L’esperimento ATLAS al collisore LHC del Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” Facoltà di Scienze CERN - ATLAS Control Room 2 Ottobre 2007 “P1 technical run” Laurea Magistrale in Fisica L’esperimento ATLAS al collisore LHC del CERN: commissioning dei rivelatori RPCs con i raggi cosmici e studi Monte Carlo di eventi supersimmetrici nel modello mSUGRA L’esperimento ATLAS al collisore LHC del CERN: commissioning dei rivelatori RPCs con i raggi cosmici e studi Monte Carlo di eventi supersimmetrici nel modello mSUGRA Relatore: Prof.ssa Anna DI CIACCIO Contro-Relatore: Prof.ssa Annalisa D’ANGELO A.A. 2006 - 2007 Candidato: Giordano CATTANI

Argomenti trattati nella Tesi: L’esperimento ATLAS Ruolo delle camere RPC in ATLAS Test delle funzionalità dei rivelatori RPC (Commissioning) nella caverna di ATLAS con dati acquisiti con un trigger di raggi cosmici Studio della risoluzione spaziale degli RPC con le tracce ricostruite nello spettrometro a muoni Studio di fattibilità del decadimento c20 → c10 + g nel modello supersimmetrico mSUGRA

Il Large Hadron Collider (LHC) Energia dei fasci 7 TeV Separazione tra i pacchetti 25 ns Paricelle/Pacchetto 1.15 ·1011 Dipoli 1232, 15 m, 8.33T, T=1.9 K Energia fasci 362 MJ/Beam Collisore p – p Circonferenza di ~ 27 Km Energia nel CdM.: √s = 14 TeV Luminosità: L= 1034 cm-2s-1 Prime collisioni nell’estate ‘08

L’esperimento ATLAS Il tracciatore interno Il sistema calorimetrico Centrale: EM: Pb + LAr HAD: Fe + Mat.Plast. Terminale: EM + HAD: LAr Pixel (~ 140M) Microstrip di silicio (SCT) (~ 6M) Tracciatori a transizione di radiazione (TRT) (~ 370k) campo magnetico solenoidale di ~ 2T tracciamento e b-tagging 3 magneti + 4 tipi di camere: MDT + CSC: misura sagitta RPC + TGC: LVL-1 Trigger Risoluzione: 2-3% per m di 10-200 GeV; 10% per m fino ad 1 TeV Il tracciatore interno Il sistema calorimetrico Lo spettrometro a muoni Diametro 25 m Lunghezza regione centrale 26 m Distanza tra le due Big-Wheel 46 m Massa 7000 T ATLAS ed il “building 40” al CERN (5 piani di edificio!!)

Lo spettrometro a m nella regione centrale (barrel) B~0.5T z y S Vista f BIL BOS BMS A 576 camere RPC – 360k canali di lettura 26 unità di diversa tipologia Superficie Totale ~ 8000 m2 (superficie di un campo di calcio) BML BOL y BIS 2 stazioni con RPC ed MDT: BMS, BOS, BML, BOL B = Barrel M = Medium: 2 piani RPC O = Outer: 1 piano RPC S = Small: nelle bobine L = Large: tra le bobine 1 con solo MDT: BIL, BIS I = Inner Small Camere MDT – tracciamento in vista h – 35 mm Camere RPC – trigger LVL – 1 + misura della coordinata in vista f Large Vista h y A m curvati dal campo magnetico toroidale BO 4 5 6 BM 12 torri: 6 lato A (z > 0) 6 lato C (z < 0) x, f BI 16 settori (8 Small + 8 Large) 3 stazioni per settore z, h Deflessione dei m principalmente in vista h

Le camere RPC di ATLAS HV f h m Singola unità di sinistra Singola unità di destra Risoluzione spaziale e temporale ~ 1 cm x 1 ns Possibilità di sostenere un elevato flusso di particelle: Φ ≤ ~1kHz Basso costo di produzione Usate come camere di trigger di LVL – 1 in ATLAS Gas Grounded plane Bakelite Plates X readout strips HV Le due unità si sovrappongono per aumentare l’accettanza Foam HV ~ 9.8 kV Egas~ 5 kV/mm bachelite ~ 1010 cm d = 2 mm Elettrodi per HV di grafite ~ 200m Superfici interne trattate con olio di lino Strisce (Strip) di lettura X e Y in rame, dimensione tipica 30 mm Gas: C2H2F4 93.5% - C4H10 6% - SF6 0.5% Graphite electrodes Y readout strips Polycarbonate spacer f h Consente di misurare la posizione nella coordinata (f) ortogonale a quella di curvatura dei m (h)

