L’esperimento ATLAS a LHC L. Bellagamba, INFN Bologna

ALICE ATLAS CMS LHCB

~ 2000 persone coinvolte provenienti da 36 paesi

Energia totale di ogni bunch ~ 100 KJ !! Le condizioni “estreme” di LHC Condizioni nominali: - Energia dei protoni 7 TeV - 1.5x1011 protoni per bunch ~23 collisioni pp per ogni incrocio di bunch incrocio di bunch ogni 25ns (40 MHz) Ad ogni incrocio di bunch si originano ~ 1500 particelle I rivelatori circondano la zona di interazione e devono essere ermetici, veloci ed offrire alle particelle sufficiente materiale per poterle misurare Ciascun protone 7TeV Energia totale di ogni bunch ~ 100 KJ !! ~1011 protoni per bunch

ATLAS 22m 44m

Perche’ i rivelatori sono cosi’ grandi? Molte domande ancora senza risposta Alte energie LHC, 7+7 TeV Stimolantipredizioni teoriche Desiderio di esplorare nuove frontiere Migliaia di particelle di altissima energia prodotte in ogni collisione da analizzare e registrare

L’”improbo” compito dei rivelatori Puff! ATLAS

Rivelatori interni estremamente affollati Simulazione di collisione che include H  ZZ  4m Segnale affogato da migliaia di tracce cariche che pero’ hanno mediamente basso impulso trasverso p Ricostruzione delle tracce e taglio in impulso trasverso p tutte le particelle cariche con 10°< q <170° m m Evento completamente ripulito da un taglio sull’impulso trasverso. Risoluzione spaziale molto spinta necessaria per distinguere tracce differenti. Impulso misurato dalla curvatura delle tracce nel campo magnetico, m m tracce ricostruite con PT > 2 GeV/c

Come si riesce a prendere dati in queste condizioni ? I detector “sentono” le collisioni ogni 25 ns (40 MHz), la frequenza delle collisioni pp e’ di quasi 1 GHz. Qualche GHz sono le velocita’ attuali dei processori dei computer. Come e’ quindi possibile elaborare e registrare i dati che provengono da questi giganteschi apparati? Rate al primo livello di trigger (Hz) La soluzione e’ di concentrarsi sugli eventi piu’ interessanti scartando il resto. Questo compito e’ svolto dal trigger che, nel caso di ATLAS e’ organizzato in 3 livelli. Il rate di eventi e’ ridotto progressivamente in 3 passi fino a 100-200 Hz che e’ il limite per poterli registrare. Ogni evento occupa ~ 1 MB Dimensioni evento (byte) Ambiente di LHC molto piu’ impegnativo rispetto ai precedenti collider

(trattamento online dei dati) TRIGGER (trattamento online dei dati) Rate nterazioni ~1 GHz Bunch crossing 40 MHz Primo livello Dati conservati in pipeline informazioni non cettagliate Hardware based, veloce HARDWARE Level 1 < 75KHz 2.5 ms Secondo livello regioni di interesse identificate dal LVL1, informazioni dettagliate Level 2 ~ 1KHz ~ 10 ms SOFWARE Event Filter Accesso all’evento completo, algoritmi di ricostruzione piu’ raffinati Event Filter ~ 200 Hz ~ 1 s Registrazione su disco

Come si riesce a gestire ed analizzare questa enorme quantita’ di dati ? La quantita’ di dati crescera’ velocemente 100 MB/sec 10 TB/giorno 1 PB/anno La soluzione e’ il calcolo distribuito GRID

Calorimetria em Argon liquido come mezzo attivo e piombo come assorbitore Calorimetria adronica Ferro e scintillatore plastico nella regione centrale, rame-tungsteno ed argon liquido in avanti Muoni Grandi magneti toroidali in aria equipaggati con camere per muoni in tutta la regione esterna Rivelatori interni Pixel e strip di silicio, rivelatore a radiazione di transizione. Immersi in un campo magnetico di 2 Tesla.

