Post on 01-May-2015
Candidato:
Giordano CATTANI
L’esperimento ATLAS al collisore LHC L’esperimento ATLAS al collisore LHC deldel
CERN: commissioning dei rivelatori RPCsCERN: commissioning dei rivelatori RPCs
con i raggi cosmici e studi Monte Carlo con i raggi cosmici e studi Monte Carlo didi
eventi supersimmetrici nel modello eventi supersimmetrici nel modello mSUGRAmSUGRA
A.A. 2006 - 2007
Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”Facoltà di Scienze
Relatore:
Prof.ssa Anna DI CIACCIO
Contro-Relatore:
Prof.ssa Annalisa D’ANGELO
Laurea Magistrale in Fisica
L’esperimento ATLAS al collisore LHC L’esperimento ATLAS al collisore LHC deldel
CERN: commissioning dei rivelatori RPCsCERN: commissioning dei rivelatori RPCs
con i raggi cosmici e studi Monte Carlo con i raggi cosmici e studi Monte Carlo didi
eventi supersimmetrici nel modello eventi supersimmetrici nel modello mSUGRAmSUGRA
CERN - ATLAS Control Room2 Ottobre 2007
“P1 technical run”
Argomenti trattati nella Tesi:
• L’esperimento ATLAS• Ruolo delle camere RPC in ATLAS• Test delle funzionalità dei rivelatori RPC
(Commissioning) nella caverna di ATLAS con dati acquisiti con un trigger di raggi cosmici
• Studio della risoluzione spaziale degli RPC con le tracce ricostruite nello spettrometro a muoni
• Studio di fattibilità del decadimento 2
0 → 10 + nel modello supersimmetrico
mSUGRA
Il Large Hadron Collider (LHC)Energia dei fasci 7 TeV
Separazione tra i pacchetti 25 ns
Paricelle/Pacchetto 1.15 ·1011
Dipoli 1232, 15 m, 8.33T, T=1.9 K
Energia fasci 362 MJ/Beam
• Collisore p – p
• Circonferenza di ~ 27 Km
• Energia nel CdM.: √s = 14 TeV
• Luminosità: L= 1034 cm-
2s-1
• Prime collisioni nell’estate ‘08
L’esperimento ATLAS
Diametro 25 mLunghezza regione centrale 26 mDistanza tra le due Big-Wheel 46 mMassa 7000 T
• Il tracciatore interno
• Il sistema calorimetrico
• Lo spettrometro a muoni
ATLAS ed il “building 40” al CERN (5 piani di edificio!!)
Lo spettrometro a nella regione centrale (barrel)
Small
Large
Vista
BML BOLBOS BMS
Vista
12 torri:
• 6 lato A (z > 0)
• 6 lato C (z < 0)
4
A
A 576 camere RPC – 360k canali di lettura
26 unità di diversa tipologia
Superficie Totale ~ 8000 m2
(superficie di un campo di calcio)
5 6
BO
BM
BI
BIS
BIL
Deflessione dei principalmente in vista
curvati dal campo magnetico toroidale
x,
z,
y
Camere MDT – tracciamentoin vista –mCamere RPC – trigger LVL – 1 + misura della coordinata in vista
• 16 settori (8 Small + 8 Large)
• 3 stazioni per settore
y
Grounded plane
Bakelite Plates Foam
Graphite electrod
es
X readout strips
HV
Y readout strips
Gas
Polycarbonate spacer
Le camere RPC di ATLAS
• HV ~ 9.8 kV
• Egas~ 5 kV/mm
• bachelite ~ 1010 cm
• d = 2 mm
• Elettrodi per HV di grafite ~ 200m
• Superfici interne trattate con olio di lino
• Strisce (Strip) di lettura X e Y in rame, dimensione tipica 30 mm
• Gas: C2H2F4 93.5% - C4H10 6% - SF6 0.5%
•Risoluzione spaziale e temporale ~ 1 cm x 1 ns
• Possibilità di sostenere un elevato flusso di particelle: Φ ≤ ~1kHz
• Basso costo di produzione
• Usate come camere di trigger di LVL – 1 in ATLAS
Consente di misurare la posizione nella coordinata () ortogonale a quella di curvatura dei ()
Singola unità di sinistra
Singola unità di destra
Le due unità si sovrappongono per aumentare l’accettanza
Event Display di raggi cosmici
Software + Set di dati
• Preparazione dei dati (ROOTple) in ATHENA, il software dell’esperimento ATLAS:
basato sull’uso di packages (scritti in linguaggio C++)
la selezione dei packages e delle loro impostazioni tramite file job option (Python)
• Analisi compiuta in ambiente ROOT/C++
45
7
8
• Sono stati analizzati i dati acquisiti con trigger di raggi cosmici in 4 settori per un totale di 144 camere e 2304 pannelli
