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H      x BR ~ 70 fb H   canale importante per m H <130 GeV H  bb(bar) è il decadimento dominante ma puo' essere osservato solo in produzione.

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1 H      x BR ~ 70 fb H   canale importante per m H <130 GeV H  bb(bar) è il decadimento dominante ma puo' essere osservato solo in produzione associata

2 Background H   il fondo da bremmstrahlung e da jets puo' essere ridotto con tagli di isolamento e criteri di separazione jet/      puo essere ridotto utilizzando calorimetri granulari sezioni d'urto (fb) dopo i tagli

3 H   La risoluzione sulla massa é completamente dominata dalla risoluzione della misura  H ~ MeV at M H =120 GeV L=100 fb -1 (1 anno LHC ad alta luminosità)

4 Risoluzione massa H    E/E ~ 1%  5 mrad Contributi alla risoluzione m  1)Misura di E  :  Risoluzione intrinseca dei calorimetro  Calibrazione/uniformità del calorimetro  Pile-up 2)Misura di  12  Misura di posizione and direzione degli sciami em  Mis. del vertice di interazione z v

5 Calorimetri di ATLAS e CMS Calorimetro a Campionamento –diviso in strati di mezzi assorbitore (Pb) e strati di materiali attivi (LAr). CMS ATLAS Calorimetro omogeneo Unico mezzo usato come mezzo assorbitore e di scintillazione (PbWO4)

6 Caratteristiche ECAL Formazione dello sciame –Bremsstrahlung –Creazione di coppie –Compton (a basse energie) Lunghezza di radiazione X 0 – distanza longitudinale dopo la quale un elettrone perde (1-1/E) della sua energia per bremsstrahlung; – circa 25 X 0 sono richieste per contenere (longitudinalmente) circa 99% dello sciame. –Cammino libero medio di  energetici ~ 9/7 X 0 Raggio di Moliere R M –scala per la dimensione trasversa dello sciame. –E s ~21 MeV –E c = 570/Z, energia critica (alla quale la dE/dx per e per radiazione sono uguali) –90% dello sciame contenuto in 1 R M Luce emessa per unità di energia depositata Lunghezza d'onda della luce emessa (importante per la scelta del PM) Tempo di emissione

7 CMS –piccola lunghezza di radiazione  compatto –piccolo raggio di Moliere  granularità –luce di output bassa Amplification (noise), no PM tubes in B(4T) –veloce  bc rate ATLAS –meno compatto –no amplificazione del segnale –flessibilità, altà granularità –basso costo –uniformità –criogenia ATLAS

8 Risoluzione : a termine “stocastico”, dovuto a fluttuazioni statistiche  N termine di rumore elettronico + pileup ~ 100 MeV c termine costante – contributo dalle non uniformità del calorimetro < 1% Termine stocastico: “a” Nei calorimetri omogenei, qualche % : –le fluttuazioni del numero dei fotoelettroni –contributi dal contenimento incompleto Nei calorimetri a sampling, 5-20%: –fluttuazioni nell'energia campionata nei piani attivi. Dipende dalle caratteristiche (spessore, densità) dei mezzi attivi e passivi.. Lunghezza totale della traccia T 0  X 0 E/  Numero di particelle prodotte N  E/ 

9 Copertura in  : –0 < |  | < Barrel –1.55< |  | < 3 Endcap Ermeticità: garantita da geometria non pointing (3° in  e  ) Dimensione dei cristalli: longitudinale 25 X 0 = 22.2 cm Transversa 1 R M = 2.2 cm 95% dello sciame è contenuto in 2 R M 24x24x230 mm 3 in the barrel, 30x30x220 mm 3 in the end-caps uso di fotodiodi al Si a valanga per la rivelazione dei fotoni, vantaggi possono operare in campi magnetici alti (4T) moltiplicazione alta (tra 50 e 200) cristalli CMS : PbWO 4

10 Copertura in eta:  0 < |  | < Barrel  < |  | < 3.2 Endcap Ermeticità: la geometria con elettrodi e assorbitori piegati a ‘fisarmonica’ garantisce una copertura totale senza zone morte nella coordinata azimutale Zone morte:  1.4 < |  | < 1.55 : Transizione barrel / endcap  Posizionato al di fuori del solenoide  Granularità molto fine in  delle strips ATLAS: Pb+LAr Strips Middle Back Sampling Granularity  x  Depth Strips X 0.15X 0 Middle X X 0 Back 0.05 X to 10 X 0 pitch 4mm

