2.2 L’esperimento CMS
2.2.3 La calorimetria
I calorimetri rivestono un ruolo molto importante per utilizzare appieno le possibilit`a offerte da LHC. Il loro compito `e quello di identificare e misurare con precisione l’energia di fotoni, elettroni e jet, nonch`e garantire una coper- tura ermetica per la misura dell’energia trasversa. Inoltre, i calorimetri sono stati pensati per offrire una eccellente reiezione dal fondo di adroni e jet ed una buona separazione dei decadimenti del τ dal fondo di QCD.
Il solenoide scelto permette di inserire nella cavit`a interna un calorimetro elettromagnetico ad alta risoluzione (ECAL) e pi`u esternamente un calori- metro adronico a campionamento (HCAL). L’ermeticit`a `e assicurata dalla presenza dei rivelatori sia nel barrel che nell’endcap. Inoltre, un calorimetro in avanti assicura una copertura fino a η = 5.0 (figura 2.13).
Figura 2.13: Vista di un quadrante del sistema calorimetrico e del barrel.
Il calorimetro elettromagnetico
Il calorimetro elettromagnetico di CMS `e costituito da 61200 cristalli di tung- stenato di piombo (PbWO4) nella regione del barrel e da 7324 cristalli in
ognuno dei due endcap.
La sua funzione principale `e la misura dell’energia di elettroni, fotoni e com- ponenti elettromagnetiche di jet adronici e τ -jet.
La caratteristica principale dei cristalli di PbWO4 `e quella di avere una den-
sit`a particolarmente alta (8.28 g/cm3); inoltre sono omogenei ed hanno buona
ermeticit`a, permettendo una risposta particolarmente veloce. Altre caratte- ristiche importanti sono la buona granularit`a (in figura 2.14 viene mostrata la segmentazione del calorimetro), dovuta ad una lunghezza di radiazione piuttosto corta (89 mm) e ad un piccolo raggio di Moli`ere (22 mm), una buo- na risoluzione in energia ed una elevata resistenza alle radiazioni. Inoltre, il tempo di decadimento della luce di scintillazione `e paragonabile al tem- po di attraversamento del fascio: circa l’80% della luce viene emessa in 25 ns. La luce di scintillazione (i cristalli hanno un tasso di produzione di 30 fotoni/MeV) viene quindi amplificata e rivelata da fotodiodi di silicio nella regione del barrel e da fototriodi negli endcap, in grado di operare all’interno di elevati campi magnetici e circondati da forti radiazioni.
2.2 L’esperimento CMS 67
I dischi di ogni endcap sono completati da un rivelatore “preshower ” in grado di identificare i pioni neutri, al fine di discriminare meglio gli elettroni e le coppie di fotoni rispetto alle particelle al minimo di ionizzazione, e per mi- gliorare la precisione delle misure di posizione grazie alla elevata granularit`a. La disposizione dei cristalli varia in base alla regione in cui si trovano:
• Nel barrel (|η| 1.479) essi sono raggruppati in 18 supermoduli che sottendono un angolo φ = 20 . Ogni supermodulo comprende quat- tro moduli, di cui uno contiene 500 cristalli, mentre i restanti tre 400. Per semplicit`a di costruzione e assemblaggio i cristalli sono organiz- zati in array di 2 5 cristalli. Il gruppo di 10 cristalli `e contenuto in una struttura alveolare che costituisce quello che viene chiamato sottomodulo.
• Nei due endcap i cristalli sono disposti in gruppi da 5 5, detti “super- cristalli”. In totale 268 supercristalli ricoprono la superficie di alluminio di ogni endcap, pi`u 64 supercristalli per il perimetro interno ed esterno. L’endcap ha la tipica forma a “doppia D” (figura 2.15).
Figura 2.14: Segmentazione del calorimetro elettromagnetico.
