Analisi del segnale rilasciato dai muoni di alta
energia nel calorimetro adronico
dell’esperimento ATLAS
Candidato: Michele Cascella
Relatore Tarcisio Del Prete
18 agosto 2006
Nei prossimi anni entrerà in funzione presso il CERN di Ginevra l’anello acceleratore LHC, in grado di far collidere tra di loro protoni con una energia nel centro di massa di 14 T eV su cui sarà ospitato ATLAS un esperimento che si prefigge di coprire uno spettro di ricerca quanto più vasto possibile.
In una prima fase di bassa luminosità gli obbiettivi principali saranno: la ricerca della particella di Higgs, ritenuta la chiave del problema dell’origine della massa nel modello standard e lo studio approfondito della fisica del quark b.
Nel seguito di questo lavoro sarà delineato brevemente il quadro teorico in cui si inserisce il bosone di Higgs e i principali canali di fisica che potrebbe-ro permetterne l’osservazione. Quindi verranno intpotrebbe-rodotte le caratteristiche di LHC e dell’esperimento ATLAS, le prestazioni richieste per effettuare gli studi che la collaborazione si è prefissa e le soluzioni tecniche adottate.
Particolare attenzione è rivolta a TileCal, il calorimetro adronico di ATLAS, sul quale si è concentrato il lavoro riportato in questo elaborato. TileCal è un calorimetro a campionamento a simmetria cilindrica suddiviso in torri proiettive divise radialmente in tre zone che permettono di campionare il profilo degli sciami che vi si sviluppano.
Il lavoro di tesi qui descritto è stato svolto sulla base dei dati raccolti tra il 2000 ed in 2004 presso i fasci di prova del CERN, durante il quale sono stati calibrati e caratterizzati con fasci di particelle un gran numero di moduli che andranno a formare TileCal. Inoltre su tutti i moduli è stata effettuata una procedura di equalizzazione e calibrazione tra le celle che fa uso di una sorgente di 137Cs fatta scorrere all’interno del modulo. A questo lavoro ha partecipato
attivamente il gruppo ATLAS di Pisa presso il quale il candidato ha svolto il proprio lavoro.
I muoni ricopriranno un ruolo importante ad LHC, in molti processi fisici (dal decadimento del b a quello dello Z0 e dell’Higgs) sono prodotti muoni ad
alto impulso, per questo in ATLAS lo spettrometro toroidale esterno è com-pletamente dedicato alla loro identificazione e misura. Da un punto di vista strumentale, inoltre, i muoni sono utilissimi nella calibrazione delle singole cel-le di Ticel-leCal poiché rilasciano in ogni punto un segnacel-le ecel-lettromagnetico dalcel-le caratteristiche ben note.
La segnatura caratteristica dei muoni in TileCal permette di identificarne il passaggio anche in maniera indipendente dagli altri rivelatori. Inoltre il segnale
nel calorimetro può essere essenziale nel caso in cui il muone non abbia energia sufficiente a rilasciare un segnale misurabile nello spettrometro o abbia subito una perdita di energia consistente nel calorimetro e la sua identificazione o ricostruzione risulti compromessa.
In questo lavoro di tesi è stato studiato dapprima il segnale di un fascio di muoni di 180 GeV diretto a 90o rispetto al modulo, in maniera da sfruttare
l’elevata granularità di campionamento disponibile in queste condizioni. La distribuzione dell’energia rilasciata ed il dE/dx sono state studiate e paragonate con le previsioni teoriche e con la simulazione Monte Carlo inoltre è stata data una giustificazione alle peculiarità del segnale nella prima cella rispetto a quello nelle altre. Infine, questi risultati sono stati paragonati con la calibrazione ottenuta con il cesio per giustificare l’uso dei muoni come possibili strumenti di calibrazione del calorimetro.
Quindi si è passati allo studio delle interazioni radiative e fotonucleari (rare ma responsabili degli urti più violenti) condotto attraverso l’analisi degli sciami elettromagnetici che queste provocano. É stato trovato un modo per stimare la frequenza e l’energia di questi sciami ed i risultati ottenuti con queste misure i accordano in modo soddisfacente i modelli teorici e con la simulazione Monte Carlo.
Questi risultati sono stati poi estesi ai dati raccolti con il fascio diretto lungo una delle torri proiettive in cui la particella attraversa solo tre strati, come in condizioni di lavoro. Con alcune generalizzazioni anche in questo caso è stato possibile studiare le interazioni radiative e riprodurre i risultati già ottenuti.
Infine è stato realizzato un algoritmo che permette di riconoscere, alle condi-zioni operative di LHC, quei muoni che hanno rilasciato una frazione consistente della loro energia in TileCal e stimarne la perdita. Questi risultati saranno assai importanti per la ricostruzione finale dei muoni in ATLAS.
Di questo algoritmo sono stati discussi la scelta dei parametri e l’efficienza. Il riconoscimento di muoni di basso impulso trasverso e di quelli che hanno interagito in maniera importante coi calorimetri dovrà essere affidato al livello due del trigger di ATLAS.
