U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo1 I) Gli esperimenti a LHC. Le problematiche ad un collisore adronico ad alta luminosita’; triggers e identificazione.

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1 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo1 I) Gli esperimenti a LHC. Le problematiche ad un collisore adronico ad alta luminosita’; triggers e identificazione del bunch crossing; effetti di pile-up degli eventi; triggers di alto livello. II) Prospettive di fisica: misure di precisione di M w e M top. III) Ricerca dell’ Higgs: principali canali di ricerca dell’ Higgs standard, problematiche sperimentali e teoriche nel controllo dei fondi. Ricerca dell’ Higgs nel MSSM. IV) Ricerca di segnali di supersimmetria: fenomenologia del modello mSUGRA, ricerca di chargini e neutralini, s-leptoni e s-quarks in stati finali con topologie multi-leptoniche e con multi-jets ed energia mancante. Decadimenti a catena di particelle supersimmetriche. Prospettive di fisica a LHC

2 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo2 Prospettive di fisica a LHC Parte I) - Gli esperimenti a LHC. - Le problematiche ad un collisore adronico ad alta luminosita’; - Triggers e identificazione del bunch crossing; effetti di pile-up degli eventi; - Triggers di alto livello.

3 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo3 Il Large Hadron Collider Motivazioni scientifiche ed obiettivi: - Comprensione del meccanismo di generazione della massa: scoperta / studio della caratteristiche del bosone (o dei bosoni) di Higgs - Verifica delle ipotesi di Super-Simmetria: scoperta delle particelle supersimetriche nel range di massa 0.1-1 TeV; studio della loro spettroscopia - Scoperta di ulteriori segnali di nuova fisica (es.: segnature dalle teorie di compattificazione della gravità) - Misure di precisione della fisica del modello standard (top, W/Z, beauty…) - l’ inaspettato….

4 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo4 Il Large Hadron Collider I parametri della macchina: -Gli obiettivi di fisica sopra citati, insieme con i limiti sulle ricerca di nuove particelle posti dalle macchine precedenti (LEP, Tevatrone) pongono richieste ambiziose sui parametri principali (E CM, luminosità) di LHC : - energia dell’ interazione tra i costituenti partonici: sqrt(s’ ) ~ 1-2 TeV - accessibilità a sezioni d’urto molto piccole:  ~ O(fb) Nel disegno finale della macchina: E CM = 14 TeV Luminosità: L = 10 33 -10 34 cm -2 s -1 (= 1 -10 nb -1 s -1 )

5 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo5 L’ “eredità “ di LEP(+ SLC+Tevatrone..) su M Higgs ovvero: m H < 196 GeV (95% CL) ricerche dirette Fit agli osservabili elettrodeboli: m H < 114 GeV (95% CL)

6 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo6 Aspettative dal Tevatrone... C’è un Higgs a 115 GeV ? Dovremo (probabilmente) comunque attendere fino al 2007... Al Tevatrone, il processo rilevante è quello di W-stralung (analogamente a quello di Z-stralung a LEP): W* H W q q’ seguito dal decadimento H  bb : non facile...

7 7 Confronto LHC - acceleratori precedenti LHC avrà una energia circa 1 ordine di grandezza maggiore del Tevatrone ed una luminosità (== intensità del fascio  frequenza di bunch x-ssing) maggiore di 2 ordini di grandezza Large Electron Positron collider (Cern) Large Hadron Collider Pioneer e+e- machines in Frascati Energy year W,Z discovery,1983 Top quark discovery,1994

8 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo8 Tevatron vs LHC Geneva  2 km  6 km Running (since 1994) Startup in 2007 E CM =14 TeV Luminosity= 10nb -1 s -1 Luminosity= 0.1nb -1 s -1 Tevatron LHC

9 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo9 Il Large Hadron Collider (LHC) Collisioni a LHC: 1 bunch-crossing ogni 25 ns

10 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo10 Large Hadron Collider Nello stesso tunnel di LEP: i gioghi del magnete (YB0) di CMS 4 esperimenti: - ATLAS, CMS : “general porpuse” - ALICE : ioni pesanti - LHCb : fisica del b

11 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo11 Experiment assembling: CMS The underground cavity:  100 m The mounting of Compact Muon Solenoid experiment (on surface): “Muon chamber” devices  800 chambers in total (Barrel+Endcap)  10 3 readout channels/chamber Central part Endcap

12 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo12 Rivelatori a LHC Schematicamente:

13 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo13 Rivelatori a LHC: ATLAS Spettrometro muoni (toroide in aria) Cal.e.m. (LAr) Tracker (Pixels,Strips,TRT) Cal.adronico (Tile cal.) A Toroidal LHC ApparatuS

14 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo14 A Toroidal Lhc ApparatuS Pixel detector, (1500 moduli, 50000 pixels ognuno, 10 8 canali ) Semiconductor Tracker Transition RadiationTracker Technical Proposal: CERN/LHCC/94-43 MDT CSC RPC (Liquid Argon) Steel-scintillator sampling Solenoide centrale: B= 2T Air-core toroid magnet system : “bending power”: (dipendente dalla pseudorapidità  )

15 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo15 A Large Ion Collider Experiment at LHC Fisica degli ioni pesanti: studio degli stati condensati di quark-gluon plasma in scattering Pb-Pb -run a bassa luminosità (L=10 27 cm -2 s -1 ) -eventi ad elevatissima molteplicità di tracce - “cuore” del rivelatore: enorme TPC (=> proprietà di deconfinamento dei quarks)

16 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo16 Rivelatori a LHC: Alice

