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CMS a LHC

Dott. Andrea Gozzelino

MATRICOLA: 1017719

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PADOVA

SCUOLA DI DOTTORATO IN FISICA

CICLO XXVI – ANNO 2011

Corso «STRUTTURA NUCLEARE CON STRUMENTAZIONE GAMMA AVANZATA»

ESAME ORALE

LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 1

SOMMARIOAcceleratore LHC

Esperimento CMS

Rivelatore ECAL

Trigger e acquisizione dati (DAQ)

Operazioni sperimentali

Analisi dei dati


CMS

LHCb

ATLAS

ALICE

Large Hadron Collider (LHC)


Caratteristiche di LHC Acceleratore circolare di particelle Collisionatore protone-protone o ioni Pb-ioni Pb

Energia di disegno nel centro di massa √s = 14 TeV

Luminosità istantanea di disegno L = 1034 cm-2s-1

Intervallo di tempo di disegno tra bunches ∆T = 25 ns

Condizioni di operatività nel 2011 Fasci di protoni da marzo a ottobre

Energia nel centro di massa √s = 7 TeV

Luminosità istantanea L ~ 1033 cm-2s-1

Intervallo di tempo tra bunches ∆T = 50 ns

Intensità dei fasci di protoni I(B1,B2) ~ 1014

1380 bunches per fill


Picco di luminosità istantanea: 3.55*1033 cm-2s-1 nel fill 2256 in data 26 ottobre 2011Massima luminosità integrata rilasciata in un fill:123 pb-1 nel fill 2219 in data 16 ottobre 2011Massima luminosità integrata rilasciata in un giorno: 136 pb-1 il 13 ottobre 2011Massima luminosità integrata rilasciata in una settimana: 538 pb-1 nella settimana 41Massima luminosità integrata rilasciata in un mese: 1614 pb-1 in ottobre 2011Fasci stabili per 1364 ore nel 2011

Luminosità integrata rilasciata nel 2011 5.74 fb-1

Luminosità integrata raccolta da CMS nel 2011 5.21 fb-1 (90.8 %)

LHC nel 2011


Layout di LHC


Fasi di iniezione a LHC


Ciclo di vita dei fasci a LHC


LHC pagina 1


Compact Muon Solenoid (CMS)Esperimento con obbiettivi di ricerca generali

ricerca del bosone di Higgs SM o MSSM nella regione di massa 100 GeV < √s < 1 TeV

informazioni sulla supersimmetria e altre teorie oltre il modello standard

ricerca di nuovi bosoni vettoriali massivi (Z’)

Caratteristiche

Copertura dell’intero angolo solido 4π

Rivelatori in grado di riconoscere maggior numero possibile di particelle e segnature

Disegno compatto e modulare

Solenoide superconduttore


CMSCalorimetro

adronicoSolenoide

superconduttore

Calorimetro elettromagnetico

Tracciatore

Rivelatore di muoniCompact Muon Solenoid

Calorimetro adronico in

avanti

Lunghezza 21,5 m

Diametro 16 m

Peso 12500 t

Campo magnetico 4 T


CMS: identificazione di particelle


H → γγ se mHiggs < 150 GeV

221

221 )()( γγγγγγ ppEEM +−+=

Risoluzione in energia

Calibrazione

)cos1(2 21 ϑγγγγ −= EEM

Risoluzione spaziale

Granularità

H ZZ* 4 leptoni carichi

se 150 GeV < mHiggs < 2 Mz

H ZZ 4 leptoni carichi

se 2 Mz < mHiggs < 700 GeV

Canale di ricerca Hγγ


Risoluzione in energia

S termine stocastico include fluttuazioni di energia nello sciame,statistica dei fotoni nel fotorivelatore, perdite;

N termine di rumore nella catena elettronica di lettura, corrente di buio, pile-up;

C termine costante include miscalibrazioni, non uniformità nella generazione o raccolta del segnale, perdita di energia in materiale morto, instabilità (temperatura, tensione).