Hit e cluster
Il segnale indotto su ciascuna strip e letto dall’elettronica di front end, definito hit, è analizzato usando le informazioni contenute nella ROOTpla:
• la posizione di ciascun hit
• il numero identificativo della strip che ha prodotto l’hit
hits
Elettronica di front end e di trigger installata su una camera RPC
clusters
Un cluster è un gruppo di strip associate secondo una certa logica:
• un cluster è definito come un gruppo di strip adiacenti accese allo stesso tempo o entro una finestra di 15 ns;
• il tempo associato al cluster viene scelto come il tempo associato al primo impulso;
• a ciascun cluster viene associata una dimensione, definita come il numero di strisce utilizzate per costruire il cluster (cluster size);
• la posizione associata al cluster è fornita dal baricentro delle strip che lo costituiscono.Cluster di
dimensione 2Cluster di
dimensione 1
Studi con gli hit
x,
z,
y
Settore 5, camere BOL, vista
Settore 8, camere BOS, vista
StripNumero vs. posizione
Strisce non attive
Test delle strisce
attive e del cablaggio
Studi con gli hit Correlazione piani di lettura sovrapposti
Ly 1
Ly 2
Sett. 4, Torre -5, BML (32)
Sett. 7, Torre 2, BML (32)
Sett. 5, Torre 3, BML (64)
Sett. 5, Torre 4, BML (80)
Sett. 8, Torre 2, BML (64)
Sett. 5, Torre 5, BOL (32)
Dopo le correzioni
Tipici studi con i cluster
Settore 5Settore 4HV@9400
Studi di Cluster Size:
• Distribuzioni di Cluster Size
• Studi di Cluster Size vs. HV
• Studi di Cluster Size in ogni torre
~ 1.3
CS vs. HV CS vs. pannello
Distribuzione di Cluster Size
Utile nel comprendere casi particolari e nell’individuare i criteri di selezione migliori
BIL
BML
BOL
Camere MDTCamere RPCHit MDTHit RPC - gasgap = 1Hit RPC - gasgap = 2
Le tracce ricostruite: MOORE ed il display degli eventi
• Sono usate le tracce ricostruite dal pacchetto MOORE
• Sono stati usati i seguenti parametri:
Il perigeo (x, y, z)
L’angolo della traccia in vista
L’angolo della traccia in vista
BML
BOL
La selezione degli eventi
Taglio # Eventi %
Nessuno 88500 100.0
Eventi con tracce 73474 83.0
Eventi con 1 traccia
72177 81.5
χ2/dof<5 62045 70.1
2<# di Cluster<20 55235 62.1
Hit RPC in > 1 51809 58.5
• No eventi multitraccia
• χ2/dof < 5
• 2 < # di Cluster < 20
• Hit RPC in > 1
Settore 5Settore 5
Settore 4Settore 5Taglio # Eventi %
Nessuno 101064 100.0
Eventi con tracce 76135 75.3
Eventi con 1 traccia
74543 73.8
χ2/dof<5 64616 63.9
2<# di Cluster<20 60832 60.2
Hit RPC in > 1 60360 59.7
Settore 5Settore 4
Per condurre lo studio della risoluzione spaziale è stata attuata una selezione del campione di dati a disposizione secondo i seguenti criteri:
Cosmic Ray Bundle
Fake Trigger
Eventi multitraccia
Residui e risoluzione spaziale• Residui in vista
• Correlazione tra la coordinata zdel punto di estrapolazione della traccia al piano di lettura RPC e coordinata z dei
cluster RPC
σfit ~ 10 mm
• NO selezione della dimensione dei cluster
• NO allineamento
BOL Torre 1 Settore 5
Piano di lettura vista
Cluster Size = 2 Cluster Size = 1
Residuo = zclusterRPC – ztracciaMDT
Normalizzate alla stessa
area
Coord
ianta
tr
acc
ia
Coordinata Cluster
Cluster RPC – tracce ricostruite
~ 30 mm
• Residui in vista
• Dimensioni cluster = 1
• Residui in vista
• Dimensioni cluster = 1
Settore 5
Settore 5
L’elevata precisione nel tracciamento delle camere MDT permette di riprodurre
la larghezza delle strisce RPC
Il solo tracciamento RPC in vista determina una
distribuzione più stretta con un picco evidente
Cluster RPC – tracce ricostruite
Settore 4
Settore 5
Estrapolazione delle tracce al livello della superficie
Settore 7/8
Posizione Y strip vs. Posizione X strip
Efficienza delle camere RPC
•Esclusione delle camere che rientrano nella configurazione di trigger.
