Misura della luminosità in ATLAS e CMS IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Paolo Bartalini e Laura Fabbri

IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Sommario: Misure di Luminosità Motivazioni Luminosità Integrata ed Istantanea Processi fisici coinvolti Strategie sperimentali di ATLAS e CMS Problemi aperti / Conclusioni IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Motivazioni Luminosità Integrata L Luminosità Istantanea L Fornire un valore di luminosità integrata da utilizzare nell’analisi di tutti i campioni e per tutti i periodi di acquisizione. Misura della sezione d’urto di processi noti ttbar W/Z … Scoperta di nuova fisica Eventuali deviazioni dalle predizioni SM per sezioni d’urto di produzione di processi noti Misure di processi di produzione di Higgs Sezioni d’urto di produzione tan in MSSM Higgs, … Monitorare la luminosità istantanea per un utilizzo efficiente del fascio e un’ottimizzazione del rendimento Ottimizzazione dei Trigger (pre-scaler) Controllo veloce delle condizioni di running e del background relativo al fascio (monitorare la struttura temporale del fascio, …) Luminosità Istantanea L Le motivazioni di carattere fisico richiedono una misura di luminosità assoluta o integrata => un metodo che la misuri anche off line Le seconde due motivazioni invece richiedono una misura della luminosità istante per istante da utilizzare sia online (ottimizzazione dei trigger) che off line (Luminosity Block) IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Importanza della Misura di Luminosità Integrata Errore relativo su HBR per vari canali in funzione di mH, a Ldt = 300 fb–1. Il sistematico dominante deriva dalla misura della luminosità: 10% (open symbols) 5% (solid symbols) [ATLAS-TDR-15, May 1999] La motivazione fisica più forte è sicuramente quella di fornire una misura che ci permetta di capire la vera natura dell’Higgs (ammesso che sia dove lo cerchiamo) Quindi oltre al valore della massa sarà importante misurare le larghezze nei vari canali di decadimento. In questo grafico potete vedere in funzione della massa dell’Higgs il valore dell’errore sul BR in diversi canali di decadimento stimato con una statistica di 300 fb inversi considerando un errore sulla misura della luminosità del 10% per i cerchietti aperti e del 5% per quelli chiusi. Come si vede nella regione di massa più probabile, cioè da 120 GeV fino a 600, questo errore è dominato dall’errore sulla luminosità ed è quindi molto importante che sia il più basso possibile per permettere, confrontando i valori misurati con quelli predetti dai vari modelli teorici, di capire la natura dell’Higgs, se standard o super simmetrico IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Importanza della Misura di Luminosità Integrata II Errore relativo su tan( per H/A  ed H/A   in funzione di tan( a Ldt = 300 fb–1. Il sistematico dominante deriva dalla misura della luminosità [ATLAS-TDR-15, May 1999] La precisione su questa misura si riflette anche sulla conoscenza di tan beta: migliore sarà la precisione sulle larghezze degli H, migliore sarà la conoscenza di tan beta. In questo grafico è riportata una stima dell’errore relativo in funzione di tan beta stimato per un valore di massa di A di 150 GeV e con 300 fb inversi di statistica. Anche in questo caso il sistematico dominante è dovuto alla misura di luminosità. IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Luminosità di LHC La luminosità dipende unicamente dai parametri del fascio: f = frequenza di rivoluzione (11.2 kHz); Nni = # di protoni per bunch; kb = # di bunch; N = x*y*/ emittanza normalizzata; * = funzione  nel punto di impatto;  = E /mP Fattori che limitano l’accuratezza della misura: Capacità di estrapolare x* e