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UNIVERSITA DEGLI STUDI ROMA TRE Tesi di Laurea in Fisica I RIVELATORI PER IL TRACCIAMENTO DEI MUONI NELLO SPETTROMETRO DELLESPERIMENTO ATLAS AL LARGE HADRON.

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Presentazione sul tema: "UNIVERSITA DEGLI STUDI ROMA TRE Tesi di Laurea in Fisica I RIVELATORI PER IL TRACCIAMENTO DEI MUONI NELLO SPETTROMETRO DELLESPERIMENTO ATLAS AL LARGE HADRON."— Transcript della presentazione:

1 UNIVERSITA DEGLI STUDI ROMA TRE Tesi di Laurea in Fisica I RIVELATORI PER IL TRACCIAMENTO DEI MUONI NELLO SPETTROMETRO DELLESPERIMENTO ATLAS AL LARGE HADRON COLLIDER Ilaria Di Sarcina

2 Il programma sperimentale di LHC Il rivelatore ATLAS Lo spettrometro per MDT: principi di funzionamento Le camere BIL: tecniche di costruzione e metodi di test I risultati ottenuti in laboratorio e al CERN Conclusioni Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Sommario:

3 Il programma sperimentale di LHC Il Modello Standard rappresenta attualmente la migliore teoria per descrivere la fisica delle particelle elementari, tuttavia ha bisogno di ulteriori riscontri sperimentali: esistenza del bosone di Higgs ( 110 GeV

4 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Enorme numero di eventi non interessanti Sistema di trigger implementato in modo che R TOT sia ridotta di molti ordini di grandezza. Si vogliono registrare infatti circa 100 eventi/s corrispondenti ad un flusso di dati in uscita pari a circa 100 Mb/s Necessità di rivelare con grande precisione leptoni carichi, jet, fotoni e identificare neutrini R TOT >> R HIGGS Costruzione di rivelatori ermetici, ad alta granularità e ad alta risoluzione tot (p - p) 100 mb R tot =10 9 Hz ( s= 14 TeV e L = L MAX )

5 Il Large Hadron Collider Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre L =10 34 cm -2 s -1 Collisore pp con energia del centro di massa di 14 TeV CMS ATLAS ALICE LHCb

6 Il rivelatore ATLAS Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Inner Detector Electromagnetic Calorimeter Hadronic Calorimeter Muon Detectors End Cap Toroid Barrel Toroid

7 ATLAS: lo spettrometro per muoni Requisiti: buona risoluzione nella misura dellimpulso nellintervallo tra 6 GeV e 1 TeV; capacità di trigger su eventi con uno o più in un vasto range di p T ; necessità di operare per molti anni ad alto flusso ed elevato fondo; CAMPO MAGNETICO toroidale in aria RIVELATORI DI POSIZIONE : buona risoluzione sul singolo punto 3 stazioni di misura TRIGGER con camere apposite problemi di invecchiamento Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

8 MDT (Monitored Drift Tubes) Buona risoluzione sul singolo punto (~ 80 m) Limiti sull´invecchiamento Scelta della miscela: Argon (alta densità di ionizzazione primaria) + CO 2 Alta pressione (si riduce leffetto della diffusione) Molta cura nellelettronica di front-end prodotti ~ 100 e p /cm Tubo di alluminio diametro 3 cm spessore 400 mm start stop Filo tungsteno 50 m tdctdc Tempo di deriva degli elettroni Miscela: 93% Argon 7% CO 2 Pressione: 3 bar Guadagno: (HV=3080V) Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

9 BIL (Barrel Inner Large) e BIS BML (Barrel Middle Large) e BMS BOL (Barrel Outer Large) e BOS MDT per il barrel di ATLAS Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre BIL

10 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Il progetto dello spettrometro prevede la costruzione di 62 camere di tipo BIL nellarea romana Laboratorio dell Università La Sapienza: test dei tubi e assemblaggio meccanico Laboratorio dell Università Roma Tre: costruzione e test del sistema di distribuzione del gas montaggio sulle camere e test di tenuta del gas equipaggiamento dellelettronica di front-end e test verifica della stabilità e funzionamento nell´ odoscopio a raggi cosmici

