I RIVELATORI PER IL TRACCIAMENTO DEI MUONI UNIVERSITA’ DEGLI STUDI “ROMA TRE” Tesi di Laurea in Fisica I RIVELATORI PER IL TRACCIAMENTO DEI MUONI NELLO SPETTROMETRO DELL’ESPERIMENTO ATLAS AL LARGE HADRON COLLIDER Ilaria Di Sarcina

Sommario: Il programma sperimentale di LHC Il rivelatore ATLAS Lo spettrometro per  MDT: principi di funzionamento Le camere BIL: tecniche di costruzione e metodi di test I risultati ottenuti in laboratorio e al CERN Conclusioni Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Il programma sperimentale di LHC Il Modello Standard rappresenta attualmente la migliore teoria per descrivere la fisica delle particelle elementari, tuttavia ha bisogno di ulteriori riscontri sperimentali: esistenza del bosone di Higgs ( 110 GeV<mH<1 TeV) Necessità di costruire una macchina acceleratrice che sondi un intervallo di massa così ampio prod (ppH)  10 pb ( = 14 TeV) Necessità di luminosità elevata (LMAX = 1034 cm-2 s-1) per ottenere una frequenza di produzione (RHiggs) apprezzabile RHIGGS  10–3 Hz (L = LMAX=1034 cm-2 s-1) Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Enorme numero di eventi non interessanti tot (p - p)  100 mb  Rtot =109 Hz (s= 14 TeV e L = LMAX) Enorme numero di eventi non interessanti RTOT >> RHIGGS Sistema di trigger implementato in modo che RTOT sia ridotta di molti ordini di grandezza. Si vogliono registrare infatti circa 100 eventi/s corrispondenti ad un flusso di dati in uscita pari a circa 100 Mb/s Necessità di rivelare con grande precisione leptoni carichi, jet, fotoni e identificare neutrini Costruzione di rivelatori ermetici, ad alta granularità e ad alta risoluzione Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Il Large Hadron Collider Collisore pp con energia del centro di massa di 14 TeV L =1034cm -2s -1 CMS ALICE LHCb ATLAS Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Il rivelatore ATLAS Muon Detectors Inner Detector Electromagnetic Calorimeter Muon Detectors Barrel Toroid Hadronic Calorimeter End Cap Toroid Inner Detector Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

ATLAS: lo spettrometro per muoni Requisiti: capacità di trigger su eventi con uno o più  in un vasto range di pT; TRIGGER con camere apposite buona risoluzione nella misura dell’impulso nell’intervallo tra 6 GeV e 1 TeV; CAMPO MAGNETICO toroidale in aria RIVELATORI DI POSIZIONE: buona risoluzione sul singolo punto 3 stazioni di misura necessità di operare per molti anni ad alto flusso ed elevato fondo; problemi di invecchiamento Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Tempo di deriva degli elettroni MDT (Monitored Drift Tubes) prodotti ~ 100 ep/cm Tubo di alluminio diametro 3 cm spessore 400 mm start stop Filo tungsteno 50 mm t dc Tempo di deriva degli elettroni Scelta della miscela: Argon (alta densità di ionizzazione primaria) + CO2 Alta pressione (si riduce l’effetto della diffusione) Molta cura nell’elettronica di front-end Buona risoluzione sul singolo punto (~ 80 m) Limiti sull´invecchiamento Punto di Lavoro Guadagno: 2104 (HV=3080V) Pressione: 3 bar Miscela: 93% Argon 7% CO2 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

MDT per il barrel di ATLAS BIL (Barrel Inner Large) e BIS BML (Barrel Middle Large) e BMS BOL (Barrel Outer Large) e BOS BIL Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

BIL Laboratorio dell’ Università La Sapienza: Il progetto dello spettrometro prevede la costruzione di 62 camere di tipo BIL nell’area romana Laboratorio dell’ Università La Sapienza: test dei tubi e assemblaggio meccanico Laboratorio dell’ Università Roma Tre: costruzione e test del sistema di distribuzione del gas montaggio sulle camere e test di tenuta del gas equipaggiamento dell’elettronica di front-end e test verifica della stabilità e funzionamento nell´ odoscopio a raggi cosmici Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