17 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo17 LHC-b Top view Spettrometro “single arm”: 1.88 <  < 4.89 (  =ln(tan(  /2)),  =15 -300 mrad ) dedicato alla fisica del beauty: => stessa accettanza per la fisica del b di un grande apparato “centrale”

18 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo18 Compact Muon Solenoid Technical Proposal: CERN/LHCC/94-38 Unico solenoide centrale : B= 4 T Camere per muoni nei gioghi di ritorno del magnete (1.8-2.2 T)

19 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo19 Ricostruzione delle particelle in CMS traiettorie di muoni con diverso momento trasverso

20 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo20 Ricostruzione dei muoni in CMS Resistive Plate Chambers Cathode Strip Chambers DT 4.2 cm 12 piani di misura

21 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo21 Event reconstruction (I) 6 planes of anod wires and cathod strips In each plane: induced charge collected by cathod strips due to a muon passing the gas detector This is as a real cosmic muon looks like in the 6 detector planes: Muon in CSC detector:

22 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo22 Event reconstruction (II) extrapolated muon track “hits” ( position error   10  m) in Tracker silycon device (integrated on the beam direction view) “hits” ( position error   200  m) in Drift Tubes Chamber gaseus device Output of the track fit (in the 4 T magn.field of the detector): ( p, E ) of the muon

23 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo23 Example of reconstruction (III) Energy of biggest “jet” in the event Top quark dataBackground data   ln(tan  particles “jet” Beam direction  Jets from particle tracks & energy deposits in caloremeters CMS full simulation

24 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo24 Processi fisici : a LEP e a LHC... fondi e.w. LEP LHC  10 3  10 8 fondi QCD Higgs H m H =500 m H =100 Rate(Hz) (L=10nb -1 s -1 ) LHC: una fabbrica di Higgs, ma in un ambiente ostile...  1/anno  1/ora

25 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo25 Event ‘pile-up’at LHC  Tot inel = 80 mb Per L=10 34 cm -2 s -1 vi sono circa 20 eventi sovrapposti ad ogni bunch-crossing (tipicamente di ‘soft scattering’: particelle/jets di bassa energia trasversa: si sovrappongono all’ evento di ‘hard scattering’ che innesca il trigger, costituendo un ‘noise fisico’ alla ricostruzione dei depositi energetici nei calorimetri, ed aumentando la ‘occupancy’ dei rivelatori di tracce)

26 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo26 Occupancy a LHC Frequenza di Hits nelle camere a mu di CMS dovuta a muoni + + hadron punch-through + neutron background… (=> 1- 10 kHz sul singolo canale; gli hits da neutroni ( cattura dei neutroni da parte dei nuclei, con emissione  e successiva produzione di coppie e  ) sono scorrelati tra di loro => non danno luogo a ricostruzione di tracce ) Alta granularità dei canali di lettura necessaria (anche) per gestire la grande densità di particelle prodotte

27 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo27 Readout channels and data size

28 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo28 Trigger a LHC... 100KHz ogni 25 ns... ogni 3-4 ore... TRIGGERS 100 Hz L1 HLT

29 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo29 Identificazione del bunch-crossing E’ essenziale che i diversi apparati di trigger (muoni, cal.e.m., cal.adronico) identifichino univocamente il bunch crossing dell’ evento che ha generato il trigger, in modo tale che le diverse parti dell’ evento possano essere assemblate insieme correttamente… - la risoluzione temporale deve essere ben inferiore a 25 ns - si deve tener correttamente conto del tempo di volo (non trascurabile) dal vertice di interazione primaria al rivelatore che ha triggerato - la sincronizzazione dei segnali dell’ elettronica tra i diversi sotto-rivelatori deve essere nota allo stesso livello di precisione

30 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo30 Identificazione del bunch-crossing (II) Esempio: identificazione del b-xssing nel sottosistema DT di CMS al 1 o livello di trigger (L1) bx corretto Gli hits registrati dal trigger appaiono allineati (indipendentemente in ogni quadrupletto di piani in una camera) solo se attribuiti al corretto tempo di bunch crossing

31 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo31 Identificazione del bunch-crossing (III) Sincronizzazione assoluta tra i diversi sottorivelatori al ‘clock’ di LHC: confronto tra la struttura dei bunches (che ha dei gap: il 20% dei bunches è vuota) in LHC e la popolazione dei triggers dei vari rivelatori LHC bunch structure Accumulated histograms content

32 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo32 I diversi livelli di trigger CMS: ATLAS: ha un’ ulteriore suddivisione: L1/ L2/ L3 (anche il L2 ha hardware dedicato)

33 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo33 High Level Triggers L1: p T thr =20 GeV rate = 6.1 KHz L2 L3 L3: output su mass storage Composition (after isolation cuts): ,K  W  Z Muon p T threshold (GeV/c) CMS : single muon stream pp   X Esempio di riduzione di dati on-line: Integral rate (Hz) Le curve sono diverse a causa della diversa risoluzione in p T ottenuta ai diversi livelli di Trigger (L1/L2/L3)

34 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo34 off-line: analyses down to O(10 -5 -10 -7 ) Hz rates HLT outpupt, di-mu stream (  3 Hz) Low lumi [CMS-DAQ TDR] H  WW  2  2 High Level Triggers vs off-line rates CMS : di- muon stream pp  2  X e.g. H  WW  2  2 Z 0 :  1.5 Hz tt  2  X

35 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XX ciclo35 off-line analysis: down to O(10 -5 -10 -7 ) Hz rates CMS High Level Trigger outpupt, Invariant mass of 2 reconstructed muons in di-mu stream selected data(  3 Hz) Example of off-line data reduction Z 0 :  1.5 Hz From top quark production M inv (  ) (Gev/c 2 ) H  ZZ  4  M inv (  ) (Gev/c 2 ) a few events/year