Giogo di ritorno delcampo magnetico

e


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Il Calorimetro ZEUS - I

θ [deg] X0 λ

FCAL 22 - 399 259 7

BCAL 367 - 1291 246 5

RCAL1281 - 1765

243 4

Contiene almeno il 95 di energia per i jet alla massima energia cinematicamente consentita (800 GeV in FCAL 30 GeV in RCAL)Performance richieste

rarr migliore risoluzione possibile nella misura dei jet adronici attraverso una uguale risposta in energia per le componenti elettromagnetica e adronicararr risposta omogenea su gran parte dellangolo solidorarr buona risoluzione per gli sciami elettromagnetici

Calorimetro a campionamento con uranio depletato (DU) come assorbitore e scintillatore plastico come materiale attivo


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Il Calorimetro ZEUS - IIScintillatore plastico (SCI)SCSN-38 polistirene dopato con 1 p-PBD e 002 BDBrarr light yeld elevato e uniformerarr buona uniformitagrave della lunghezza di attenuazionerarr risposta veloce (~1 ns)rarr buona radiation hardness

Uranio depletato (DU)981 238U 17 Nb lt 02 235U

Wavelenght shifter (WLS)Y7 in una base PMMA con un assorbitore di ultravioletti per λ lt 360 nmrarr spettro di assorbimento in buon accordo con lo spettro di emissione di SCIrarr readout uniforme e buon light yieldrarr spettro di emissione del Y7 in buon accordo con lo spettro di assorbimento dei fotocatodi dei PM

Dimensioni celle [cm2]20 x 5 FBEMC 20 x 10 REMC20 x 20 HAC


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CompensazioneGli adroni energetici perdono solo una piccola quantitagrave di energia per ionizziazione ( le 10) prima di degradare a basse energie dove domi-nano i processi nucleari

1 grande numero di neutroni con En le 20 MeV rarr nei materiali ad alto n grande varietagrave di processi (eg fissione) in aggiunta allo scattering elastico2 per En ~ 1-2 MeV rarr scattering elastico (σ~barn)3 in regime di neutroni termici rarr emissione raggi γ

Aumentando lo spessore dellassorbitore il segnale elettromagnetico decresce proporzionalmente mentre i processi neutronici non vengono influenzati

Per ottenere compensazione a ZEUS la cella unitaria ha dimensioni di 8 mm di cui 33 mm di DU (1 X0) e 26 mm di scintillatore (con un gap di aria tra i due)


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CalibrazioneRadioattivitagrave del DU238U rarr 234U con emissione di raggi α β γ(con vita media 45∙109 y egrave un segnale stabile si ha un decadimento ogni 10 ns nella sezione piugrave piccola)

rarr intercalibrazione delle sezioni del calorimetrorarr valore di riferimento per la conversione della scala di calibrazione assoluta ottenuta nel test beamrarr monitoraggio del guadagno dei PM (fissando i valori delle correnti a 133 nA per lEMC 712 nA per HACI e 908 per HACII in BCAL)

Sorgente mobile di 60Co (raggi γ)

rarr rivelazione di misallineamenti tra scintillatori e WLS o spostamenti e disomogeneitagrave degli scintil- latorirarr informazioni sui cambiamenti di light yield delle componenti ottiche a causa dellinvecchiamento o della radiazione


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Risoluzione in EnergiaElettroni

Adroni

FCAL BCAL

Fit αradicE + β

E

18=

Eσ(E)

E

35=

Eσ(E)

Fit αradicE + β


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Altre CaratteristicheLight yield

78 plusmn 20 pePMGeV 122 plusmn 27 pePMGeV

Risoluzione temporaleLa risoluzione temporale del calorimetro egrave lt 1 ns per p gt 15 GeVcA piugrave basse energie la risoluzione egrave dominata dal rumore del calorimetro e dalla fluttuazione del tempo di arrivo dei pePer muoni nella sezione EMC (05 GeV di segnale equivalente) si ottiene una risoluzione temporale di 38 ns


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Cinematica dellrsquointerazione ep a HERA

Deep Inelastic Scattering (DIS) Q2 ≳ 1 GeV2

Fotoproduzione (PHP) Q2 asymp 0

Q2

Wp

peE4Es energia nel centro di massa ep

Q2 = -q2 = -(pe-persquo)2 quadrato del quadrimomento trasferito

(virtualitagrave del fotone)

W2 = (q+pp)2 quadrato dellrsquoenergia nel centro di

massa p

x = Q22ppq frazione del momento del protone

portata dal partone colpito

y = ppqpppe frazione dellrsquoenergia dellrsquoelettrone

portata dal fotone nel sistema a riposo

del protone

225 - 318 GeV

10-1 divide 105 GeV2

4102 divide 9104 GeV2

10-6 lt x lt 1

10-4 lt y lt 1


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Si misurano eventi a 2 e 3 jet

