Golden Decay mode 130 GeV/c2 < MH < 2 MZ

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1 Golden Decay mode 130 GeV/c2 < MH < 2 MZ
H → ZZ* → l- l+ l’- l’+ con l = e, m 2 MZ < MH < 600 GeV/c2 H → ZZ → l- l+ l’- l’+ con l = e, m

2 Come dobbiamo tracciare i leptoni?
Innanzi tutto essere capaci di tracciare con efficienza nell’ inner detector. La risoluzione in impluso influenza la risoluzione in massa Vogliamo ricostruire la Z con una larghezza di un paio di GeV Necessità di distinguere la carica dei muoni fino ad 1 TeV -> s(p)/p < 10 % ad 1 TeV Constraint sul design dei detector

3 Large Hadron Collider 27 km around
Note : s limited by needed bending power. LHC : 1232 superconducting dipoles with B = 8.4 T working at 1.9 Kelvin (the largest cryogenic system in the world)

4 Interazioni pp e pile up
Interactions/s: Lum = 1034 cm–2s–1 = 107 mb–1 Hz inel(pp) = 70 mb Interaction Rate, R = 7108 Hz Events / beam crossing: t = 25 ns = 2.510–8 s Interactions/crossing = 17.5 Not all proton bunches are full: Approximately 4 out of 5 are full Interactions/“active” crossings = 17.5 × 3564/2835 = 23 Normalmente ad ogni bunch crossing: Un’interazione con candidato Higgs + ~20 extra (minimum bias) interazioni

5 Interazioni pp e pile up
H ZZ*  2e2m m e All tracks with pT > 1 GeV

6 Misura di impulso Intrinsecamente la risoluzione in impluso è proporzionale all’impulso stesso ed inversamente proporzionale a BL2 Gli allineamenti e le calibrazioni sono delle “sistematiche su s(x)” e quindi il contributo alla risoluzione è proporzionale a p

7 Scattering multiplo

8 ATLAS vs CMS Spettrometro in Aria + campo toroidale per avere risoluzione costante in eta Differenti tecnologie per l’inner Detector (pochi punti molto precisi e molti punti, 50, a precisione peggiore) Spettrometro in Ferro con campo solenoidale (più compatto) Inner detector tutto in silicio (pochi punti altamente precisi) tracker calorimeter MS Toroid, B~0.5T solenoid, B~2T

9 ATLAS ATLAS ATLAS Inner Detector ID inside 2T solenoid field
46m Long, 22m Diameter, 7’000 Ton Detector 2.3 m x 5.3 m Solenoid ~ 2 Tesla Field ~ 4 Tesla Toroid Field ATLAS ATLAS Inner Detector ID inside 2T solenoid field Tracking based on many points Precision Tracking: Pixel detector (2-3 points) 5-25 cm Semiconductor Tracker – SCT (4 points) 25 –50 cm Continuous Tracking: (for pattern recognition & e id) Transition Radiation Tracker – TRT (36 points) cm

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11 CMS CMS 22m Long, 15m Diameter, 14’000 Ton Detector
13m x 6m Solenoid: 4 Tesla Field  Tracking up to h ~ 2.4 ECAL & HCAL Inside solenoid Muon system in return yoke First muon chamber just after solenoid  Extended lever arm for pt measurement CMS has chosen an all-silicon configuration CMS Tracker Inside 4T solenoid field Tracking rely on “few” measurement layers, each able to provide robust (clean) and precise coordinate determination Precision Tracking: Pixel detector (2-3 points) Silicon Strip Tracker (220 m2) – SST (10 – 14 points) 5.4 m Outer Barrel (TOB) Inner Barrel (TIB) End cap (TEC) Pixel 2,4 m Inner Disks (TID) volume 24.4 m3 running temperature – 10 0C dry atmosphere for YEARS!

