Studio delle riflessioni multiple di protoni ultrarelativistici in Relatore: Laureando: Dott. Giovanni Ambrosi Matteo Duranti Studio delle riflessioni multiple di protoni ultrarelativistici in deflettori cristallini Una possibile risposta ai problemi di collimazione per il Large Hadron Collider

Sommario Nel corso di questa presentazione parleremo di: problemi di collimazione per il LHC fenomenologia di channeling e volume reflection per particelle cariche in materiali cristallini applicazione di questi fenomeni per un possibile sistema di collimazione (collaborazione H8RD22) analisi dei dati sperimentali per il deflettore a controllo remoto MQM7 15/09/2008 Matteo Duranti 2

Collimazione Al LHC verranno fatti collidere fasci di protoni di 7 TeV/c e fasci di ioni Piombo di 574TeV/c. Uno dei problemi tecnologici più rilevanti per il raggiungimento delle prestazioni nominali riguarda il sistema di collimazione: 15/09/2008 Matteo Duranti

Collimazione con cristalli Assorbitori di materiale amorfo deflessioni casuali dell’alone difficoltà nel posizionamento degli assorbitori secondari Tradizionale: Materiale amorfo,  deflessione “casuale” Proposta: Materiale cristallino  deflessione “controllata” Effetti direzionali: 15/09/2008 Matteo Duranti 4

Potenziale Reticolare In un un materiale cristallino il campo medio coulombiano tra due piani reticolari può essere approssimato con un canale parabolico: L’energia potenziale per una particella carica positivamente all’interno del canale può essere scritto come: 15/09/2008 Matteo Duranti

Channeling: angolo critico Una particella incidente con un piccolo angolo rispetto agli assi di simmetria del cristallo può essere confinata tra due piani cristallini Le condizioni cinematiche per il confinamento dipendono dal momento trasverso e dall'altezza della buca di potenziale: In Si, W, Ge: Angolo critico di Lindhard 15/09/2008 Matteo Duranti

Cristallo curvato L'idea di Tsyganov ('70) L Utilizzo di cristalli curvati come deflettori, con angolo di deflessione: Con un campo magnetico (per particelle di 400 GeV/c e L=400μm): 15/09/2008 Matteo Duranti

Volume reflection L’angolo di deflessione è: L R L’accettanza angolare è: Con un campo magnetico (per particelle di 400 GeV/c e L=400μm): 15/09/2008 Matteo Duranti

angolo di deflessione - accettanza angolare - efficienza La collaborazione H8RD22 Lo scopo della collaborazione è la misura di precisione delle grandezze fisiche collegate ai fenomeni di channeling e volume reflection: angolo di deflessione - accettanza angolare - efficienza Per la prima volta: Tracciamento di singola particella con rivelatori al silicio di alta risoluzione spaziale (O(10μm)) Misura dell’effettivo angolo di deflessione (telescopi in ingresso ed uscita) Goniometro di elevata risoluzione angolare (~ 1μrad) 15/09/2008 Matteo Duranti

Dispositivi Piegatura del cristallo macroscopica forze “anticlastiche” Piegatura microscopica di precisione 12/09/2008 Matteo Duranti

Multi-cristalli Aumento della deflessione angolare tramite più cristalli in sequenza: Angolo di deflessione: Efficienza di deflessione: MQM7 15/09/2008 Matteo Duranti

Analisi preliminari Procedure preliminari all’analisi dei dati collezionati: Allineamento dei rivelatori al silicio dei telescopi Selezione degli eventi: compatibilità e coerenza delle coordinate ricostruite con i rivelatori SD3 ed SD4 pulizia dell’evento selezione della “golden region” per i punti di impatto nel cristallo 15/09/2008 Matteo Duranti

Cristalli non allineati Scansione angolare di 10μrad: 15/09/2008 Matteo Duranti

Non allineati - VR Sezioni di 2.5μrad: - per l’efficienza: tracce deflesse all’interno di 3σ intorno al valore medio la bontà del “fit” è controllata tramite la larghezza delle gaussiane θ1,2 [μrad] 19.8 ± 0.9 θ3 [μrad] 10.8 ± 0.9 θ4 [μrad] 9.3 ± 0.9 θ5 [μrad] 10.9 ± 0.9 15/09/2008 Matteo Duranti

Non allineati - Channeling Sezioni di 5μrad: - la deflessione è misurata all’angolo del goniometro per cui si ha massima efficienza θ1 [μrad] -114.4 ± 1.4 θ2 [μrad] -100.4 ± 1.4 θ3 [μrad] -108.9 ± 1.4 θ4 [μrad] - 96.9 ± 1.4 θ5 [μrad] - 91.5 ± 1.4 15/09/2008 Matteo Duranti

Cristalli allineati Scansione angolare di 5μrad: 15/09/2008 Matteo Duranti

Allineati - VR Sezioni di 2.5μrad: - deflessione del dispositivo per volume reflection: 51.7 ± 0.9 μrad ≈ (19.8 + 10.8 + 9.3 + 10.9) μrad - in un intervallo angolare di incidenza di ~ 40μrad si ha un’ efficienza di deflessione > 90% 15/09/2008 Matteo Duranti

Collimazione 15/09/2008 Matteo Duranti

Collimazione Assorbitori di materiale amorfo deflessioni casuali dell’alone difficoltà nel posizionamento degli assorbitori secondari tradizionale: channeling: multi volume reflection: 15/09/2008 Matteo Duranti

Conclusioni Dall’ analisi dei dati per il deflettore multicristallo MQM7: conferma delle caratteristiche degli effetti di channeling e volume reflection per singoli cristalli misura di precisione degli effetti di volume reflection per un deflettore multicristallo: θv=51.7 μrad ed efficienza > 90% in un intervallo di 40μrad prestazione di un deflettore multicristallo come elemento base di un eventuale sistema di collimazione: pulizia dell’80% del fascio in un intervallo di 80μrad alcuni risultati di questa analisi sono parte integrante di un articolo della collaborazione H8RD22 sottomesso per la pubblicazione a Physical Review Letters 15/09/2008 Matteo Duranti

Conclusioni (bis) 15/09/2008 Matteo Duranti

Scansione angolare 15/09/2008 Matteo Duranti

Uniformità e Torsione Muovendosi lungo il profilo del fascio: 15/09/2008 Matteo Duranti

Uniformità e Torsione Muovendosi lungo il profilo del fascio: 15/09/2008 Matteo Duranti

Pulizia necessaria ad LHC R. Assman e W. Scandale, da un seminario per ALICE (Aprile 2007) Energia [GeV] Tasso di perdita (10 ore di vita media) [p/s] Limite di Quenching [p/s·m] Richiesta di pulizia 450 (SPS) 8.4 ·109 7.0 ·108 92.6% 7000 (LHC) 7.6 ·106 99.91% 15/09/2008 Matteo Duranti