Sistema per muoni

Ad LHC sono numerosi gli eventi attesi che presentano muoni nello stato finale: per questo motivo i muoni costituiscono una segnatura tipica. Questa considerazione ha fatto s`ı che CMS si dotasse di un sistema per il trigger e la ricostruzione di muoni ad alta luminosit`a. In particolare, il sistema a muoni

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Figura 2.5: Vista del solenoide e del giogo del barrel.

ha il compito di identificare i muoni, misurarne l’impulso e determinarne la carica elettrica.

La scelta dei sottorivelatori per il sistema a muoni `e stata fatta in base al tipo di background atteso ed al valore del campo magnetico nelle varie regioni della macchina. Le principali fonti di background atteso sono:

• elettroni di bassa energia originati da cattura di neutroni, vicino o all’interno delle camere a muoni (tali neutroni sono generati in cascate adroniche nel sottorivelatore o nei componenti dell’acceleratore); • adroni carichi provenienti da cascate adroniche;

• muoni provenienti da decadimenti di π e K;

• particelle generate nel tunnel dell’acceleratore a seguito di perdite nel fascio.

Per l’identificazione dei muoni e le relative misure, il sistema utilizza tre tipi di rivelatori a gas: drift tube (DT) nel barrel, cathode strip chamber (CSC) nell’ endcap ed infine resistive plate chamber (RPC) sia nell’endcap che nel

barrel, disposti in modo tale da garantire ermeticit`a nel range 0   η   2.4. In particolare: i DT del barrel coprono 0   η   1.3, i CSC dell’endcap 0.9  η   2.4, mentre gli RPC 0.9   η   2.1.

La regione del barrel : Drift Tube

La regione del barrel `e costituita da quattro stazioni concentriche di camere con tubi a deriva che si alternano agli strati di ferro del giogo di ritorno del magnete. La segmentazione di ogni stazione `e dettata dalla segmentazione longitudinale del ferro in cinque anelli, ognuno lungo 2.5 m, dai supporti per il criostato e del calorimetro. In totale, le tre stazioni pi`u interne sono composte da 60 camere, mentre quella pi`u esterna ne contiene 70. Ogni anello

Figura 2.6: Uno dei 12 settori del sistema a muoni.

`e suddiviso in 12 settori di 30(figura 2.6), ognuno dei quali contiene 4 camere costituite ciascuna da 12 piani di drift tube, per un totale di 195000 tubi. I 12 piani di drift tube presenti in ogni camera sono organizzati in tre unit`a indipendenti (Super-Layer, SL) costituiti da 4 piani con fili paralleli. Due di questi SL misurano la posizione sul piano r
φ, in quanto i fili sono paralleli al fascio; l’unit`a rimanente (posizionata centralmente) misura la coordinata z, essendo i fili disposti perpendicolarmente alla direzione del fascio. All’interno di ogni SL si trovano quattro layer di DT, sfalsati l’uno rispetto all’altro in modo tale da poter eliminare l’ambiguit`a destra-sinistra nella determinazione dei punti della traccia (figura 2.7). La risoluzione spaziale raggiungibile `e di

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(a)

(b)

Figura 2.7: Sezione trasversa di un DT (a). Layout di un DT (b)

250 µm per ogni singolo tubo: 150 µm per la misura della coordinata z effettuata con 3 o 4 punti, mentre per la misura sul piano r-φ, effettuata con 6-8 punti si arriva a 100 µm in r e 1 mrad in φ.

La regione degli endcap: Cathode Strip Chamber

I due endcap del sistema per muoni ospitano un totale di 468 CSC; ogni endcap contiene quattro gruppi di CSC (figura 2.8). Queste hanno una forma trapezoidale e sono organizzate in una serie di anelli concentrici centrati sulla beam pipe. Le stazioni sono separate dai dischi del giogo di ritorno del campo magnetico. Ogni CSC contiene sei layer di fili tra due pannelli che fungono da catodi (figura 2.9a). I fili presentano una spaziatura pressoch`e costante, mentre i pannelli sono segmentati in sei piani di strip disposte radialmente (figura 2.9b). Dunque, ogni camera fornisce sei misure dell’angolo φ e sei misure della coordinata r (figura 2.10). I fili sono disposti in gruppi da 16- 50 mm di larghezza ed il segnale che forniscono `e sufficientemente veloce da essere usato nel trigger L1.

Figura 2.8: Visione schematica dell’endcap.

(a) (b)

Figura 2.9: Sezione (a) e struttura (b) di una CSC

La misura della coordinata r-φ nell’endcap `e utile per la determinazione dell’impulso del muone. La misura precisa di φ proviene dal calcolo del baricentro delle cariche indotte dalle valanghe sulle strip (figura 2.10). La risoluzione spaziale di ogni camera `e di 200 µm. La risoluzione angolare in φ, invece, `e di 10 mrad.

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Figura 2.10: Principio di funzionamento di una CSC.

Resistive Plate Chamber

Sono stati aggiunti sia nella regione del barrel che dell’endcap dei rivelato- ri RPC per fornire segnali di trigger aggiuntivi. Gli RPC sono rivelatori costituiti da due piani di bachelite ad alta resistivit`a, ricoperti da uno stra- to di grafite in modo da formare degli elettrodi separati da un volume di gas (figura 2.11a). La separazione tra i piani `e di 2 mm. Tipicamente, gli RPC sono posizionati back-to-back in modo tale da formare un doppio gap (figura 2.11b) e tra loro viene posto un piano di strip di acquisizione. Nel caso di CMS gli RPC funzionano in modalit`a a valanga, il che comporta la formazione di impulsi pi`u piccoli (che quindi richiedono una efficiente cate- na di amplificazione) ma anche la possibilit`a di lavorare ad alti rate (fino a 10 kHz/cm2_{). Dunque, gli RPC combinano una buona risoluzione spaziale}

con un’ottima risoluzione temporale. Nel sistema a muoni questi rivelatori coprono all’incirca la stessa area dei DT e delle CSC, arrivando fino a η = 2.1.

(a)

(b)

Figura 2.11: Struttura (a) e schema (b) di una RPC

Prestazioni del sistema a muoni

La misura dell’impulso del muone utilizzando il solo sistema per muoni viene effettuata a partire dalla curvatura della traiettoria all’uscita del solenoide (B = 4 T), prendendo come origine il punto di interazione (IP), noto con un’incertezza di  20 µm. La risoluzione di questa misura (figura 2.12) in generale dipende dalla diffusione multipla coulombiana nel materiale che si trova prima delle stazioni muoniche. Tuttavia, per impulsi trasversi ¤ 200 GeV/c predomina la risoluzione delle stazioni muoniche. Per impulsi anco- ra pi`u bassi (¤ 20 GeV/c) la risoluzione ottenuta con la misura fornita dal tracciatore `e migliore di circa un ordine di grandezza. Le due misure pos- sono essere combinate, estrapolando la traiettoria del muone fino al punto di interazione, migliorando cos`ı la risoluzione e compensando gli effetti della diffusione multipla e della perdita di energia. Il muone ricostruito solo a par- tire dalle informazioni delle camere a muoni viene detto “stand-alone muon”,

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mentre se si combinano anche le informazioni del tracker ci si riferisce ad un “global muon”.

Figura 2.12: Risoluzione in impulso dei muoni, ottenuta utilizzando le camere a muoni, solo il tracker oppure entrambi, nel barrel e nell’endcap.