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13 Magnet System Layouts ATLAS
3 air-core (to minimize multiple scattering) superconducting toroids: 1 barrel (BT) + 2 End Caps toroids (ECT)  track curvature in r-z plane. Radial Overlap of the BT and ECT fields (1< h < 1.4) ensures the widest acceptance for single muons BT: |h|<1 26 m long Internal/External radii: 9.5m/20m 8 separate coils,1 cryostat per coil bending power ∫Bdl=2-6 Tm ECTs: 1.4< |h| <2.7 Inserted into the BT edges, 8 coils per ECT, ruotated of 22.5o with respect to BT coils 5 m long Internal/External radii: 1.7m/10.7m 1 cryostat per ECT bending power ∫Bdl=4-8 Tm 1.0<||<1.4 transition region ECT  pT resolution constant up to |h| <2.7 BT Open structure  allows for chambers installed inside and for alignment optical corridors to cross it Long barrel+short EC  minimize magnetic forces and costs B field measured with Hall probes (~0.1% resolution),but global calibration of the energy scale is needed

14 Field integral inhomogeneous in the tracking volume
Magnetic field configuration y(cm) x(cm) Field map in the ECT median plane: field line are separated of 0.1 Tm Field integral vs  for radial tracks Need to measure accurately the coordinate in the non bending plane Field integral inhomogeneous in the tracking volume Need to take into account the differences in Lorentz angle for the calibration of the tracking chambers More than a single time-to-distance relation per wire

15 Central superconducting solenoid with saturated iron yoke
CMS Central superconducting solenoid with saturated iron yoke ~ 14m long 3m radius B = 4T B ~ 1.8 T in the return yoke (1.5m of iron instrumented with the muon chambers), ∫Bdl decreases with |h| inside the solenoid: ∫Bdl= 12Tm (|h| < 1.45) down to ∫Bdl ~ 4Tm (|h| ~ 2.4) B/B~ % And in the yoke, where the spectrometer is located: ∫Bdl ~3Tm outside solenoid down to ∫Bdl ~ 0.6Tm (|h| ~ 2.4) B/B~1% is enough Field integral Favorable ratio length/radius and high field  efficient detection up to |h| ~ 2.4 Large bending power  benefits in resolution for tracking and triggering  sharp threshold to keep Level 1 rates lower Measurements inside and outside solenoid Large amount of material in the spectrometer safe muon trigger and identification

16 Contributi alla risoluzione dello spettrometro a muoni di ATLAS
s(p) = a + b ∙p + c ∙p2 s(p)/p = a/p + b + c ∙p a termine dovuto alle fluttuazioni in energy loss (Code di Landau nel calorimetro) b termine di scattering multiplo (minore contributo a basso pt per la ricostruzione vettoriale dei punti) c termine intrinseco di risoluzione (+ allineamento)

17 ATLAS: Tracking 2x4 MDT layers 2x3 MDT 2 RPC gaps 2 RPC gaps La disposizione dei tubi in multilayer su tre stazioni consente di minimizzare la risoluzione dell’apparato rispetto alla configurazione in cui tutti I punti sono equispaziati Di ridurre l’impatto del multiplo scattering sulla risoluzione a basso impulso perchè consente la misura molto precisa degli angoli di uscita della traccia da ogni layer di tubi (misura vettoriale)

18 Risoluzione ATLAS Inner Detector
Nell’ Inner Detector ho soprattutto il contributo proporzionale a p. Lo Spettrometro domina per muoni di impulso superiore a 100 GeV Muon spectrom. standalone Inner tracker stand alone

19 Risoluzione CMS Domina il tracciatore interno
Contributo dello Spettrometro solo per l’identificazione e il trigger. Fino a 200 GeV

20 ATLAS & CMS Tracking Performances
ATLAS ID CMS m-System ATLAS m-System ATLAS CMS New Physics Higgs

21 CMS: I rivelatori per muoni
Barrel 4 stations of Drift Tubes, interleaved with the iron of magnet yoke, each with 3 superlayers, 2 r- and 1 r-z (not in the 4-th station), of 4 layers of cells  self-triggering and bunch-crossing Id. 6 double-gap RPC layers  triggering and bunch-crossing Id. Endcaps 4 stations of CSC, each with 6 layers,interleaved with iron disk yoke  self-triggering and bunch-crossing Id. 4 double-gap RPC layers  triggering and bunch-crossing Id.

