Lezione _VIII_Rivelatori_LHC_2

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/E (GeV )
  Risoluzione in energia dei Jet e linearita’.
  σ / E ≈ 50% / E(GeV ) ⊕ 3% e la linearita’ in energia almeno al 2% fino a 4-5 TeV
I  dentificazione 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 π 0 → γγ , J / Ψ → e + e−, Υ → e + e − per basse energie e
Z → e + e − per alte energie. Es. Utilizzando la relazione E
si cercano I
true = αE meas + δ
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 %
Preshower
Importante calibrazione del rivelatore durante test beam
Inter-calibration (fra moduli)
electron beam
calibration
reproducibility
electron beam –
cosmic muon
comparison
〈σ〉 = 1.5%
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
Central impact
(4x4 mm2)
0.5%
120 GeV
E (GeV)
Resolution goal
of 0.5%
at high energy
achieved
(3 x 3) around Crystal 184
(3 x 3) around Crystal 204
(3 x 3) around Crystal 224
4x4 mm2
central region
position (η )
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
Calorimetria di ATLAS
• 
TILECAL
EMB
EMEC
• 
• 
• 
FCAL
• 
• 
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
HEC
barrel
endcap A
endcap C
EMB: 2 half-barrel (|η|<1.4)
EMEC: 2 end-cap (1.4<|η|<3.2)
Principio di funzionamento ECAL
Segmentazione longitudinale
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
elettrodi A
elettrodi B
segmentazione in profondità del modulo
(“layers”):
–  strips (o front): granularità fine in η,
per separazione π0/γ (1792 canali)
back
middle
strips
–  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)
back
middle
strips
transizione
piombo
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
σ (E)
E
=
a
E
⊕
c
⊕b
E
Prestazioni su fasci di test
Uniformita’
Linearita’
Attese modulazioni in risposta per perdite di energia
laterale e in η/φ .
A fissata energia di elettroni scan in posizione
sull’intero modulo
0.59%
0.52%
0.57%
Uniformita’ <0.6%
Linearita’ < 0.1% per
E fra 20-180 GeV
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
Eccellente segmentazione (nella zona front e
middle) . Importante nella direzione longitudinale:
LHC vertex spread: σz ~ 5.6 cm
• 
La segmentazione transversale e
longitudinale consentono una eccellente
risoluzione spaziale e angolare
σZ~20mm
Barrel E=245 GeV
σZ~5mm
Endcap η~1.8
Barrel: 245 GeV Electrons
~550 µm
at η=0
55 mrad/√E
~250 µm
at η=0
80
160
Energy(GeV)
Calorimetro adronico di ATLAS: Tile Calorimeter
Tile Calorimeter
3 cilindri, ciascuno
composto da 64 moduli
central Barrel
2 Extended Barrels
Barrel module
Requisiti
 Buona ermeticita’ per jets e ETmiss
 Risoluzione in energia
σ
E
=
50%
⊕ 3%
E
 Facile da costruire (struttura periodica)
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
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 .
2 Extended Barrels
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
Calorimetro nella regione del barrel
Il mezzo attivo e costituito da tegole di materiale scintillatore disposte in
una matrice di ferro, con funzione di mezzo assorbente L'ottimizzazione della geometria
master plate (5mm)
spacer (4mm)
scintillator (3mm)
Basic period, 18mm
del calorimetro adronico guidata
dalla corretta risoluzione in
energia
Celle definite
raggruppando WLS
fibres su PMTs
La luce prodotta negli scintillatori e
e’ inviata a PMTs via fibre WLS
fibres
WLS fibre
Scintillator
Barrel module
Segmentazione:
3 profondita’ radiali
Δη×Δϕ = 0.1× 0.1
(0.2×0.1 nell’ultima
parte)
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
- 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
Calibrazione durante i test su fascio
Cs/muon ratios
Segnale da
muoni per
cella: RMS
2.5%
Pioni da 180 GeV
Energy
resolution
Risposta ai pioni.
Variazione della risoluzione
con η per perdite
trasversali e longitudinali
Confronto sistema calorimetrico di Atlas e CMS
CMS
Calorimetro elettromagnetico
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
Test beam:
CMS superior intrinsic resolution
ATLAS excellent uniform response
" (E) 3 - 5%
!