Barile Tappi

TEST in situ


Calorimetro elettromagnetico ECALIl calorimetro elettromagnetico (ECAL) è posto tra il rivelatore di tracciamento ed il calorimetro adronico, all’interno di un campo magnetico di 4 T e in un ambiente caratterizzato da un elevato livello di radiazione.

Dose attesa per ECAL in 10 anni di attività :

60kGY con un flusso di neutroni di 7*1014 n/cm2 ad η = 3

2kGY con un flusso di neutroni di 3*1013 n/cm2 ad η = 0 ÷1.5

E’ un calorimetro omogeneo costituito da cristalli di tungstato di Pb

TAPPI

4 Dee

14648 cristalli con VPT

734 VFE per Dee

156 Supercristalli per Dee

BARILE

36 Supermoduli (SM)

61200 cristalli con APD

1700 cristalli/SM

340 VFE per SM


ECAL

Lunghezza: 7.8 m

Raggio interno: 1.29 m

Raggio esterno: 1.75 m

Numero di cristalli: ~76000

Massa totale ~90 t

Geometria di ECAL


Cristalli di tungstato di piombo (PbWO4)

lunghezza ~ 22 cm ;

sezione trasversale (22x22) mm2 ;

alta densità 8.3 g*cm-3 ;

lunghezza di radiazione 0.89 cm ;

raggio di Molière 2.2 cm ;

80 % luce emessa in 25 ns (materiale veloce);

variazione di temperatura a 18 °C di –1.9% ;

resa luminosa limitata (≈ 50 fotoni/MeV).

Cristalli di ECAL


Fotorivelatori di ECALAvalanche Photo Diode (barile)

area attiva (5*5)mm2

2 APD in parallelo per ogni cristallo

tensione di lavoro 350 V

guadagno elevato (50)

Vacuum Photo Triode (tappi)

fototriodi con un singolo stadio di guadagno, anodo in rame sottile (10 µm)

diametro 25 mm

risposta condizionata dal campo magnetico

resistenza a radiazione intensa


Il segnale

Segnale → Ampiezza →

Energia depositata nel cristallo


Trigger Tower di ECAL


Very Front End (VFE) Ospita 5 canali di lettura, corrispondenti a 5 cristalli. Legge un segnale di carica, lo amplifica e lo digitalizza. Emette un segnale elettronico in bits, verso la scheda Front-End.

Photo-detector

APD / VPT

12 bits

2 bits1

6

12

MGPA

LOGIC

Multi-channel ADC

(AD41240)

HV

PreampGain LVDSADC

ADC

ADC

To FE

To mother boardLNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 21

Calibrazione in laboratorio per VFESi vuole misurare:

il piedestallo e il rumore nei 3 diversi guadagni;

i 3 guadagni in ADC/pC;

la calibrazione relativa tra canali ;

i rapporti di guadagno (G12 /G1 e G6/G1) ;

la linearita' (residui rispetto alla retta di calibrazione).

Segnale per diverse cariche iniettateSegnale per diverse cariche iniettate

Rette di calibrazioneRette di calibrazione

Picc

o (c

onte

ggi A

DC

)

Carica (pC)

Fit con polinomiale di 3° grado


Fasi di calibrazione di ECAL


Architettura del trigger di CMS


DAQ componenti hardware

Sostituisce switch da 500 porte8Efficienza

Flessibilità

Super frammenti


Struttura cDAQFM = Function Manager

RU = Readout Unit

BU = Builder Unit

FU = Filter Unit

EP = Event processor

SM = Storage Manager

FRL = Frontend Readout Link


Run Control Monitoring System (RCMS)

13 sotto sistemi

Sviluppato ai LNL e usato per esperimenti locali


FM Level 0 GUISviluppato ai LNL/Padova

AGATA usa una GUI sviluppato da un gruppo polacco con diverso protocollo di comunicazione ma analoga impostazione


FM L0 pannello di controllo


aDAQ monitor


Storage Manager page1


Schermi della postazione del cDAQ shifter in sala di controllo

al P5 - CERN


Situazione della macchina LHC

Situazione acquisizione dati (DAQ)