• Estrapolazione della traccia in vista , ottenendo una lista di coordinatex – y
• determinazione della coordinata z estrapolando la traccia in vista
• associazione tra posizione geometrica di ciascun punto ed un numero identificativo del pannello di lettura
• determinazione del residuo di ogni cluster della traccia: se il residuo cade all’interno di una finestra di accettanza predefinita allora il pannello viene ritenuto efficiente
È stato elaborato un algoritmo che permette di calcolare l’efficienza delle camere RPC nella vista in maniera indipendente dal rivelatore stesso
Settore 13
Roma2 Group
Efficienza vs. HV
Settore 5
Settore 4
Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei muoni – residui vs. zestrapolata
1 2 3
A
AC
Settore 4
Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei
muoni – spiegazioneResiduo = zcluster –
ztraccia
Posizione Reale: quota alla quale i piani di lettura RPC sono collocati nello spettrometro
Posizione Geometrica: quota alla quale la descrizione geometrica dell’apparato, in ATHENA, pone i piani di lettura RPC
Settore 4
Y
Z
1 2 3
Studio del processo supersimmetrico
20 → 1
0 + a s = √14 TeV
Supersimmetria - MSSM
~ @1016 GeV
Il Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) è l’estensione minimale al Modello Standard che consente di realizzare la supersimmetria:
• ad ogni bosone (fermione) è associato un partner fermionico (bosonico)
Consente di colmare i limiti del Modello Standard,tra cui:• elimina le divergenze quadratiche nelle correzioniad 1-loop alla massa dell’Higgs• consente la convergenza delle costanti di accoppiamento delle tre interazioni fondamentali (esclusa la Gravità)• fornisce un candidato per la Materia Oscura
Supersimmetria - mSUGRA
Parametro Descrizionem0 Massa delle particelle scalari (GeV)
m1/2Massa delle particelle fermioniche
(GeV)A0 Termine trilineare comune
tan Rapporto tra i VEV dei bosoni di Higgs
sign()Segno del superpotenziale nel
settore di Higgs
La Lagrangiana del MSSM contiene 105 parametri liberi. In mSUGRA il loro numero si riduce a 5
In mSUGRA:
• La R-Parità è conservata: R = (-1)3(B – L) + 2s
• Le particelle SUSY sono prodotte in coppie
• La particella SUSY più leggera (LSP), con R = - 1, è stabile
• La LSP è il Neutralino 10, buon candidato per la composizione della
Materia Oscura
lqql
g~ q~l~
~
~p p LSP
20 → 1
0 + e scelta del punto nellospazio dei parametri mSUGRA
WMAP0.09<h2<0.13
Regione esclusa da ricerche a LEP 2
Regione esclusa teoricamenteA. Lionetto
Senza l’esclusione di LEP 2
A. Lionetto
• Il decadimento del secondo Neutralino 2
0 → 10 + è previsto da
diagrammi di Feynman ad 1-loop e quindi sfavorito rispetto a decadimenti in due e tre corpi al livello fondamentale (tree level) dello sviluppo perturbativo
• In alcune regioni dello spazio dei parametri mSUGRA dove i decadimenti in due corpi sono chiusi e quelli in tre sono soppressi dinamicamente e/o cinematicamente allora può essere il canale dominante
• Segnatura sperimentale:
• un fotone energetico ed isolato
• energia trasversa mancante ET
miss
in aggiunta ad altre topologie caratteristiche di eventi SUSY quali getti di elevato impulso trasverso e leptoni
• Canale non studiato in ATLAS nel modello mSUGRA
Studio con il generatore Monte Carlo• Herwig v. 6.510
• ISAJET v. 7.75 + ISASUGRA(masse particelle SUSY + BR)
• Analisi in ambiente ROOT/C++
• Decadimento del 20 solo radiativo
• 5000 eventi generati
pT 10
Topologia simile per il decadimento 10 → G del
modello GMSB. Studiato in ATLAS.