y* nel punto di interazione dai parametri del fascio x e y Conoscenza dell’ottica dell’acceleratore (*) Precisione nella misura della corrente del fascio Altri effetti nel punto di interazione (angolo relativo fra i due fasci,… ) Quindi quanto vale e come tenere sotto controllo la luminosità ad LHC? La Luminosità di un acceleratore dipende unicamente dai parametri del fascio come il numero di particelle per bunch, la frequenza di rivoluzione dei fasci, la superficie di impatto che comunemente viene espressa tramite l’emittanza e la funzione di betatrone nel punto di impatto. E’ chiaro quindi che la nostra conoscenza su tale quantità è limitata dalla capacità dei macchinisti di ricavare le dispersioni del fascio nel punto di impatto, dalla conoscenza dell’ottica dell’acceleratore, dalla misura della corrente di fascio e da altri effetti che qui non abbiamo considerato come il fatto che i due fasci non siano perfettamente paralleli ma formino un angolo relativo. Tutti questi fattori fanno si che al meglio la luminosità possa essere conosciuta con un errore dal 5 al 10%. Noi però vorremmo fare di meglio… IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Forward Detectors @ ATLAS Luminosità Istantanea L 1027-1034 Cerenkov integrating detector (Monitor) Luminosità Integrata L1027 Roman Pots con fibre scintillanti L comm. MBTS TILE Inelastic L 1027-1034 Beam Condition Monitor (BCM) L >1028 Tile (integrated anode current) L 1033 LAr (High voltage current) E’ per questo che ATLAS e CMS si sono attrezzati in modo da effettuare questa misura con un errore inferiore al 5%, sia prevedendo detector dedicati che studiando delle tecniche per utilizzare a questo scopo quelli già esistenti. In questa slide vediamo uno spaccato del rivelatore ATLAS con i suoi calorimetri e lo spettrometro per mu e qui in basso sono riportati in funzione della rapitdità e della distanza dal fascio i vari sotto detector. Come possiamo vedere la regione a piccola y è occupata dai rivelatori del barrel mentre la zona a grande y che quindi copre anche regioni di grande pseudorapidità è occupata dai detector dedicati come il LUCID che monitorerà la luminosità tramite una serie di tubi Cerenkov e che sarà in funzione per tutta la vita di ATLAS, le Roman Pot che si pongono l’obiettivo di fare una misura di luminosità integrata a 10alla 27 tramite un rivelatore a fibre scintillanti, poi abbiamo più vicino al punto di impatto un Beam Condition Monitor formato da 4 sensori di diamante di 1 cm2 che tiene sotto controllo le condizioni del fascio ma potrebbe essere usato anche come monitor di luminosità. Questo per quanto riguarda i rivelatori dedicati, ma un controllo potra essere anche fatto utilizzando i rivelatori dedicati alla fisica come i colorimetri Tile e il LAr tenendo sotto controllo la corrente anodica e l’High voltage rispettivamente. Inoltre durante il commisionig saranno disponibili degli scintillatore posti davanti al calorimetro forward che monitoreranno il flusso di minimum bias. Come potete vedere da questo plot il numero di minimum bias atteso in funzione della pseudorapidità ha questo andamento e queste sono le regioni occupate dai vari detector. IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Forward Detectors @ CMS/Totem CMS detectors: Hadron Forward Calorimeter HF: 3 ≤|| ≤ 5 Castor Calorimeter: 5.2 ≤|| ≤ 6.5 Beam Scintillation counters BSC Zero-Degree Calorimeter ZDC TOTEM detectors: T1 (CSC) in CMS endcaps, T2 (GEM) dietro HF T1 + T2: 3 ≤ || ≤ 6.8 Roman Pots con Si det. Simmetrici fino a 220 m HF 10.5 m T1 ~14 m T2 CASTOR ZDC Per quanto riguarda CMS anche qui abbiamo uno spaccato del rivelatore, questa è la zona del barrel e anche CMS si è dotato di diversi rivelatori dedicati alla misura della luminosità. Come