Studio con raggi cosmici delle prestazioni delle camere a deriva MDT installate nell'esperimento ATLAS del Large Hadron Collider al CERN Corso di laurea specialistica in S cienze Fisiche Tesi di Silvia Franchino Pavia, 29 settembre 2006

Sommario: Large Hadron Collider Esperimento Atlas Camere a deriva MDT Descrizione dei test con raggi cosmici Analisi dei dati

Large Hadron Collider (LHC) GINEVRA ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS LHC-b: LHC-bottom CMS: Compact Muon Solenoid CERN collisionatore p-p 14 TeV 27Km ALICE: A Large Ion Collider Experiment

Motivazioni e caratteristiche di LHC obiettivi di ricerca: 1) bosone di Higgs tot 100mb 2) verifica delle teorie SUSY 3) misure di precisione (Bottom, Top, SM) s a livello dei costituenti ~ 1 TeV sHiggs(mH= 500 GeV) ~ 1pb sinel(pp) ~ 80mb 1011 Luminosità (freq./ s) 1034 cm-2 s-1 H 1 pb

LHC 4 ESPERIMENTI: CMS: Compact Muon Solenoid LHC-b: LHC-bottom ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS CMS: Compact Muon Solenoid LHC-b: LHC-bottom ALICE: A Large Ion Collider Experiment CMS ricerca del bosone di Higgs studi di precisione su quark pesanti bottom e top nuova fisica ATLAS CMS esperimenti a carattere generale 27Km ALICE esperimento a targhetta fissa, fisica quark bottom LHC-b LHCb interazioni forti in collisioni di ioni Pb+ Pb + ALICE ATLAS

ATLAS Larghezza: 44 m Diametro: 24 m Peso: 7000 t camere per muoni tracciatore centrale Solenoide (2T) calorimetri elettromagnetici calorimetri adronici Toroide “in aria” (4T)

Atlas: alcune fasi della costruzione maggio 2004: caverna sperimentale installazione della prima bobina del magnete toroidale (25m*5m)

ottobre 2005: magnete toroidale

1200 camere a deriva MDT ( Monitored Drift Tube) Per lo studio del bosone di Higgs uno dei canali più facilmente identificabili è presenta una segnatura molto pulita e facilmente distinguibile dal fondo Spettrometro muonico ad alta precisione m B Magnete toroidale in aria basso contributo dello scattering multiplo misure ad alta precisione "stand alone" necessario equipaggiare una grande superficie con camere ad alta precisione 1200 camere a deriva MDT ( Monitored Drift Tube) organizzate in tre stazioni di misura all'interno del campo magnetico toroidale camere di trigger RPC (Resistive Plate Chamber)

Spettrometro muonico Posizione definitiva delle camere visione trasversale di Atlas camere a deriva MDT: misura di precisione delle tracce dei muoni camere di trigger RPC: stessa struttura di supporto delle MDT, forniscono la misura della seconda coordinata

MDT: Monitored Drift Tube PARAMETRI DI OPERAZIONE r = 1.5 cm gas: Ar-Co2 (93:7) 3bar complesso sistema di monitoraggio di temperatura, campo magnetico ed allineamento per la correzione a posteriori delle tracce ricostruite V = 3080 V regime di contatore proporzionale Guadagno: 2*104 moltiplicazione a valanga +HV Il disegno NON è in scala μ

Camere a deriva (Drift) possibilità di ricavare una misura di posizione tramite il tempo di deriva degli elettroni nel gas START: tempo di arrivo del segnale di trigger STOP: superamento della soglia del discriminatore da parte del segnale raccolto sull'anodo tempo di deriva misurato dal TDC (Tstart - Tstop) tempo di "start" si ricava la distanza di passaggio della particella dal filo misurando il tempo di raccolta degli elettroni sull'anodo conoscendo la velocità di deriva degli elettroni nel gas

Tprop = tempo di propagazione del segnale lungo il filo di anodo Procedura di ricostruzione delle tracce (1) TTDC spettro di TDC di un tubo: distribuzione dei tempi di deriva degli elettroni TTDC = Tderiva + Tprop + T0 Tprop = tempo di propagazione del segnale lungo il filo di anodo T0 = ritardo introdotto dalla catena elettronica di lettura Tderiva = tempo di deriva della carica di ionizzazione nel gas r cerchio di deriva indeterminazione dovuta alla simmetria cilindrica dei tubi operazione da ripetere per ogni tubo che ha dato un segnale compatibile con il trigger

