Comportamento di un modulo “Silicon Strip Detector” dell'esperimento Alice: simulazione e prove con particelle minimo ionizzanti Federica Benedosso Trieste, 10 novembre 2003

Sommario La fisica di Alice Il rivelatore Alice Il programma di simulazione e risultati Test sotto fascio e analisi dei dati raccolti Confronto tra i dati della simulazione e quelli sperimentali Calibrazione dei parametri della simulazione

La fisica: diagramma di fase QGP presente subito dopo il Big Bang Deconfinamento di quark e gluoni Ripristino della simmetria chirale Scompare con il raffreddamento Attualmente presente nelle stelle di neutroni? (bassa temperatura, alta densità) Esperimenti mirano a riprodurre alte temperature

La fisica: evidenze del QGP Collisioni Pb-Pb per produrre QGP 5 TeV per nucleone nel centro di massa 2x104 particelle per evento Segnature della QGP Riduzione nella produzione di J/Y Aumento coppie elettroniche Aumento della stranezza STAR @ BNL AuAu 200 GeV per nucleone NA49 @ CERN PbPb bersaglio fisso 150 GeV per nucleone Inizio presa dati: 2007 prove p-p prove p-Pb prove Pb-Pb

Il rivelatore Alice @ LHC Due componenti principali: Parte centrale per lo studio dei segnali adronici ed elettronici Magnete TPC ITS Altri rivelatori Uno spettrometro muonico per lo studio dei quark nella materia densa

Sistema di tracciamento interno ITS Ricostruzione vertici primari e secondari Tracciamento particelle basso impulso Tecnologia al silicio 6 layer 2 SPD (interni) 2 SDD (intermedi) 2 SSD (esterni)

Silicon Strip Detector Occupa gli strati più esterni dell'ITS, r=40cm(748 moduli) e r=45cm (950 moduli) Area=73x40mm², W=300mm 768 strip per lato, passo 95mm, angolo stereo di 35 mrad Risoluzione: 15mm (x) e 700mm (y) Lettura effettuata da 12 chip, ciascuno collegato a 128 strip. Gli ADC convertono la carica in numero Chip di lettura e ibrido x modulo y Microcavi

Efficienza di ricostruzione Angolo stereo piccolo Risoluzioni molto diverse (15 mm e 700mm) Riduzione del numero di ghost (utile per la molteplicità) Lettura solo su due lati true ghost

Il programma di simulazione AliRoot è il framework per la simulazione, la ricostruzione e l'analisi dei dati di Alice. Integra passaggi compiuti da programmi diversi Produzione dell'evento fisico Trasporto attraverso i rivelatori (Geant) e produzione degli hit (informazione che ingloba posizione e energia rilasciata) GEOMETRIA Simulazione della risposta (digitizzazione) GEOMETRIA Ricostruzione di punti e tracce GEOMETRIA In ogni passaggio la geometria è fondamentale

Geometria per il beam test Scopo: calibrare la risposta del rivelatore SSD utilizzando i dati dei beam test Condizioni della simulazione il più possibile realistiche Un solo modulo SSD (oppure un telescopio) Fascio di p a 7 GeV/c Per introdurre una geometria appropriata, due alternative: Scrivere programma isolato (Geant) Utilizzare AliRoot Grazie alla struttura object-oriented, gli algoritmi di simulazione, di digitizzazione e di ricostruzione non richiedono modifiche

Simulazione della risposta 1/2 Conoscendo gli hit si ricostruisce quale strip viene attivata e con quale segnale Perdita di energia "quasi" continua e produzione coppie elettrone/lacuna Le coppie migrano verso le strip con distribuzione gaussiana Al segnale viene sommato un rumore gaussiano

Simulazione della risposta 2/2 Accoppiamenti capacitivi: a ciascuna strip viene aggiunta una frazione del segnale della strip precedente e di quella seguente Conversione in canali ADC Vengono scritti su disco solo i valori che superano una certa soglia Ogni particella attiva più strip (distribuzione di carica, rumore, accoppiamenti). L'insieme delle strip attivate dalla stessa particella forma il cluster

