con eventi di Minimum Bias Calibrazione del calorimetro elettromagnetico di CMS usando la simmetria azimutale con eventi di Minimum Bias Andrea Gozzelino Relatori: Dott. Stefano Argirò Dott.ssa Nadia Pastrone 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Sommario LHC e le prospettive di fisica L’esperimento CMS ECAL: le componenti, l’elettronica, il segnale, la risoluzione Le strategie di calibrazione Intercalibrazione: simmetria azimutale dei depositi in energia degli eventi di Minimum Bias Conclusioni 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

LHC CMS Acceleratore di particelle Collisionatore protone-protone Energia nel centro di massa √s = 14 TeV Luminosità nominale L = 1034 cm-2s-1 Intervallo di tempo tra bunch T = 25 ns SCOPI: ricerca del bosone di Higgs nella regione di massa 100 GeV < √s < 1 TeV informazioni sulla supersimmetria e altre teorie oltre il modello standard ricerca di nuovi bosoni vettoriali massivi (Z’) Large Hadron Collider CMS Ginevra 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Higgs e calorimetria H → γγ se mHiggs < 150 GeV Risoluzione spaziale Granularità Risoluzione in energia Calibrazione H  ZZ*  4 leptoni carichi se 150 GeV < mHiggs < 2 Mz H  ZZ  4 leptoni carichi se 2 Mz < mHiggs < 700 GeV 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Solenoide superconduttore Calorimetro elettromagnetico CMS Calorimetro adronico Solenoide superconduttore Calorimetro elettromagnetico Tracciatore Rivelatore di muoni Compact Muon Solenoid Calorimetro adronico in avanti Lunghezza 21,5 m Diametro 16 m Peso 12500 t Campo magnetico 4 T 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

E’ un calorimetro omogeneo costituito da cristalli di tungstato di Pb Geometria di ECAL E’ un calorimetro omogeneo costituito da cristalli di tungstato di Pb Barrel: || < 1.48 61200 cristalli (85+85) anelli di 360 cristalli 36 supermoduli ECAL Lunghezza: 7.8 m Raggio interno: 1.29 m Raggio esterno: 1.75 m Numero di cristalli: ~76000 Massa totale ~90 t Endcap: 1.48 < || < 3.0 2 Dee 7324 cristalli 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Componenti di ECAL VPT APD Cristalli scintillanti lunghezza ~22 cm sezione trasversale (22x22) mm2 alta densità 8.3 g*cm-3 ; lunghezza di radiazione 0.89 cm raggio di Molière 2.2 cm 80 % luce emessa in 25 ns (materiale veloce) resa luminosa limitata (≈ 80 fotoni/MeV) temperatura stabilizzata entro 0.1°C Avalanche Photo Diode (APD) area attiva (5*5) mm2 2 APD in parallelo per ogni cristallo tensione di lavoro 350 V guadagno elevato (50) Vacuum Photo Triode (VPT) fototriodi con un singolo stadio di guadagno diametro 25 mm risposta condizionata dal campo magnetico resistenza a radiazione intensa Sistema di raffreddamento VPT APD Temperatura di lavoro dei cristalli 18°C 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Segnale  Segnale → Ampiezza → Energia depositata nel cristallo Trigger data DAQ data Energy  Light Current Voltage Bits PbWO4 APD VPT Multi-Gain Preamplifier Fiber Readout ADC  Pipeline FE Clock & Control Il segnale entra in un pre amplificatore con tre stadi di guadagno in parallelo. Ciascuno stadio è seguito da un ADC. Segnale → Ampiezza → Energia depositata nel cristallo 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Risoluzione in energia [E] = GeV Domina per E > 100 GeV Test con fascio 2004 a termine stocastico include contributo statistico dei fotoelettroni b termine di rumore elettronico e pile-up c termine costante include errori di intercalibrazione, non uniformità dei cristalli, contenimento dello sciame 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Calibrazione E = G ∙ F ∙ ∑(ci ∙ Ai) OBBIETTIVO: uniformare la risposta di ~ 76000 cristalli di ECAL ATTIVITA’ di TESI Determinare i coefficienti di intercalibrazione E = G ∙ F ∙ ∑(ci ∙ Ai) G fattore di scala assoluta globale F funzione di correzione Ai ampiezze dei campioni digitali del segnale FASI DI PRECALIBRAZIONE: durante la fase di costruzione misura della raccolta di luce e del guadagno dei fotorivelatori precisione ≈ 4% calibrazione con raggi cosmici (tutti i 36 supermoduli) precisione 1.5% ∻ 3 % fasci di elettroni di energia (20-250) GeV (9 supermoduli) precisione ≈ 0.3% La precisione di intercalibrazione con i raggi cosmici varia perché questi eventi sono direzionali: la statistica non è uniforme. Dove arrivano meno raggi cosmici la precisione è peggiore. 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Intercalibrazione Ricostruzione in massa del bosone Z dai decadimenti Z0→ e+ e- precisione attesa 0.6 % con 400 eventi per anello (2 fb-1) Misura di E/p dell’elettrone nei decadimenti W± → e± ν precisione attesa 0.4 % ∻ 1.4 % nel barrel (5 fb-1) precisione attesa 1.0 % ∻ 2.0 % nell’endcap (7 fb-1) Ricostruzione in massa dei mesoni  e π0 dai decadimenti em precisione attesa 0.5 % con 1000 eventi per cristallo (2gg presa dati) Simmetria azimutale dei depositi di energia procedura più semplice e più rapida 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Simmetria azimutale L’ intercalibrazione con la simmetria azimutale dei depositi di energia si basa sulla raccolta della stessa quantità di energia trasversa nei cristalli a valore di  uguale, posizionati in  diversa, su un campione statistico elevato (N »106) eventi. ix iy La geometria cilindrica del barrel semplifica la determinazione di anello ad intervallo di  fissato. I cristalli degli endcaps sono disposti in una griglia x – y: la definizione di anello diventa complessa. 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