22 CMS : DT Celle 42x13 mm2, Ar(85%) CO2 (15%)
Campo E lineare (shaping con catodi e strip) 4 layer staggerati = 1 superlayer (SL) Auto-triggering con identificazione del BX, st ~ 4 ns Camera composta da 2 SL r-f (coordinata bending) + 1SL r-Z t (ns) Relazione x-t - Ottima linearità: vd~costante - Per avere la massima risoluzione: x = f (t, q, Bwire, Bnorm ) parametrizzata con GARFIELD Spetto dei tempi di drift (time box) t (ns) x (cm)

23 The CMS Pixel Detector Occupancy is ~ 10-4
3 barrel layers r = 4.1 – 4.6 cm, 7.0 – 7.6 cm, 9.9 – 10.4 cm ~ 60 x 106 pixels 2 pairs of Forward/Backward disks Radial coverage 6 < r < 15 cm Average z position: 34.5 cm, 46.5 cm Later update to 3 pairs possible (<z> ~ 58.2 cm) Per Disk: ~3 x 106 pixels  3 high resolution space points for h < 2.2 Pixel size: 100 mm x 150 mm driven by FE chip  Hit resolution: r-f s ~ mm (Lorentz angle 23° in 4 T field) r-z s ~ 17 mm Modules are the basic building elements 800 in the barrel in the endcaps Occupancy is ~ 10-4 Pixel seeding fastest starting point for track reconstruction despite the extremely high track density

24 The CMS Silicon Strip Tracker
Outer Barrel (TOB): 6 layers Thick sensors (500 mm) Long strips Endcap (TEC): 9 Disk pairs r < 60 cm thin sensors r > 60 cm thick sensors 6 layers TOB 4 layers TIB 3 disks TID Radius ~ 110cm, Length ~ 270cm h~1.7 h~2.4 9 disks TEC Inner Disks (TID): 3 Disk pairs Thin sensors Inner Barrel (TIB): 4 layers Thin sensors (320 mm) Short strips Black: total number of hits Green: double-sided hits Red: ds hits - thin detectors Blue: ds hits - thick detectors

25 ATLAS : MDT Dati testbeam H8 Risoluzione vs r Calibrazione
MDTs (Monitored Drift Chambers) Gli elementi di base sono tubi a drift con un diametro di 3 cm ed una lunghezza variabile da 70 cm a 630 cm I tubi sono disposti in multilayer di 3 (4 per le stazioni interne) Risoluzione di singolo filo  80 mm Risoluzione per stazione  50 mm, 0.3mrad Miscela di Ar(93%) CO2(7%) a P=3bar per prevenire l’invecchiamento Posizione dei fili misurata con tomografie a raggi x Calibrazione Stima della relazione r(t) e del t0 senza l’aiuto di rivelatori esterni r(t) e` funzione di molti parametri esterni Composizione del gas Temperatura Pressione Campo magnetico E` richiesta la autocalibrazione dei tubi ad intervalli regolari L’errore sulla relazione r(t) deve essere ≤20mm x bias accettabile sulla determinazione della traccia Spetto dei tempi di drift Relazione r-t Dati testbeam H8

26 Transition Radiation Detector
Alla separazione di 2 mezzi con costante dielettrica diversa si ha l’emissione di radiazione Potenza irraggiata Frequenza di plasma alla separazione del mezzo (corrisponde a 20 eV circa) Si usa lo Xeno (Z=54) per aumentare la sezione d’urto di effetto fotoelettrico (Z4) Numero di fotoni per emissione Spettro di energia (raggi X) Angolo di emissione

27 ATLAS: TRT Microfibre di polietilene fra tubi a streamer

28 Particle ID con il TRT di ATLAS

29 Selezione del segnale H -> 4m
4 muoni con maggiore pt nell’evento Almeno 2 con pt > 20 GeV Una coppia m+ m- deve avere una massa invariante fra mZ ± 15 GeV L’altra coppia deve avere una massa maggiore di una soglia che dipende dalla massa dell’Higgs che cerchiamo (per mH = 130 GeV almeno 20 GeV) Isolamento dei muoni Poche tracce in un cono intorno ai muoni selezionati Piccoli depositi calorimetrici in un cono intorno ai muoni Taglio di accettanza in una finestra intorno alla massa invariante dei 4 muoni pari a 2 sigma intorno al picco