l’hadron Forward Calorimeter, formato da fibre di quarzo in blocchi di ferro, il calorimetro Castor che verrà istallato come upgrade e si occuperà di misure di fisica difrattiva soprattutto per lo studio dell’Higgs come lo ZDC C’è da notare che CMS ospiterà molto vicino, se non addirittura dentro, un esperimento per il momento del tutto indipendente, TOTEM, il cui obiettivo è proprio la misura della luminosità e della sezione d’urto totale pp, per cui in rosso nel primo disegno sono riportati i due telescopi di totem e nel secondo le tre stazioni di roman pot + FP420 ? RP3 (220 m) RP1 (147 m) RP2 (180 m) IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

ATLAS-CMS: Copertura pT- 1000 CMS HF ATLAS 100 LUCID T1 T1 pT (GeV) 10 T2 T2 1 RP In questa animazione vogliamo farvi vedere la copertura in pt ed eta di entrambi gli esperimenti: I due barrel occupano chiaramente la regione centrale, poi ci sono le aree coperte da lucid e dalle roman pot a fibre scintillanti, i due telescopi di TOTEM, le Roman pot ed il calorimetro forward di CMS CASTOR RP CASTOR RP 0.1 ZDC FWDCAL FWDCAL ZDC -12 -10 -8 -6 -4 -2 +2 +4 +6 +8 +10 +12 h pTmax ~ s exp(-h)

Importanza della Misura di Luminosità Istantanea Controllare il deterioramento del fascio Monitorare il numero di interazioni per bunch crossing Fornire intervalli temporali a luminosità nota (Luminosity Block) da associare ai dati sperimentali Come abbiamo visto molti di questi rivelatori svolgono la funzione di monitor di luminosità cioè controllano lo stato della luminosità istante per istante. Questo fatto è molto importante per migliorare la presa dati, infatti controllare il deterioramento del fascio e monitorare il pile up permette di ottimizzare i trigger, controllare i tempi morti, avere sotto controllo il background e definire intervalli temporali a luminosità costante e nota da associare ai dati sperimentali ed essere utilizzata per l’analisi. IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Deterioramento del fascio La luminosità istantanea della macchina decresce esponenzialmente come: Dovuto a: Scattering tra i bunch (IBS) Interazioni tra i fasci Interazioni con il gas residuo Radiazione di sincrotrone L (cm-2s-1)   14 h Per quanto riguarda il deterioramento del fascio i principali fattori che influiscono sono lo scattering tra i bunch, l’interazione tra i fasci, l’interazione dei fasci con il gas residuo, chiaramente la radiazione di sincrotrone… Quello che ci si aspetta è che la luminosità decresca esponenzialmente con una costante temporale di 14 ore che fa si che il deterioramento atteso sia dell’ordine del percento in 10 minuti. Questo numero ci da un limite superiore per l’ottimizzazione del trigger, cioè al massimo ogni 10 minuti occorre rivedere e calibrare i pre scaler,… [LHC Design Performance, EDMS CERN-0000020013] Deterioramento atteso ~ 1% in 10 min  Taratura dei pre-scaler IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Numero di interazioni per Bx Pure Poisson 10% smearing 20% smearing 50% smearing Effetto di uno Smearing Gaussiano ad Alta Luminosità →Pile-up non Poissoniano Elevato numero di interazoni per Bunch Crossing IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Luminosity Block LB: Intervallo temporale per cui è possibile definire un valore di luminosità istantanea costante (~ min) Per poter definire tali intervalli temporali è necessario avere un buon controllo della luminosità del fascio istante per istante (L) I dati acquisiti in ogni LB faranno riferimento al relativo valore di luminosità integrata Se tutto questo funziona possiamo essere in grado di definire degli intervalli di tempo in cui la luminosità può essere considerata costante (entro gli errori) e quindi tutti i dati raccolti