21 Settembre 2005 Corso di laurea triennale in fisica TRACCIAMENTO E STUDI DI RISOLUZIONE SU CAMERE MDT DELL’ESPERIMENTO ATLAS Candidato: Daniele Capriotti Relatori: prof. Filippo Ceradini dott. Mauro Iodice

SOMMARIO Il rivelatore Atlas al Large Hadron Collider Le camere MDT dello spettrometro a muoni Il sito di test a Roma Tre Analisi delle performance della camera: spettro dei tempi di deriva tracciamento autocalibrazione risoluzione Analisi delle performance con due camere simultaneamente: allineamento studi di risoluzione Conclusioni

Programma di LHC verifica dell’esistenza del bosone di Higgs con 110 GeV < mH < 1 TeV per tale intervallo di massa, la sezione d’urto di produzione è compresa tra 50 pb e 0.1 pb per avere la frequenza di produzione necessaria alla rivelazione , l’acceleratore deve avere una alta luminosità in molti canali di decadimento del bosone di Higgs si producono muoni per determinare la massa dell’Higgs è necessaria una ottima risoluzione nella misura dell’impulso dei muoni la risoluzione sull’impulso dei muoni del 3 % richiede una precisione nel tracciamento inferiore a 100 μm

Large Hadron Collider (LHC) collisioni protone-protone circonferenza di 27 chilometri campo magnetico curvante 8.5 T energia dei fasci 7 TeV frequenza d’incrocio 40 MHz protoni in ogni pacchetto 1011 luminosità 1034 cm-2 s-1

A Toroidal Lhc ApparatuS (ATLAS) Electromagnetic Calorimeter Muon Detectors Inner tracker End Cap Toroid Barrel Toroid Hadronic Calorimeter

Tracciatore interno lunghezza di 6.8 m e raggio di 1.15 m campo magnetico (2 T) per le misure di carica e posizione lunghezza di 6.8 m e raggio di 1.15 m misura della posizione delle particelle attraverso rivelatori: SCT (precisione di 13 μm) e TRT (precisione di 170 μm)

Calorimetro elettromagnetico Calorimetro adronico produzione di sciami adronici misura l’energia degli adroni piastre di Ferro alternate a scintillatori misura l’energia mancante (neutrini) Calorimetro elettromagnetico produzione di sciami elettromagnetici misura l’energia di elettroni, positroni e fotoni segmentazione una misura della posizione strati di Piombo spessi 1.5 mm separati tra loro di 4 mm da Argon liquido

Spettrometro per muoni misura l’impulso dei muoni campo magnetico toroidale in aria di 0.5 T 3 stazioni di camere dedicate al trigger dei muoni (RPC nella regione barrel e TGC in quella di end-cap), che selezionano eventi con impulso tra 6 GeV e 1 TeV. Consentono una misura della coordinata azimutale 3 camere dedicate alla misura della traiettoria (MDT nel barrel e nell’end-cap e CSC solo nell’end-cap) Invecchiamento maggiore nella regione dell’end-cap

Le camere MDT dello spettrometro per muoni misurano la traiettoria seguita dai muoni sono camere a tubi a deriva e lavorano in regime proporzionale tubi in Alluminio con un raggio di 1.5 cm miscela di Argon (93 %) e CO2 (7%) ad una pressione di 3 bar 2 multilayer per ogni camera, per un totale di 288 tubi per le camere BIL. scheda di front-end ogni 4x6 tubi filo anodico al centro dei tubi ad una tensione di 3080 V (guadagno di 2•104) deriva degli elettroni, prodotti dalla ionizzazione del gas, verso il centro del tubo

Il sito di test a Roma Tre L’odoscopio presente permette di analizzare la traiettoria di raggi cosmici, mediate l’utilizzo di una o più camere MDT. L’odoscopio è formato da 3 piani di Resitive Plate Chambers (RPC). Tali camere forniscono: il trigger della traccia con una risoluzione temporale di 1.5 ns una suddivisione dell’odoscopio in 6 zone (dette torri di trigger) indipendenti l’una dall’altra. una selezione delle tracce in un certo intervallo angolare traccia selezionata dal trigger traccia non selezionata dal trigger strato di Piombo: blocca particelle con p < 150 MeV/c

Analisi dello spettro dei tempi le camere RPC forniscono un segnale di start corrispondente al passaggio del muone nell’odoscopio gli elettroni che raggiungono il filo producono un segnale di stop del conteggio definiamo t0 il tempo di deriva relativo ad una traccia passante in prossimità del filo e tmax quello relativo ad una traccia vicino la parete del tubo per ogni tubo viene calcolato lo spettro dei tempi di deriva il fit dello spettro viene eseguito con la seguente funzione empirica: P1: livello di rumore P5: valore del t0 P6: valore di tmax P4,P7, P8 definiscono la forma della curva

Analisi dello spettro dei tempi t0 dipende dai ritardi dell’elettronica e dei cavi il valore di ttot = tmax – t0 dipende solo dalla deriva degli elettroni nel gas Studio dei t0 cavi e tempi di propagazione differenti per ogni torre di trigger allineamento del t0 per ogni settore: analisi di una torre di trigger alla volta differenze di t0 per ogni castelletto rispetto ad uno scelto come riferimento il valor medio è la correzione per ogni settore

