Lezione 22 ATLAS Introduzione ~ 2000 fisici Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS Introduzione Atlas è un esperimento ad LHC Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS Introduzione La collaborazione ATLAS ha installato un apparato sperimentale general purpose che ha le potenzialità di studiare tutta la nuova fisica resa disponibile con LHC. LHC collider pp con 2 fasci di 7 TeV ciascuno e con una luminosità di progetto pari a 1034 cm-2 s-1. I fasci si incrociano ogni 25 ns. L’apparato deve ricoprire quanto più possibile di 4p e deve essere capace di identificare, tracciare, misurare impulso ed energia delle particelle prodotte nelle interazioni. L’apparato deve inoltre essere veloce per non introdurre troppo tempo morto, e capace di lavorare ad alta luminosità per poter studiare eventi rari in un tempo ragionevole e con alto potere di reiezione nei confronti di eventi “minimum bias”. Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS Introduzione Tile Calorimeter End Cap Jura side Detector Center Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS la particella di Higgs Physics with ATLAS: The Higgs Particle One of the main goals of the ATLAS program is to discover and study the Higgs particle. The Higgs particle is of critical importance in particle theories and is directly related to the concept of particle mass and therefore to all masses. What is the Higgs particle? Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS la particella di Higgs The Riddle of Mass Why do the fundamental particles have mass, and why are their masses different? It is remarkable that a concept as familiar as mass was not understood until the proposal of the Standard Model. Most of us are familiar with electric, magnetic, and gravitational fields. A person in Earth's gravitational field feels a force. Electromagnetic waves (such as radio waves) travel through space in the same way that ripples in a pond travel through water. If the pond was described in quantum language, the water surface that carries the waves would be called a "field". The Standard Model proposes that there is another field not yet observed, a field that is almost indistinguishable from empty space. We call this the Higgs field. We think that all of space is filled with this field, and that by interacting with this field, particles acquire their masses. Particles that interact strongly with the Higgs field are heavy, while those that interact weakly are light. The Higgs field has at least one new particle associated with it, the Higgs particle (or Higgs boson). The ATLAS detector at the LHC will be able to detect this particle if it exists. This would be one of the greatest scientific discoveries ever!. Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS il meccanismo di Higgs To understand the Higgs mechanism, imagine that a room full of physicists chattering quietly is like space filled with the Higgs field ... ... a well-known scientist walks in, creating a disturbance as he moves across the room and attracting a cluster of admirers with each step ... ... this increases his resistance to movement, in other words, he acquires mass, just like a particle moving through the Higgs field... Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS la particella di Higgs ... if a rumor crosses the room, ... ... it creates the same kind of clustering, but this time among the scientists themselves. In this analogy, these clusters are the Higgs particles. Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS la particella di Higgs Per valutare il progetto limitiamoci, fra i vari possibili canali di fisica studiabili con ATLAS, alla ricerca del bosone di Higgs. L’Higgs, fondamentale per una migliore comprensione del meccanismo di rottura della simmetria del modello elettrodebole, dà la massa ai bosoni di gauge W e Z ai quarks ecc. In ATLAS ci si propone di cercare l’Higgs nei seguenti canali: Hgg produzione diretta Hgg dalla produzione associata WH, ZH, ttH, usando un leptone (e,m) come tag del W,Z o t. HZZ*4 l HZZ4 l HZZllnn HZZlljj HWWlnjj Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS richieste per l’apparato Ottima calorimetria e.m. per l’identificazione e la misura di e e g, implementata da una calorimetria adronica essenziale per misure di jet (energie dei jets) e di ETmiss (n). Misura ad alta precisione dell’impulso di m, con la possibilità di misurare i m accuratamente anche ad altissime luminosità usando unicamente lo spettrometro esterno dei m. Tracciamento efficiente, anche ad alta luminosità per particelle ad alto impulso trasverso (essenzialmente leptoni), per poter identificare e, g, t e quark pesanti; possibilità di tracciare tutte le particelle a luminosità più bassa. Grande accettanza in  (pseudorapidità ) e accettanza ~2p in f. Possibilità di triggerare e misurare particelle con una soglia in pT relativamente bassa onde avere buona efficienza praticamente per tutti i processi fisici rilevanti ad LHC. Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS l’apparato Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS l’apparato Beam pipe calorimetro adronico calorimetro e.m. magnete toroidale rivelatori per muoni magnete solenoidale tracking detector Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS l’apparato Siamo ad un collider e cerchiamo eventi rari (higgs), piuttosto poco definiti (massa ignota). Gli Higgs sono visibili solo tramite i prodotti di decadimento. Massa molto elevata  ci attendiamo prodotti di decadimento ad alto impulso trasverso e distribuiti su tutto l’intervallo di rapidità  apparato a 4p Dobbiamo identificare e, g, m e jet  apparato multipurpose (a cipolla) Dobbiamo misurare pT  magneti (solenoidale per l’ inner detector, toroidale per i m) Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS l’apparato L’apparato è composto da: Tracciatore di particelle cariche (inner detector) Calorimetro elettromagnetico (LAr) Calorimetro adronico (ET e pTmiss) Spettrometro per i m Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS geometria dell’inner detector L’inner detector costituisce il tracciatore di Atlas. Il tracciatore combina apparati ad alta risoluzione e granularità ai raggi più interni con elementi con meno risoluzione, ma che forniscono più punti ai raggi più esterni. Siccome uno studia i prodotti di collisioni che avvengono allo stesso punto d’interazione l’apparato più congeniale sarebbe sferico, ma… bisogna lasciare lo spazio per i fasci  Particelle emesse a grande angolo polare sono rivelate da un insieme di apparati in una configurazione cilindrica di raggi crescenti e con l’asse lungo l’asse dei fasci (Barrel). Prodotti di collisione emessi ad angoli più piccoli rispetto all’asse dei fasci sono rivelati da dischi (ruote), con il centro sull’asse dei fasci e con il rivelatore ortogonale all’asse dei fasci. Tali dischi sono posti a varie distanze alla fine del barrel (Endcap). Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS geometria dell’inner detector I sensori del Barrel sono posizionati lungo la lunghezza del cilindro  essendo in un campo magnetico // all’asse dei fasci si misura l’impulso trasverso della particella  Molti piani di sensori rettangolari più lunghi che stretti per misurare meglio la deflessione nel piano trasverso (f). Nelle Endcap i sensori sono posizionati radialmente assicurando una buona misura di pT. Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS inner detector L’ inner detector misura la direzione, l’impulso ed il segno della carica delle particelle cariche prodotte nella collisione. È costituito da: Magnete solenoidale Pixel detector Strip detector Tracciatore a radiazione di transizione (straw tubes) Rivelatori di Particelle