E
E
" (E) 10%
!
E
E
ATLAS
Calorimetro adronico
ATLAS
Realizzato con Fe-scintillator (barrel) and Cu-liquid argon (end-caps) per un
totale di 11 lunghezze di interazione. Buona risoluzione in energia:
σ E / E ≈ 50% / E / GeV ⊕ 0.03
CMS
Realizzato con Cu-scintillator. Risoluzione in energia
σ E / E ≈ 100 % / E / GeV ⊕ 0.05
CMS
11λ
Sistema muonico
Sistema di muoni a LHC
•  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.
Schema base di tracciamento di muoni
3 punti di campionamento
"( s) =
3
# "( x )
2
!
Traettoria delle tracce in CMS
• Sistema magnetico- solenoide centrale
• Sistema di tracciamento centrale + camere a muoni
Spettrometro a muoni di Atlas
Piccolo scattering multiplo
Piccola curvatura della traccia
Alta precisione
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
Sistema di muoni di CMS
Barrel
(DT +
RPC)
End Cap
(CSC +
RPC)
  Muon identification
Requirements
  Muon Trigger
• Unambiguous
BX identification
Drift
Tube
Chambers
and Cathode
Strip Chambers are used for
• Trigger single and multimuon
with well defined pT thresholds few GeV to 100
precision
measurements and for triggering.
GeV
  Muon
momentum measurement
•  ChargePlate
assignment
correct
to 99% are
confidence
leveltrigger
up to 7chambers.
TeV
Resistive
Chambers
(RPC’s)
dedicated
•  Momentum resolution
dpT/pT = 1 - 1.5% at pT = 10 GeV
dpT/pT = 6 - 17% at pT = 1 TeV
29
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
Drift Tube Chambers
Risoluzione (per stazione)
Position RΦ : 100 µm
Conditions
Z : 150 µm
η<1.3
Angle: rate
1 mrad
Particle
< 10 Hz/cm2
Relatively
LowEfficiency
B
BX
identification
>98% per station
GAS: Ar/CO2 (85/15)
Φ SL
θ SL
Honeycomb
Φ SL
42mm
Wire
•  5 Wheels - 250 DT’s’,
•  4 stationi (MB1,MB2,MB3,MB4): at
least 3 track segments on muon track.
Electrode Strip
Mylar
Cathode Al Strips
13 mm
Camera di Atlas
Sistema di trigger: CMS RPC Barrel system
Barrel 5 wheels
60 sectors
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)
FEB amplify and discriminate
signal (16 strip/FEB)
RPCs-DT are mechanically coupled before installation
Gas:96.2%C2H2F4 3.5%C4H10 +0.3%SF6
Double gap
37
Resistive Plate Chambers
Barrel 5 wheels
Endcap Disks: 720 chambers
RB4 120 chambers
RB3 120 chambers
RB2 120 chambers
RB1 120 chambers
Gas:
96.2%C2H2F4 3.5%C4H10 +0.3%SF6
Initial system; 3 stations up to η
= 1.6
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
38
RPC Trigger layout
Principle:
Digital signals coming from RPC planes
combined into patterns of hits.
If they match one of the predefined
pattern
39
ATLAS RPC Trigger
Confronto
Atlas
–
CMS:
sistema
muonico
RPC
CSC
TGC
Canale “golden”: H→ZZ→4µ richiede
una risoluzione d’impulso al 1% Obiettivo di entrambi gli esperimenti
10% in risoluzione for 1TeV muon
MDT
Copertura in η (2/3 dei decadimenti ’
H→ZZ→4µ hanno almeno un muone
with η> 1.4)
ATLAS:
Trigger: capacita’ di selezionare
online µ with pt > 5-10 GeV | η |< 1 : grande magnete toroidale con 8 coils , 3 layers cilindrici di camere (MDT e RPC)
1.4 <| η |< 2.7 : Le tracce sono deflesse in 2 piccoli toroidi, 3 ruote (CSC, TGC e MDT)
1 <| η |< 1.4 : I campi magnetici si sovrappongono.
TRIGGER con RPC e TGC
CMS:
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