durante questi periodi di tempo faranno riferimento al relativo valore di luminosità istantane che quindi diventa integrata. Questa informazione insieme ai valori di prescaler del trigger relativo e al tempo morto registrato durante la presa dati verranno associati al pacchetto di dati (ESD, AOD….) che quindi sono pronti per l’analisi. DATA LBn IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Misura della luminosità Ogni processo fisico avviene con una frequenza (R) uguale al prodotto della sua sezione d’urto () per la luminosità istantanea (L) Misurare la luminosità significa determinare per un dato processo sia R (N) corretto per le efficienze (trigger ed accettanza) che  Da un processo le cui sezione d’urto ed efficienze siano ben note ed il rate abbastanza grande è possibile ricavare la luminosità LEP: QED Bhabha scattering HERA: ep bremsstrahlung Come si fa quindi una misura di luminosità? Come tutti sapere il numero di eventi che seguono un certi processo e pari al prodotto della sezione d’urto di quel processo per la luminosità integrata o equivalentemente in termini di rate al prodotto della sigma per la luminosità istantanea. Invertendo questa relazione se si vuole misurare la luminosità tramite l’osservazione di un processo noto occorre da un lato misurare il rate (o il numero di eventi) e dall’altro conoscere la sezione d’urto. Questa tecnica è stata comunemente usata ai collider utilizzando processi la cui IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Misura della luminosità ad LHC Interazioni pp calcolabili con buona precisione QED, EW, QCD Piccolo errore statistico (<1%)  campioni omogenei di almeno 10K - 100K eventi Teorema Ottico frequenza di scattering elastico a piccolo angolo + frequenza totale di scattering Scattering Coulomb Obiettivo misurare L con un’incertezza ≤ 2-3% informazione ridondante CMS: 10% allo start-up, 5% 1 fb, 3% con 30 fb IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Interazioni pp di riferimento QED: QED piccola pp  (p+*)+(p+*)p+()+p Bassa frequenza (<< 1 Hz) anche a L=1034 cm-2 s-1 Processo calcolabile con un’accuratezza 1% EW: W/Z  leptoni Processi ben calcolabili da un punto di vista teorico (NNLO disponibile) Alta frequenza: 6Hz per Z, 60Hz Wν a L=1034 cm-2 s-1 Monitor online solo ad alta luminosità L/L)sist ~ 4-6%; L /L )stat ~ 1-5% QCD: tot ~ 100 mb Misurata con ottima precisione (TOTEM: tot ~ 1%) Metodo basato sul conteggio dei bunch crossings con interazioni e/o privi di interazioni pp Monitor online principalmente a basse luminosità No Monitor Online Alle macchine adroniche i processi QED sono penalizzati dalla , ma ci sono alcuni processi, come la produzione di coppie ee o  la cui sezione d’urto è calcolabile con molta precisione (< 1%) e quindi possono essere utilizzati per misurare la L. In particolare si preferisce studiare la produzione di coppie in quanto a differenza degli elettroni hanno un momento trasverso più elevato e per questo sono più facilmente rilevabili. Anche i processi QCD offrono segnali utilizzabili per misure di luminosità, in particolare i bosoni vettori W e Z possiedono segnature chiare e sezioni d’urto calcolabili con buona approssimazione, Inoltre a queste luminosità il rate di eventi è molto elevato (da 6 a 60 Hz) il che implica che in pochi minuti di presa dati si possono ottenere incertezze statistiche dell’ordine del %. Questo fatto consente di utilizzare questi segnali per monitorare online le condizioni di running IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