Event Display di raggi cosmici

Software + Set di dati Sono stati analizzati i dati acquisiti con trigger di raggi cosmici in 4 settori per un totale di 144 camere e 2304 pannelli 5 4 7 8 Preparazione dei dati (ROOTple) in ATHENA, il software dell’esperimento ATLAS: basato sull’uso di packages (scritti in linguaggio C++) la selezione dei packages e delle loro impostazioni tramite file job option (Python) Analisi compiuta in ambiente ROOT/C++

Hit e cluster hits clusters m m Il segnale indotto su ciascuna strip e letto dall’elettronica di front end, definito hit, è analizzato usando le informazioni contenute nella ROOTpla: la posizione di ciascun hit il numero identificativo della strip che ha prodotto l’hit Un cluster è un gruppo di strip associate secondo una certa logica: un cluster è definito come un gruppo di strip adiacenti accese allo stesso tempo o entro una finestra di 15 ns; il tempo associato al cluster viene scelto come il tempo associato al primo impulso; a ciascun cluster viene associata una dimensione, definita come il numero di strisce utilizzate per costruire il cluster (cluster size); la posizione associata al cluster è fornita dal baricentro delle strip che lo costituiscono. per una stessa strip solo il primo segnale indotto viene considerato, in modo da tagliare via gli impulsi secondari indotti a tempi superiori; m Cluster di dimensione 2 Cluster di dimensione 1 m h Elettronica di front end e di trigger installata su una camera RPC f

Test delle strisce attive e del cablaggio Studi con gli hit Strip Numero vs. posizione y Test delle strisce attive e del cablaggio Settore 5, camere BOL, vista f x, f z, h Settore 8, camere BOS, vista h Strisce non attive

Correlazione piani di lettura sovrapposti Studi con gli hit Correlazione piani di lettura sovrapposti Settore 8, pannelli BOS vista f, torre 2 Settore 5, pannelli BML vista f, torre 3 Sett. 4, Torre -5, BML (32) h Sett. 7, Torre 2, BML (32) h Sett. 5, Torre 3, BML (64) f Settore 4, pannelli BML vista h, torre -2 Settore 5, pannelli BOL vista h, torre 5 m m Dopo le correzioni Ly 2 Ly 1 Sett. 5, Torre 4, BML (80) f Sett. 8, Torre 2, BML (64) f Sett. 5, Torre 5, BOL (32) h

Tipici studi con i cluster Distribuzione di Cluster Size Dimensione dei cluster per un pannello BOL, vista h, settore 5, torre 3 @9400 V Studi di Cluster Size: Distribuzioni di Cluster Size Studi di Cluster Size vs. HV Studi di Cluster Size in ogni torre media ~ 1.2 Settore 5 Dimensione dei cluster vs. HV Pannello BOL CS vs. HV CS vs. pannello Settore 4 HV@9400 Settore 5 ~ 1.3

Le tracce ricostruite: MOORE ed il display degli eventi Un cosmico attraversa le camere RPC. ATLANTIS Sono usate le tracce ricostruite dal pacchetto MOORE Sono stati usati i seguenti parametri: Il perigeo (x, y, z) L’angolo q della traccia in vista h L’angolo f della traccia in vista f BOL BML Settore 5 Segmenti MDT Hit RPC BOL Camere MDT Camere RPC Hit MDT Hit RPC - gasgap = 1 Hit RPC - gasgap = 2 BML BIL Utile nel comprendere casi particolari e nell’individuare i criteri di selezione migliori

La selezione degli eventi Per condurre lo studio della risoluzione spaziale è stata attuata una selezione del campione di dati a disposizione secondo i seguenti criteri: Cosmic Ray Bundle Settore 5 Settore 5 No eventi multitraccia χ2/dof < 5 2 < # di Cluster < 20 Hit RPC in f > 1 Settore 5 Settore 4 Taglio # Eventi % Nessuno 88500 100.0 Eventi con tracce 73474 83.0 Eventi con 1 traccia 72177 81.5 χ2/dof<5 62045 70.1 2<# di Cluster<20 55235 62.1 Hit RPC in f > 1 51809 58.5 Taglio # Eventi % Nessuno 101064 100.0 Eventi con tracce 76135 75.3 Eventi con 1 traccia 74543 73.8 χ2/dof<5 64616 63.9 2<# di Cluster<20 60832 60.2 Hit RPC in f > 1 60360 59.7 Eventi multitraccia Fake Trigger Settore 4 Settore 5

