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Candidato : Giordano CATTANI Lesperimento ATLAS al collisore LHC del CERN: commissioning dei rivelatori RPCs con i raggi cosmici e studi Monte Carlo di.

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Presentazione sul tema: "Candidato : Giordano CATTANI Lesperimento ATLAS al collisore LHC del CERN: commissioning dei rivelatori RPCs con i raggi cosmici e studi Monte Carlo di."— Transcript della presentazione:

1 Candidato : Giordano CATTANI Lesperimento ATLAS al collisore LHC del CERN: commissioning dei rivelatori RPCs con i raggi cosmici e studi Monte Carlo di eventi supersimmetrici nel modello mSUGRA A.A Università degli Studi di Roma Tor Vergata Facoltà di Scienze Relatore : Prof.ssa Anna DI CIACCIO Contro-Relatore : Prof.ssa Annalisa DANGELO Laurea Magistrale in Fisica Lesperimento ATLAS al collisore LHC del CERN: commissioning dei rivelatori RPCs con i raggi cosmici e studi Monte Carlo di eventi supersimmetrici nel modello mSUGRA CERN - ATLAS Control Room 2 Ottobre 2007 P1 technical run

2 Argomenti trattati nella Tesi: Lesperimento ATLAS Ruolo delle camere RPC in ATLAS Test delle funzionalità dei rivelatori RPC ( Commissioning ) nella caverna di ATLAS con dati acquisiti con un trigger di raggi cosmici Studio della risoluzione spaziale degli RPC con le tracce ricostruite nello spettrometro a muoni Studio di fattibilità del decadimento nel modello supersimmetrico mSUGRA

3 Il Large Hadron Collider (LHC) Energia dei fasci 7 TeV Separazione tra i pacchetti 25 ns Paricelle/Pacchetto 1.15 ·10 11 Dipoli 1232, 15 m, 8.33T, T=1.9 K Energia fasci 362 MJ/Beam Collisore p – p Circonferenza di ~ 27 Km Energia nel CdM.: s = 14 TeV Luminosità: L= cm -2 s -1 Prime collisioni nellestate 08

4 Lesperimento ATLAS Diametro 25 m Lunghezza regione centrale 26 m Distanza tra le due Big-Wheel 46 m Massa 7000 T Il tracciatore interno Il sistema calorimetrico Lo spettrometro a muoni Pixel (~ 140M) Microstrip di silicio (SCT) (~ 6M) Tracciatori a transizione di radiazione (TRT) (~ 370k) campo magnetico solenoidale di ~ 2T tracciamento e b-tagging Centrale: EM: Pb + LAr HAD: Fe + Mat.Plast. Terminale: EM + HAD: LAr 3 magneti + 4 tipi di camere: MDT + CSC: misura sagitta RPC + TGC: LVL-1 Trigger Risoluzione: 2-3% per di GeV; 10% per fino ad 1 TeV ATLAS ed il building 40 al CERN (5 piani di edificio!!)

5 B~0.5T z y S z y z y Lo spettrometro a nella regione centrale (barrel) Small Large Vista BML BOL BOS BMS Vista 12 torri: 6 lato A (z > 0) 6 lato C (z < 0) 4 A A 576 camere RPC – 360k canali di lettura 26 unità di diversa tipologia Superficie Totale ~ 8000 m 2 (superficie di un campo di calcio) 56 BO BM BI BIS BIL Deflessione dei principalmente in vista curvati dal campo magnetico toroidale x, z, y Camere MDT – tracciamento in vista – m 2 stazioni con RPC ed MDT: BMS, BOS, BML, BOL B = Barrel M = Medium: 2 piani RPC O = Outer: 1 piano RPC S = Small: nelle bobine L = Large: tra le bobine 1 con solo MDT: BIL, BIS I = Inner Camere RPC – trigger LVL – 1 + misura della coordinata in vista 16 settori (8 Small + 8 Large) 3 stazioni per settore y