QED: pp  (p+*)+(p+*)p+(+)+p  (rad) (pt(1) -pt(2))/pt μμ ~1pb (~ 0.01 Hz a L =1034 cm-2 s-1)  L >1033 cm-2 s-1 segnale: coppia μμ con mμμ ~ GeV, pT(μμ) ≃ 0 pT(μ)≳ 5-6 GeV, |η(μ)|<2.5, Fondi: Drell-Yan Decadimenti semileptonici dei quark pesanti  tagli offline Segnale Fondo Produzione centrale di coppie mumu da due fotoni L/L ~ 2% per 10 fb-1 [ATLAS-TDR-15, May 1999] IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Normalizzazione con W e Z Alti rates (O(10) Hz ad alta L) Ricostruzione molto precisa (alte efficienze, fondi trascurabili etc.) PDF e sezioni d’urto partoniche conosciute  4-5% al NNLO Assunzione sulle sezioni d’urto per misurare la luminosità o vice-versa Metodo quantitativo per la valutazione simultanea di L e di (Z)/(W) tramite l’utilizzo di PDFs error sets e Confidence Levels [hep-ph/0104053] Per quanto riguarda i processi elettrodeboli per la misura della luminosità si possono usare i bosoni vettori W e Z0. Questi processi infatti hanno un rate talmente elevato che possono essere usati addirittura per monitorare la luminosità istante per istante. Nel plot sono riportate in funzione o della massa delle particelle o dell’energia trasversa dei jet, le sezioni d’urto di alcuni processi visibili ad LHC come la sezione d’urto totale, bbbar, quella dell’Higgs SM… e vediamo che quella dei bosoni vettori è una delle più alte. Sull’altro lato del plot sono riportati i rate corrispondenti confrontati con i rate dei vari livelli di trigger, quindi vediamo che questo canale sta sugli stessi valori dell’HLT. Inoltre questi canali hanno una ricostruzione molto efficiente e fondi trascurabili. A proposito della sezione d’urto le PDF sono state calcolate fino al NNLO con una precisione del 4-5% e abbiamo la speranza che quando arriveremo a utilizzare questo metodo saranno state calcolate anche ad ordini superiori. Qui sono riportate le prestazioni di CMS (pubblicate in queste due note del Physic TDR) dove l’incertezza dovuta alla luminosità è stata fattorizzata. Chiaramente assumendo note le sezioni d’urto il discorso può essere ribaltato e dalla misura del rate si può estrarre la luminosità. In questo ambito vale la pena menzionare anche altri metodi di analisi che permettono la valutazione simultanea sella Luminosità integratae delle sezioni d’urto di W e Z0 utilizzando alcuni error set di PDF e confidence level CMS Note-2006/124 CMS Note-2006/082 IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

s(ZZ->4m)/s(Z->2m) Incertezze da PDF e scale QCD Normalizzazione a Drell Yan Nella Regione di ricerca H->4: 195 – 203 GeV s(ZZ->4)/s(Z2m) vs s(ZZ->4) PTm > 16 GeV M(+-)>12 GeV Normalizzando s(ZZ->4m) a s(Z->2m) si ha una riduzione di un fattore ~ 2 delle incertezze teoriche D(QCD) e D(PDF) MCFM at NLO s(ZZ->4m) 195 GeV < M4m < 203 GeV s(Z->2m) PTm > 7 GeV s(ZZ->4m)/s(Z->2m) 1.12 fb 924 pb 1.24*10-6 Questo metodo si basa sull’idea di non ricavare la luminosità ma di normalizzare il processo che si sta analizzando ad un altro processo che però contenga lo stesso set di PDF. Per esempio il processo di produzione di due Z che vanno in 4 mu (uno dei canali dell’Higgs) può essere normalizzato al Drell Yan, infatti se guardiamo agli errori introdotti dalle pdf e dalla scala QCD per entrambi i processi sono dell’ordine del 3.5, 5 %, mentre invece l’errore sul rapporto si riduce grazie al fatto che questi due canali condividono lo stesso set di PDF. In figura sono riportati gli error set della CTEQ61 per esempio per in segnale e per il rapporto delle sigma e si può vedere come in molti casi gli error set sui rapporti siano motlo più vicini a uno. D (QCD scale) ±3.5% ±4.4% ±1.9% D (PDF) ±4.9% ± 4.3% ±2.3% [CMS Note 2006/068] IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

