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)

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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

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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

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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