I limiti della tecnica presenza non uniforme di materiale tra il punto di interazione ed ECAL intercapedini tra supermoduli e moduli del barrel intercalibrazione di cristalli ad intervallo di || fissato determinazione dei coefficienti in un intervallo di energia diverso da quello degli eventi di interesse fisico 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Scelta degli eventi MINIMUM BIAS: in prevalenza processi con particelle di bassa energia trasversa Sezione d’urto di produzione ≈ 80 mb γ dai decadimenti dei mesoni neutri e± dai decadimenti dei mesoni strani, charmati e bottomati TRIGGER dedicato: banda passante di 1 kHz senza prescalamento nelle fasi iniziali per raccogliere statistica CAMPIONE: ≈ 20*106 eventi di Minimum Bias generati MISCALIBRAZIONE INIZIALE: valori dei ci generati secondo una distribuzione gaussiana con barrel = 1.6 % e endcap = 15 % 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Selezione degli eventi Energia ≈ GeV Soglia superiore → statistica Soglia inferiore → rumore BARREL: 170 MeV ENDCAP: 740 MeV 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Rumore nei dati simulati Taglio in energia a 4  Barrel: Etaglio≈ 190 MeV  5 ADC Taglio in energia a 4  Endcap: Etaglio≈ 710 MeV  19 ADC 10000 eventi simulati processati 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Rumore nei dati reali 1 ADC ≈ 10 MeV a guadagno 200 Run di raggi cosmici Run di piedestallo 27073 Run di raggi cosmici 43350 1 ADC ≈ 10 MeV a guadagno 200 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Depositi di energia trasversa BARREL (z > 0); cristallo di riferimento (1,1) i Rotaie per il tracciatore i = 25, 35, 45 (righe verticali) → confini tra moduli ogni 20° in i (righe orizzontali) → confini tra supermoduli i = 10 & i = 190 (righe orizzontali) → rotaie per inserimento del tracciatore Maggiore energia tasversa in avanti i Confine tra supermoduli ogni 20° in i Confine tra moduli Sistema di riferimento di ECAL 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Fattore k I contributi alla somma di energia trasversa sono dati dai depositi che stanno tra le soglie: un cambiamento percentuale nelle somme non corrisponde ad ugual variazione della costante di intercalibrazione. εT variazione frazionaria della somma di energia trasversa, dopo l’esclusione dei depositi per i tagli εM miscalibrazione iniziale del cristallo k Dipendenza lineare Barrel: 1.93 < k < 2.43 Endcap: 1.18 < k < 1.79 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Limite di precisione raggiunto con un campione N ≈ 20*106 eventi Precisione di intercalibrazione La precisione di intercalibrazione è la larghezza della distribuzione del rapporto tra la miscalibrazione iniziale e la calibrazione ottenuta con la strategia della simmetria azimutale, a partire da un campione statistico di N eventi.  ≈ 1.38 s → parte sistematica m → parte statistica 106 < N < 20*106 Limite di precisione raggiunto con un campione N ≈ 20*106 eventi 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Distribuzione dei ci Miscalibrazione residua = miscalibrazione iniziale miscalibrazione misurata 1 valore per anello BARREL anello 31    1.7% ENDCAP anello 29    8.2 %  ≈ 0.53  ≈ 2.31 4 aprile 2008 Andrea Gozzelino

Miscalibrazione residua Barrel calibrazione in situ comparabile alla precalibrazione con raggi cosmici RISULTATO Endcap valori migliori di quelli dei test di laboratorio Il risultato della procedura di calibrazione sono i coefficienti ci. 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Validazione diminuzione della larghezza del picco della massa invariante del bosone Z confronto dei gruppi di costanti di calibrazione ottenuti con le diverse tecniche Non mi sono occupato della validazione !!! 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

Conclusioni ATTIVITA’ SVOLTA: Sviluppo dell’algoritmo per la determinazione dei coefficienti di intercalibrazione Risultati con dati simulati durante le “esercitazioni periodiche” della collaborazione L’intercalibrazione con la simmetria azimutale degli eventi di Minimum Bias consentirà nelle fasi iniziali dell’esperimento di ottenere i ci dei ≈ 76000 cristalli di ECAL con precisione 1.5 % ∻ 2.8 % nel barrel e 7 % ∻ 18 % negli endcaps, con una statistica di 20*106 eventi da raccogliere in alcune ore di presa dati con un trigger dedicato. 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino

CMS al Punto 5 17 luglio 2008 25 luglio 2008 Andrea Gozzelino