Lesperimento ALICE e il suo programma di fisica protone-protone Lab.Naz. Frascati, 24 Ottobre 2006 Marco Monteno INFN Torino Workshop sui Montecarlo, la Fisica e le simulazioni a LHC

Motivazioni per un programma di fisica protone-protone in ALICE ALICE è nato come un esperimento dedicato per lo studio di collisioni di ioni pesanti Lo studio delle collisioni pp è necessario per stabilire un confronto con misure AA e pA –per definire una baseline di riferimento nello stesso rivelatore, in modo da poter minimizzare gli effetti sistematici nelle analisi Nuovo regime di energia delle collisioni pp a LHC –Studio della fisica soffice protone-protone (interazioni forti, non solo nel limite di pQCD), con possibili sorprese! –Possibilità di capire meglio il background di UE per gli altri processi rari studiati a LHC (top, Higgs, SUSY) tuning dei Monte Carlo

ITS Low p T tracking Vertexing TRD Electron ID (TR) TOF PID HMPID PID high p T FMD Charged multiplicity TPC Tracking, PID (dE/dx) PHOS γ, π 0 Not shown: T0, V0, ZDC Lesperimento ALICE MUON μ-pairs L3 Magnet 0.5 T

Upgrade per ALICE: EMCAL Calorimetro EM a sampling (design di STAR) Pb-scintillatore con risposta lineare – -0.7 < < 0.7 – < < Risoluzione energetica ~15%/E Primo supermodulo installato per il run 2008 Accettanza ~ 50% per run 2009 Rivelatore completato per il run 2010

Accettanza di ALICE Molteplicità: -3.7<η<5 Ricostr. di tracce (|η|<0.9): p T >0.1 GeV/c (pions) p T >0.3 GeV/c (protons) V0 TPC SPD Pixel di Si V0 (e rivelatori in avanti) ITS (6 strati di Si)

Identificazione di particelle Eccellente su un ampio intervallo di momento p 3 2

Con il suo sistema di rivelatori ALICE potrà misurare evento-per- evento il contenuto in sapore e la distribuzione nello spazio delle fasi degli eventi di alta molteplicità prodotti da collisioni di ioni pesanti ultra-relativistici a LHC: Misura su (2 * 1.8 unità di η) di: adroni (dE/dx + TOF), leptoni (dE/dx, radiazione di transizione) e fotoni (calorimetria EM ad alta risoluzione). Traccia e identifica particelle da p t molto bassi (~ 100 MeV/c; processi soft) fino a p t molto alti (~ 100 GeV/c; processi hard). Ricostruisce particelle short-lived (iperoni, mesoni D/B) tramite la rivelazione del vertice secondario (risoluzione sul parametro dimpatto è inferiore a 100 µm) Identifica jet Caratteristiche generali di ALICE

Peculiarità di un programma pp per ALICE ATLAS e CMS sono esperimenti dedicati ALICE può effettuare misure di collisioni pp? –In pp basse molteplicità: il tracciamento offre prestazioni migliori (in termini di efficienza e risoluzione) che con ioni pesanti –Previsto un trigger Minimum Bias e un altro per eventi di alte molteplicità Che cosa rende ALICE speciale per pp? –Il basso p T cut off (~ 0.1 GeV/c) Basso campo magnetico (max. 0.5 T) Basso spessore di materiale del tracciatore (X/X 0 ~ 10%) –Eccellenti capacità di identificazione di particelle Quali svantaggi per essere un esperimento dedicato a misure con ioni pesanti? –Concepito per basse luminosità (TPC è un rivelatore lento, max tempo di deriva = 88 µs)

Trigger Trigger Minimum bias Richieste: –Selezione di collisioni pp –Rejezione di collisioni beam-gas Def. logica del Trigger MB: SPD.FastOR & V0.OR & not V0.BG –SPD.FastOR = OR globale tra tutti i segnali sui Pixel di SPD –V0.OR richiede un segnale su uno dei due lati del V0 –V0.BG identifica collisioni beam-gas More details: ALICE-INT (J.Conrad, J.G.Contreras, C.E.Jorgensen) Trigger di alta molteplicità Soglia sul numero di canali accesi nel SPD si arricchisce il campione di eventi di alta molteplicità nFO > 100 nFO > 150 nFO > 200

Condizioni di luminosità per ALICE Limiti alla luminosità per ALICE –Fino a L = 2 · cm -2 s -1 1 collisione / tempo di deriva nella TPC Condizioni ideali !! Per L maggiori inizia pile-up di eventi nella TPC –A L = 3 · cm -2 s -1 1 collisione / tempo di deriva nella Si-drift dellITS. In corrispondenza vi è un pile-up di 20 collisioni nella TPC. tracciamento ancora fattibile (la TPC riesce a separare tracce di eventi diversi impilati), anche se il volume di dati è molto maggiore. Si può considerare la condizione di massima luminosità per ALICE. –Luminosità nominale : L = cm -2 s -1 Non sarà alla portata di ALICE. Necessarie delle strategie per ridurre la luminosità. Per es. con defocalizzazione dei fasci nel Punto 2, oppure con un loro spostamento (collisioni tra le code dei fasci) L (D) = L 0 exp(–D 2 /4 2 )

Installation of forward detectors TPC installation - in L3 magnet ALICE: piano delle installazioni fino al Day-1 TPC sector test -two sectors tested at point 2 (… as it looks now) LHC closure Shutdown One beam -injection energy 450GeV -beam-gas events -alignment & calibration ITS installation First collisions -s=900GeV -extend SPS results Higher energy -new physics? Allo start-up: bassa luminosità (< 6 · cm -2 s -1 ) Conditioni ideali per ALICE !!!

