I rivelatori Monitored Drift Tubes dell’esperimento ATLAS: Università degli Studi di Roma Tre Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Dipartimento di Fisica E. Amaldi Tesi di Laurea in Fisica I rivelatori Monitored Drift Tubes dell’esperimento ATLAS: assemblaggio e misure con raggi cosmici. AnnaRita Pecora

Sommario Programma di fisica del Large Hadron Collider L’esperimento ATLAS Funzionamento dei Monitored Drift Tubes Assemblaggio e test delle camere Analisi dati ottenuti in laboratorio

LA FISICA DI LHC origine delle masse  ricerca bosone di Higgs. Il Modello Standard funziona ma ci sono domande in sospeso: origine delle masse  ricerca bosone di Higgs. asimmetria materia-antimateria  studio produzione coppie bb e tt Sappiamo: prod(Higgs)  10 pb 110 Gev < MHiggs < 1 TeV t g H t g t Di conseguenza sono necessarie: Elevata Luminosità ( 1034 cm-2 s-1) Massima Energia Possibile (ECM = 14 TeV)

IL LARGE HADRON COLLIDER Collisore pp con energia del centro di massa di 14 TeV L =1034cm -2s -1 CMS ALICE LHCb ATLAS

IL RIVELATORE ATLAS Spettrometro Muonico Rivelatore Interno Calorimetro Elettromagnetico Spettrometro Muonico Solenoide Centrale p p Toroide Barrel Calorimetro Adronico Toroide End Cap Rivelatore Interno

SPETTROMETRO PER MUONI Esigenza: misurare con precisione l’impulso dei muoni tra 6 Gev e 1TeV. Minimizzazione diffusione coulombiana  toroidi superconduttori in aria. Tracciatori di precisione: Monitored Drift Tubes & Cathode Strip Chambers. Trigger dedicato e misura III coordinata: Thin Gap Chambers & Resistive Plate Chambers. Il gruppo Atlas Roma Tre si occupa dell’assembaggio, in particolare dell’equipaggiamento, e del test delle MDT.

Tempo di deriva degli elettroni FUNZIONAMENTO MDT Se una particella ionizzante li attraversa si generano coppie ione-e-. Consentono una buona risoluzione (80 m). Tempo di deriva: tempo tra l’entrata della particella nel rivelatore e l’arrivo degli e- sul filo. Tempo di deriva degli elettroni Conteggi TDC (0.78 ns) Entrate prodotti ~ 100 ep/cm ad 1 bar Tubo di alluminio diametro 3 cm spessore 400 m Filo tungsteno 50 mm start t dc stop Punto di lavoro : Miscela: 93 % Argon + 7 % CO2 Pressione: 3 bar Guadagno: 2x104 ( HV=3080 V )

SISTEMA DISTRIBUZIONE GAS Densità, temperatura, e purezza del gas influenzano la velocità di deriva. E’ dunque necessario garantire stabilità delle condizioni operative nel tempo. Pressione di lavoro: 3 bar ( ± 1 mbar ) Stabilità della miscela: 0.25 % per componente Impurezze: < 100 ppm Limite massimo fughe di gas: 2·10-8 bar ·l/s·tubo (a 3 bar assoluti) Il gas viene distribuito alla camera da sistemi detti gas-bar attraverso capillari connessi con le due estremità (ingresso e uscita) di ogni tubo.

E’ STATO SCELTO IL SISTEMA SERIALE ! SISTEMA PARALLELO E’ STATO SCELTO IL SISTEMA SERIALE ! Questo sistema utilizza jumper di connessione in modo tale che due capillari forniscano il gas a tre tubi. SISTEMA SERIALE

TEST DEL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE DEL GAS Una volta assemblate, le gas-bar vengono sottoposte ad un test preliminare con uno spettrometro ad Elio. Superato questo test, vengono sottoposte al test in pressione nel quale viene misurata la differenza tra la pressione di un volume di riferimento e quello della gas-bar o della camera da testare. MANOMETRO DIFFERENZIALE Massima caduta pressione consentita: 1 mbar/giorno per le camere 3 mbar/ora per le gas-bar 10-8 bar·l/s per connessione 

RISULTATI DEI TEST DI PRESSIONE Il segnale del manometro viene inviato ad una scheda di acquisizione e letto da un programma LabView la cui uscita viene registrata su file ed analizzata con PAW. Perdita stimata = 0.1 mbar/giorno

