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Studio con raggi cosmici delle prestazioni delle camere a deriva MDT installate nell'esperimento ATLAS del Large Hadron Collider al CERN Pavia, 29 settembre.

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Presentazione sul tema: "Studio con raggi cosmici delle prestazioni delle camere a deriva MDT installate nell'esperimento ATLAS del Large Hadron Collider al CERN Pavia, 29 settembre."— Transcript della presentazione:

1 Studio con raggi cosmici delle prestazioni delle camere a deriva MDT installate nell'esperimento ATLAS del Large Hadron Collider al CERN Pavia, 29 settembre 2006 Tesi di Silvia Franchino Corso di laurea specialistica in S cienze Fisiche

2 Sommario: Esperimento Atlas Large Hadron Collider Camere a deriva MDT Descrizione dei test con raggi cosmici Analisi dei dati

3 Large Hadron Collider (LHC) GINEVRA collisionatore p-p 14 TeV 27Km CMS: Compact Muon Solenoid LHC-b: LHC-bottom ALICE: A Large Ion Collider Experiment CERN ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS

4 1) bosone di Higgs 2) verifica delle teorie SUSY 3) misure di precisione (Bottom, Top, SM) Higgs ( m H = 500 GeV ) ~ 1pb inel (pp) ~ 80mb s a livello dei costituenti ~ 1 TeV obiettivi di ricerca: Motivazioni e caratteristiche di LHC Luminosità (freq./ ) cm -2 s -1 tot 100mb H 1 pb

5 27Km ATLAS ALICE LHCb CMS LHC esperimento a targhetta fissa, fisica quark bottom LHC-b interazioni forti in collisioni di ioni Pb + Pb + ALICE 4 ESPERIMENTI: ricerca del bosone di Higgs studi di precisione su quark pesanti bottom e top nuova fisica ATLAS CMS esperimenti a carattere generale ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS CMS: Compact Muon Solenoid LHC-b: LHC-bottom ALICE: A Large Ion Collider Experiment

6 ATLAS calorimetri elettromagnetici calorimetri adronici Toroide in aria (4T) camere per muoni tracciatore centrale Solenoide (2T) Larghezza: 44 m Diametro: 24 m Peso: 7000 t

7 Atlas: alcune fasi della costruzione maggio 2004: caverna sperimentale installazione della prima bobina del magnete toroidale (25m*5m)

8 ottobre 2005: magnete toroidale

9 B Magnete toroidale in aria basso contributo dello scattering multiplo misure ad alta precisione "stand alone" necessario equipaggiare una grande superficie con camere ad alta precisione 1200 camere a deriva MDT ( Monitored Drift Tube) organizzate in tre stazioni di misura all'interno del campo magnetico toroidale camere di trigger RPC (Resistive Plate Chamber) Per lo studio del bosone di Higgs uno dei canali più facilmente identificabili è presenta una segnatura molto pulita e facilmente distinguibile dal fondo Spettrometro muonico ad alta precisione

10 Posizione definitiva delle camere visione trasversale di Atlas camere di trigger RPC : stessa struttura di supporto delle MDT, forniscono la misura della seconda coordinata Spettrometro muonico camere a deriva MDT : misura di precisione delle tracce dei muoni

11 +HV Il disegno NON è in scala MDT : Monitored Drift Tube gas: Ar-Co 2 (93:7) 3bar Guadagno: 2*10 4 V = 3080 V r = 1.5 cm regime di contatore proporzionale complesso sistema di monitoraggio di temperatura, campo magnetico ed allineamento per la correzione a posteriori delle tracce ricostruite PARAMETRI DI OPERAZIONE moltiplicazione a valanga μ

12 Camere a deriva (Drift) conoscendo la velocità di deriva degli elettroni nel gas misurando il tempo di raccolta degli elettroni sull'anodo si ricava la distanza di passaggio della particella dal filo possibilità di ricavare una misura di posizione tramite il tempo di deriva degli elettroni nel gas START: tempo di arrivo del segnale di trigger STOP: superamento della soglia del discriminatore da parte del segnale raccolto sull'anodo tempo di deriva misurato dal TDC (Tstart - Tstop) tempo di "start"

