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130 GeV/c 2 < M H < 2 M Z H ZZ* l - l + l - l + con l = e, 2 M Z < M H < 600 GeV/c 2 H ZZ l - l + l - l + con l = e, Golden Decay mode.

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1 130 GeV/c 2 < M H < 2 M Z H ZZ* l - l + l - l + con l = e, 2 M Z < M H < 600 GeV/c 2 H ZZ l - l + l - l + con l = e, Golden Decay mode

2 Come dobbiamo tracciare i leptoni? Innanzi tutto essere capaci di tracciare con efficienza nell inner detector. La risoluzione in impluso influenza la risoluzione in massa –Vogliamo ricostruire la Z con una larghezza di un paio di GeV Necessità di distinguere la carica dei muoni fino ad 1 TeV -> (p)/p < 10 % ad 1 TeV Constraint sul design dei detector

3 27 km around Large Hadron Collider

4 Interazioni pp e pile up Interactions/s: Lum = cm –2 s –1 = 10 7 mb –1 Hz inel (pp) = 70 mb Interaction Rate, R = Hz Events / beam crossing: t = 25 ns = –8 s Interactions/crossing = 17.5 Not all proton bunches are full: Approximately 4 out of 5 are full Interactions/active crossings = 17.5 × 3564/2835 = 23 Normalmente ad ogni bunch crossing: 1)Uninterazione con candidato Higgs + 2)~20 extra (minimum bias) interazioni

5 Interazioni pp e pile up e e All tracks with p T > 1 GeV H ZZ* 2e2

6 Misura di impulso Intrinsecamente la risoluzione in impluso è proporzionale allimpulso stesso ed inversamente proporzionale a BL 2 Gli allineamenti e le calibrazioni sono delle sistematiche su (x) e quindi il contributo alla risoluzione è proporzionale a p

7 Scattering multiplo

8 ATLAS vs CMS Spettrometro in Aria + campo toroidale per avere risoluzione costante in eta Differenti tecnologie per linner Detector (pochi punti molto precisi e molti punti, 50, a precisione peggiore) Spettrometro in Ferro con campo solenoidale (più compatto) Inner detector tutto in silicio (pochi punti altamente precisi) tracker calorimeter MS Toroid, B~0.5T solenoid, B~2T

9 ATLAS Inner Detector ID inside 2T solenoid field Tracking based on many points Precision Tracking: Pixel detector (2-3 points) 5-25 cm Semiconductor Tracker – SCT (4 points) 25 –50 cm Continuous Tracking: ( for pattern recognition & e id) Transition Radiation Tracker – TRT (36 points ) cm ATLAS 46m Long, 22m Diameter, 7000 Ton Detector 2.3 m x 5.3 m Solenoid ~ 2 Tesla Field ~ 4 Tesla Toroid Field ATLAS

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11 CMS 22m Long, 15m Diameter, Ton Detector 13m x 6m Solenoid: 4 Tesla Field Tracking up to ~ 2.4 ECAL & HCAL Inside solenoid Muon system in return yoke First muon chamber just after solenoid Extended lever arm for p t measurement CMS Tracker Inside 4T solenoid field Tracking rely on few measurement layers, each able to provide robust (clean) and precise coordinate determination Precision Tracking: Pixel detector (2-3 points) Silicon Strip Tracker (220 m 2 ) – SST (10 – 14 points) 5.4 m Outer Barrel (TOB) Inner Barrel (TIB) End cap (TEC) Pixel 2,4 m Inner Disks (TID) volume 24.4 m 3 running temperature – 10 0 C dry atmosphere for YEARS! CMS has chosen an all-silicon configuration

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13 Magnet System Layouts ATLAS 3 air-core (to minimize multiple scattering) superconducting toroids: 1 barrel (BT) + 2 End Caps toroids (ECT) track curvature in r-z plane. Radial Overlap of the BT and ECT fields (1< < 1.4) ensures the widest acceptance for single muons BT: | <1 26 m long Internal/External radii: 9.5m/20m 8 separate coils,1 cryostat per coil bending power Bdl=2-6 Tm ECTs: 1.4< | <2.7 Inserted into the BT edges, 8 coils per ECT, ruotated of 22.5 o with respect to BT coils 5 m long Internal/External radii: 1.7m/10.7m 1 cryostat per ECT bending power Bdl=4-8 Tm 1.0<| |<1.4 transition region ECT p T resolution constant up to | <2.7 BT Open structure allows for chambers installed inside and for alignment optical corridors to cross it Long barrel+short EC minimize magnetic forces and costs B field measured with 5000 Hall probes (~0.1% resolution),but global calibration of the energy scale is needed