La risoluzione in energia del calorimetro pu`o essere parametrizzata come funzione dell’energia (in GeV):
σ E 2 a ? E 2 ` N E 2 ` C2 (2.6)
dove a `e un termine stocastico che tiene conto della statistica dei processi d’interazione (contenimento laterale della cascata, statistica dei fotoni, pre- shower), N tiene conto del rumore dovuto all’elettronica (importante ad alte energie) e del rumore in generale (incluso il pile-up, trascurabile per bassi valori della luminosit`a); C `e una costante che dipende dalle caratteristiche del calorimetro (calibrazione, non linearit`a). Si pu`o notare che la precisione della misura aumenta al crescere di E.
I test condotti sul fascio hanno stabilito che `e possibile ottenere una risolu- zione di: σ E 2.9%? E ` 0.12% E ` 0.30% (2.7)
Figura 2.15: Forma dell’endcap.
Il calorimetro adronico
Il calorimetro adronico (HCAL) di CMS ha il compito di ricostruire i jet adronici e l’energia mancante, che rappresenta una segnatura molto impor- tante in molti canali di fisica oltre il Modello Standard. Per questo motivo la sua risoluzione deve garantire una buona ricostruzione della massa invariante dei di-jet ed una misura efficace dell’energia mancante.
Anche questo calorimetro presenta una struttura centrale a simmetria cilin- drica, l’Hadron Barrel Calorimeter (HB), con una copertura|η| 1.4, e due
2.2 L’esperimento CMS 69
endcap (HE) che chiudono la struttura estendendo la copertura fino a |η| 3.0. Sia HB che HE sono immersi nel campo magnetico di 4 T, e questo ha comportato il non utilizzo di materiali magnetici nella loro fabbricazione. Oltre a questi elementi, sempre nella regione del barrel ma fuori dal magnete (|η| 1.26), `e presente un array di scintillatori detto Outer Barrel Calorime- ter (HO), la cui funzione `e quella di migliorare il confinamento della cascate adroniche. Altri due calorimetri, detti Hadron Forward Calorimeters (HF), sono posti nella regione in avanti, ed estendono ulteriormente la copertura fino a |η| 5.
Il calorimetro adronico `e un calorimetro a campionamento, ed in quanto ta- le `e formato da materiale attivo inserito tra strati di materiale assorbitore. Nella descrizione dei dettagli `e utile distinguere tra le varie componenti. Il calorimetro HB `e diviso in due met`a, costituite in totale da 36 cunei (wedge) identici, ognuno dei quali presenta una copertura di ∆φ = 20 (figu- ra 2.17a). I cunei sono ulteriormente segmentati in quattro settori azimutali da ∆φ = 5. Lo scintillatore `e diviso in 16 settori in η, con una segmentazione totale di ∆η ∆φ = 0.087 0.087 (figura 2.16). L’assorbitore consiste di un
Figura 2.16: Segmentazione longitudinale di HCAL [2].
primo strato d’acciaio spesso 40 mm seguito da otto piani di ottone spessi 50.5 mm seguiti da altri sei da 56.5 mm, pi`u uno strato finale di acciaio da 76 mm. Lo spessore totale dell’assorbitore a 90 `e di 5.82 lunghezze di inte- razione (λI = 16.42 cm). Lo spessore effettivo di HB aumenta con l’angolo
polare raggiungendo 10.1 λI a|η| = 1.3. Il componente attivo `e costituito da
circa 70000 piastrelle (tiles) di scintillatore pi`u fibre di Wave-Length Shifter (WLS). Le piastrelle relative alla stessa regione sono organizzate in singole unit`a scintillanti, dette tray (figura 2.17b). Il primo layer (layer -0) `e posto subito dopo il supporto d’acciaio, ed ha uno spessore di 9 mm, cos`ı come l’ultimo (layer -16), mentre tutti gli altri sono da 3.7 mm.
(a)
(b)
Figura 2.17: Vista isometrica di un cuneo di HB (a); vista di una
megatile (b).