Selezione DIS buon elettrone ricostruito

Range cinematico dellanalisi 10 lt Q2 lt 5000 GeV2

004 lt y lt 06

Spazio delle fasi dei jet -1 lt ηjet lt 25 ET

jet gt 5 GeV M2jet(3jet) gt 25 GeV

Per estrarre il valore di αs si fa il rapporto tra le sezioni durto a 3 e 2 jet

[R32(αs(MZ))]i = C1i∙αs(MZ) + C2

i∙αs2(MZ) (C1

i C2i parametri da

fittare)

Attraverso questa procedura gli errori sistematici correlati e lincertezza dovuta alla scala di rinormalizzazione si cancellano

Multijet in DIS e Misura di αs


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Eventi a 2 Jet a ZEUS


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Sezioni dUrto Multijet - I

Lincertezza nella Jet Energy Scale per ETjet gt 10 GeV egrave plusmn 1 che si

riflette in unincertezza di ~ plusmn 5 nella sezione durto misurata


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Sezioni dUrto Multijet - II

Da un fit NLO QCD al rapporto R32 si puograve estrarre il valore di αs per i diversi bin in Q2


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Misura di αs

Il valore di αs determinato dallemisure di R32 egrave in ottimo accordo con il valore misurato (world average) e lerrore della misura egrave dominato dallincertezza teorica

(th)(exp)t)00013(staplusmn01179=)(Mα +0006400046 -

+0002800046 -Zs


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Bibliografia[1] M Derrick et al Nucl Instr Meth A 309 77 (1991)

[2] A Andersen et al Nucl Instr Meth A 309 101 (1991)

[3] A Calldwell et al Nucl Instr Meth A 321 356 (1992)

[4] M Wing Setting the Jet Energy Scale for the ZEUS Calorimeter arXiv hep-ex0206036v2

[5] S Chekanov et al Eur Phys J C44 183 (2005)

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HERA = Hoch Energie Ring Anlagee

p

H1

ZEUS

HERA I 1993-2000 Ep = 820-920 GeV

HERA II 2003-2007 Ep = 920-460-575 GeV

HERA I e II Ee = 275 GeV

Unico collider ep al mondo (circonferenza 63 Km)

In funzione dal 1992 al 2007

I fasci collidevano ogni 96 ns

Poteva accelerare e- o e+


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Il Rivelatore ZEUS

p







e


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θ [deg] X0 λ

FCAL 22 - 399 259 7

BCAL 367 - 1291 246 5

RCAL1281 - 1765

243 4





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Adroni

FCAL BCAL

Fit αradicE + β

E

18=

Eσ(E)

E

35=

Eσ(E)

Fit αradicE + β


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Q2

Wp





massa p





del protone

225 - 318 GeV



10-6 lt x lt 1

10-4 lt y lt 1


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004 lt y lt 06





i∙αs2(MZ) (C1

i C2i parametri da

fittare)




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Misura di αs



+0002800046 -Zs


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Il Rivelatore ZEUS

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θ [deg] X0 λ

FCAL 22 - 399 259 7

BCAL 367 - 1291 246 5

RCAL1281 - 1765

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Adroni

FCAL BCAL

Fit αradicE + β

E

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Eσ(E)

E

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Eσ(E)

Fit αradicE + β


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Q2

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del protone

225 - 318 GeV



10-6 lt x lt 1

10-4 lt y lt 1


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i∙αs2(MZ) (C1

i C2i parametri da

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Misura di αs



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θ [deg] X0 λ

FCAL 22 - 399 259 7

BCAL 367 - 1291 246 5

RCAL1281 - 1765

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Adroni

FCAL BCAL

Fit αradicE + β

E

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Eσ(E)

E

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Eσ(E)

Fit αradicE + β


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del protone

225 - 318 GeV



10-6 lt x lt 1

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i∙αs2(MZ) (C1

i C2i parametri da

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Adroni

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Fit αradicE + β

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Eσ(E)

E

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Eσ(E)

Fit αradicE + β


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Q2

Wp





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del protone

225 - 318 GeV



10-6 lt x lt 1

10-4 lt y lt 1


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i∙αs2(MZ) (C1

i C2i parametri da

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Misura di αs



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Fit αradicE + β

E

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Eσ(E)

E

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Eσ(E)

Fit αradicE + β


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Q2

Wp





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225 - 318 GeV



10-6 lt x lt 1

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i C2i parametri da

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Adroni

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Fit αradicE + β

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Eσ(E)

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Eσ(E)

Fit αradicE + β


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10-6 lt x lt 1

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Adroni

FCAL BCAL

Fit αradicE + β

E

18=

Eσ(E)

E

35=

Eσ(E)

Fit αradicE + β


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del protone

225 - 318 GeV



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i C2i parametri da

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