6 Grounded plane Bakelite Plates Foam Graphite electrodes X readout strips HV Y readout strips Gas Polycarbonate spacer Le camere RPC di ATLAS HV ~ 9.8 kV E gas ~ 5 kV/mm bachelite ~ cm d = 2 mm Elettrodi per HV di grafite ~ 200 m Superfici interne trattate con olio di lino Strisce (Strip) di lettura X e Y in rame, dimensione tipica 30 mm Gas: C 2 H 2 F % - C 4 H 10 6% - SF6 0.5% Risoluzione spaziale e temporale ~ 1 cm x 1 ns Possibilità di sostenere un elevato flusso di particelle: Φ ~1kHz Basso costo di produzione Usate come camere di trigger di LVL – 1 in ATLAS Consente di misurare la posizione nella coordinata ( ) ortogonale a quella di curvatura dei ( ) Singola unità di sinistra Singola unità di destra Le due unità si sovrappongono per aumentare laccettanza

7 Event Display di raggi cosmici

8 Software + Set di dati Preparazione dei dati (ROOTple) in ATHENA, il software dellesperimento ATLAS: basato sulluso di packages (scritti in linguaggio C++) la selezione dei packages e delle loro impostazioni tramite file job option (Python) Analisi compiuta in ambiente ROOT/C Sono stati analizzati i dati acquisiti con trigger di raggi cosmici in 4 settori per un totale di 144 camere e 2304 pannelli

9 Hit e cluster Il segnale indotto su ciascuna strip e letto dallelettronica di front end, definito hit, è analizzato usando le informazioni contenute nella ROOTpla: la posizione di ciascun hit il numero identificativo della strip che ha prodotto lhit hits Elettronica di front end e di trigger installata su una camera RPC clusters Un cluster è un gruppo di strip associate secondo una certa logica: un cluster è definito come un gruppo di strip adiacenti accese allo stesso tempo o entro una finestra di 15 ns; il tempo associato al cluster viene scelto come il tempo associato al primo impulso; a ciascun cluster viene associata una dimensione, definita come il numero di strisce utilizzate per costruire il cluster ( cluster size ); la posizione associata al cluster è fornita dal baricentro delle strip che lo costituiscono. per una stessa strip solo il primo segnale indotto viene considerato, in modo da tagliare via gli impulsi secondari indotti a tempi superiori; Cluster di dimensione 2 Cluster di dimensione 1

10 Studi con gli hit x, z, y Settore 5, camere BOL, vista Settore 8, camere BOS, vista Strip Numero vs. posizione Strisce non attive Test delle strisce attive e del cablaggio

11 Studi con gli hit Settore 8, pannelli BOS vista, torre 2 Settore 5, pannelli BML vista, torre 3 Correlazione piani di lettura sovrapposti Settore 5, pannelli BOL vista, torre 5 Settore 4, pannelli BML vista, torre -2 Ly 1 Ly 2 Sett. 4, Torre -5, BML (32) Sett. 7, Torre 2, BML (32) Sett. 5, Torre 3, BML (64) Sett. 5, Torre 4, BML (80) Sett. 8, Torre 2, BML (64) Sett. 5, Torre 5, BOL (32) Dopo le correzioni

12 Tipici studi con i cluster Dimensione dei cluster per un pannello BOL, vista, settore 5, torre V Dimensione dei cluster vs. HV Pannello BOL Settore 5 media ~ 1.2 Settore 5 Settore 4 Studi di Cluster Size: Distribuzioni di Cluster Size Studi di Cluster Size vs. HV Studi di Cluster Size in ogni torre ~ 1.3 CS vs. HV CS vs. pannello Distribuzione di Cluster Size

13 Utile nel comprendere casi particolari e nellindividuare i criteri di selezione migliori BIL BML BOL Camere MDT Camere RPC Hit MDT Hit RPC - gasgap = 1 Hit RPC - gasgap = 2 Le tracce ricostruite: MOORE ed il display degli eventi Sono usate le tracce ricostruite dal pacchetto MOORE Sono stati usati i seguenti parametri: Il perigeo (x, y, z) Langolo della traccia in vista BML BOL Un cosmico attraversa le camere RPC. ATLANTIS Settore 5 Segmenti MDT Hit RPC