Tracciamento La relazione r-t individuazione delle liste di tubi appartenenti ad un evento (pattern recognition) tracce rettilinee in un dato intervallo angolare fit lineare tangente ai raggi di deriva minimizzando il χ 2. La relazione r-t converte i tempi di deriva in raggi una relazione approssimata può essere ricavata usando lo spettro dei tempi di deriva nel caso di illuminazione ed efficienza uniforme: utilizzando un processo iterativo di minimizzazione dei residui (autocalibrazione)

residui al variare delle iterazioni Autocalibrazione della camera processo iterativo: si inizia con una relazione r-t di innesco, per convertire i tempi in raggi. fit lineare dei raggi per ricavare il parametro d’impatto residuo: differenza tra il parametro d’impatto e il raggio di deriva tale valore si utilizza come correzione alla r-t del passo precedente Il processo si arresta quando i residui sono dell’ordine di qualche micron. residui al variare delle iterazioni relazione r-t

Risoluzione della camera si calcola attraverso un secondo processo iterativo traccia passante per 7 hit, escludendo il tubo del quale voglio stimare la risoluzione ottengo una distribuzione dei residui in funzione del tubo escluso per ogni intervallo stimo σ e ricavo la risoluzione risoluzione di un multilayer in funzione del raggio peggioramento della risoluzione vicino al filo: distanza tra i cluster alta velocità di deriva

Risoluzione della camera La distribuzione e la probabilità del χ2 indicano una stima errata della risoluzione: nel sito di test sono presenti dei contributi che peggiorano la risoluzione stimati: lo scattering multiplo dei muoni e le fluttuazioni del tempo di trigger i raggi cosmici analizzati hanno un vasto intervallo di energie Confronto tra la risoluzione nel nostro laboratorio e quella calcolata al test-beam, con muoni di alta energia (180 GeV/c) La risoluzione al test-beam è nettamente migliore. Viene presentato un metodo che consente una stima della risoluzione dove i contributi dello scattering multiplo e delle fluttuazioni del tempo di trigger sono ridotti, attraverso l’impiego di 2 CAMERE SIMULTANEAMENTE.

Analisi con due camere Il metodo proposto consente di selezionare eventi del campione di dati. TALI CONTRIBUTI PEGGIORANO LA RISOLUZIONE E SONO INDIPENDENTI DALLA RISOLUZIONE INTRINSECA DELLE CAMERE MDT I raggi cosmici analizzati, infatti, hanno un ampio intervallo di energie e quindi è presente una forte componente a basso impulso che subisce scattering multiplo. Sono inoltre presenti delle fluttuazioni sul tempo di trigger. Tracciamento effettuato separatamente sulle due camere, che produce i coefficienti angolari a1 e a2, i valori dell’intercetta b1 e b2 e due valori del χ2

Allineamento geometrico y Allineamento geometrico Camera 1 ROTAZIONI ATTORNO ALL’ASSE DEI TUBI Il valore delle differenze tra i coefficienti angolari fornisce direttamente l’angolo di rotazione attorno l’asse dei tubi. Tale valore è di 54 μrad Camera 2 z senza allineamento con allineamento

Allineamento geometrico Camera 1 y z Camera 2 TRASLAZIONE LUNGO L’ASSE z stimando la differenza di intercette si ottiene il valore della distanza relativa lungo l’asse z. Il valore stimato è –26.74 mm Allineamento geometrico ROTAZIONI ATTORNO ALL’ASSE DEI TUBI senza allineamento con allineamento

Allineamento geometrico y z Camera 1 Camera 2 TRASLAZIONE LUNGO L’ASSE y Definisco Δy = Δb/a Δb = a Δy Il valore del coefficiente angolare nel plot Δb vs a è il valore Δy Allineamento geometrico ROTAZIONI ATTORNO ALL’ASSE DEI TUBI TRASLAZIONE LUNGO L’ASSE z senza allineamento con allineamento

Risoluzione con due camere il tracciamento sulle due camere produce due diversi valori di χ2 relativi alla camera 1 e alla camera 2 calcolo la risoluzione sulla camera 1 tagliando eventi con un valore di χ2 (della camera 2) superiore ad una soglia arbitraria Confronto tra distribuzione e probabilità di χ2 risoluzione al variare dei tagli in χ2 senza tagli taglio in χ2 a 4.5 la risoluzione migliora al variare dei tagli in χ2 sulla seconda camera il taglio in χ2 avviene in maniera indipendente sulle due camere c’è accordo tra distribuzione teorica e sperimentale la risoluzione stimata è rappresentativa del campione di dati analizzato

selezione del campione di cosmici con 2 CAMERE SIMULTANEAMENTE: CONCLUSIONI Il sito di test consente di studiare il funzionamento delle camere MDT nel tracciamento di raggi cosmici L’analisi delle camere MDT viene effettuata attraverso un programma (calib) che consente di ricavare lo spettro dei tempi di deriva, la relazione tra tempi e raggi e la risoluzione spaziale della camera la risoluzione stimata non rappresenta gli eventi analizzati: è presente una forte componente di raggi cosmici con tracce mal ricostruite, dovuta a fluttuazioni del tempo di trigger e allo scattering multiplo di muoni “lenti” selezione del campione di cosmici con 2 CAMERE SIMULTANEAMENTE: allineamento studio della risoluzione al variare dei tagli in χ2 indipendentemente su una delle due camere la risoluzione stimata migliora al variare dei tagli in χ2 e rappresenta gli eventi analizzati