Il rivelatore a PIXEL di ATLAS Rivelatori traccianti Pixel detector Costruzione/installazione del detector E adesso? Claudia Gemme INFN-Genova 11/15/2007 M.Nessi

Un rivelatore per LHC I rivelatori sono posti nei punti in cui i due fasci vengono fatti collidere tra di loro. Devono essere in grado di: - identificare le particelle che si formano - misurare l’energia , la carica e la direzione di ciascuna particella A complicare: - Molte particelle che si formano nelle interazioni, per esempio Z,W, Higgs, decadono immediatamente in particelle piu’ elementari; altre riescono a percorre alcuni cm e poi decadono formando vertici ‘secondari’ alcuni costituenti fondamentali (i quarks) non sono capaci di stare da soli e formano immediatamente particelle composte.  dalle particelle secondarie si deducono le proprieta’ di quelle genitrici e dei processi elementari

Produrre particelle ad alta energia (massa) Massa ed energia sono equivalenti (E=mc2), quindi è possibile creare e distruggere particelle: g, Z0 e+ e- q jet adronico Energia e- b b e+ Giugno 2014 Fisica ai Collisionatori Adronici

Produrre particelle ad alta energia (massa) Esistono sorgenti naturali di particelle: ad esempio, dal sole e dal cosmo riceviamo intensi flussi di particelle di diversi tipi ed energie. Tuttavia gli acceleratori di particelle costituiscono il modo più comodo di produrre e studiare particelle. Si accelerano particelle «comuni» (elettroni, protoni) e si provocano urti con bersagli fissi (nuclei) o altri fasci di particelle. Giugno 2014 Fisica ai Collisionatori Adronici

Fisica ai Collisionatori Adronici Acceleratori al Cern L’SPS è un acceleratore circolare in grado di accelerare elettroni, protoni e ioni di piombo. È stato (e sarà) usato sia come iniettore per altri acceleratori, sia come collider protone-antiprotone a 300 GeV per fascio. In questa modalità ha permesso agli esperimenti UA1 e UA2 la scoperta del W e dello Z. LHC è il nuovo acceleratore del CERN, in presa dati dal 2009. È installato nel nel tunnel del LEP (circonferenza 27 km). È un acceleratore protone-protone a 7+7 TeV e Pb-Pb a 2.8+2.8 TeV per nucleone. Giugno 2014 Fisica ai Collisionatori Adronici

Se LHC fosse a Genova: dall’areoporto a Nervi!

C. Gemme - F. Parodi - Atlas results 7 anni di costruzione nel tunnel gia‘ utilizzato da LEP: 1989-2000 LHC Tunnel LHC: 27 km di circonferenza CMS LHCb ALICE ATLAS 7 28/5/2013 C. Gemme - F. Parodi - Atlas results 7 Leonardo Rossi

LHC bunch structure - 2012 50 ns bunch spacing Maximum bunch intensity 1.7 x 1011 protons per bunch 1 PS batch (36 bunches) 1 SPS batch (144 bunches) Abort gap 26.7 km 1380 bunches

Come e’ fatto un “microscopio” (a strati specializzati…) tracciatore Calor. adronico fotone elettrone muone adrone carico (p) adrone neutro (n) neutrini Cal. Elettrom. Rivelatore m Il tracciatore e il rivelatore di muoni sono immersi in un campo magnetico in modo che dalla curvatura delle tracce cariche si misuri la loro velocita (impulso)

Tracciatore Sono strati sottili di gas o semiconduttore che vengono ionizzati (cioe’ vengono strappati dagli atomi gli elettroni piu’ esterni, meno legati) dalla particella carica che passa. La ionizzazione genera un piccolo impulso di corrente raccolto da elettrodi, amplificato e memorizzato dando cosi’ origine a un ‘hit’, ovvero un ‘punto’ sul piano del rivelatore. Il tracciatore deve essere piu’ trasparente possibile al passaggio delle particelle in modo da non perturbarne le proprieta’. Con successive analisi dei dati: Da un insieme di hit allineati su una traiettoria si forma una traccia. Il tracciatore e’ di solito in un campo magnetico: le particelle cariche curvano -> dal raggio di curvatura si misura la velocita’ della particella. Raggi cosmici