14 More than a single time-to-distance relation per wire relation per wire Need to measure accurately the coordinate in the non bending plane the non bending plane Field integral inhomogeneous in the tracking volume Need to take into account the differences in Need to take into account the differences in Lorentz angle for the calibration of the Lorentz angle for the calibration of the tracking chambers y(cm) x(cm) Field map in the ECT median plane: field line are separated of 0.1 Tm Field integral vs for radial tracks Magnetic field configuration

15 CMS Central superconducting solenoid with saturated iron yoke ~ 14m long 3m radius B = 4T B ~ 1.8 T in the return yoke (1.5m of iron instrumented with the muon chambers), Bdl decreases with | inside the solenoid: Bdl= 12Tm (| < 1.45) down to Bdl ~ 4Tm (| ) B/B~ % And in the yoke, where the spectrometer is located: Bdl ~3Tm outside solenoid down to Bdl ~ 0.6Tm (| ) B/B~1% is enough Field integral Favorable ratio length/radius and high field efficient detection up to | Large bending power benefits in resolution for tracking and triggering sharp threshold to keep Level 1 rates lower Measurements inside and outside solenoid Large amount of material in the spectrometer safe muon trigger and identification

16 Contributi alla risoluzione dello spettrometro a muoni di ATLAS (p) = a + b p + c p 2 (p)/p = a/p + b + c p a termine dovuto alle fluttuazioni in energy loss (Code di Landau nel calorimetro) b termine di scattering multiplo (minore contributo a basso pt per la ricostruzione vettoriale dei punti) c termine intrinseco di risoluzione (+ allineamento)

17 2x4 MDT layers 2x3 MDT layers 2x3 MDT layers 2 RPC gaps 2 RPC gaps ATLAS: Tracking La disposizione dei tubi in multilayer su tre stazioni consente 1. di minimizzare la risoluzione dellapparato rispetto alla configurazione in cui tutti I punti sono equispaziati 2.Di ridurre limpatto del multiplo scattering sulla risoluzione a basso impulso perchè consente la misura molto precisa degli angoli di uscita della traccia da ogni layer di tubi (misura vettoriale)

18 Risoluzione ATLAS Inner Detector Muon spectrom. standalone Inner tracker stand alone Nell Inner Detector ho soprattutto il contributo proporzionale a p. Lo Spettrometro domina per muoni di impulso superiore a 100 GeV

19 Risoluzione CMS Domina il tracciatore interno Contributo dello Spettrometro solo per lidentificazione e il trigger. Fino a 200 GeV

20 ATLAS & CMS Tracking Performances ATLAS ID CMS -System ATLAS -System ATLAS CMS Higgs New Physics

21 CMS: I rivelatori per muoni Barrel 4 stations of Drift Tubes, interleaved with the iron of magnet yoke, each with 3 superlayers, 2 r- and 1 r-z (not in the 4-th station), of 4 layers of cells self-triggering and bunch-crossing Id. 6 double-gap RPC layers triggering and bunch-crossing Id. Endcaps 4 stations of CSC, each with 6 layers,interleaved with iron disk yoke self-triggering and bunch-crossing Id. 4 double-gap RPC layers triggering and bunch-crossing Id.