14 La selezione degli eventi Taglio# Eventi% Nessuno Eventi con tracce Eventi con 1 traccia χ 2 /dof< <# di Cluster< Hit RPC in > No eventi multitraccia χ 2 /dof < 5 2 < # di Cluster < 20 Hit RPC in > 1 Settore 5 Settore 4Settore 5 Taglio# Eventi% Nessuno Eventi con tracce Eventi con 1 traccia χ 2 /dof< <# di Cluster< Hit RPC in > Settore 5 Settore 4 Per condurre lo studio della risoluzione spaziale è stata attuata una selezione del campione di dati a disposizione secondo i seguenti criteri: Cosmic Ray Bundle Fake Trigger Eventi multitraccia

15 Residui e risoluzione spaziale Residui in vista Correlazione tra la coordinata z del punto di estrapolazione della traccia al piano di lettura RPC e coordinata z dei cluster RPC σ fit ~ 10 mm NO selezione della dimensione dei cluster NO allineamento BOL Torre 1 Settore 5 Piano di lettura vista Cluster Size = 2 Cluster Size = 1 Residuo = z clusterRPC – z tracciaMDT Normalizzate alla stessa area Coordianta traccia Coordinata Cluster

16 Cluster RPC – tracce ricostruite ~ 30 mm Residui in vista Dimensioni cluster = 1 Residui in vista Dimensioni cluster = 1 Settore 5 Lelevata precisione nel tracciamento delle camere MDT permette di riprodurre la larghezza delle strisce RPC Il solo tracciamento RPC in vista determina una distribuzione più stretta con un picco evidente 2x4 strati di tubi a drift MDT 2x3 strati di MDT 2x3 strati di MDT 2 strati di RPC 2 strati di RPC 2 strati di RPC

17 Cluster RPC – tracce ricostruite Settore 4 Settore 5 Estrapolazione delle tracce al livello della superficie Settore 7/8 Posizione Y strip vs. Posizione X strip

18 Efficienza delle camere RPC Esclusione delle camere che rientrano nella configurazione di trigger. Estrapolazione della traccia in vista, ottenendo una lista di coordinate x – y determinazione della coordinata z estrapolando la traccia in vista associazione tra posizione geometrica di ciascun punto ed un numero identificativo del pannello di lettura determinazione del residuo di ogni cluster della traccia: se il residuo cade allinterno di una finestra di accettanza predefinita allora il pannello viene ritenuto efficiente È stato elaborato un algoritmo che permette di calcolare lefficienza delle camere RPC nella vista in maniera indipendente dal rivelatore stesso Entries Efficency Settore 5, BOL vista Settore 13 Roma2 Group Camera BOL Efficienza vs. HV

19 Settore 5 Settore 4 Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei muoni – residui vs. z estrapolata 123 A A C Settore 4

20 Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei muoni – spiegazione Residuo = z cluster – z traccia Posizione Reale : quota alla quale i piani di lettura RPC sono collocati nello spettrometro Posizione Geometrica : quota alla quale la descrizione geometrica dellapparato, in ATHENA, pone i piani di lettura RPC Settore 4 Y Z 123

21 Studio del processo supersimmetrico a s = 14 TeV Oltre al lavoro di commissioning mi sono dedicato, parallelamente, allo studio di fattibilità di un canale di fisica previsto dal modello supersimmetrico mSUGRA

22 Supersimmetria - MSSM 16 GeV Il Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) è lestensione minimale al Modello Standard che consente di realizzare la supersimmetria: ad ogni bosone (fermione) è associato un partner fermionico (bosonico) Consente di colmare i limiti del Modello Standard, tra cui: elimina le divergenze quadratiche nelle correzioni ad 1-loop alla massa dellHiggs consente la convergenza delle costanti di accoppiamento delle tre interazioni fondamentali (esclusa la Gravità) fornisce un candidato per la Materia Oscura

23 Supersimmetria - mSUGRA ParametroDescrizione m0m0 Massa delle particelle scalari (GeV) m 1/2 Massa delle particelle fermioniche (GeV) A0A0 Termine trilineare comune tan Rapporto tra i VEV dei bosoni di Higgs sign( ) Segno del superpotenziale nel settore di Higgs La Lagrangiana del MSSM contiene 105 parametri liberi. In mSUGRA il loro numero si riduce a 5 In mSUGRA: La R-Parità è conservata: R = (-1) 3(B – L) + 2s Le particelle SUSY sono prodotte in coppie La particella SUSY più leggera (LSP), con R = - 1, è stabile La LSP è il Neutralino 1 0, buon candidato per la composizione della Materia Oscura Per consentire la rottura spontanea della supersimmetria (SSB) è necessario connettere il settore nascosto, nel quale la rottura si verifica, con il settore visibile. Per fare ciò si estende lMSSM con un campo messaggero che connette i due settori. In mSUGRA il campo messaggero è il campo gravitazionale. l q q l g ~ q ~ l ~ ~ ~ p p LSP