pT con pT
> 20
GeV permette di discriminare bene il segnale dal fondo
ETmiss> 100 GeV
SUSY CSC Note – 8
Picco a ~ 50 GeV ~ m(2
0) - m(10)
Conclusioni
L’analisi dei dati di raggi cosmici acquisiti nella caverna di ATLAS ha permesso di evidenziare e risolvere problemi di varia natura (inversione del cablaggio, canali di elettronica non funzionanti o rumorosi etc ) delle camere RPC installate in 4 settori dello spettrometro a muoni.
Lo studio delle tracce ricostruite ha permesso inoltre di studiare:
la risoluzione spaziale delle camere RPC che troviamo compatibile con quella aspettata: σ = d/√12 ~ 10 mm
le correlazione tra la coordinata della traccia ottenuta con il rivelatore di precisione MDT e la sua estrapolazione al piano di lettura RPC
un metodo per il calcolo dell’efficienza delle camere RPC (indipendente da esse) in vista ( importante per la calibrazione del rivelatore in fase di presa dati)
È stato inoltre studiato con il Monte Carlo HERWIG il decadimento2
0 → 10 + all’energia nel centro di massa di LHC nel contesto del modello
supersimmetrico mSUGRA e confrontato con lo studio del decadimento di segnatura analoga 1
0 → G analogo previsto dal modello GMSB.
Backup
L’esperimento ATLAS
Diametero 25 mLunghezza regione centrale 26 mDistanza tra le due Big-Wheel 46 mMassa 7000 T
• Il tracciatore interno
• Il sistema calorimetrico
• Lo spettrometro a muoni
• Pixel (~ 140M)
• Microstrip di silicio (SCT) (~ 6M)
• Tracciatori a transizione di radiazione (TRT) (~ 370k)
• campo magnetico solenoidale di ~ 2T
• tracciamento e b-tagging
• Centrale:
• EM: Pb + LAr
• HAD: Fe + Mat.Plast.
• Terminale:
• EM + HAD: LAr
3 magneti + 4 tipi di camere:
• MDT + CSC: misura sagitta
• RPC + TGC: LVL-1 Trigger
Risoluzione: 2-3% per di 10-200 GeV; 10% per fino ad 1 TeV
ATLAS ed il “building 40” al CERN (5 piani di edificio!!)
Trigger di LVL – 1 nello spettrometro a nella regione del barrel
Segnale sul piano Pivot
Finestra di coincidenza
Finestra di coincidenza
Piano RPC di Pivot
Piano RPC di conferma (Confirm) per trigger di
High-Pt > 20GeV
Piano RPC di conferma (Confirm) per trigger di
Low-Pt > 6 GeV
• Opera in entrambe le viste e
• Identifica il singolo pacchetto (ogni 25 ns)
• Le soglie in pT sono programmabili
pT infinito
Cluster RPC – tracce ricostruite
~ 30 mm
• Residui in vista
• Dimensioni cluster = 1
• Residui in vista
• Dimensioni cluster = 1
Settore 5
Settore 5
L’elevata precisione nel tracciamento delle camere MDT permette di riprodurre
la larghezza delle strisce RPC
Il solo tracciamento RPC in vista determina una
distribuzione più stretta con un picco evidente
Lo studio dei residui nella direzione di curvatura dei
muoni – spiegazione
Osservando una camera RPC dal lato HV e RO i piani di lettura sono disposti come in figura
Come sono descritte le
camere nella geometria in
ATHENA
Come sono montate le
camere nello spettrometro