Lezione 22 ATLAS inner detector Il numero totale degli elementi ad alta precisione deve essere limitato perché: Introducono materiale Costano troppo 3 strati di pixel seguiti da 8 strati di strip (4 punti nello spazio) Un grosso numero di misure (~36) è fornito dagli straw tubes  buona tracciatura con molto meno materiale e costo decisamente inferiore. Gli hits negli straw contribuiscono in maniera significativa alla misura dell’impulso, compensando la peggiore risoluzione con il numero elevato di misure. L’elevato numero di misure è importante anche per la determinazione di vertici secondari (fisica del B) e conversione di g. L’inner detector si estende per una lunghezza totale di 7 m ed un raggio di ~ 115 cm. Il barrel è lungo ~80 cm ed è seguito dalle 2 endcaps (identiche). I silici coprono fino ad un raggio di 56 cm, seguono gli straw. Rivelatori di Particelle

Lezione 22 Magnete solenoidale Il magnete solenoidale consiste in un cilindro di diametro interno 2.44 m (esterno 2.63 m), lungo 5.3 m. È un magnete superconduttore che fornisce un campo di ~ 2T. Questo campo, parallelo all’asse dei fasci, deflette ogni particella carica che viene dal punto di collisione. Se una particella emerge perpendicolare al fascio, continua perpendicolare e viaggia su un cerchio il cui raggio è proporzionale all’impulso della particella stessa. Particelle con basso impulso trasverso possono spiralizzare nell’apparato, mentre quelle con alto impulso trasverso fanno cerchi di raggi molto ampi e lasciano l’apparato (se non sono assorbite o deflesse). La direzione del moto nel campo magnetico (oraria o antioraria) indica il segno della carica della particella. Se la particella non è ortogonale al fascio il campo magnetico cambia la sua traiettoria in un’elica con l’asse parallelo alla linea del fascio. Il raggio dell’elica è proporzionale all’impulso della particella. Rivelatori di Particelle