30 Selezione del segnale H -> 4e o 2e 2m
4 elettroni con maggiore pt nell’evento Depositi calorimetrici isolati e con una traccia che punto nel deposito Una coppia e+ e- deve avere una massa invariante fra mZ ± 15 GeV L’altra coppia deve avere una massa maggiore di una soglia che dipende dalla massa dell’Higgs che cerchiamo (per mH = 130 GeV almeno 20 GeV) Taglio di accettanza in una finestra intorno alla massa invariante dei 4 muoni pari a 2 sigma intorno al picco Nell’analisi mista (2e 2m )si richiedono gli stessi criteri di identificazione ed isolamento e si riducono le code negli spettri di massa invariante dovuti al cattivo accoppiamento (pairing)

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33 Significanza

34 H  ZZ(*)  4l I fondi principali sono : ZZ  4l, ZZ  ttll, Zbbar  4l+X, ttbar  4l+X Atlas Analisi con tagli in cascata su singole variabili (masse delle 2 Z e variabili di isolamento) Rete neurale con le 2 MZ e MH LO Full simulation Altri sviluppi : 2 Reti neurali (o likelihood): una con le 2 MZ ,PTH e le variabili angolari (solo se l’Higgs ha spin zero e CP=+1), l’altra con le variabili di isolamento

35 Backup

36 The ATLAS Pixel Detector
3 barrel layers* r = 5.05 cm (B-layer), 9.85 cm, cm 3 pairs of Forward/Backward disks r= 49.5 cm, 60.0 cm, 65.0 cm ~ 2% of tracks with less than 3 hits Fully insertable detector Pixel size: 50 mm x 300 mm (B layer) & 50 mm x 400 mm ~ 2.0 m2 of sensitive area with 8 x 107 ch Hit resolution: r-f s ~ 12 mm r-z s ~ 60 mm Modules are the basic building elements 1456 in the barrel in the endcaps Active area 16.4 mm x 60.8 mm Sensitive area read out by 16 FE chips each serving a 18 columns x 160 row pixel matrix * Several changes from TDR

37 The ATLAS SCT Detector 1.53 m 1.04 m 5.6 m Endcap: 9 wheel pairs
pitch mm 3 types of modules Inner (400) Middle (640 incl shorter) Outer (936) Barrel: 4 layers pitch ~ 80 mm radii: 284 – 335 – 427 – 498 mm 2112 modules, with 2 detectors per side, read out in the middle All detectors are double-sided (40 mrad stereo angle) 4088 modules 61 m2 of silicon 6.3 x 106 channels Hit resolution: r-f s ~ 16 mm r-z s ~ 580 mm

38 ATLAS: Allineamento Deformazioni delle camere sagitta
allineamento  ~valore medio larghezza: scattering multiplo sagitta Sistema ottico di monitoraggio (RASNIK) consente di correggere la sagitta dei tubi con quelle dei fili entro 100mm di correggere deformazioni della camere derivanti da gradienti termici e stress meccanici Tests del sistema di allineamento ad H8: movimenti controllati delle camere correzione usando le informazione del sistema ottico Sistema di allineamento RASNIK ottico proiettivo e assiale per controllare l’allineamento relativo di tripletti di camere. Spostamenti relativi controllati entro 30 mm Pos. nominale Pos. nominale rot. 6mrad rot. 6mrad rot. 8mrad rot. 8mrad Allineamento: run speciali con toroide OFF e solenoide ON  campione di tracce rettilinee di momento misurato in ID (pT>10GeV) consente di calibrare I sensori ottici rapidamente entro ~20mm

39 CMS: CSC CMS: RPC 4 stazioni, 6 layer/camera
9.5 mm gap, Ar(30%)/CO2(50%)/CF4(20%) Coordinata f (bending): interpolazione carica su 3 strip adiacenti, s~ mm Coordinata r: lettura gruppi di 5-16 fili, s~5mm (f) (r) CMS: RPC RPC a doppio gap 90% freon/5% isobutano 6 layer barrel, 4 layer endcaps Partecipano alla ricostruzione HLT/offline

40 Camere di trigger (TGC e RPC) : Per l’identificazione del bunch crossing, il trigger dei m, e la misura della seconda coordinata (). Il sistema di trigger copre la regione ||<2.4 ATLAS : RPC su entrambi i lati delle camere MDT nelle stazioni “middle” e sopra o sotto le stazioni MDT esterne. Alta efficienza e risoluzione temporale (~1ns) per il trigger Risoluzione di <10mm per la misura della seconda coordinata Alta tolleranza meccanica