11 LABORATORIO Sito di allestimento e test delle camere BIL dello spettrometro per muoni di ATLAS 2 multilayer 4 tubi per multilayer 2 144=288 tubi/camera Volume tubo: 1.9 litri Volume camera = 547 litri Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

12 Sistema di distribuzione del gas Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre bisogna garantire una buona stabilità delle condizioni operative nel tempo densità temperatura purezza influenzano direttamente la velocità di deriva Richieste di ATLAS: perdita di gas < 1 mbar/giorno per camera; percentuale del gas costante Pressione di lavoro: 3 bar Variazione pressione: < 10 mbar Stabilità miscela gas: 0.25% per componente Impurezze: < 100 ppm Limite max fuga gas: bar·l/s·tubo (a 3 bar abs)

13 Ogni MDT ha un sistema che distribuisce il gas ai singoli tubi di deriva attraverso capillari che collegano le 2 estremità del tubo a 2 volumi (gas bar): uno dei volumi distribuisce il gas in ingresso, laltro raccoglie quello in uscita. Costruzione e test del sistema Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre PROGETTO INIZIALE: distribuzione parallela PROGETTO ATTUALE: distribuzione seriale

14 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre DISTRIBUZIONE SERIALE: utilizzo di jumper di connessione per la serie di 3 tubi

15 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Test di tenuta del sistema di distribuzione del gas TEST SOTTO VUOTO : fissaggio gas-bar su maschera collegamento allo spettrometro di massa che crea il vuoto nel sistema livello raggiungibile ~10 –6 mbar leggero flusso di elio sulle connessioni rilevazione presenza di elio nella gas-bar eliminazione di eventuali fughe di gas mediante sistemazione o sostituzione di parti

16 MANOMETRO DIFFERENZIALE misura in pressione ± 8 mbar sensibilità 1% segnale in uscita 4 ÷ 20 mA (conversione in pressione 1 mA per mbar) Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre MASSIMA CADUTA IN PRESSIONE CONSENTITA per una gas-bar 3 mbar/ora per una camera 1 mbar/giorno misura della differenza di pressione tra un volume di riferimento e la camera o gas-bar da testare TEST IN PRESSIONE :

17 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre I segnali del manometro e delle sonde di temperatura registrati su file e analizzati per monitorare la risposta del manometro nel tempo inviati ad una scheda di acquisizione e letti con un programma LabVIEW

18 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Equipaggiamento elettronica di front-end e test di alta tensione Alimentazione 3400 V I due lati degli MDT vengono equipaggiati con le schede di elettronica: Schede di lettura dei segnali (Read Out Side) Schede di distribuzione dellalta tensione (High Voltage Side) flussaggio della camera con la miscela di Argon e CO 2 Pressione di lavoro 3 bar Misura dispersione corrente LIMITI: 6 nA / tubo 1 A / camera

19 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Studio della risposta delle camere SITO DI TEST PER RAGGI COSMICI di ROMA TRE odoscopio a raggi cosmici permette il test simultaneo di 3 camere e garantisce unilluminazione uniforme misura coordinata lungo il tubo ampia copertura spaziale trigger con ottima risoluzione in tempo (1 ns) 3 piani di RPC ( Resistive Plate Chamber )

20 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Sistema di lettura della camera Il segnale prodotto dal passaggio di una particella in un tubo viene: LETTO E PROCESSATO da una scheda di front-end (mezzanino) collegata alla camera che contiene un chip ASD (Amplificatore, Shaper, Discriminatore) e un TDC per registrare il tempo di deriva. INVIATO tramite un adattatore al modulo CSM che distribusce clock e trigger, legge i dati e li trasmette alla CPU

21 Monitoraggio on-line degli MDT Controllo illuminazione camera: numero di conteggi per tubo per i 4 layer di ogni multilayer (forma dovuta ad effetti geometrici) Controllo informazioni temporali Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