Note su presa dati

CMSSW software basato sul linguaggio C++, usato online e offline


Data taking conditionsShift leader ELOG message


Dati e loro utilizzoImmagazzinamento dei dati al Tier 0 presso il CERN

Distribuzione ai Tier 1 nazionali (in Italia CNAF a Bologna)

Distribuzione ai Tier 2 (come LNL)

Accesso ai dati collocati nei vari Tier2 attraverso protocolli (come dcap) per le analisi

'dcap://t2-srm-02.lnl.infn.it/pnfs/lnl.infn.it/data/cms/store/user/slacapra/Hbb/MuHad-May10ReReco-v1/patTuple_1_1_EIQ.root'

Ricerca del bosone di Higgs MSSM nel decadimento h bb(bar)

Analysis Note su cui lavora il gruppo CMS Padova/Trento/LNL


Tier2 @ LNLIl centro di calcolo ospita anche storage degli esperimenti locali, come AGATA.


Collaborazione CMS

Collaborazione CMS > 3000 persone


CMS P5 – luglio 2006 CMS P5 – luglio 2008

G

R

A

Z

I

E


Bibliografia• Elettronica di Front End del calorimetro elettromagnetico

Tesi di laurea triennale di Andrea Gozzelino – Torino, 26 luglio 2006

• Presentazioni del tutorial per central DAQ shifter – CERN, gennaio 2011

• Performance of the Monitoring Light Source for the CMS Lead Tungstate Crystal Calorimeter di Liyuan Zhang,David Bailleux, Adolf Bornheim, Kejun Zhu, and Ren-yuan Zhu– IEEE numero 4 volume52 agosto 2005

• CMS NOTE AN-11-204

RingraziamentiGruppo CMS LNL (dott. Gaetano Maron, dott. Michele Gulmini, dott. Massimo Biasotto, dott. Sergio Fantinel, Nicola Toniolo)

Gruppo CMS Padova (prof. Ugo Gasparini, dott. Stefano Lacaprara)LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 39

Back up slides


CMS


Mother Board (MB)

Le MB sono disposte sopra i cristalli; sono 68 per ogni supermodulo. Ciascuna MB è connessa con 25 cristalli via kapton flessibile; 5 kapton sono collegati a sensori di monitoraggio della temperatura. Sono schede totalmente passive che creano una superficie piana su cui installare l’elettronica. Esse instradano il segnale dal fotorivelatore alle VFE, distribuiscono alta tensione (HV) ai fotorivelatori e bassa tensione (LV) alle VFE.

Connettore x LVB

KaptonConnettori x VFE

Pettini verso APDLNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 43

Very Front End (VFE) Ospita 5 canali di lettura, corrispondenti a 5 cristalli. Legge un segnale di carica, lo amplifica e lo digitalizza. Emette un segnale elettronico in bits, verso la scheda Front-End.

Photo-detector

APD / VPT

12 bits

2 bits1

6

12

MGPA

LOGIC

Multi-channel ADC

(AD41240)

HV

PreampGain LVDSADC

ADC

ADC

To FE

To mother boardLNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 44

Schema test in situ dei cristalli con laser


Z ee con dati 2010


Low Mass Higgs Search : H γγ

γ1= 86 GeV

γ2=56 GeV

Signature: 2 energetic,isolated γ, narrow mass peakBackground: Large & partly irreducible QCD. Measured from Mγγ sidebands in data

• Data divided in 8 categories depending on γγ mass resolution & their PT

• Background shape fitted by 2nd order polynomial constrained to be positive

• Signal shape : Sum of 3 Gaussians, parameters determined from Z ee data

Simulated data not used in analysis

48

Unconverted γγ, both in ECAL barrel

1 converted γ, both in ECAL barrel

1 converted γ, one in ECAL endcap

Unconverted γγ, one in ECAL endcap

Low Mass Higgs Search : H γγ

LEEProb. to observe max. excess as large as seen in data = 0.05 (1.7σ)

CMS Prelim

≅ 2- 4×SM

49

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