11 ATLAS LAr Gerbe EM e-e- e-e- e+e+ Plomb E ~ 1kV/mm Argon liquide Electrode  ions e-e- HT I phys Funziona come camere a ionizzazione: segnale dato dalle cariche di ionizzazione Il tempo di raccolta della carica dipende dalla velocità di drift, tipicamente è 400 ns (16 bc LHC!!!) La soluzione consiste nell'integrare solo la corrente di ionizzazione in un tempo piccolo (40–50 ns), raccogliendo solo una frazione della carica prodotta. Puo' funzionare solo se il tempo di trasferimento del segnale dagli elettrodi al readout è molto piu' piccolo del tempo di integrazione e cio' richiede di minimizzare cavi e connettori. cavi lunghi, trasferimento del segnale in decine di ns, spazi morti  meno ermeticità segnale estratto dagli estremi del calorimetro, lunghezza cavi e connettori ridotti. Spazi morti minimizzati. Per evitare che le particelle non vadano nel LAr si sceglie la geometria a fisarmonica. drift degli e - induce il segnale sugli elettrodi di lettura

12 Risoluzione Calorimetri a sampling termine stocastico tipicamente <= 10%. Questo limita il termine costante ad essere 1% e il termine di rumore dell'ordine di qualche centinaia di MeV. Calorimetri Omogenei Termine stocastico di qualche % a causa delle minori fluttuazioni di campinamento. Bisogna avere un buon controllo delle sistematiche per il termine costante O(0.5%). CMS EM cal (crystals): ATLAS EM cal (liquid-argon/lead sampling calorimeter):

13 Risoluzione Angolare Per non dominare la risoluzione sulla massa dell'Higgs, la risoluzione angolare deve essere dell'ordine La misura degli angoli di incidenza puo' essere fatta dall' ECAL con buona accuranza. C'è bisogno inoltre di misurare il vertice primario. La maggior incertezza è rappresentata dalla grande incertezza sulla posizione del vertice primario lungo l'asse Z (longitudinale al fascio), lo spread è di circa 6cm. Nel regime di bassa luminosità ci sono in media 1-2 interazioni per bunch crossing  le tracce cariche possono essere usate per individuare il vertice. Impossibile ad alta luminosità (23 interazioni per bunch crossing) ATLAS la posizione dello sciame è misurato in due posizioni CMS Centro di gravità tracce cariche in ID endcap preshower back middle strips preshower Primary vertex Z direction R direction  - angle con ID  Z (H)~ decine  m solo EM  Z (H)~ mm Somma tracce ad alto pt conversione  high lumi: 70% di efficienza

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15 Separazione jet/  I jet possono essere discriminati studiando l'energia depositata nel calorimetro adronico, con criteri di isolamento, studiando la shape dei depositi elettromagnetici Puo' essere ridotto al 20% del BKG irriducibile, costituito da eventi con  0  . fraction of en. in the core

16 Il calorimetro e.m. deve essere in grado di rigettare  0   –ricostruzione di due sciamo e.m. vicini –CMS : granularità dei cristalli e tecniche di PE/NN preshower + Si strips nelle endcaps –ATLAS EM cal  strips Separazione  0 /   

17 I fotoni convertono prima di entrare nel calorimetro (prob 30% ATLAS) –I due elettroni sono separati dal campo magnetico in  A seconda del raggio di conversione, i due elettroni possono raggiungere il calorimetro nello stesso cluster o in cluster separati –Piu' è alto il campo magnetico, maggiore è l'effetto Algoritmi di clusterizzazione usano cluster maggiori in .  e+e+ e-e- Atlas Le conversioni sono ricostruite con l'inner tracker – Ricerca di due tracce cariche opposte provenienti da un vertice comune – Il fotone ricostruito punta al vertice di interazione I vertici di conversione danno un immagine "a raggi X" della distribuzione del materiale inerte

18 Effetti sulla risoluzione (ATLAS) PV from calorimeter only PV from Inner Detector + calorimeter High lumi Low lumi 2x10 33

19 H  : ATLAS vs CMS ATLAS ha una peggiore risoluzione energetica ~(1.1 GeV/c 2 ) rispetto a CMS (0.8 GeV/c 2 ) ATLAS ha un miglior sistema di ricostruzione della direzione dei fotoni e del vertice primario. Efficienza maggiore. –CMS ha un grosso campo magnetico che fa perdere una buona frazione di fotoni che convertono nel Tracker Sia ATLAS che CMS hanno circa la stessa potenzialita’

