Il sistema di tracciamento

Il rivelatore pi`u interno `e il sistema di tracciamento (tracker ): utilizzando il campo magnetico generato dal solenoide, consente di ricostruire le tracce delle particelle cariche, di misurarne l’impulso e di ricostruirne i vertici di decadimento, primari e secondari, nella regione|η|   2.5.

In fase di progettazione, particolare attenzione `e stata dedicata alle caratte- ristiche ed alla geometria del materiale utilizzato. Oltre agli ingombri mec- canici, `e importante aver sviluppato una struttura che limiti le perturbazioni sulle particelle prodotte nelle interazioni dovute al rivelatore stesso (multiple scattering e bremsstrahlung) in grado di deteriorare la qualit`a delle misure. Un altro limite stringente imposto al tracciatore `e la quantit`a di materiale usato per la sua costruzione, che non deve essere eccessiva, in modo da per- mettere una buona misura dell’energia nei calorimetri situati all’esterno del sistema tracciante.

posizionati vari strati di rivelatori al silicio, coassiali alla direzione dei fasci di particelle; lateralmente, invece, `e chiusa da dischi (endcap) che coprono la restante zona in pseudorapidit`a.

Il campo magnetico estremamente elevato di CMS condiziona la topologia degli eventi, confinando le tracce delle particelle di basso pT a traiettorie di

piccolo raggio. In base a considerazioni sul flusso di particelle cariche, si pos- sono distinguere tre regioni, al variare della distanza dalla beam pipe, nelle quali saranno utilizzate tecnologie differenti:

• una zona vicina al vertice di interazione, dove il flusso `e pi`u elevato ( 107_{{s a 10 cm) ed in cui vengono utilizzati sottorivelatori a pixel [14];}

• una regione intermedia (20   r   55 cm) dove il flusso `e abbastanza basso da consentire l’utilizzo di piccole microstrip di silicio [3] [14]; • una regione pi`u esterna (r ¡ 55 cm) dove il flusso `e ancora pi`u basso

ed `e possibile utilizzare microstrip di silicio pi`u ampie [3] [14].

La disposizione degli elementi attivi del tracker `e mostrata in figura 2.20; la struttura ha un raggio esterno di 110 cm, ed una lunghezza totale di 540 cm.

2.2 L’esperimento CMS 75

Il rivelatore a pixel

Il rivelatore a pixel `e di fondamentale importanza per il tagging del quark b e del τ , e per la misura del parametro d’impatto. Inoltre, rappresenta il punto di partenza nel processo di ricostruzione delle tracce di particelle cariche. E’ un rivelatore costituito da tre layer di pixel ibridi nel barrel, e da due dischi laterali come endcap. I tre layer sono posizionati rispettivamente ad una distanza di 4.4, 7.3 e 10.2 cm dall’asse z, ed hanno una lunghezza di 53 cm. I due endcap hanno un raggio interno di 6 cm ed un raggio esterno di 15 cm, e si trovano da entrambi i lati (|z|  34.5, 46.5 cm).

Per ottenere una buona risoluzione nella misura della posizione del vertice, si utilizzano dei pixel di dimensione 100 150 µm2_{. Il barrel comprende 768}

moduli di pixel, organizzati in quattro settori montati su due semi-cilindri; vi `e una sovrapposizione pari al 6% in φ (figura 2.21b), per beneficiare del- l’effetto della forza di Lorentz sulla risoluzione spaziale.

Gli endcap sono assemblati con una struttura che ricorda quella di una tur- bina (figura 2.21a) con 24 pale ruotate di 20. In totale i dischi comprendono 672 moduli a pixel, con sette moduli per pala (figura 2.22).

La risoluzione spaziale ottenuta dal rivelatore a pixel `e di 10 µm sul piano r-φ e di circa 20 µm per la misura di z.

(a) (b)

Figura 2.21: Layout dei rivelatori a pixel nel tracker (a); struttura meccanica del primo layer di pixel nel barrel (b).

Figura 2.22: I due lati di una delle pale dell’endcap del rivelatore a pixel.

Silicon Strip

Questo rivelatore `e costituito da moduli (figura 2.23a) composti da due sen- sori (quattro per i double-sided ) posti su un supporto in fibra di carbonio, insieme all’elettronica di lettura. I sensori sono costituiti da un substrato di silicio di tipo n, con impiantate le strip di tipo p (figura 2.23b).