BIL Volume camera = 547 litri 2144=288 tubi/camera LABORATORIO Sito di allestimento e test delle camere BIL dello spettrometro per muoni di ATLAS 2 multilayer 4 tubi per multilayer BIL 2144=288 tubi/camera Volume tubo: 1.9 litri Volume camera = 547 litri Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

influenzano direttamente la velocità di deriva Sistema di distribuzione del gas Richieste di ATLAS: perdita di gas < 1 mbar/giorno per camera; percentuale del gas costante GAS densità temperatura purezza influenzano direttamente la velocità di deriva bisogna garantire una buona stabilità delle condizioni operative nel tempo Pressione di lavoro: 3 bar Variazione pressione: < 10 mbar Stabilità miscela gas: 0.25% per componente Impurezze: < 100 ppm Limite max fuga gas: 10-8bar·l/s·tubo (a 3 bar abs) Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Costruzione e test del sistema Ogni MDT ha un sistema che distribuisce il gas ai singoli tubi di deriva attraverso capillari che collegano le 2 estremità del tubo a 2 volumi (gas bar): uno dei volumi distribuisce il gas in ingresso, l’altro raccoglie quello in uscita. PROGETTO INIZIALE: distribuzione parallela PROGETTO ATTUALE: distribuzione seriale Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

DISTRIBUZIONE SERIALE: utilizzo di jumper di connessione per la serie di 3 tubi Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

livello raggiungibile ~10–6mbar Test di tenuta del sistema di distribuzione del gas TEST SOTTO VUOTO: fissaggio gas-bar su maschera collegamento allo spettrometro di massa che crea il vuoto nel sistema livello raggiungibile ~10–6mbar leggero flusso di elio sulle connessioni rilevazione presenza di elio nella gas-bar eliminazione di eventuali fughe di gas mediante sistemazione o sostituzione di parti Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

MASSIMA CADUTA IN PRESSIONE CONSENTITA per una gas-bar  3 mbar/ora MANOMETRO DIFFERENZIALE misura in pressione ± 8 mbar sensibilità  1% segnale in uscita 4 ÷ 20 mA (conversione in pressione 1 mA per mbar) per una camera  1 mbar/giorno TEST IN PRESSIONE: misura della differenza di pressione tra un volume di riferimento e la camera o gas-bar da testare Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

inviati ad una scheda di acquisizione e letti con un programma LabVIEW I segnali del manometro e delle sonde di temperatura registrati su file e analizzati per monitorare la risposta del manometro nel tempo inviati ad una scheda di acquisizione e letti con un programma LabVIEW Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Equipaggiamento elettronica di front-end e test di alta tensione I due lati degli MDT vengono equipaggiati con le schede di elettronica: Schede di lettura dei segnali (Read Out Side) Schede di distribuzione dell’alta tensione (High Voltage Side) flussaggio della camera con la miscela di Argon e CO2 Pressione di lavoro 3 bar Alimentazione 3400 V Misura dispersione corrente LIMITI: 6 nA / tubo 1 A / camera Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Studio della risposta delle camere SITO DI TEST PER RAGGI COSMICI di ROMA TRE odoscopio a raggi cosmici 3 piani di RPC (Resistive Plate Chamber) permette il test simultaneo di 3 camere e garantisce un’illuminazione uniforme misura coordinata lungo il tubo ampia copertura spaziale trigger con ottima risoluzione in tempo (1 ns) Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Sistema di lettura della camera Il segnale prodotto dal passaggio di una particella in un tubo viene: LETTO E PROCESSATO da una scheda di front-end (mezzanino) collegata alla camera che contiene un chip ASD (Amplificatore, Shaper, Discriminatore) e un TDC per registrare il tempo di deriva. INVIATO tramite un adattatore al modulo CSM che distribusce clock e trigger, legge i dati e li trasmette alla CPU Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Monitoraggio on-line degli MDT Controllo illuminazione camera: Controllo informazioni temporali numero di conteggi per tubo per i 4 layer di ogni multilayer (forma dovuta ad effetti geometrici) Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Spettro dei tempi tmax = t1 - t0 ~700ns t0  inizio della distribuzione dei tempi (indipendente dalle caratteristiche di deriva del tubo) t1fine della distribuzione necessario per equalizzare il tempo misurato nei vari canali tmax = t1 - t0 ~700ns dipende dalle proprietà di drift della miscela Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Controllo delle prestazioni delle camere Calib Programma in linguaggio C realizzato per la ricostruzione e l’analisi delle performance delle camere MDT di ATLAS 1: ANALISI DELLO SPETTRO DEI TEMPI Uniformità degli spettri di TDC per i tubi di una camera e confronto con altre camere fit della distribuzione dei tempi degli hit per misurare il tempo di deriva massimo e minimo per ogni tubo tMAX: dipende dalle proprietà di deriva del tubo Parametro fondamentale per il controllo delle prestazioni di una camera Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