La fisica dei primi giorni di LHC Configurazione di ALICE al Giorno-1 –Barile centrale: ITS, TPC (completi) e TRD, TOF e PHOS (parziali) –Trigger minimum bias –Rivelatori in fase di calibrazione ed allineamento Energia delle collisioni –0.9 TeV Con un rate del DAQ di 100 Hz : –3.6 M di eventi al giorno, assumendo 10 h al giorno effettive di run

Prime misure: proprietà globali degli eventi pp Dopo laccensione di LHC, con poche decine di migliaia di eventi sarà già possibile determinare importanti distribuzioni: dN/d, d /dp T, etc. (prima a 900 GeV, poi a 14 TeV). Claus Jorgensen Mean p T vs multiplicity Multiplicity distribution p T spectrum of charged particles Pseudorapidity density dN/dη CDF: Phys. Rev. D41, 2330 (1990) events at s=1.8TeV 9400 events at s=640TeV UA5: Z. Phys 43, 357 (1989) 6839 events at s=900GeV 4256 events at s=200GeV CDF: Phys. Rev. Lett. 61, 1819 (1988) events at s=1.8TeV CDF: Phys. Rev. D65,72005(2002) 3.3M events at 1.8TeV 2.6M events at 630GeV

Densità di particelle in pseudorapidità Produzione di particelle cariche primarie a η=0: dN/dη| η=0 =a+b×log(s) - Feynman: PRL23,1415(1969) dN/dη| η=0 =a+b×log(s)+c×log 2 (s) -Termine log 2 dovuto a processi hard (Phys Lett B121,209(1983))

Domande aperte in fisica pp Come evolvono con lenergia i meccanismi di produzione di particelle? (% di processi soft o hard) Come funzionano i processi di adronizzazione? Produzione di mesoni/ barioni, risonanze… Quanto conosciamo la frammentazione di partoni? E universale? Quanto è cruciale tener conto della flavor dependence quando si fanno calcoli nel framework del teorema di fattorizzazione? Quali potenzialità da ALICE nello studio di jet, non solo in PbPb (jet quenching), ma anche in pp, in virtù delle caratteristiche dei suoi rivelatori? Quali potenzialità nello studio della produzione di heavy quark a basso p T, e di heavy quarkonia? Fisica diffrattiva; ricerca di particelle esotiche, etc… Per continuare le ricerche avviate alle precedenti generazioni di collider adronici (da ISR, a SppbarS, fino al Tevatron). E più recentemente a RHIC (rivelatori per Heavy Ions, con analogie di design con ALICE) su collisioni pp a

Altre misure possibili con ALICE Analisi di jet e underlying event Come in CDF: PRD65, (2002), PRD70, Analizzando molteplicità e p T di adroni carichi in regioni intorno al jet (a seguire: utilizzando E T di EMCal). Tuning dei MC (multiple parton collisions) Proprietà di jet da correlazioni tra coppie di adroni Come in PHENIX: hep-ex/ estrazione del momento trasverso j T della frammentazione del jet e del momento trasverso partonico k T Un ricco programma di fisica dei processi soffici (produzione di particelle) e fisica del flavour: Spettri in p t : π,π 0, K, K S 0,p, Λ, Ξ, Ω, μ… Asimmetrie barioni/anti-barioni Risonanze (per es. K*(892) e Λ(1520) ) Produzione di prompt Produzione di Heavy Flavours (mesoni D, B...) J/Ψ and Υ (nei canali di decad. in e + e - o μ + μ - ) Fisica diffrattiva (rapidity gaps) Correlazioni HBT Produzione di mini-Buchi Neri da Large Extra Dimensions Talk di D. Stocco Talk di A. Dainese

p T range (PID o limite stat) per 1 anno: 10 7 ev. centrali Pb-Pb (o 10 9 ev. pp min. bias), K, p: GeV (usando la relativ.rise di dE/dx nellaTPC) Particelle instabili (decad. forti o deboli) : fino a GeV Mid-rapidity Range di identificazione di particelle in ALICE (in un anno)

Produzione di stranezza in pp a RHIC La produzione di stranezza non viene riprodotta da calcoli LO (contrariamente alla produzione di pioni). Necessarie correzioni NLO. STAR, nucl-ex/ Dati pp a

Calcoli NLO di spettri di barioni strani AKK, hep-ph/ , Nucl.Phys.B734 (2006) G. Abbiendi et al. (OPAL Coll.) Eur. Phys. J. C16, 407 (2000) Il calcolo NLO di AKK (Albino-Kniehl-Kramer) include FF ricavate da dati di OPAL light quark flavor-tagged