Nel silicon tracker vengono utilizzati sensori one- e double-sided : i primi pre- sentano strip parallele al fascio, mentre i secondi hanno dei sensori aggiuntivi posizionati dall’altro lato del supporto, con strip disposte a formare un an- golo di 100 mrad rispetto al fascio. I sensori one-sided permettono la misura della coordinata r-φ; i double-sided anche la misura della coordinata z. Dal punto di vista delle strip di silicio, il barrel `e diviso in due regioni: una in- terna detta TIB (Tracker Inner Barrel ), ed una esterna detta TOB (Tracker Outer Barrel). Per evitare che le particelle incidano sui rivelatori ad angoli troppo piccoli, la regione interna del barrel `e pi`u corta di quella esterna, e nello spazio compreso tra il bordo della regione interna e l’endcap sono stati posti tre strati addizionali, a forma di disco.

Il TIB `e formato da quattro layer di strip di silicio con sensori spessi 320 µm, che coprono fino a |z|   65 cm con un pitch da 80 a 120 µm. I primi

2.2 L’esperimento CMS 77

(a) (b)

Figura 2.23: Tipico modulo one-sided (a); schema del principio di

funzionamento di un rivelatore a microstrip (b).

due layer hanno sensori one-sided mentre gli altri due double-sided. Questo porta ad una risoluzione per singolo punto di 23-34 µm nel piano R
φ e 230 µm nella coordinata z. I moduli del TIB sono inclinati di 9 per compensare l’effetto della forza di Lorentz ed `e presente una sovrapposizione in φ e z in modo da eliminare zone morte e tener conto dello spread del vertice primario.

Il TOB, invece, comprende sei layer di semilunghezza |z|   110 cm. Ogni layer `e formato da due moduli (rod ) contenenti sei (per i single-sided ) o dodici (per i double-sided ) rivelatori rettangolari disposti lungo z. Poich`e il livello di radiazioni in questa regione non `e molto elevato, si usano sensori con uno spessore maggiore (500 µm), per mantenere un buon rapporto S{N con strip pi`u lunghe e pitch maggiori. Il pitch delle strip nel TOB va da 120 a 180 µm. La risoluzione per singolo punto `e di 32-52 µm nella direzione r-φ e 530 µm nella coordinata z.

Gli endcap sono divisi in Tracker Endcap (TEC) e Tracker Inner Disks (TID). I TEC consistono in nove dischi di moduli silicon strip ciascuno (figura 2.24) e si estendono nella regione 120 cm  |z|   280 cm. Ogni TID invece compren-

de tre dischi pi`u piccoli, che riempiono il gap tra TIB e TOB (figura 2.20). I moduli di TID e di TEC sono organizzati in anelli centrati sulla beam pipe

Figura 2.24: Visione di uno dei dischi di TEC

ed hanno strip che puntano verso di essa, quindi con un pitch variabile. Ogni disco di TID `e costituito da tre anelli, mentre ogni disco di TEC `e costituito da 18 petali che si sovrappongono nella coordinata φ. Ogni petalo `e formato da sette anelli che si sovrappongono radialmente. E’ opportuno precisare che negli endcap la geometria dei moduli cambia, assumendo una forma trape- zoidale.

Lo spessore dei sensori `e di 320 µm per TID ed i tre anelli pi`u interni di TEC, 500 µm per tutti gli altri del TEC.

Prestazioni del tracker

In figura 2.25a viene mostrata la risoluzione in impulso trasverso pT ottenuta

con il sistema di tracciamento. Si pu`o notare che la risoluzione `e inferiore al 2 % per pT   100 GeV/c fino a |η|  1.75.

La figura 2.25b invece presenta l’andamento della risoluzione nel parametro di impatto d0. Per un impulso trasverso di 1 GeV/c si ha una risoluzio-

ne compresa tra 0.1 e 0.2 mm, mentre per impulsi trasversi pi`u elevati la risoluzione varia nell’intervallo 1020 µm.

2.2 L’esperimento CMS 79

(a) (b)

Figura 2.25: Risoluzione in pT (a) ed in d0 (b) per il tracker.