Rivelatori di Particelle1 Lezione 23 LHCb Introduzione Motivazione fisica: Studiare la fisica del B con particolare riguardo alla violazione di CP ed alla.

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1 Rivelatori di Particelle1 Lezione 23 LHCb Introduzione Motivazione fisica: Studiare la fisica del B con particolare riguardo alla violazione di CP ed alla determinazione degli elementi della matrice CKM. Perché ad LHC? Paragonato ad altri acceleratori, funzionanti o in costruzione, LHC è la più copiosa sorgente di B a causa dellalta sezione durto per produrre coppie di b ed antib e dellalta luminosità della macchina. P.S. la sezione durto a BABAR è 1nb mentre ad LHC è 500 b.

2 Rivelatori di Particelle2 Lezione 23 LHCb Introduzione La sezione durto totale pp a ~14 TeV è ~120 mb, ma si perde tutto lelastico ed il quasi elastico nel tubo a vuoto vis ~80 mb. La sezione durto per produzione di coppie di b e antib è ~500 b i canali con produzione di b sono sommersi da un fondo di minimum bias. I canali interessanti di decadimento del B hanno branching ratios ~10 -5 fondo da decadimenti comuni del B.

3 Rivelatori di Particelle3 Lezione 23 LHCb Introduzione La luminosità di progetto di LHC è L=10 34 cm -2 s -1 R= L=8x10 8 Hz I bunch sono separati da 25ns il numero medio di interazioni per crossing è =8x10 8 x25x10 -9 =20! Ridurre la luminosità per avere in media un evento per ogni bunch crossing. ( in media anche se =1 ho nel 26% dei casi più di un evento per bunch crossing (Poisson)). Proposta L(LHCb)=2x10 32 cm -2 s -1

4 Rivelatori di Particelle4 Lezione 23 LHCb Introduzione Vantaggi (con luminosità più bassa): Lapparato non è affollato ( si riduce il danno da radiazione) Gli eventi sono dovuti a singole interazioni (meno pile-up) più facili da analizzare

5 Rivelatori di Particelle5 Lezione 23 LHCb Introduzione

6 Rivelatori di Particelle6 Lezione 23 LHCb Introduzione

7 Rivelatori di Particelle7 Lezione 23 LHCb Introduzione Dimensioni di LHCb

8 Rivelatori di Particelle8 Lezione 23 LHCb Richieste per lapparato 1)Le coppie b antib (nelle interazioni forti si conserva la bellezza, quindi si producono in coppie) sono prodotte essenzialmente a piccolo angolo (seguono cioè la direzione dei fasci incidenti) e tendenzialmente dallo stesso lato Spettrometro a piccolo angolo min ~15 mrad (beam pipe e radiazione) max ~300 mrad (prezzo) Ovvero 1.884.89 Accettanza simile a quella che si avrebbe con un detector centrale (molto più grande)

9 Rivelatori di Particelle9 Lezione 23 LHCb Richieste per lapparato Definizione di variabili. Normalmente nelle collisioni adroniche la produzione di quarks pesanti è caratterizzata da 2 variabili, limpulso trasverso ai fasci e la rapidità Spesso si approssima la rapidità con la speudo-rapidità

10 Rivelatori di Particelle10 Lezione 23 LHCb Richieste per lapparato Commenti. La produzione di coppie di b se plottata in è uniforme (in questa variabile) piccolo o grande è approssimativamente la stessa cosa. Ma: per alti valori di | | (piccolo angolo) i b hanno impulso maggiore più facile osservarne i decadimenti (ovvero determinare vertici secondari). LHCb è da un lato solo. Un apparato da tutti e due i lati ( sempre a piccolo angolo ) raddoppierebbe la statistica errore ridotto di 2 1/2. Però il costo è aumentato di un fattore 2 compromesso qualità costo si fa da un lato solo. Determinazione del vertice secondario parametro dimpatto b b~(c B )~ 450 m Il parametro dimpatto è indipendente dallimpulso della particella conviene avere particelle ad alto impulso perché riduco lo scattering multiplo (~1/p)

11 Rivelatori di Particelle11 Lezione 23 LHCb Richieste per lapparato Concludendo 1) vogliamo con un apparato a piccolo angolo, raccogliere molti B (~10 12 prodotti in un anno di presa dati) basandoci su particelle ad alto impulso trasverso e vertici secondari Trigger efficiente e flessibile Spettrometro magnetico per la misura dellimpulso Tracciatore con elevata risoluzione e posizionato molto vicino alla zona dinterazione per la determinazione dei vertici secondari. 2)Cerchiamo decadimenti del B con B.R. ~10 -5 necessaria una identificazione del tipo di particella per ridurre il fondo dovuto a decadimenti del B poco interessanti, ma più copiosi.