Ricostruzione di in pp con ALICE Statistica 1 anno = 10 9 MB events > 10 6 Λ ricostruite

Spettri di adroni non strani Gli spettri di pioni sono in accordo con LO pQCD (PYTHIA, e modello EPOS con multiple parton scattering). Gli spettri di protoni invece richiedono calcoli NLO à la AKK (parametrizzazione flavor-specific delle FF dei barioni). STAR Coll, PLB 637 (2006) 161

Spettri in p T di π 0 : da RHIC a LHC ALICE Start up scenario : 2 moduli PHOS ( =40, y=0.25) -- p+p L=10 30 cm -2 s -1, T=10 gg= s LT= mb counts counts

Spettri in p T di : da RHIC a LHC ALICE Start up scenario : 2 moduli PHOS ( =40, y=0.25) -- p+p L=10 30 cm -2 s -1, T=10 gg= s LT= mb counts counts

Identificazione di jet in ALICE Misura dellEnergia del Jet –Nel suo design originale, ALICE misura solamente le particelle cariche con i suoi rivelatori centrali di tracciamento (e energia elettromagnetica nel PHOS) –Il Calorimetro EM (EMCal) proposto per ALICE ne migliora in modo significativo le performance: Fornisce un efficiente trigger per jet di alta E T su di un ampio intervallo di E T E T viene misurata con minore bias e migliore risoluzione Migliore definizione della funz. di frammentazione: p t /E T Esteso il p t reach per lo studio della frammentazione del jet che rincula da un fotone e per le correlazioni fotone-fotone Eccellente identificazione di elettroni di alto p t per lo studio di jet di heavy quark La misura della Struttura del Jet è molto importante –Richiede buona analisi in momento da ~ 1 GeV/c a ~ 100 GeV/c –E quindi ALICE può offrire eccellenti prestazioni Le misure in pp e pA sono essenziali come baseline di riferimento!

Produzione annua di jet in ALICE e E T reach Misura inclusiva di jet e dijet: Misure robuste delle funzioni di frammentazione (~10 4 eventi) fino a P T ~ 200 GeV/c con un trigger nellaccettanza dell EMCal EMCAL estende significativamente il range cinematico delle misure di jet, oltre i 100 GeV.

Effetto del trigger di jet con EMCAL Jet yield in bin di 20 GeV Grande guadagno in statistica a causa del trigger di jet Estensione del reach statistico per tutti i sistemi Jet trigger

STAR EMCal+TPC Jet Cross section measurement at 200 GeV hep-ex/ In ALICE si può usare lo stesso algoritmo di analisi

Tagging di jet con fotoni ALICE-INT , HCP 2005 proceedings min max R IP PHOS EMCal TPC Correlazione -jet – E = E jet – Direzioni opposte Energia del fornisce una misura indipendente dellenergia del jet Svantaggio: basso rate !! Ma... È specialmente interessante nel range intermedio (decine di GeV) dove i jet non sono identificati In AA i fotoni diretti non sono perturbati dal mezzo nucleare Processi dominanti: g + q γ + q (Compton) q + q γ + g (Annichilazione) p T > 10 GeV/c

Ricerca di mini-Buchi Neri in ALICE Non è fisica del primo anno… Humanic, Koch, Stoecker, hep-ph/

Sommario Lo studio dei fenomeni di basso p T a LHC è necessario per comprendere i meccanismi di produzione di particelle, che non sono tuttora bene compresi. ALICE risulta complementare agli altri rivelatori di LHC in quanto è ottimizzato per misure con Ioni Pesanti, e quindi per lo studio di processi soffici (ma può effettuare interessanti misure anche di particelle di alto p T e jet) ALICE giocherà un ruolo importante a LHC per la fisica pp: aprendo una finestra unica sulla fisica soft (bassi p T ) offrendo eccellente identificazione di particelle nella regione centrale Durante il primo run a 900 GeV verranno raccolti circa 10 7 eventi Minimum Bias, superando i limiti (in statistica, molteplicità massima e p T reach) degli esperimenti al collider SppbarS.

Backup slides

STAR e PHENIX al RHIC Osservabili adroniche Larga Accettanza, Jet Analisi Evento-per-Evento STAR Campo magnetico solenoidale Tracciamento su grande con TPC e Si-vertex; RICH, EM Cal, TOF PHENIX Campo magnetico assiale Alta risoluzione & Rates 2 bracci centrali, 2 in avanti TEC, RICH, EM Cal, Si, TOF, -ID Leptoni, fotoni & adroni Rivelazione simultanea di vari fenomeni di transizione

Baryon/Meson 630 and 1800 GeV (Boris Hippolyte, Hot Quarks 2006) Extracting mixed ratio from UA1 spectra (1996) and from CDF spectra (2005) Ratio vs p T seems very energy dependent (RHIC FNAL ?)

Where resolution also matters

Full simulation of Jet Resolution versus Jet Energy pp (R=1 P T cut = 0) => 15% pp jet resolution study