CERN 25/04/2007 Giu’ verso la sala sperimentale…..

Fase di montaggio, vista dei toroidi superconduttori della regione barrel

CERN 25/04/2007 Lato A di ATLAS, Piano per la rivelazione di muoni (Big wheel) zona di entrata del fascio

Un momento storico!! Chiusura dell’anello LHC il 16 giugno (l’ultimo pezzo e’ quello mostrato qui nel lato A di ATLAS)

Che cosa ci aspettiamo per gli eventi di fisica ? Rate di eventi in condizioni nominali (L = 1034 cm-2 s-1) Reazioni pp: 109/s coppie bb 5 106/s coppie tt 8/s W  e n 150/s Z  e e 15/s Higgs (150 GeV) 0.2/s Gluino, Squarks (1 TeV) 0.03/s enormi fondi QCD LHC e` una fabbrica di: top-quarks, b-quarks, W, Z, ……. Higgs (se leggero come predice il MS), …… Il problema sara’ trovarli in mezzo all’enorme fondo di eventi QCD

Strategie di analisi enorme fondo di QCD impossibile ricostruire oggetti relativamente leggeri (W,Z, H?) con i soli stati finali adronici (molto difficile anche per il top) necessario usare leptoni:e,m,n (energia trasversa mancante) o g Possibile estrarre segnali con stati finali completamente adronici soltanto per oggetti estremamente massivi (es. squark e gluini ipotizzati partner SUSY di quark e gluoni) Ulteriore manico per dominare il fondo: vertici secondari prodotti da decadimenti in volo eventi arricchiti di b-quark importanti segnali di fisica interessante (per es. fondamentali per il top nel canale full adronico)

Esempio di analisi con i primi dati raccolti: la fisica del top Fondamentale per diversi aspetti: - Coppie tt prodotte in grande quantita’ - Ricca topologia che permette di mettere alla prova tutti gli aspetti cruciali degli apparati - ultima particella dello SM ad essere scoperta (ancora la meno conosciuta nonostante i grandi progressi al Tevatron) Canale privilegiato uno solo dei due top in e/m t t

La massa del top viene poi ricostruita dal decadimento adronico Semplici richieste su leptone, energia trasversa mancante, numero ed energia dei jet permette di isolare un campione abbastanza pulito. La massa del top viene poi ricostruita dal decadimento adronico 3-jet invariant mass Mjjj (GeV) Events / 4.15 GeV Top-combinatorics and W+jets background Top-signal 3-jet invariant mass electron+muon for L=100 pb-1 Events / 4.15 GeV Taglio su massa W (pochi giorni di running in condizioni iniziali) Mjjj (GeV) La misura della produzione di tt a LHC sara’ una delle prime misure di fisica Uno dei principali fondi per la fisica oltre lo Standard Model Palestra indispensabile per poter poi affrontare la sfida delle scoperte !

Non proprio la fisica del primo giorno…….. Particelle supersimmetriche e materia oscura Il neutralino e` un candidato per la materia oscura presente nell’Universo Segnali spettacolari: leptoni, jet di alto impulso trasverso e missing energy Potenzialita` di scoperta Tempo Massa squark, gluino 1 mese ~ 1.3 TeV 1 anno ~ 1.8 TeV 3 anni ~ 2.5 TeV limite ~ 3 TeV Potrebbe essere risolto il problema della materia oscura dell’universo !

Conclusioni LHC e’ stato uno sforzo enorme per la comunita’ scientifica mondiale. Ora e’ quasi arrivato il momento di cominciare a raccoglierne i frutti Le potenzialita’ sono enormi, ma non sara’ affatto facile. La macchina e gli esperimenti sono oggetti estremamente complicati. La prima fase di presa dati, che dovrebbe iniziare dopo l’estate, servira’ per cominciare a “capire” gli apparati sperimentali. Molto lavoro quindi aspetta tutta la comunita’ che ruota intorno a LHC, ma i prossimi anni saranno estremamente eccitanti per la possibilita’ concreta di scoperte epocali!!