Tracking in ATLAS Three different technologies detectors in a 2T Solenoid Magnet ~ 6m long, 1.1m radius Pixels: 50x400 μm2 cell Silicon Strips (SCT): 80 μm pitch, 40 mrad stereo strips Transition Radiation Tracker (TRT): straw tubes providing up to 36 hits/track with e/p separation Pixel 0.8 108 channels SCT: 6 106 channels TRT4 105 channels TRT: Electron identification for eta <2.0 and 0.5<E<150 GeV (TR if gamma >10**3 -> E> 500MeV) Straw tubes operated with Ar – CO2 or Xe-CO2 + O2

Tracking: Inner Detector Three different technologies detectors in a 2T Solenoid Magnet ~ 6m long, 1.1m radius Pixels: 50x400 μm2 cell Silicon Strips (SCT): 80 μm pitch, 40 mrad stereo strips Transition Radiation Tracker (TRT): straw tubes providing up to 36 hits/track with e/p separation Challenge: ~1k tracks /25 ns 36 precision points per track in TRT 7 precision Si points/track each rf and z Sigma(1/P) = sigma(p)/p**2 -> sigma(p)/p = p*sigma(1/p) Required Resolution on momentum: spT /pT = 0.05% pT ⊕1%, | h |<2.5 MC

Rivelatori a Pixel In un rivelatore a pixel gli elementi sensibili sono organizzati in una matrice. Se un campo elettrico esterno e’ applicato al rivelatore, gli elettroni si muovono verso la superficie del rivelatore formando una piccola corrente elettrica che viene amplificata, trattata e mandata verso l’esterno da un chip di elettronica. Il contatto tra sensore e elettronica è realizzato con una tecnica di microconnessione detta “bump bonding”, che utilizza reticoli di sferette conduttrici del diametro di pochi micron. pixel colpito In ATLAS il rivelatore piu’ vicino alle collisioni e’ un rivelatore a Pixel che da’ precisione di ~10 um.

Perche’ il rivelatore a Pixel? Perche’ dobbiamo ricostruire con precisione tracce e vertici dove la densita’ di particelle e’ maggiore! 2011 event with 20 primary vertices

Il rivelatore a Pixel: dalle idee al rivelatore funzionante Prima del 1998: vari gruppi di ricerca per sviluppo tecnologie 1998 Descrizione tecnica del rivelatore 2004 inizio della produzione dei moduli nel laboratori 2006 inizio integrazione al Cern: assemblaggio del rivelatore in superficie Giugno 2007 installazione in ATLAS Settembre 2008 primi cosmici osservati nel rivelatore Autunno 2009: prime collisioni in LHC

The ATLAS Pixel Detector le idee The Pixel Detector is the vertex detector for the ATLAS experiment. It consists of three barrel layers and six disks, covering with three precise measurement points Radius =5, 9,12 cm There are a total of 80 million channels and a sensitive area of 1.6 m2. Layer-1 B-Layer B-Layer B-Layer Disks Disks Disks Beampipe

Il concetto di modulo I moduli – 1744 in tutto- sono i i mattoni del rivelatore a pixel. La parte sensibile del rivelatore e’ uno strato di Silicio (60.8×16.4 mm2 × 250 m diviso in una matrice di pixel (50 m × 400 m) Su ogni pixel e’ deposta una pallina di In o Sn/Pb per creare il contatto con i chip di elettronica. 16 front-end electronics chips sono connessi al sensor (tecnica del bump-bonding) Un circuito incollato sul retro del sensore permette la comunicazione con il mondo esterno e il routing delle alimentazioni. E poi i moduli sono incollati su delle stecche di Carbonio. Circa 800 sono stati costruiti e qualificati a Genova nel 2004-2006!

Le fasi dell’integrazione

Un vero lavoro di squadra!

... E poi l’installazione in ATLAS (June 2007)

E adesso: Long shutdown 2012-14 Abbiamo costruendo un nuovo rivelatore, IBL (insertable B Layer), da inserire ancora piu’ vicino al punto di interazione 3.5 cm di raggio. Cosi’ avremo 4 punti molto precisi e la ricostruzione delle tracce e dei vertici potra’ migliorare. 14 stecche con 20 moduli montati in estate A Genova costruiti meta’ dei moduli. Adesso vi facciamo vedere come lo facciamo.

IBL installato e funzionante Pixel IBL