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TRACCIAMENTO E STUDI DI RISOLUZIONE SU CAMERE MDT DELLESPERIMENTO ATLAS Candidato: Daniele Capriotti Relatori: prof. Filippo Ceradini dott. Mauro Iodice.

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1 TRACCIAMENTO E STUDI DI RISOLUZIONE SU CAMERE MDT DELLESPERIMENTO ATLAS Candidato: Daniele Capriotti Relatori: prof. Filippo Ceradini dott. Mauro Iodice dott. Mauro Iodice Corso di laurea triennale in fisica 21 Settembre 2005

2 SOMMARIO Il rivelatore Atlas al Large Hadron Collider Le camere MDT dello spettrometro a muoni Il sito di test a Roma Tre Analisi delle performance della camera: spettro dei tempi di deriva tracciamento autocalibrazione risoluzione Analisi delle performance con due camere simultaneamente : allineamento studi di risoluzione Conclusioni

3 Programma di LHC verifica dellesistenza del bosone di Higgs con 110 GeV < m H < 1 TeV per tale intervallo di massa, la sezione durto di produzione è compresa tra 50 pb e 0.1 pb per avere la frequenza di produzione necessaria alla rivelazione, lacceleratore deve avere una alta luminosità in molti canali di decadimento del bosone di Higgs si producono muoni la risoluzione sullimpulso dei muoni del 3 % richiede una precisione nel tracciamento inferiore a 100 μm per determinare la massa dellHiggs è necessaria una ottima risoluzione nella misura dellimpulso dei muoni

4 Large Hadron Collider (LHC) collisioni protone-protone circonferenza di 27 chilometri campo magnetico curvante 8.5 T energia dei fasci 7 TeV frequenza dincrocio 40 MHz protoni in ogni pacchetto luminosità cm -2 s -1

5 A Toroidal Lhc ApparatuS (ATLAS) Electromagnetic Calorimeter Inner tracker Hadronic Calorimeter Muon Detectors End Cap Toroid Barrel Toroid

6 Tracciatore interno campo magnetico (2 T) per le misure di carica e posizione lunghezza di 6.8 m e raggio di 1.15 m misura della posizione delle particelle attraverso rivelatori: SCT (precisione di 13 μm) e TRT (precisione di 170 μm)

7 Calorimetro elettromagnetico Calorimetro adronico produzione di sciami elettromagnetici misura lenergia di elettroni, positroni e fotoni segmentazione una misura della posizione strati di Piombo spessi 1.5 mm separati tra loro di 4 mm da Argon liquido produzione di sciami adronici misura lenergia degli adroni piastre di Ferro alternate a scintillatori misura lenergia mancante (neutrini)

8 Spettrometro per muoni misura limpulso dei muoni campo magnetico toroidale in aria di 0.5 T 3 stazioni di camere dedicate al trigger dei muoni (RPC nella regione barrel e TGC in quella di end-cap), che selezionano eventi con impulso tra 6 GeV e 1 TeV. Consentono una misura della coordinata azimutale 3 camere dedicate alla misura della traiettoria (MDT nel barrel e nellend-cap e CSC solo nellend-cap) Invecchiamento maggiore nella regione dellend-cap

9 Le camere MDT dello spettrometro per muoni misurano la traiettoria seguita dai muoni sono camere a tubi a deriva e lavorano in regime proporzionale tubi in Alluminio con un raggio di 1.5 cm miscela di Argon (93 %) e CO 2 (7%) ad una pressione di 3 bar 2 multilayer per ogni camera, per un totale di 288 tubi per le camere BIL. scheda di front-end ogni 4x6 tubi deriva degli elettroni, prodotti dalla ionizzazione del gas, verso il centro del tubo filo anodico al centro dei tubi ad una tensione di 3080 V (guadagno di )

10 Il sito di test a Roma Tre Lodoscopio presente permette di analizzare la traiettoria di raggi cosmici, mediate lutilizzo di una o più camere MDT. Lodoscopio è formato da 3 piani di Resitive Plate Chambers (RPC). Tali camere forniscono: il trigger della traccia con una risoluzione temporale di 1.5 ns una suddivisione dellodoscopio in 6 zone (dette torri di trigger) indipendenti luna dallaltra. una selezione delle tracce in un certo intervallo angolare strato di Piombo: blocca particelle con p < 150 MeV/c traccia selezionata dal trigger traccia non selezionata dal trigger

11 Analisi dello spettro dei tempi le camere RPC forniscono un segnale di start corrispondente al passaggio del muone nellodoscopio gli elettroni che raggiungono il filo producono un segnale di stop del conteggio definiamo t 0 il tempo di deriva relativo ad una traccia passante in prossimità del filo e t max quello relativo ad una traccia vicino la parete del tubo per ogni tubo viene calcolato lo spettro dei tempi di deriva il fit dello spettro viene eseguito con la seguente funzione empirica: P 1 : livello di rumore P 5 : valore del t 0 P 6 : valore di t max P 4,P 7, P 8 definiscono la forma della curva

12 Analisi dello spettro dei tempi t 0 dipende dai ritardi dellelettronica e dei cavi il valore di t tot = t max – t 0 dipende solo dalla deriva degli elettroni nel gas Studio dei t 0 cavi e tempi di propagazione differenti per ogni torre di trigger allineamento del t 0 per ogni settore: analisi di una torre di trigger alla volta differenze di t 0 per ogni castelletto rispetto ad uno scelto come riferimento il valor medio è la correzione per ogni settore