Residui e risoluzione spaziale Residui in vista h m m Piano di lettura vista h Normalizzate alla stessa area Cluster Size = 2 Cluster Size = 1 Correlazione tra la coordinata z del punto di estrapolazione della traccia al piano di lettura RPC e coordinata z dei cluster RPC Residuo = zclusterRPC – ztracciaMDT Coordianta traccia NO selezione della dimensione dei cluster NO allineamento σfit ~ 10 mm BOL Torre 1 Settore 5 Coordinata Cluster

Cluster RPC – tracce ricostruite 2x4 strati di tubi a drift MDT 2x3 strati di MDT 2 strati di RPC Residui in vista f Dimensioni cluster = 1 Residui in vista h Dimensioni cluster = 1 Settore 5 Settore 5 ~ 30 mm Il solo tracciamento RPC in vista f determina una distribuzione più stretta con un picco evidente L’elevata precisione nel tracciamento delle camere MDT permette di riprodurre la larghezza delle strisce RPC

Cluster RPC – tracce ricostruite Estrapolazione delle tracce al livello della superficie Settore 4 Settore 5 Settore 7/8 Posizione Y strip vs. Posizione X strip

Efficienza delle camere RPC È stato elaborato un algoritmo che permette di calcolare l’efficienza delle camere RPC nella vista h in maniera indipendente dal rivelatore stesso. Camera BOL Settore 5, BOL vista h Esclusione delle camere che rientrano nella configurazione di trigger. Estrapolazione della traccia in vista f, ottenendo una lista di coordinate x – y determinazione della coordinata z estrapolando la traccia in vista h associazione tra posizione geometrica di ciascun punto ed un numero identificativo del pannello di lettura determinazione del residuo di ogni cluster della traccia: se il residuo cade all’interno di una finestra di accettanza predefinita allora il pannello viene ritenuto efficiente Efficienza vs. HV Entries Settore 13 Roma2 Group Efficency

Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei muoni – residui vs. zestrapolata Settore 4 Settore 5 A C A Settore 4 1 2 3

Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei muoni – spiegazione Posizione Reale: quota alla quale i piani di lettura RPC sono collocati nello spettrometro Posizione Geometrica: quota alla quale la descrizione geometrica dell’apparato, in ATHENA, pone i piani di lettura RPC Residuo = zcluster – ztraccia Y Settore 4 Z 1 2 3

Studio del processo supersimmetrico c20 → c10 + g a s = √14 TeV Oltre al lavoro di commissioning mi sono dedicato, parallelamente, allo studio di fattibilità di un canale di fisica previsto dal modello supersimmetrico mSUGRA

Supersimmetria - MSSM Il Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) è l’estensione minimale al Modello Standard che consente di realizzare la supersimmetria: ad ogni bosone (fermione) è associato un partner fermionico (bosonico) Consente di colmare i limiti del Modello Standard, tra cui: elimina le divergenze quadratiche nelle correzioni ad 1-loop alla massa dell’Higgs consente la convergenza delle costanti di accoppiamento delle tre interazioni fondamentali (esclusa la Gravità) fornisce un candidato per la Materia Oscura ~ @1016 GeV

Supersimmetria - mSUGRA l q g ~   p LSP In mSUGRA: La R-Parità è conservata: R = (-1)3(B – L) + 2s Le particelle SUSY sono prodotte in coppie La particella SUSY più leggera (LSP), con R = - 1, è stabile La LSP è il Neutralino c10, buon candidato per la composizione della Materia Oscura Per consentire la rottura spontanea della supersimmetria (SSB) è necessario connettere il “settore nascosto”, nel quale la rottura si verifica, con il “settore visibile”. Per fare ciò si estende l’MSSM con un “campo messaggero” che connette i due settori. In mSUGRA il campo messaggero è il campo gravitazionale. Parametro Descrizione m0 Massa delle particelle scalari (GeV) m1/2 Massa delle particelle fermioniche (GeV) A0 Termine trilineare comune tanb Rapporto tra i VEV dei bosoni di Higgs sign(m) Segno del superpotenziale m nel settore di Higgs La Lagrangiana del MSSM contiene 105 parametri liberi. In mSUGRA il loro numero si riduce a 5