Procedura di ricostruzione delle tracce in 2D (2) Si esegue un fit di tutti gli anelli con una retta tangente anelli scartati dal fit, il cui segnale è dovuto a rumore elettronico Ricostruzione delle tracce in 3D: dal tempo di deriva si ricava un cilindro concentrico al tubo; è necessaria la misura della seconda coordinata che viene fornita dai rivelatori di trigger (disposti perpendicolarmente ai tubi)

Lavoro di tesi Partecipazione alla presa dati per i test con raggi cosmici svolti al CERN nel periodo dicembre 2005 - luglio 2006 nella sala sperimentale sotterranea ed ai test svolti in superficie Analisi dei risultati provenienti dalle camere sotto test Sviluppo di una procedura semiautomatica per individuare eventuali patologie nei segnali in uscita dalle camere

MDT Test di superficie ultimo test prima dell'installazione. Controllo dei parametri più significativi 1) tenuta del gas 2) rumore elettronico 3) integrità dei fili di anodo 4) sensori di temperatura ed allineamento 5) verifica dell'elettronica di lettura del segnale 6) corrente di perdita

Le camere sono calate nella caverna sperimentale ed installate nella posizione definitiva

Test con raggi cosmici viene svolto su tutte le camere che vengono installate nella posizione definitiva all'interno dello spettrometro scopo: verifica del funzionamento delle componenti hardware e del software di ricostruzione delle tracce 1) valutazione delle prestazioni delle camere dopo gli stress meccanici subiti durante il trasporto e l'installazione 2) individuazione di eventuali problemi da risolvere prima dell'inizio effettivo dell'esperimento I test sino ad ora effettuati sono stati svolti con assenza di campo magnetico

Test con raggi cosmici settore 13 livello del suolo visione trasversale di Atlas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 livello del suolo raggi cosmici Nel settore 13 sono state installate e connesse ai servizi le prime camere MDT ed RPC; queste, oltre ad essere state sottoposte ai test con raggi cosmici, sono state utilizzate come banco di prova per sviluppare i sistemi di acquisizione ed analisi dei dati.

Disposizione delle camere sotto test BML1A13 BML2A13 BML3A13 BOL1A13 BOL2A13 BOL3A13

Analisi dei risultati dati non elaborati dati ricostruiti distribuzione della carica rilasciata dal muone (spettro di ADC) illuminazione delle camere qualità della procedura di ricostruzione spettro dei tempi (spettro di TDC) mappa di occupazione dei singoli tubi presentazione grafica di alcuni eventi ricostruiti confronto tra dati acquisiti con qualità diversa del gas all'interno delle camere Gli studi effettuati sono stati svolti su un sistema in evoluzione: nei primi periodi di presa dati le camere non erano ancora connesse ai servizi definitivi. I dati raccolti, anche se con statistica limitata, hanno permesso di mettere a punto un sistema diagnostico per l'individuazione di eventuali anomalie presenti nei segnali in uscita dai rivelatori.

Distribuzione di carica (spettro di ADC) distribuzione di carica compatibile con una particella al minimo di ionizzazione curva di Landau valore proporzionale alla carica rilasciata dal muone all'interno del tubo "piedistallo" dovuto al rumore dell'elettronica di lettura

Distribuzione dei tempi (spettro di TDC) tMAX rumore con distribuzione uniforme dovuto all'elettronica

Mappa di occupazione dei tubi trigger di scintillatori trigger di RPC camere BML camere BML numero di tubo numero di tubo trigger di scintillatori trigger di RPC camere BOL camere BOL numero di tubo numero di tubo

Mappa di occupazione dei tubi trigger di RPC camere BOL_ layer1 assenza di segnale numero di tubo camere BOL_ layer2 numero di tubo camere BOL_ layer3 tubi rumorosi numero di tubo