22 max = t 1 - t 0 ~700ns t max = t 1 - t 0 ~700ns dipende dalle proprietà di drift della miscela t 1 fine della distribuzione t 0 inizio della distribuzione dei tempi (indipendente dalle caratteristiche di deriva del tubo) necessario per equalizzare il tempo misurato nei vari canali Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Spettro dei tempi

23 t MAX : dipende dalle proprietà di deriva del tubo Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Controllo delle prestazioni delle camere fit della distribuzione dei tempi degli hit per misurare il tempo di deriva massimo e minimo per ogni tubo Programma in linguaggio C realizzato per la ricostruzione e lanalisi delle performance delle camere MDT di ATLAS ANALISI DELLO SPETTRO DEI TEMPI Uniformità degli spettri di TDC per i tubi di una camera e confronto con altre camere Parametro fondamentale per il controllo delle prestazioni di una camera

24 RICOSTRUZIONE DELLE TRACCE Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Gli hit di un evento appartenenti ad ununica traccia vengono identificati con una procedura di PatternRecognition (PR) basata su informazioni geometriche degli hit e sullipotesi che questi siano allineati Si calcolano i parametri della migliore tangente agli hit selezionati nella fase di PR parametri calcolati, valori dei t 0, relazione r-t e risoluzione RICOSTRUZIONE TRACCIA

25 AUTOCALIBRAZIONE Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Per ottenere la risoluzione totale nella misura del tempo di deriva bisogna considerare il contributo dovuto allincertezza nella conoscenza della relazione spazio-tempo (r-t) tra la distanza di minimo approccio e il tempo di deriva. Autocalibrazione: metodo per il calcolo della relazione r-t senza bisogno di tracciatori esterni utilizza i dati raccolti durante il normale funzionamento del rivelatore Autocalibrazione con processo iterativo di minimizzazione dei residui in funzione dei tempi mediante correzioni della relazione iniziale

26 Procedura iterativa. Si fa un fit di traccia con le circonferenze di deriva ottenute con una relazione r-t di innesco. Si calcolano i residui. Dalla distribuzione dei residui si ricava il valore medio in bin. Il valor medio dei residui è la correzione alla r-t di innesco. Ad ogni iterazione le correzioni sono date dalla differenza media tra i cerchi di deriva e il punto di minimo approccio della retta tangente al cerchio Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre residuals (mm) time (ns) Valore medio dei residui nella banda Correzione alla r-t relation Traccia ricostruita Circonferenza di deriva residuo

27 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Studio della risposta delle camere presso larea di test-beam H8 del CERN Fascio di 10÷180 GeV MAGNETE Divergenza fascio ±0.14 rad BIL BOL BML MISURE: Autocalibrazione Efficienza Risoluzione Allineamento e tracciamento

28 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Prima analisi dei dati di H8: Studio degli spettri dei tempi per i diversi tipi di camere calcolo della relazione spazio-tempo distribuzione dei residui differenza delle relazioni r-t di due multilayer

29 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Risoluzione delle camere: Selezione di eventi buoni (unica traccia, 8 hits, buon 2 ). Determinata la traccia con 7 punti si calcola il residuo del tubo in questione e lerrore di estrapolazione. La larghezza della distribuzione dei residui è data da : r)= [Resolution(r)] 2 +[ (r)] 2 r)

30 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre r)= [Resolution(r)] 2 +[ (r)] 2

31 Conclusioni: Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre Nel laboratorio di Roma Tre è stato allestito un sistema di equipaggiamento e test delle camere di precisione dello spettrometro per muoni di ATLAS. sono stati realizzati sistemi per effettuare i test di tenuta del gas e di controllo dellalta tensione. le camere sono state acquisite mediante un odoscopio a raggi cosmici: durante lestate 2002 è stato effettuato un controllo delle camere su fascio di muoni di alta energia presso larea di test-beam H8 del CERN acquisizione simultanea per la prima volta di 3 camere Le misure effettuate al CERN con particelle di impulso elevato che attraversano più rivelatori, hanno permesso di integrare i risultati ottenuti in laboratorio, fornendo una risoluzione delle camere molto buona Validità delle tecniche costruttive e dei test di controllo e qualità messi a punto durante il lavoro di tesi


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