QCD: Rates di Minimum Bias (MB) Numero medio di interazioni: Conteggio diretto (tipicamente adottato per <<1) Esempi di richiesta: almeno una torre calorimetrica con ET > ET0 (HF in CMS) segnale negli scintillatori/tubi Cerenkov (BSC e MBTS, BCM e LUCID) Conteggio indiretto (tipicamente adottato per ~1) Probabilità BX privi di interazione: tutte le torri con ET < ET0 nessun segnale negli scintillatori/tubi Cerenkov Misura del segnale ET monitoraggio della corrente anodica (TileCal e LAr) Numero di scintillatori/tubi colpiti Per > 4.6 Metodi non inclusivi IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Il calorimetro Hadron Forward di CMS (HF) Caratteristiche principali: Risposta veloce Dimensioni trasversali dello sciame Parte attiva in fibra al quarzo per tollerare gli alti livelli di radiazione (>1 Grad accumulati in 10 anni) Sensibile alla Luce Cherenkov L’energia visibile e’ trasportata da particelle cariche relativistiche. La larghezza dello sciame dipende dal raggio di Moliere, non da li La luce e’ generata principalmente a 45o HAD (143 cm) EM (165 cm) 5mm FERRO 1 pp interaction: 25 pp interactions: Segmentazione h x  = 0.175 x 0.175 Copertura 3 <  < 5 1728 torri, i.e. 2 x 432 torri per EM e HAD IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Rates di Minimum Bias in CMS Monitor di luminosità indipendente da DAQ & Trigger Campionamento dei rates 1 ÷ 10 Hz Misura basata sul calorimetro adronico forward HF 3<<5 Soglia per torre  x ~ 0.175 x 0.175 6 FADC, ovvero ~ 2 foto-elettroni 8 GeV di energia incidente: 0.13 GeV < ET0 () < 0.75 GeV [CMS PTDR Vol. 1, Chapter 8] Pythia 6.227 inclusi diffrattivi + Simulazione dettagliata CMS - Effetto beam-gas trascurabile Ulteriore lavoro necessario per lo studio dei sistematici da modellizzazione degli eventi e dai rapporti delle sezioni d’urto hard / soft (in particolare SD and DD) (efficienze comunque molto alte per tutti i processi) LMIS/LTH Preliminary Conteggio Preliminary Metodo complementare basato su ET Nota: Definizione MB non coincidente con quella del trigger specifico IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

LUCID: monitor di luminosità LUCID : “LUminosity measurement using Cerenkov Integrating Detector Misura relativa della luminosità (bunch per bunch ed integrata); Copertura in η per misure di fisica diffrattiva (η=[5.5,6.1]) ~17 m dal punto di interazione Due rivelatori simmetrici disposti attorno alla beam pipe 168 tubi di Al riempiti di Isobutano  luce Cerenkov Winston Cones Fibre IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Numero di tracce Numero tubi colpiti inel*LB mis/Acc LUCID 13% Conteggio dei segnali Ad alti valori di è importante distinguere il numero di tracce per tubo L/L ≤ 5% Conteggio degli zeri: Nzero/NBX = 2.8 10-8 Nzero/NBX = 5.5 10-8 No coincidenza Coincidenza Nzero/NBX inel*LB L/L 1% 3% NoCoinc 2h30min 15 min Coinc 4h50min 30 min Ad alto pile-up è preferibile il conteggio dei segnali Coincidenza = no segnale in almeno uno dei due moduli IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS [ATLAS-LUM-PUB-2006-001]

IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Teorema Ottico Misurando la frequenza totale dell’interazione (Ntot) e quella del solo scattering elastico in avanti ( dNel/dt |t=0 ) è possibile ricavare sia L che tot Ntot = misura dell’interazione totale grande copertura in accettanza ||~ 7-8 Nel = frequenza di protoni deflessi a piccolo angolo Roman Pot = Re F(0)/Im F(0) noto con sufficiente accuratezza da non alterare la misura per più dello 0.5% tot mb, ana mb, IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Il parametro ρ ρ= Re F(0)/Im F(0) si lega alla sezione d’urto totale tramite la relazione di evoluzione Sensibile alla sezione d’urto totale oltre l’energia a cui ρ è misurata  è possibile fare predizioni di tot a energie maggiori di LHC La relazione di evoluzione vale ancora all’energia di LHC? pp pp [Cudell et al., PRL 89 201801 (2002)] IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Scattering