EQUIPAGGIAMENTO DELLE CAMERE Effettuato il test di pressione, sulle camere vengono montate: Schede di alta tensione (H.V.) Schede di lettura (R.O.) Assemblata l’elettronica la camera è: Flussata per togliere l’aria; Portata a 3 bar; Portata a 3400 V (10% in più della tensione di lavoro) per controllare correnti e rumore. Limite in corrente: 6 nA per tubo  2 A per camera Limite rumore: 1 KHz per tubo

ACQUISIZIONE IN LABORATORIO Y X TRIGGER: 3 piani di RPC ( Resistive Plate Chamber) con risoluzione temporale di 1ns ciascuno letto da 6 circuiti indipendenti  2 MODUS OPERANDI: AND dei 3 piani OR di sei coincidenze triple (castelletti) La segmentazione del trigger consente di misurare la coordinata X con risoluzione di 3 cm E’ il primo sito di test che consente di misurare tre camere contemporaneamente con illuminazione uniforme.

DAL SEGNALE ALLO SPETTRO Il segnale dall’anodo è: letto e processato da circuiti di front-end (mezzanini) che contiene il chip ASD (Amplifer-Shaper-Discriminetor) ed un TDC. ASD inviato al CSM0 (Chamber Service Module con soglia e modus operandi programmabili), che distribuisce clock e trigger, e da qui alla CPU. con i tempi così misurati viene costruito lo spettro di deriva. Conteggi TDC (0.78 ns) Entrate

I fase: riempimento e fit spettri ANALISI DATI Per l’analisi dei dati è stato implementato CALIB un programma modulare in C++ I fase: riempimento e fit spettri Controllo uniformità di risposta tra tubi di una stessa camera e tra camere diverse. Conteggi TDC (0.78 ns) t P5 P6 t (ns) N TUBO

II fase: Ricostruzione tracce Pattern Recognition: selezione dei tubi interessati dall’evento Conversione tempi di deriva in distanze: Relazione spazio-tenpo di deriva (RT) di innesco Track fit: scelta della migliore tra le 4 tangenti ai due cerchi esterni Minimizzazione del 2 : utilizzando i cerchi di deriva dei 4 tubi interessati si ricostruisce la traccia

Circonferenza di deriva III fase: Autocalibrazione 2/ndf entrate Traccia ricostruita Circonferenza di deriva residuo Ricostruzione delle tracce con relazione rt di innesco Minimizzazione dei residui Nuova relazione rt N iterazioni X iterazione I iterazione Raggio (mm) Residui (mm) - 5 m + 5 m RELAZIONE SPAZIO-TEMPO

III fase: Risoluzione Ogni traccia interessa N tubi,quindi, si ricostruisce la traccia con N-1 tubi e per l’n-esimo si calcola il residuo e considerando tutte le tracce e tutti i tubi se ne ottiene la distribuzione in funzione del raggio la cui larghezza  è pari a: 2(r) = (risoluzione)2 + (errore estrapolazione)2 Risoluzione = risoluzione intrinseca + multiplo scattering Anche in questo caso si tratta di una procedura iterativa in cui si parte da una risoluzione di innesco e si itera finché la risoluzione in uscita è stabile. Risoluzione (mm) Risoluzione (mm) 10000 entrate RM-01 ML 1 RM-01 ML 1 Raggio (mm) Raggio (mm)

In laboratorio la risoluzione è limitata dalla diffusione coulombiana (0.016 rad per p=500 MeV in un multilayer). Se mettiamo dei tagli in 2/ndf a 10, possiamo eliminare molte delle tracce poco energetiche ottenendo una risoluzione migliore ( 40 180 m). Raggio (mm) Risoluzione (mm) 3000 entrate Raggio (mm) Risoluzione (mm) RM-01 ML 1 RM-01 ML 1

IV fase: Allineamento IDEA PER REALIZZARE MISURE DI ALLINEAMENTO Attraverso misure tomografiche si è capito che non tutti i multilayer delle camere sono ben allineati. Se questi disallineamenti sono noti è possibile correggerli col programma di analisi ma non è possibile tomografare tutte le camere! IDEA PER REALIZZARE MISURE DI ALLINEAMENTO Z Y X Z Y X a = a1 – a2  0  ML inclinati! b = b1 – b2  0  ML traslati! Il nostro trigger è diviso in 6 zone dette castelletti, analizzando i dati castelletto per castelletto possiamo misurare anche rotazioni relative tra multilayer nel piano ZX e torsioni rispetto al piano ZY

b b Dati raggi cosmici b Misure Tomografo Dati raggi cosmici b Misure Tomografo

RM-01 PERCHE’?