c20 → c10 + g e scelta del punto nello spazio dei parametri mSUGRA Il decadimento del secondo Neutralino c20 → c10 + g è previsto da diagrammi di Feynman ad 1-loop e quindi sfavorito rispetto a decadimenti in due e tre corpi al livello fondamentale (tree level) dello sviluppo perturbativo In alcune regioni dello spazio dei parametri mSUGRA dove i decadimenti in due corpi sono chiusi e quelli in tre sono soppressi dinamicamente e/o cinematicamente allora può essere il canale dominante Segnatura sperimentale: un fotone energetico ed isolato energia trasversa mancante ETmiss in aggiunta ad altre topologie caratteristiche di eventi SUSY quali getti di elevato impulso trasverso e leptoni Canale non studiato in ATLAS nel modello mSUGRA Senza l’esclusione di LEP 2 A. Lionetto WMAP 0.09<W h2<0.13 Regione esclusa da ricerche a LEP 2 Regione esclusa teoricamente A. Lionetto

Studio con il generatore Monte Carlo Herwig v. 6.510 ISAJET v. 7.75 + ISASUGRA (masse particelle SUSY + BR) Analisi in ambiente ROOT/C++ Decadimento del c20 solo radiativo 5000 eventi generati SUSY CSC Note – 8 Topologia simile per il decadimento c10 → G g del modello GMSB. Studiato in ATLAS. Picco a ~ 50 GeV ~ m(c20) - m(c10) pTg con pTg > 20 GeV permette di discriminare bene il segnale dal fondo pT c10 ETmiss> 100 GeV

Conclusioni L’analisi dei dati di raggi cosmici acquisiti nella caverna di ATLAS ha permesso di evidenziare e risolvere problemi di varia natura (inversione del cablaggio, canali di elettronica non funzionanti o rumorosi etc ) delle camere RPC installate in 4 settori dello spettrometro a muoni. Lo studio delle tracce ricostruite ha permesso inoltre di studiare: la risoluzione spaziale delle camere RPC che troviamo compatibile con quella aspettata: σ = d/√12 ~ 10 mm le correlazione tra la coordinata della traccia ottenuta con il rivelatore di precisione MDT e la sua estrapolazione al piano di lettura RPC un metodo per il calcolo dell’efficienza delle camere RPC (indipendente da esse) in vista h ( importante per la calibrazione del rivelatore in fase di presa dati) È stato inoltre studiato con il Monte Carlo HERWIG il decadimento c20 → c10 + g all’energia nel centro di massa di LHC nel contesto del modello supersimmetrico mSUGRA e confrontato con lo studio del decadimento di segnatura analoga c10 → G g analogo previsto dal modello GMSB.

Backup

L’esperimento ATLAS Il tracciatore interno Il sistema calorimetrico Lo spettrometro a muoni Centrale: EM: Pb + LAr HAD: Fe + Mat.Plast. Terminale: EM + HAD: LAr Pixel (~ 140M) Microstrip di silicio (SCT) (~ 6M) Tracciatori a transizione di radiazione (TRT) (~ 370k) campo magnetico solenoidale di ~ 2T tracciamento e b-tagging 3 magneti + 4 tipi di camere: MDT + CSC: misura sagitta RPC + TGC: LVL-1 Trigger Risoluzione: 2-3% per m di 10-200 GeV; 10% per m fino ad 1 TeV Diametero 25 m Lunghezza regione centrale 26 m Distanza tra le due Big-Wheel 46 m Massa 7000 T ATLAS ed il “building 40” al CERN (5 piani di edificio!!)

Trigger di LVL – 1 nello spettrometro a m nella regione del barrel pT infinito m- m+ Finestra di coincidenza Piano RPC di conferma (Confirm) per trigger di High-Pt > 20GeV Segnale sul piano Pivot Piano RPC di Pivot Piano RPC di conferma (Confirm) per trigger di Low-Pt > 6 GeV Finestra di coincidenza Opera in entrambe le viste h e f Identifica il singolo pacchetto (ogni 25 ns) Le soglie in pT sono programmabili

Cluster RPC – tracce ricostruite Residui in vista f Dimensioni cluster = 1 Residui in vista h Dimensioni cluster = 1 Settore 5 Settore 5 ~ 30 mm Il solo tracciamento RPC in vista f determina una distribuzione più stretta con un picco evidente L’elevata precisione nel tracciamento delle camere MDT permette di riprodurre la larghezza delle strisce RPC

Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei muoni – spiegazione Osservando una camera RPC dal lato HV e RO i piani di lettura sono disposti come in figura Come sono montate le camere nello spettrometro Come sono descritte le camere nella geometria in ATHENA