Rivelatori di Particelle Lezione 22 Pixel Il sistema fornisce 3 misure di precisione su tutta l’accettanza ed è quello che (essenzialmente) determina la risoluzione nel parametro d’impatto (vertici secondari B e t). Risoluzione: Rf=12 mm z=66 mm (barrel) e z=77 mm (endcaps) Devono essere resistenti alla radiazione (loro ed i chip di readout) per reggere 300KGy di radiazione ionizzante e >5x1014 neutroni per cm2 in 10 anni di operazione. Il sistema contiene ~140 milioni di pixel ciascuno di dimensioni 50x300 mm, suddivisi in 3 strati nel barrel e 5 dischi per ogni endcap. I rivelatori sono suddivisi in moduli identici nel barrel e nelle endcap. Ogni modulo, lungo 62.4 mm e largo 21.4 mm comprende 61440 pixel, letti da 16 cip. Ciascun cip legge un array di 24x160 pixel. Lo spessore di ogni strato di pixel è ~1.7 % X0. Rivelatori di Particelle

Rivelatori di Particelle Lezione 22 Strip To provide additional position measurements a little further from the collision point (to best determine a full trajectory), additional layers of silicon subdivided into narrow strips, about 80 microns wide by several centimeters long, are used. Each layer actually has two sets of strips, running at an angle of 2.3 degrees relative to each other. On the cylinders, the strips run parallel to the the beam axis. On the disks, the sets run radially. When a charged particle goes through the strip detector, signals identify which strip in each set has been traversed. The intersection of those two struck strips provides a 3-dimensional position measurement, very precise around the cylinder or disk and much less so in the other direction of the sensors. You may wonder why one simply does not put in more pixel detectors instead of the strip detectors: For larger detector areas, the pixel devices are simply too expensive. In totale si hanno 61 m2 di silici con 6.2 milioni di letture. La risoluzione spaziale è 16 mm in Rf e 580 mm in z. Si possono distinguere tracce se separate di ~ 200 mm. Rivelatori di Particelle

Lezione 22 TRT (Radiatore di transizione) È costituito da tubi a deriva di 4 mm di diametro. Si usa gas Xenon in modo da poter misurare anche la radiazione di transizione da radiatori posti fra gli strati di tubi. Ogni traccia è misurata in media in 36 punti (tubi). Il filo anodico è di tungsteno spesso 30 mm e fornisce una risposta rapida. La lunghezza massima dei tubi nel barrel è 144 cm. Il barrel ha circa 50000 tubi divisi in due al centro onde diminuire gli hit multipli ed ogni tubo e’ letto da entrambi i lati. Le endcaps contengono 320000 tubi radiali letti al raggio più esterno. Il numero totale di canali elettronici è quindi 420000. Ogni canale da una misura del tempo di deriva, fornendo una risoluzione spaziale di 170 mm per tubo. Ci sono 2 soglie indipendenti in modo da poter discriminare particelle al minimo dalla radiazione di transizione. Il barrel copre raggi da 56 a 107 cm. Le 2 endcap consistono in 18 ruote. Le 14 più vicine al punto d’interazione vanno da 64 a 103 cm, mentre le 4 ruote più lontane vanno fino a 48 cm in modo da mantenere costante il numero di tubi attraversati su tutta l’accettanza. Il rate di hit sopra la soglia più bassa varia da 6 a 18 MHz (a seconda del raggio) mentre nelle endcaps varia da 7 a 19 MHz (con z). A questi rates in generale solo ~70% dei tubi danno la misura giusta del tempo di deriva, ma il grosso numero di tubi assicura che la precisione della misura sulla traccia è di ~50 mm. La precisione del tubo è invece di ~170 mm. I tubi sono stati ottimizzati (geometricamente) in modo da avere un buon tracciamento a spese della radiazione di transizione  il fattore di reiezione di un pione di impulso trasverso = 20 GeV/c varia con h da 20 a 100 ( 90% di efficienza per l’elettrone). Rivelatori di Particelle