Gradienti di temperatura?   Gradienti di temperatura? T = 1 K  t = 3 ns  r = 50 m a DT Ta – Tb 1.3 Td – Tc Ta – Td 0.2 Tb – Tc 0.3 b d c 1 DT T1 – T2 0.6 T1 – T3 0.4 T1 – T4 T3 – T4 3 4 2

Conclusioni Sviluppo di una procedura di assemblaggio e test Allestite e collaudate con buoni risultati 5 camere Verificata l’uniformità di risposta Verificata stabilità delle tecniche costruttive e del sistema di test Ricostruita la funzione di risoluzione camere Sviluppo di un metodo di misura dei disallineamenti relativi tra multilayer: b OK, a da capire.

FINE

H  (da W H , Z H e H) per 80 GeV < mH <120 GeV H   ed H   per 90 < mH <150 GeV H  ZZ*  4l per 130 GeV< mH < 2mZ H  ZZ  4l  , 2l  2 per mH > 2mZ H  WW  l  2jet per 2mW <mH < 1 TeV.

Calorimetri alta granularità e risoluzione temporale < 50 ns Inner Detector Vicino al fascio rivelatori a semiconduttore (pixel) ad alta granularità. Nel barrel il tracciamento è effettuato da rivelatori a semiconduttore composti da silicio. Nella parte più esterna ci sono rivelatori a deriva (straw-tubes riempiti con Xenon intervallati da materiale radiativo). Calorimetri alta granularità e risoluzione temporale < 50 ns Elettromagnetico Strati di Pb (2.5 mm) intervallati con strati di Argon liquido (4 mm) in cui ci sono elettrodi che raccolgono gli e di ionizzazione e uno da cui si legge il segnale. Adronico Nel barrel è composto da strati di Fe e scintillatore plastico ortogonali ai fasci. Nell’end-cap c’è Argon liquido e assorbitori in rame per garantire maggiore resistenza all’alto flusso di radiazione. L’alta granularità dei rivelatori è necessaria per minimizzare la sovrapposizione degli eventi Flusso spettrometro Neutroni e fotoni di bassa energia che danno segale in un unico elemento del rivelatore particelle cariche E>10 MeV che simulano il passaggio di una traccia (rumore correlato)

A sinistra il potere curvante del toroide e a destra una mappa del campo magnetico nella regione di transizione.  

Risoluzione in funzione della distanza dal filo per miscela di Argon/CO2 con e senza sorgente (1400 Hz/cm): misure (punti) e simulazioni (linee). 1 2 3 4

E = V / [ r log( Rt / Rf) ] ≈ 5 104 V/m La carica Q depositata per unità di lunghezza del filo nel tempo Δt è   Q = Φ d <Ne> G e Δt   dove Φ è il flusso di particelle, d il diametro del tubo, <Ne> il numero medio di elettroni primari, G il guadagno del gas, Δt il periodo aspettato di presa dati dell’esperimento. Considerando un flusso di 500 Hz/cm2 per 10 anni questo ci dice che, per mantenere la carica depositata al disotto di un Coulomb per centimetro, il guadagno deve essere inferiore a 4*104. Il valore scelto nel nostro caso è 2*104 che rappresenta un buon compromesso tra risoluzione e funzionamento nel tempo della camera.   E = V / [ r log( Rt / Rf) ] ≈ 5 104 V/m

Tutto il sistema di lettura è sincronizzato con la frequenza di incrocio dei fasci di LHC pari a 40 MHz. Il TDC provvede alle misure temporali attraverso il suo clock interno a 40 MHz (corse-time) ed un interpolatore a 5 bit (fine-time,25 ns/32 = 0.78125 ns) e fornisce in uscita un conteggio di  C T+f δT   Dove C e f sono i conteggi di corse-time e fine-time moltiplicati per i rispettivi periodi T e δT.

BASSO FLUSSO (30 l/h) Andamento della differenza tMax-t0 per tipo di tubo nei due multilayer della camera RM-013. Come si può notare, la distribuzione seriale a gruppi di tre tubi fa sì che le impurità aumentino tra il primo ed il terzo della serie e di conseguenza aumenta anche la lunghezza degli spettri, inoltre anche i due ML sono in serie e come si può vedere anche in questo caso la lunghezza degli spettri aumenta passando dal primo al secondo.

Differenza tra la rt del primo castelletto e dell’ultimo.