13 Tracciamento individuazione delle liste di tubi appartenenti ad un evento (pattern recognition) tracce rettilinee in un dato intervallo angolare fit lineare tangente ai raggi di deriva minimizzando il χ 2. La relazione r-t converte i tempi di deriva in raggi una relazione approssimata può essere ricavata usando lo spettro dei tempi di deriva nel caso di illuminazione ed efficienza uniforme: utilizzando un processo iterativo di minimizzazione dei residui (autocalibrazione)

14 Autocalibrazione della camera processo iterativo: si inizia con una relazione r-t di innesco, per convertire i tempi in raggi. fit lineare dei raggi per ricavare il parametro dimpatto residuo: differenza tra il parametro dimpatto e il raggio di deriva tale valore si utilizza come correzione alla r-t del passo precedente Il processo si arresta quando i residui sono dellordine di qualche micron. relazione r-tresidui al variare delle iterazioni

15 Risoluzione della camera si calcola attraverso un secondo processo iterativo traccia passante per 7 hit, escludendo il tubo del quale voglio stimare la risoluzione ottengo una distribuzione dei residui in funzione del tubo escluso per ogni intervallo stimo σ e ricavo la risoluzione risoluzione di un multilayer in funzione del raggio peggioramento della risoluzione vicino al filo: distanza tra i cluster alta velocità di deriva

16 Risoluzione della camera La distribuzione e la probabilità del χ 2 indicano una stima errata della risoluzione: nel sito di test sono presenti dei contributi che peggiorano la risoluzione stimati: lo scattering multiplo dei muoni e le fluttuazioni del tempo di trigger i raggi cosmici analizzati hanno un vasto intervallo di energie Viene presentato un metodo che consente una stima della risoluzione dove i contributi dello scattering multiplo e delle fluttuazioni del tempo di trigger sono ridotti, attraverso limpiego di 2 CAMERE SIMULTANEAMENTE. Confronto tra la risoluzione nel nostro laboratorio e quella calcolata al test-beam, con muoni di alta energia (180 GeV/c) La risoluzione al test-beam è nettamente migliore.

17 Analisi con due camere Il metodo proposto consente di selezionare eventi del campione di dati. TALI CONTRIBUTI PEGGIORANO LA RISOLUZIONE E SONO INDIPENDENTI DALLA RISOLUZIONE INTRINSECA DELLE CAMERE MDT I raggi cosmici analizzati, infatti, hanno un ampio intervallo di energie e quindi è presente una forte componente a basso impulso che subisce scattering multiplo. Sono inoltre presenti delle fluttuazioni sul tempo di trigger. Tracciamento effettuato separatamente sulle due camere, che produce i coefficienti angolari a 1 e a 2, i valori dellintercetta b 1 e b 2 e due valori del χ 2

18 Allineamento geometrico Camera 1 Camera 2 y z ROTAZIONI ATTORNO ALLASSE DEI TUBI senza allineamentocon allineamento Il valore delle differenze tra i coefficienti angolari fornisce direttamente langolo di rotazione attorno lasse dei tubi. Tale valore è di 54 μrad

19 Allineamento geometrico ROTAZIONI ATTORNO ALLASSE DEI TUBI senza allineamentocon allineamento Camera 1 y z Camera 2 TRASLAZIONE LUNGO LASSE z stimando la differenza di intercette si ottiene il valore della distanza relativa lungo lasse z. Il valore stimato è –26.74 mm

20 Allineamento geometrico ROTAZIONI ATTORNO ALLASSE DEI TUBI TRASLAZIONE LUNGO LASSE z senza allineamentocon allineamento y z Camera 1 Camera 2 TRASLAZIONE LUNGO LASSE y Definisco Δy = Δb/a Δb = a Δy Il valore del coefficiente angolare nel plot Δb vs a è il valore Δy

21 Risoluzione con due camere il tracciamento sulle due camere produce due diversi valori di χ 2 relativi alla camera 1 e alla camera 2 calcolo la risoluzione sulla camera 1 tagliando eventi con un valore di χ 2 (della camera 2) superiore ad una soglia arbitraria Confronto tra distribuzione e probabilità di χ 2 risoluzione al variare dei tagli in χ 2 senza tagli taglio in χ 2 a 4.5 la risoluzione migliora al variare dei tagli in χ 2 sulla seconda camera il taglio in χ 2 avviene in maniera indipendente sulle due camere cè accordo tra distribuzione teorica e sperimentale la risoluzione stimata è rappresentativa del campione di dati analizzato

22 CONCLUSIONI Il sito di test consente di studiare il funzionamento delle camere MDT nel tracciamento di raggi cosmici Lanalisi delle camere MDT viene effettuata attraverso un programma (calib) che consente di ricavare lo spettro dei tempi di deriva, la relazione tra tempi e raggi e la risoluzione spaziale della camera la risoluzione stimata non rappresenta gli eventi analizzati: è presente una forte componente di raggi cosmici con tracce mal ricostruite, dovuta a fluttuazioni del tempo di trigger e allo scattering multiplo di muoni lenti selezione del campione di cosmici con 2 CAMERE SIMULTANEAMENTE: allineamento studio della risoluzione al variare dei tagli in χ 2 indipendentemente su una delle due camere la risoluzione stimata migliora al variare dei tagli in χ 2 e rappresenta gli eventi analizzati


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