Risultati della simulazione Segnale sulle strip Dimensione dei cluster Segnale sui cluster Rumore Attivate 2 strip Cluster di 1 strip P Picco principale P P N N N

Prove sotto fascio 10000 particelle/minuto fascio pulsato (3 burst/min) 250 eventi/minuto raccolti da 5000 a 20000 ev/run 163 run con modulo singolo 231 run con telescopio Configurazione de trigger Misure effettuate al Cern con fascio di p a 7 GeV/c (minimo ionizzanti) dal PS Studio della risposta dei moduli: rumore, alimentazione, scansione della superficie, tracciamento Prove con moduli singoli e telescopio Sviluppo di un programma di analisi specifico

Il programma di analisi

Run di rumore: calcolo del piedestallo I run di rumore servono per conoscere il fondo e analizzare poi il segnale Per ciascuna strip, il piedestallo è la media sugli eventi della carica Per escudere segnali elevati (dovuti al passaggio di particelle) si utilizzano soglie arbitrarie (piedestallo=0, s=50) Una strip che produca sistematicamente segnali sopra soglia viene segnalata come non funzionante Il calcolo viene iterato usando come soglie il piedestallo e la deviazione standard trovate precedentemente Il piedestallo viene sottratto strip per strip ed evento per evento Prima Dopo Lato P Lato N Strip non funzionanti

Run di rumore: common mode Il common mode è una variazione di offset legato al chip di lettura Si calcola mediando, evento per evento, il segnale delle 128 strip lette dallo stesso chip Dopo: ora è il RUMORE Prima ??? Strip non funzionanti

Run di rumore: alimentazione Il rumore varia in funzione della tensione di alimentazione Alimentazione ottimale quando il rumore è minimo M1 M2 M3

Run di segnale Calcolo e sottrazione di pedestal e common mode come per i run di rumore Metodo iterativo non richiede analisi preliminare di un run di rumore: aumenta velocità di analisi La forma del cluster è la distribuzione di carica tra le strip; permette di ricavare gli accoppiamenti capacitivi

Rapporto segnale/rumore S/N=43 S/N=17

Prove con telescopio Tracciamento Calcolo della risoluzione spaziale Risultati preliminari: x=15mm y=650mm Moduli diversi: differenze minori nel rumore lato P/lato N Analisi tuttora in corso

Calibrazione dei parametri Aumento del fattore di conversione delle coppie elettrone/lacuna in canali ADC: da 40 a 65 canali ogni 25000 coppie Variazione del rumore: vengono utilizzati i valori misurati. Sul lato N il valore è doppio rispetto al lato P Aumento degli accoppiamenti capacitivi (dal 2% a fino al 7%), utilizzando i rapporti ottenuti dallo studio della forma del cluster

Confronto dopo la calibrazione Segnale singola strip Dimensione cluster Segnale cluster Simulazione Dati sperimentali ???

Conclusioni Sono stati calibrati il fattore di conversione, il rumore e gli accoppiamenti capacitivi La distribuzione del segnale dei cluster viene riprodotta La forma dei cluster viene riprodotta nell'andamento La distribuzione di carica sulle strip è ancora molto diversa La calibrazione è soddisfacente, ma si può migliorare il modello (es. rete capacitiva) Moduli in fase di ridisegno per il problema del rumore Analisi dei run con telescopio ancora in corso

Run di segnale: ricerca dei cluster Due metodi implementati Utilizzo di una soglia per isolare eventi associati al passaggio di particelle e un'altra (eventualmente più bassa) per le altre strip del cluster Metodo geometrico: ogni strip incrocia determinate strip del lato opposto: il cluster viene ricostruito solo se c'è corrispondenza geometrica tra i due lati I metodi implementati danno risultati analoghi

Confronto con la simulazione Segnale singola strip Dimensione cluster Segnale cluster Simulazione Dati sperimentali