20 Canali Possibili produzione diretta –2  isolati ad alto pt (40, 25 GeV) centrali (  <2.4) –reiezione di jj, j ,  0 produzione associata (W/Z, tt) sezione d'urto di produzione 50 volte piu' piccola possibilità di migliorare S/B richiedendo 1 leptone isolato di alto pT vertice puo' essere identificato con la traccia carica del leptone  migliora la risoluzione in massa bkg irriducibile Z , W , tt ,bb , lepton FSR tagli su R l , m l  Significativo per alta luminosità misura dei couplings Higgs-bosoni di gauge, Higgs-top

21 produzione associata con jets 2 high pt  isolati + 2 jets (E t >40 GeV) centrali  R j  per rigettare FSR da quark VBF  VBF ~0.1  ggF canale t  taggato da 2 jets forward (  >2)/emisferi opposti  in pseudorapidità devono essere tra i due jets H   + jets H   + 1 jet minore statistica ma migliore S/B, puo' migliorare la misura combinata. H   + 2 jets

22 m H =120GeV 100 fb -1 Escluso da LEP (ATLAS TDR, 1999) 3 anni low lumi 1 anno high lumi 100 fb -1

23 H  +1j H  +0j ATLFAST/DC1 Signal: VBF Signal: gg Fusion EW+DPS  jj QCD  jj  jjj+jjjj H  +2j L = 10 fb -1 ATLAS North American SM & Higgs Workshop ( ) NLO MC  significanza aumentata

24 Spares

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26 Interazioni e/  con la materia PhotonElectrons and Positrons PDG 2004

27 A calorimeter for LHC environment ATLAS and CMS have been designed to: –Minimize the pile-up in:  time: fast detector with a time response compatible with the bunch crossing distance 25/50 ns  space: high granularity thus high number of channels  Radiation resistance:  Radiation resistance: appropriate tecnique for each rapidity range.  Measurement of neutrinos (and Susy processes):  Measurement of neutrinos (and Susy processes): high ermeticity  Use of performance on important channels  Use of performance on important channels to define the reuirement on calorimeter performance. For EM calorimeters H→  … ATLAS and CMS makes different choices: ATLAS require segmented calorimeter to have redudant mesurement of  angle CMS relies on vertex reconstruction from tracking and point to homogenous calorimeter with very low stochastic term aiming for excellent energy resolution

28 Termine Stocastico Lunghezza totale della traccia T 0  X0 E/  Numero di particelle prodotte N  E/  Nei calorimetri omogenei le fluttuazioni sono piccole perchè l'energia depositata nei volumi attivi non fluttua evento per evento. Quindi la risoluzione è migliore della aspettazione statistica (fattore di Fano) Ne calorimetri a sampling l'energia depositata nei mezzi attivi fluttua evento per evento, cio' limita la risoluzione. # particelle che attraversano il mezzo attivo per t abs non troppo piccolo

29 Raccolta del Segnale I fotorivelatori sono dispositivi in grado di trasformare un segnale di luce in entrata, in un segnale di natura elettrica in uscita. –I fotoni di luce incidono sul fotorivelatore; questi generano delle cariche (coppie elettrone-lacuna o elettroni prodotti per eetto fotoelettrico). –La carica prodotta e raccolta e, nel caso sia presente un meccanismo di moltiplicazione amplificata. –La corrente cosi prodotta interagisce con il circuito esterno, emettendo un segnale di uscita. Fotomoltiplicatori fotocatodo, responsabile del processo di conversione della luce in carica elettrica (effetto fotoelettrico) sistema di dinodi (coppia di elettrodi con doppia funzione anodo- catodo) responsabile della successiva fase di amplicazione. Le prestazioni del fotomoltipicatore sono inuenzate dalla presenza di campi magnetici Fotodiodi di materiali semiconduttori di elevata purezza, opportunamente drogati i fotoni, entrando, interagiscono con il mezzo e generano le coppie elettrone-lacuna Nella regione di svuotamento le coppie elettrone-lacuna vengono separate grazie all'azione di un forte campo elettrico; questo campo trasporta le cariche verso i relativi elettrodi, che le raccolgono.

30 Materiale nei Trackers

31 Electrons radiate photons in the material of the tracker: –Most energy is lost as low energy photons –But there are also hard brems with the emission of a single high p T  and a substantial change in the electron direction (kink), especially if occurring at low radii The energy collected by the calorimeter is spread over many cells (along  ) and in the worst cases can be collected as separate clusters: –The higher the magnetic field the larger the effect Need a larger cluster size along  In case of a single hard radiation the energy-weighted barycenter of the impact points of the electron and the  in the calo lies on the extrapolation of the initial electron trajectory –Must be taken into account when trying to match electron clusters and electron tracks

32 Dal TDR (1999) ad Oggi...


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