22 CMS : DT Celle 42x13 mm 2, Ar(85%) CO 2 (15%) –Campo E lineare (shaping con catodi e strip) 4 layer staggerati = 1 superlayer (SL) –Auto-triggering con identificazione del BX, t ~ 4 ns Camera composta da 2 SL r- (coordinata bending) + 1SL r-Z Relazione x-t Spetto dei tempi di drift (time box) - Ottima linearità: v d ~costante - Per avere la massima risoluzione: x = f (t,, B wire, B norm ) parametrizzata con GARFIELD t (ns) x (cm) t (ns)

23 3 barrel layers –r = 4.1 – 4.6 cm, 7.0 – 7.6 cm, 9.9 – 10.4 cm –~ 60 x 10 6 pixels 2 pairs of Forward/Backward disks –Radial coverage 6 < r < 15 cm –Average z position: 34.5 cm, 46.5 cm –Later update to 3 pairs possible ( ~ 58.2 cm) –Per Disk: ~3 x 10 6 pixels 3 high resolution space points for < 2.2 Pixel size: 100 m x 150 m driven by FE chip Hit resolution: –r- ~ m (Lorentz angle 23° in 4 T field) –r-z ~ 17 m Modules are the basic building elements –800 in the barrel in the endcaps The CMS Pixel Detector Occupancy is ~ Pixel seeding fastest starting point for track reconstruction despite the extremely high track density

24 The CMS Silicon Strip Tracker Outer Barrel (TOB): 6 layers Thick sensors (500 m) Long strips Endcap (TEC): 9 Disk pairs r < 60 cm thin sensors r > 60 cm thick sensors Inner Barrel (TIB): 4 layers Thin sensors (320 m) Short strips 6 layers TOB 4 layers TIB 3 disks TID Radius ~ 110cm, Length ~ 270cm ~1.7 ~1.7 ~2.4 ~2.4 9 disks TEC Inner Disks (TID): 3 Disk pairs Thin sensors Black: total number of hits Green: double-sided hits Red: ds hits - thin detectors Blue: ds hits - thick detectors

25 ATLAS : MDT Stima della relazione r(t) e del t 0 senza laiuto di rivelatori esterni r(t) e` funzione di molti parametri esterni –Composizione del gas –Temperatura –Pressione –Campo magnetico E` richiesta la autocalibrazione dei tubi ad intervalli regolari –Lerrore sulla relazione r(t) deve essere 20 m x bias accettabile sulla determinazione della traccia Spetto dei tempi di drift Calibrazione Dati testbeam H8 Posizione dei fili misurata con tomografie a raggi x Risoluzione vs r MDTs (Monitored Drift Chambers) –Gli elementi di base sono tubi a drift con un diametro di 3 cm ed una lunghezza variabile da 70 cm a 630 cm –I tubi sono disposti in multilayer di 3 (4 per le stazioni interne) –Risoluzione di singolo filo 80 m –Risoluzione per stazione 50 m, 0.3mrad –Miscela di Ar(93%) CO2(7%) a P=3bar per prevenire linvecchiamento Relazione r-t

26 Transition Radiation Detector Alla separazione di 2 mezzi con costante dielettrica diversa si ha lemissione di radiazione Potenza irraggiata Frequenza di plasma alla separazione del mezzo (corrisponde a 20 eV circa) Numero di fotoni per emissione Spettro di energia (raggi X) Angolo di emissione Si usa lo Xeno (Z=54) per aumentare la sezione durto di effetto fotoelettrico (Z 4 )

27 ATLAS: TRT Microfibre di polietilene fra tubi a streamer

28 Particle ID con il TRT di ATLAS

29 Selezione del segnale H -> 4 4 muoni con maggiore pt nellevento Almeno 2 con p t > 20 GeV Una coppia + - deve avere una massa invariante fra m Z ± 15 GeV Laltra coppia deve avere una massa maggiore di una soglia che dipende dalla massa dellHiggs che cerchiamo (per m H = 130 GeV almeno 20 GeV) Isolamento dei muoni –Poche tracce in un cono intorno ai muoni selezionati –Piccoli depositi calorimetrici in un cono intorno ai muoni Taglio di accettanza in una finestra intorno alla massa invariante dei 4 muoni pari a 2 sigma intorno al picco