Rivelatori di Particelle Lezione 22 Calorimetria La calorimetria in ATLAS consiste in: Calorimetro e.m. (h<3.2) Il calorimetro è a sampling (piombo/argon liquido) con una geometria a fisarmonica. Per rapidità |h|<1.8 è preceduto da un presciamatore usato per correggere per la perdita di energia nell’inner detector, criostato, giogo del solenoide (tutto materiale che sta prima del calorimetro). Calorimetro adronico Barrel (|h|<1.7) Il calorimetro adronico Barrel è un cilindro diviso in 3 sezioni: barrel centrale e laterali. Tecnica: tegole di scintillatore e ferro come assorbitore; le tegole di scintillatore sono lette da fibre. Calorimetro adronico endcap ed in avanti (1.5<|h|<3.2 e 3.1<|h|<4.9) Entrambi i calorimetri sono ad argon liquido con assorbitore in rame. Rivelatori di Particelle

Lezione 22 Calorimetro elettromagnetico Il calorimetro elettromagnetico di Atlas ad argon liquido è suddiviso in barrel ed endcap. Struttura a fisarmonica: Elettrodi di Kapton, assorbitore in piombo e materiale scintillante Argon liquido. Per mantenere liquido l’argon è necessario un criostato (mantenere la temperatura a 90K). Rivelatori di Particelle

Lezione 22 Calorimetro elettromagnetico La struttura a fisarmonica assicura una simmetria in angolo azimutale completa. Lo spessore del piombo è stato ottimizzato in funzione di h in modo da assicurare un’ ottima risoluzione in energia. Nel barrel la gap di argon liquido è mantenuta costante e pari a 2.1 mm. Lo spessore totale del calorimetro e.m. è > 24 X0 nel barrel e > 26 X0 nelle endcaps. Nella regione (|h|<2.5) dedicata a fisica di precisione il calorimetro è segmentato in 3 sezioni longitudinali. Regione a strip spessa 6 X0 (incluso il materiale davanti) è suddivisa in strisce strette di ~ 4mm nella direzione di h. Questa sezione funziona da presciamatore migliorando l’identificazione di particelle e fornendo una misura precisa dell’inizio dello sciame in h. La regione intermedia è segmentata in torri quadrate DhxDf=0.025x0.025. Lo spessore totale del calorimetro fino alla fine della regione intermedia corrisponde a ~24 X0. La sezione finale ha una granularità di 0.05 in h ed uno spessore variabile da 2 a 12 lunghezze di radiazione. Per |h|>2.5 (endcaps) il calorimetro è segmentato in 2 sezioni longitudinali ed ha una granularità minore rispetto a quella del barrel. È comunque sufficiente per misure di energia trasversa mancante e di jets. In tutto l’intervallo di h coperto le celle del calorimetro puntano verso la zona d’interazione. Il numero totale di canali è ~190000. Rivelatori di Particelle

Lezione 22 Calorimetro elettromagnetico La quantità totale di materiale vista da una particella incidente prima del calorimetro è ~2.3 X0 ad h=0 e cresce con h nel barrel a causa dell’angolo delle particelle. Nella regione con |h|<1.8 si usa un presciamatore per correggere per le perdite di energia nel materiale a monte del calorimetro. Il PS consiste in uno strato di LAr spesso 1.1 cm nel barrel (0.5 nelle endcaps). I segnali del calorimetro e.m. sono amplificati e formati ogni 25 ns (tempo fra i crossing) ed immagazzinati in memorie analogiche (switching capacitor array) in attesa del trigger di primo livello. La risoluzione del calorimetro e.m. ad |h|~0.3 è 6.3% per particelle di 10 GeV, 1.4% a 50 GeV e 0.8% a 200 GeV. Rivelatori di Particelle

Lezione 22 Calorimetro adronico I calorimetri adronici di ATLAS coprono |h|<4.9. Diverse tecniche per il barrel (|h|<1.7) [Tile calorimeter] e per le endcaps ed il forward (1.5<|h|<4.9) [LAr]. Rivelatori di Particelle

Lezione 22 Calorimetro adronico Un parametro importante del calorimetro adronico e’ lo spessore. Deve assicurare un buon assorbimento dei jet adronici e ridurre al minimo il punch through nel sistema dei m. spessore totale 11l ad h~0. Risoluzione ~60%xE-1/2 Calorimetri adronici a LAr Rivelatori di Particelle

Rivelatori di Particelle Lezione 22 Sistema dei m Magnete toroidale (2-6 Tm barrel) (4-8 Tm endcap) Misura : tubi a deriva nel barrel; Cathode strip chamber (endcap e forward). Trigger: RPC nel barrel e Thin Gap Chamber nelle endcap Rivelatori di Particelle

Rivelatori di Particelle Lezione 22 Trigger Rivelatori di Particelle