Coulomb A t ≈ 0 la sezione d’urto diventa sensibile all’interazione elettromagnetica tramite l’interferenza Coulomb e quindi il rate di eventi può essere espresso come: Interazione forte Scattering Coulomb + Teorema Ottico - Ntot L e tot Raggiungere la regione di scattering Coulomb è un compito molto arduo in quanto molto vicina al fascio Questo vincolo, unito al teorema ottico, permette di determinare la luminosità e la sezione d’urto totale senza la misura della frequenza totale inelastica IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

in linea con i requirements! Roman Pots in ATLAS 0.5mm spacers reference edge 0.17mm Al2O3 ceramic substrate Misura della luminosità integrata basata sullo scattering Coulomb 240 m dal punto di interazione Utilizzo di ottiche speciali ad alto β* Utilizzabile solo a L1027 cm-2 s-1 Precisione su L/L ~ 2-3% in linea con i requirements! y-measurement detector t=-0.0007 t=-0.001 10 σ 15 σ scintillator plate for triggering x-measurement detector IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Conclusioni ATLAS e CMS misurano sia luminosita’ istantanea (L) che luminosita’ integrata (L) con metodologie ridondanti e un ricco apparato sperimentale, in particolare nella regione forward Monitor di luminosità L (oltre all’informazione LHC) Basato sulla precisa misura di tot da parte di TOTEM Principalmente tramite LUCID in ATLAS e HF in CMS Ad alte luminosita’ anche i rates di W e Z sono utilizzabili Misura di luminosità L Alto  (1027 cm-2 s-1) ATLAS userà il metodo della normalizzazione Coulomb per calibrare i monitor di luminosità (LUCID e BCM) CMS ricorrerà alla misura di TOTEM >1-10 fb-1 ATLAS e CMS utilizzano normalizzazione a processi di sezione d’urto calcolabili con buona precisione: W/Z -> leptoni, pp->pp L/L)stat ~ 1-5% L/L)syst ~ 2-3% IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Backup IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Run di calibrazione a 900 GeV Reasonable Maximum kb 43 156 intensity per beam 8.6 1011 1.7 1012 6.2 1012 1.6 1013 Luminosity (cm-2s-1) 2 1028 7.2 1028 2.6 1029 1.6 1030 event rate 1(kHz) 0.4 2.8 10.3 64 W rate 2 (per 24h) 0.5 3 11 70 Z rate 3 (per 24h) 0.05 0.3 1.1 7 Assuming 450GeV inelastic cross section 40 mb Assuming 450GeV cross section W → lν 1 nb Assuming 450GeV cross section Z → ll 100 pb [R.Tenchini] IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Pixel Luminosity Telescope (PLT) (proposto per CMS) Misura della luminosita’ istantanea Telescopi a piccolo angolo angolo (~1o) Tre piani di sensori al diamante (8 mm x 8 mm) Sensori collegati al CMS pixel ROC tramite bump bonding Coincidenze tra 3 sensori dal segnale veloce del ROC Telescopi collocati a r = 4.5 cm, z = 175 cm Lunghezza totale 20 cm 8 telescopi per parte IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

Beam Condition Monitor IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS BCM Offline Studies BCM triggered ATLAS Events: BCM triggered (luminosity) events are pre-scaled to meet the allowed event rate for the luminosity data stream The trigger information in the event can be used to get the BCM multiplicity in case such triggers are used. Luminosity studies can be made offline also using other detectors, e.g. particle counting using the ID etc. CTP trigger info and Offline data can be used to study TDAQ (dead-time) corrections Even without BCM data in the ATLAS event, a BCM LVL1 trigger is already very good Allows for luminosity studies: On-line studies from the CTP information (even per BCID) Offline studies using other detectors and trigger information Both synchronized to LBs IV Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS

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