13 T TDC T 0 = ritardo introdotto dalla catena elettronica di lettura operazione da ripetere per ogni tubo che ha dato un segnale compatibile con il trigger T TDC = T deriva + T prop + T 0 T deriva = tempo di deriva della carica di ionizzazione nel gas r cerchio di deriva T prop = tempo di propagazione del segnale lungo il filo di anodo indeterminazione dovuta alla simmetria cilindrica dei tubi Procedura di ricostruzione delle tracce (1) spettro di TDC di un tubo: distribuzione dei tempi di deriva degli elettroni

14 Ricostruzione delle tracce in 3D: dal tempo di deriva si ricava un cilindro concentrico al tubo; Procedura di ricostruzione delle tracce in 2D (2) è necessaria la misura della seconda coordinata che viene fornita dai rivelatori di trigger (disposti perpendicolarmente ai tubi) Si esegue un fit di tutti gli anelli con una retta tangente anelli scartati dal fit, il cui segnale è dovuto a rumore elettronico

15 Lavoro di tesi Analisi dei risultati provenienti dalle camere sotto test Partecipazione alla presa dati per i test con raggi cosmici svolti al CERN nel periodo dicembre luglio 2006 nella sala sperimentale sotterranea ed ai test svolti in superficie Sviluppo di una procedura semiautomatica per individuare eventuali patologie nei segnali in uscita dalle camere

16 MDT Test di superficie Controllo dei parametri più significativi 1) tenuta del gas 2) rumore elettronico 3) integrità dei fili di anodo ultimo test prima dell'installazione. 4) sensori di temperatura ed allineamento 5) verifica dell'elettronica di lettura del segnale 6) corrente di perdita

17 Le camere sono calate nella caverna sperimentale ed installate nella posizione definitiva

18 Test con raggi cosmici scopo: verifica del funzionamento delle componenti hardware e del software di ricostruzione delle tracce 1) valutazione delle prestazioni delle camere dopo gli stress meccanici subiti durante il trasporto e l'installazione 2) individuazione di eventuali problemi da risolvere prima dell'inizio effettivo dell'esperimento viene svolto su tutte le camere che vengono installate nella posizione definitiva all'interno dello spettrometro I test sino ad ora effettuati sono stati svolti con assenza di campo magnetico

19 Test con raggi cosmici livello del suolo raggi cosmici Nel settore 13 sono state installate e connesse ai servizi le prime camere MDT ed RPC; queste, oltre ad essere state sottoposte ai test con raggi cosmici, sono state utilizzate come banco di prova per sviluppare i sistemi di acquisizione ed analisi dei dati. settore 13 visione trasversale di Atlas

20 Disposizione delle camere sotto test BML1A13BML2A13BML3A13 BOL1A13 BOL2A13 BOL3A13

21 Analisi dei risultati dati non elaboratidati ricostruiti spettro dei tempi (spettro di TDC) distribuzione della carica rilasciata dal muone (spettro di ADC) mappa di occupazione dei singoli tubi confronto tra dati acquisiti con qualità diversa del gas all'interno delle camere illuminazione delle camere qualità della procedura di ricostruzione presentazione grafica di alcuni eventi ricostruiti Gli studi effettuati sono stati svolti su un sistema in evoluzione: nei primi periodi di presa dati le camere non erano ancora connesse ai servizi definitivi. I dati raccolti, anche se con statistica limitata, hanno permesso di mettere a punto un sistema diagnostico per l'individuazione di eventuali anomalie presenti nei segnali in uscita dai rivelatori.

22 Distribuzione di carica (spettro di ADC) "piedistallo" dovuto al rumore dell'elettronica di lettura distribuzione di carica compatibile con una particella al minimo di ionizzazione curva di Landau valore proporzionale alla carica rilasciata dal muone all'interno del tubo

23 Distribuzione dei tempi (spettro di TDC) rumore con distribuzione uniforme dovuto all'elettronica t0t0 t MAX D

24 Mappa di occupazione dei tubi numero di tubo trigger di scintillatoritrigger di RPC trigger di scintillatori trigger di RPC camere BML camere BOL

25 Mappa di occupazione dei tubi trigger di RPC camere BOL_ layer1 camere BOL_ layer2 camere BOL_ layer3 numero di tubo tubi rumorosi assenza di segnale