Studio di rumore dei tubi frequenza di rumore per tempi scorrelati dal segnale dovuto al passaggio di una particella spettro di TDC frequenza di rumore per tubo layer_1_BML t< t0 t > tMAX per ogni tubo: spettro di TDC di un tubo molto rumoroso conteggi di TDC

Confronto risultati ottenuti con e senza flussaggio del gas spettro di ADC con gas flussato spettro di ADC senza flussaggio del gas variazione della composizione e della pressione della miscela di gas Le prestazione delle camere MDT sono fortemente condizionate dalle condizioni del gas

Confronto risultati ottenuti con e senza flussaggio del gas Spettro di TDC gas flussato gas non flussato

Esempio di diagnostica, patologie riscontrate: 1) picco spurio correlato negli spettri di ADC e di TDC; TDC ADC spettro di TDC spettro di ADC dovuto ad un'errata inizializzazione dell'elettronica di lettura 2) Presenza di rumore correlato tra i canali di lettura spettro di TDC di un tubo rispetto allo spettro del tubo adiacente dovuto alla presenza di alcuni cavi scollagati che generano un effetto antenna

Distribuzione angolare delle tracce ricostruite cot (theta) le tracce ricostruite sono per la maggior parte perpendicolari alle camere testate; compatibile con la geometria del sistema e le finestre di accettanza dei raggi cosmici

Numero di tracce per evento numero di hit per evento numero di hit per traccia (2 camere sovrapposte) dati non elaborati dati ricostruiti picco a 12 perchè ci sono 2 camere sovrapposte con 6 strati di tubi ciascuna lunga coda dovuta ai tubi rumorosi numero di tubi con segnale numero di tubi con segnale

Event Display (ATLANTIS)

Event Display (PERSINT) run combinato RPC-MDT-calorimetro adronico run combinato RPC-MDT

Conclusioni: Sono state testate le prime 6 camere MDT e 9 RPC nelle loro posizioni definitive all'interno di uno dei settori dello spettrometro. Queste camere sono state utilizzate come banco di prova per testare tutte le componenti hardware e software dei rivelatori e per acquisire esperienza nell'elaborazione dei dati combinati tra diversi tipi di camere. Nonostante la bassa statistica di raccolta dei dati, sono stati ottenuti ottimi risultati: si sono potuti sviluppare dei sistemi diagnostici per analizzare i rivelatori in maniera rapida ed efficiente, ed individuare eventuali patologie da risolvere prima dell'inizio dell'esperimento. Grazie alle procedure sviluppate, i test con raggi cosmici saranno estesi rapidamente su tutte le camere che si stanno installando; date le grandi dimensioni dell'esperimento ed il gran numero di canali di lettura, la procedura semiautomatica sviluppata sarà di grande utilità.

Produzione dell'Higgs

m B

Large Hadron Collider (LHC) LEP (2000) --> LHC (2007) collisionatore p-p 14TeV visione aerea del CERN a Ginevra e del tracciato del tunnel che ospita LHC

Studio di illuminazione delle camere sotto test camere di trigger RPC tubi MDT

Principi di funzionamento rivelatori cilindrici a gas diversi regini di operazione in base alla tensione applicata camera a ionizzazione contatore proporzionale zona a limitata proporzionalità contatore Geiger-Muller

Perchè geometria cilindrica?

Mappa di occupazione dei tubi dati grezzi dati ricostruiti

Spettrometro muonico S = 60 µm µ con pT=1TeV Misura del momento: pT [GeV] m 0.6 » s µ con pT=1TeV s  600 µm Requisiti prestazionali: alta risoluzione in massa e momento trasverso pT/pT ~ 1% per pT = 100 GeV (H  µ+ µ- µ+ µ-) pT/pT ~ 10% per pT = 1 TeV (Z'  µ+ µ-) pT/pT~ 10-4 p [GeV] Sistematiche al livello di ~ 10 µm S = 60 µm

LHC: caratteristiche Parametri operativi Fasci p-p Circonferenza (km) 26.66 Energia C.M. (TeV) 14 Numero pacchetti 2835 Particelle x pacchetto 1011 Intervallo collisioni (ns) 25 Freq. collisioni (MHz) 40 Luminosità (cm-2 s1) 1034