parametri calcolati, valori dei t0, relazione r-t e risoluzione 2: RICOSTRUZIONE DELLE TRACCE Gli hit di un evento appartenenti ad un’unica traccia vengono identificati con una procedura di PatternRecognition (PR) basata su informazioni geometriche degli hit e sull’ipotesi che questi siano allineati Si calcolano i parametri della migliore tangente agli hit selezionati nella fase di PR parametri calcolati, valori dei t0, relazione r-t e risoluzione RICOSTRUZIONE TRACCIA Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Calib 3: AUTOCALIBRAZIONE Per ottenere la risoluzione totale nella misura del tempo di deriva bisogna considerare il contributo dovuto all’incertezza nella conoscenza della relazione spazio-tempo (r-t) tra la distanza di minimo approccio e il tempo di deriva. Autocalibrazione: metodo per il calcolo della relazione r-t senza bisogno di tracciatori esterni utilizza i dati raccolti durante il normale funzionamento del rivelatore Autocalibrazione con processo iterativo di minimizzazione dei residui in funzione dei tempi mediante correzioni della relazione iniziale Calib Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Circonferenza di deriva Traccia ricostruita Circonferenza di deriva residuo Procedura iterativa. Si fa un fit di traccia con le circonferenze di deriva ottenute con una relazione r-t di “innesco”. Si calcolano i residui. residuals (mm) time (ns) Ad ogni iterazione le correzioni sono date dalla differenza media tra i cerchi di deriva e il punto di minimo approccio della retta tangente al cerchio Dalla distribuzione dei residui si ricava il valore medio in bin. Il valor medio dei residui è la correzione alla r-t di innesco. Valore medio dei residui nella banda Correzione alla r-t relation Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Studio della risposta delle camere presso l’area di test-beam H8 del CERN Fascio di  10÷180 GeV MAGNETE Divergenza fascio ±0.14 rad BIL BOL BML MISURE: Autocalibrazione Efficienza Risoluzione Allineamento e tracciamento Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Prima analisi dei dati di H8: Studio degli spettri dei tempi per i diversi tipi di camere distribuzione dei residui calcolo della relazione spazio-tempo differenza delle relazioni r-t di due multilayer Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Risoluzione delle camere: Selezione di eventi “buoni” (unica traccia, 8 hits, buon 2). Determinata la traccia con 7 punti si calcola il residuo del tubo in questione e l’errore di estrapolazione. La larghezza della distribuzione dei residui è data da : s(r)=  [Resolution(r)]2+[<extrapolation error>(r)]2 s(r) Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

s(r)=  [Resolution(r)]2+[<extrapolation error>(r)]2 Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre

Conclusioni: Nel laboratorio di Roma Tre è stato allestito un sistema di equipaggiamento e test delle camere di precisione dello spettrometro per muoni di ATLAS. sono stati realizzati sistemi per effettuare i test di tenuta del gas e di controllo dell’alta tensione. le camere sono state acquisite mediante un odoscopio a raggi cosmici: acquisizione simultanea per la prima volta di 3 camere durante l’estate 2002 è stato effettuato un controllo delle camere su fascio di muoni di alta energia presso l’area di test-beam H8 del CERN Le misure effettuate al CERN con particelle di impulso elevato che attraversano più rivelatori, hanno permesso di integrare i risultati ottenuti in laboratorio, fornendo una risoluzione delle camere molto buona Validità delle tecniche costruttive e dei test di controllo e qualità messi a punto durante il lavoro di tesi Ilaria Di Sarcina – Dipartimento di Fisica – Università Roma Tre