30 Selezione del segnale H -> 4e o 2e 2 4 elettroni con maggiore pt nellevento Depositi calorimetrici isolati e con una traccia che punto nel deposito Una coppia e + e - deve avere una massa invariante fra m Z ± 15 GeV Laltra coppia deve avere una massa maggiore di una soglia che dipende dalla massa dellHiggs che cerchiamo (per m H = 130 GeV almeno 20 GeV) Taglio di accettanza in una finestra intorno alla massa invariante dei 4 muoni pari a 2 sigma intorno al picco Nellanalisi mista (2e 2 )si richiedono gli stessi criteri di identificazione ed isolamento e si riducono le code negli spettri di massa invariante dovuti al cattivo accoppiamento (pairing)

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33 Significanza

34 H 4l Full simulation I fondi principali sono : ZZ 4l, ZZ ll, Zbbar 4l+X, tt bar 4l+X Analisi con tagli in cascata su singole variabili (masse delle 2 Z e variabili di isolamento) Rete neurale con le 2 M Z e M H LO Altri sviluppi : 2 Reti neurali (o likelihood): una con le 2 M Z,PT H e le variabili angolari (solo se lHiggs ha spin zero e CP=+1), laltra con le variabili di isolamento Atlas

35 Backup

36 The ATLAS Pixel Detector 3 barrel layers* –r = 5.05 cm (B-layer), 9.85 cm, cm 3 pairs of Forward/Backward disks –r= 49.5 cm, 60.0 cm, 65.0 cm –~ 2% of tracks with less than 3 hits –Fully insertable detector Pixel size: –50 m x 300 m (B layer) & 50 m x 400 m ~ 2.0 m 2 of sensitive area with 8 x 10 7 ch Hit resolution: –r- ~ 12 m –r-z ~ 60 m Modules are the basic building elements –1456 in the barrel in the endcaps –Active area 16.4 mm x 60.8 mm –Sensitive area read out by 16 FE chips each serving a 18 columns x 160 row pixel matrix * Several changes from TDR

37 The ATLAS SCT Detector 5.6 m 1.53 m 1.04 m Barrel: 4 layers pitch ~ 80 m radii: 284 – 335 – 427 – 498 mm 2112 modules, with 2 detectors per side, read out in the middle Endcap: 9 wheel pairs pitch m 3 types of modules Inner (400) Middle (640 incl. 80 shorter) Outer (936) All detectors are double-sided (40 mrad stereo angle) 4088 modules 61 m 2 of silicon 6.3 x 10 6 channels Hit resolution: –r- ~ 16 m –r-z ~ 580 m

38 ATLAS: Allineamento Sistema ottico di monitoraggio (RASNIK) consente – di correggere la sagitta dei tubi con quelle dei fili entro 100 m – di correggere deformazioni della camere derivanti da gradienti termici e stress meccanici Deformazioni delle camere Sistema di allineamento RASNIK ottico proiettivo e assiale per controllare lallineamento relativo di tripletti di camere. Spostamenti relativi controllati entro 30 m Tests del sistema di allineamento ad H8: movimenti controllati delle camere correzione usando le informazione del sistema ottico Pos. nominale rot. 6mrad rot. 8mrad sagitta allineamento ~valore medio larghezza: scattering multiplo Pos. nominale rot. 6mrad rot. 8mrad Allineamento: run speciali con toroide OFF e solenoide ON campione di tracce rettilinee di momento misurato in ID (p T >10GeV) consente di calibrare I sensori ottici rapidamente entro ~20 m

39 CMS: RPC RPC a doppio gap –90% freon/5% isobutano 6 layer barrel, 4 layer endcaps Partecipano alla ricostruzione HLT/offline CMS: CSC (r)(r) 4 stazioni, 6 layer/camera –9.5 mm gap, Ar(30%)/CO 2 (50%)/CF 4 (20%) Coordinata (bending): interpolazione carica su 3 strip adiacenti, ~ m Coordinata r: lettura gruppi di 5-16 fili, ~5mm

40 ATLAS : RPC su entrambi i lati delle camere MDT nelle stazioni middle e sopra o sotto le stazioni MDT esterne. Alta efficienza e risoluzione temporale (~1ns) per il trigger Risoluzione di <10mm per la misura della seconda coordinata Alta tolleranza meccanica Camere di trigger (TGC e RPC) : Per lidentificazione del bunch crossing, il trigger dei, e la misura della seconda coordinata ( ). Il sistema di trigger copre la regione | |<2.4


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