24 e scelta del punto nello spazio dei parametri mSUGRA WMAP 0.09

25 Studio con il generatore Monte Carlo Herwig v ISAJET v ISASUGRA (masse particelle SUSY + BR) Analisi in ambiente ROOT/C++ Decadimento del 2 0 solo radiativo 5000 eventi generati p T 1 0 Topologia simile per il decadimento 1 0 G del modello GMSB. Studiato in ATLAS. p T con p T > 20 GeV permette di discriminare bene il segnale dal fondo E T miss > 100 GeV SUSY CSC Note – 8 Picco a ~ 50 GeV ~ m( 2 0 ) - m( 1 0 )

26 Conclusioni Lanalisi dei dati di raggi cosmici acquisiti nella caverna di ATLAS ha permesso di evidenziare e risolvere problemi di varia natura (inversione del cablaggio, canali di elettronica non funzionanti o rumorosi etc ) delle camere RPC installate in 4 settori dello spettrometro a muoni. Lo studio delle tracce ricostruite ha permesso inoltre di studiare: la risoluzione spaziale delle camere RPC che troviamo compatibile con quella aspettata: σ = d/12 ~ 10 mm le correlazione tra la coordinata della traccia ottenuta con il rivelatore di precisione MDT e la sua estrapolazione al piano di lettura RPC un metodo per il calcolo dellefficienza delle camere RPC (indipendente da esse) in vista ( importante per la calibrazione del rivelatore in fase di presa dati) È stato inoltre studiato con il Monte Carlo HERWIG il decadimento allenergia nel centro di massa di LHC nel contesto del modello supersimmetrico mSUGRA e confrontato con lo studio del decadimento di segnatura analoga 1 0 G analogo previsto dal modello GMSB.

27 Backup

28 Lesperimento ATLAS Diametero 25 m Lunghezza regione centrale 26 m Distanza tra le due Big-Wheel 46 m Massa 7000 T Il tracciatore interno Il sistema calorimetrico Lo spettrometro a muoni Pixel (~ 140M) Microstrip di silicio (SCT) (~ 6M) Tracciatori a transizione di radiazione (TRT) (~ 370k) campo magnetico solenoidale di ~ 2T tracciamento e b-tagging Centrale: EM: Pb + LAr HAD: Fe + Mat.Plast. Terminale: EM + HAD: LAr 3 magneti + 4 tipi di camere: MDT + CSC: misura sagitta RPC + TGC: LVL-1 Trigger Risoluzione: 2-3% per di GeV; 10% per fino ad 1 TeV ATLAS ed il building 40 al CERN (5 piani di edificio!!)

29 Trigger di LVL – 1 nello spettrometro a nella regione del barrel Segnale sul piano Pivot Finestra di coincidenza Piano RPC di Pivot Piano RPC di conferma (Confirm) per trigger di High-Pt > 20GeV Piano RPC di conferma (Confirm) per trigger di Low-Pt > 6 GeV Opera in entrambe le viste e Identifica il singolo pacchetto (ogni 25 ns) Le soglie in p T sono programmabili p T infinito

30 Cluster RPC – tracce ricostruite ~ 30 mm Residui in vista Dimensioni cluster = 1 Residui in vista Dimensioni cluster = 1 Settore 5 Lelevata precisione nel tracciamento delle camere MDT permette di riprodurre la larghezza delle strisce RPC Il solo tracciamento RPC in vista determina una distribuzione più stretta con un picco evidente

31 Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei muoni – spiegazione Osservando una camera RPC dal lato HV e RO i piani di lettura sono disposti come in figura Come sono descritte le camere nella geometria in ATHENA Come sono montate le camere nello spettrometro


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