12 Rivelatori di Particelle12 Lezione 23 LHCb Richieste per lapparato In breve serve :

13 Rivelatori di Particelle13 Lezione 23 Apparato (versione TDR)

14 Rivelatori di Particelle14 Lezione 23 Apparato (versione Light) Per questioni di costo e di troppo materiale lapparato è stato ridisegnato nella versione light Risultato: materiale sceso di un fattore 2 e apparato migliore

15 Rivelatori di Particelle15 Lezione 23 Apparato (versione Light) Anche con un apparato light la vita non è semplice

16 Rivelatori di Particelle16 Lezione 23 Layout generale Il punto dinterazione non è al centro della sala (caverna) per permettere un apparato (solo da un lato) lungo onde ricoprire piccoli angoli ( ~15 mr). Per determinare lintervallo dimpulsi in cui deve operare lo spettrometro magnetico si è studiato il decadimento B 0 d e B 0 s D - s Poche tracce hanno impulsi superiori a 159 GeV/c Accettanza ridotta ad alti impulsi (le particelle restano nel tubo a vuoto. Accettanza ridotta a bassi impulsi (troppo poche camere attraversate dalla particella)

17 Rivelatori di Particelle17 Lezione 23 Layout generale Le richieste per il rivelatore di vertice possono essere illustrate dalla distribuzione della lunghezza di decadimento del B 0 d (valor medio 1cm).

18 Rivelatori di Particelle18 Lezione 23 Layout generale Riassumendo LHCb comprende: Rivelatore di vertice Spettrometro magnetico (tracciatore + magnete) Identificatore di particelle (rich) Calorimetro elettromegnetico Calorimetro adronico Rivelatore di

19 Rivelatori di Particelle19 Lezione 23 Rivelatore di vertice Il rivelatore di vertice deve fornire una misura precisa delle coordinate delle tracce vicino alla regione d interazione, per ricostruire il vertice di decadimento del B e per misurare il parametro dimpatto delle particelle usate per etichettare il B. Usato anche nel trigger di livello 1 per arricchire il contenuto di B dei dati. Installato in ROMAN POTS (dentro il tubo a vuoto) per poter andare a piccolo angolo. Spostato più lontano dal fascio durante liniezione. 21 stazioni pari a 42 piani di silicio

20 Rivelatori di Particelle20 Lezione 23 Rivelatore di vertice

21 Rivelatori di Particelle21 Lezione 23 Rivelatore di vertice Silici convenzionali Ma disposti in maniera molto complessa Misura di R e per la ricostruzione del parametro dimpatto. Dimensioni variabili (minimo 40 m) occupazione costante <0.75% Elettronica di lettura fuori dallaccettanza La strip più corta ~6 mm

22 Rivelatori di Particelle22 Lezione 23 Rivelatore di vertice Radiazione 10 14 neutroni equivalenti /cm 2 /anno e non uniforme Scelta la tecnologia n su n che da studi con fasci di test sembra essere la più adatta per sensori di così alta risoluzione Possibilità di cambiare pezzi dellapparato ogni anno

23 Rivelatori di Particelle23 Lezione 23 Rivelatore di vertice Tutte le particelle misurate a valle dello spettrometro passano almeno 3 stazioni del rivelatore di vertice (VELO). Ogni stazione è 2 dischi che misurano r e. Risoluzione degli hit ~ 6÷10 m. Pile-up veto: i silici posizionati prima della regione dinterazione aiutano (al primo livello di trigger) a rigettare eventi multipli dallo stesso bunch crossing. Readout analogico (12500 e- per un MIP) in quanto miglior controllo del danno da radiazione e miglior separazione segnale/rumore. I 222000 segnali pre-amplificati sono immagazzinati in una pipeline analogica in attesa della decisione del trigger di livello 0.