26 Studio di rumore dei tubi spettro di TDC t< t 0 t > t MAX frequenza di rumore per tempi scorrelati dal segnale dovuto al passaggio di una particella frequenza di rumore per tubo layer_1_BML per ogni tubo: spettro di TDC di un tubo molto rumoroso conteggi di TDC

27 spettro di ADC con gas flussato spettro di ADC senza flussaggio del gas Confronto risultati ottenuti con e senza flussaggio del gas variazione della composizione e della pressione della miscela di gas Le prestazione delle camere MDT sono fortemente condizionate dalle condizioni del gas

28 Confronto risultati ottenuti con e senza flussaggio del gas gas flussato gas non flussato Spettro di TDC

29 Esempio di diagnostica, patologie riscontrate: 1 ) picco spurio correlato negli spettri di ADC e di TDC; spettro di ADC spettro di TDC TDC ADC 2) Presenza di rumore correlato tra i canali di lettura dovuto ad un'errata inizializzazione dell'elettronica di lettura spettro di TDC di un tubo rispetto allo spettro del tubo adiacente dovuto alla presenza di alcuni cavi scollagati che generano un effetto antenna

30 Distribuzione angolare delle tracce ricostruite cot (theta) le tracce ricostruite sono per la maggior parte perpendicolari alle camere testate; compatibile con la geometria del sistema e le finestre di accettanza dei raggi cosmici

31 Numero di tracce per evento dati non elaborati dati ricostruiti lunga coda dovuta ai tubi rumorosi picco a 12 perchè ci sono 2 camere sovrapposte con 6 strati di tubi ciascuna numero di hit per evento numero di hit per traccia (2 camere sovrapposte) numero di tubi con segnale

32 Event Display (ATLANTIS)

33 run combinato RPC-MDTrun combinato RPC-MDT- calorimetro adronico Event Display (PERSINT)

34 Conclusioni: Sono state testate le prime 6 camere MDT e 9 RPC nelle loro posizioni definitive all'interno di uno dei settori dello spettrometro. Nonostante la bassa statistica di raccolta dei dati, sono stati ottenuti ottimi risultati: si sono potuti sviluppare dei sistemi diagnostici per analizzare i rivelatori in maniera rapida ed efficiente, ed individuare eventuali patologie da risolvere prima dell'inizio dell'esperimento. Queste camere sono state utilizzate come banco di prova per testare tutte le componenti hardware e software dei rivelatori e per acquisire esperienza nell'elaborazione dei dati combinati tra diversi tipi di camere. Grazie alle procedure sviluppate, i test con raggi cosmici saranno estesi rapidamente su tutte le camere che si stanno installando; date le grandi dimensioni dell'esperimento ed il gran numero di canali di lettura, la procedura semiautomatica sviluppata sarà di grande utilità.

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37 Produzione dell'Higgs

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40 B

41 Large Hadron Collider (LHC) LEP (2000) --> LHC (2007) collisionatore p-p 14TeV visione aerea del CERN a Ginevra e del tracciato del tunnel che ospita LHC

42 camere di trigger RPC tubi MDT Studio di illuminazione delle camere sotto test

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52 Principi di funzionamento rivelatori cilindrici a gas diversi regini di operazione in base alla tensione applicata camera a ionizzazione contatore proporzionale zona a limitata proporzionalità contatore Geiger-Muller

53 Perchè geometria cilindrica?

54 Mappa di occupazione dei tubi dati grezzi dati ricostruiti

55 Spettrometro muonico µ con p T =1TeV s 600 µm Requisiti prestazionali: alta risoluzione in massa e momento trasverso p T /p T ~ 1% per p T = 100 GeV (H µ + µ - µ + µ - ) p T /p T ~ 10% per p T = 1 TeV (Z' µ + µ - ) p T /p T ~ p [GeV] S = 60 µm Sistematiche al livello di ~ 10 µm Misura del momento: p T [GeV] m 0.6 s

56 LHC: caratteristiche Parametri operativi Fascip-p Circonferenza (km)26.66 Energia C.M. (TeV)14 Numero pacchetti2835 Particelle x pacchetto Intervallo collisioni (ns)25 Freq. collisioni (MHz)40 Luminosità (cm -2 s 1 )10 34


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