Il calorimetro HE `e formato da 14 torri che si sviluppano in η, con una segmentazione di 5 in φ e di 0.087 in η per le cinque pi`u esterne, ed una segmentazione di 10 in φ e variabile tra 0.09 e 0.35 in η per le otto pi`u interne. Anche questo `e un calorimetro a campionamento: presenta strati di ottone di 79 mm che si alternano a gap da 9 mm per lo scintillatore (fi-
2.2 L’esperimento CMS 71
gura 2.18a). Quello che cambia rispetto a HB `e la geometria dei tray, che diventa trapezoidale (figura 2.18b).
(a)
(b)
Figura 2.18: Scintillator Tray in HE (a); vista frontale di uno
Scintillator Tray.
In questi due calorimetri il segnale luminoso prodotto nel materiale scintil- lante viene convogliato verso fibre ottiche e convertito da fotodiodi ibridi multipixel (HPD), caratterizzati da una bassa sensibilit`a ai campi magnetici. Il calorimetro HO `e posizionato al di fuori del magnete, sempre per`o all’in- terno della regione del barrel (figura 2.16). La struttura `e suddivisa in cinque anelli lungo η. L’anello centrale `e fisso, ed ha due layer di scintillatori su entrambi i lati dell’assorbitore di ferro di spessore 18 cm. Gli altri anelli sono mobili ed hanno un unico layer. Ogni anello copre 2.5 m nella coordinata z. Gli scintillatori di HO hanno la stessa geometria di quelli del barrel. La
necessit`a di un ulteriore stadio dipende dall’esiguo spessore di HB in termini di lunghezze di interazione. HO aumenta tale spessore fino ad oltre 10 λI
per assicurare il completo contenimento degli sciami adronici: questo riduce le code nell’andamento della risoluzione in energia ed inoltre migliora la ri- soluzione dell’energia trasversa mancante (MET ).
I calorimetri HF, infine, sono collocati esternamente al sistema muonico, nella zona ad alti valori di rapidit`a. Questa posizione fa s`ı che siano sog- getti ad una elevata dose di radiazione. Si tratta sempre di calorimetri a campionamento ma, diversamente da altre situazioni, per resistere alle con- dizioni di cui si `e detto, il materiale assorbente scelto `e acciaio con fibre di quarzo. La struttura, di forma essenzialmente cilindrica, `e suddivisa in 13 torri in η, ciascuna di dimensione ∆η 0.175, tranne per quella con η pi`u basso, che ha ∆η 0.1 e per quella con η pi`u in alto, che ha ∆η 0.3. La segmentazione nel piano azimutale `e di 10, ad eccezione della torre a pi`u alto η, che copre 20 (figura 2.19b). Lo spessore dell’assorbitore `e di 1.65 m, ed il diametro delle fibre di quarzo `e di 0.6 mm. Queste ultime sono dispo- ste lungo la direzione del fascio ed hanno due lunghezze differenti (1.43 m e 1.65 m): questo tipo di disposizione permette di distinguere gli elettroni dai fotoni (figura 2.19b). Il segnale si origina dalla luce Cherenkov emessa nei cristalli di quarzo e convogliata a dei fotomoltiplicatori (PMT). Vari vantaggi avvalorano la scelta dell’utilizzo di luce Cherenkov:
• segnale fortemente correlato alla traiettoria della particella;
• emissione sostanzialmente istantanea;
• vengono rivelate solo particelle oltre una certa soglia di energia.
La risoluzione in energia per il calorimetro adronico `e stata parametrizzata nello stesso modo di quella per il calorimetro elettromagnetico; da test con- dotti sul fascio `e stato inoltre stabilito che `e possibile ottenere una risoluzione di:
σ E
100%?
2.2 L’esperimento CMS 73
(a) (b)
Figura 2.19: Segmentazione in φ di una tower di HF (a); disposizione delle fibre all’interno dell’assorbitore (b).