24 Rivelatori di Particelle24 Lezione 23 Magnete Posto dopo il primo identificatore di particelle (RICH1) è un magnete superconduttore che assicura un alto campo integrato (4Tm) in una corta lunghezza. Il campo è orientato in verticale ed ha un valore massimo di 1.1 T. La polarità può essere invertita, per poter eliminare eventuali asimmetrie dellapparato che potrebbero introdurre un bias in misure di asimmetria di carica. Lapertura del magnete è 4.3 m in orizzontale e 3.6 m in verticale.

25 Rivelatori di Particelle25 Lezione 23 Tracciatore Il compito principale del tracciatore è quello di fornire una ricostruzione efficiente delle tracce di particelle cariche ed una misura del loro impulso. Il numero di stazioni presenti è diminuito nella configurazione light (non ci sono più camere nel magnete) Ogni stazione è divisa in due parti: Parte interna (inner tracking system) silici Parte esterna (outer tracking system) tubi straw Il sistema di tracciatura fornisce unaccurata misura delle traiettorie delle particelle nel piano di deflessione (orizzontale) del magnete usando fili e strip quasi verticali. La ricostruzione tridimensionale delle tracce è ottenuta usando piccoli angoli stereo (±5 o ). Risoluzione: 150-200 m Elettronica: preamplificatore/discriminatore come quelli di ATLAS. Dati in pipeline

26 Rivelatori di Particelle26 Lezione 23 identificazione di particelle Lidentificazione di particelle è fondamentale (specialmente la separazione di pioni da K) su tutto lintervallo dimpulso di LHCb.

27 Rivelatori di Particelle27 Lezione 23 RICH Servono a separare K da pioni. areogel Camera di precisione RICH1 RICH2

28 Rivelatori di Particelle28 Lezione 23 RICH Richieste per il fotorivelatore:

29 Rivelatori di Particelle29 Lezione 23 Fotorivelatore

30 Rivelatori di Particelle30 Lezione 23 Fotorivelatore Cerchi visti con particelle

31 Rivelatori di Particelle31 Lezione 23 Calorimetri Servono ad identificare elettroni ed adroni e misurare lenergia e posizione dei medesimi. Copertura da 30 a 300 mr. Il calorimetro e.m. deve anche ricostruire 0 e. La selettività richiesta al primo livello di trigger impone una segmentazione longitudinale del calorimetro 3 sezioni: i.Preshower ii.Calorimetro elettromagnetico a shashlik (ECAL) iii.Calorimetro adronico a tegole di scintillatore

32 Rivelatori di Particelle32 Lezione 23 presciamatore Serve ad identificare elettroni e fotoni a livello di trigger. Consiste in 14mm di spessore di piombo seguito da quadratini di scintillatore spessi 10 mm. I quadratini hanno dimensioni di 4,8,16 cm in modo da accordarsi con le torri dello shashlick. I quadratini sono letti da delle fibre wls accoppiate ad APD o fotomoltiplicatori multianodi.

33 Rivelatori di Particelle33 Lezione 23 ECAL oIdentificazione di elettroni (usata in vari livelli di trigger) oMisura dellenergia di elettroni e fotoni oRicostruzione dei pioni neutri Accettanza (x)<300 mr (y)<250 mr (non puo andare troppo vicino alla beam pipe) Risposta in tempo <25ns (sta nel trigger di livello 0) Variabile in funzione della distanza dal tubo a vuoto per minimizzare laffollamento Risoluzione in energia ~10%/E 1/2 Buona resistenza alla radiazione

34 Rivelatori di Particelle34 Lezione 23 ECAL

35 Rivelatori di Particelle35 Lezione 23 Hcal Scopo del calorimetro adronico è fornire dati per il trigger. In particolare deve fornire lenergia trasversa di adroni isolati con alto impulso trasverso. Deve migliorare la separazione elettroni adroni specialmente per particelle di alta energia

36 Rivelatori di Particelle36 Lezione 23 Spettrometro dei Lezione 23 Spettrometro dei Costituito da camere e ferro.

37 Rivelatori di Particelle37 Lezione 23 Trigger