CMS CMSExperimentExperiment

(1)

CMS CMS

Experiment

(2)

Out line

Summer Student Project LHC

➢

Perchè un hadron collider ?

➢

Acceleratore ed esperimenti CMS

➢

Tracker

➢

ECAL &HCAL

➢

Muon System

(3)

LHC

: Ultimi COLLIDERS

➔

L L arge H H adron C C ollider

( 2008 ?? ) CERN pp

➔

TeVATRON TeVATRON → 1 96 TeV .

( 1987 2009 FERMILAB p pbar - )

➔

L L arge E E lectron P P ositron → 209 GeV

( 1989 2000 CERN e - )

⁺

e

^-

!!

Macchina da scoperta !!

Macchina da scoperta

(4)

LHC

Dobbiamo essere il più sensibili possibile ai processi di fisica che possono realizzarsi

➢

Tanta energia Tanta energia :

necessaria per produrre particelle massive ( : particelle massive es il )

bosone di Higgs e per indagare regioni inesplorate indagare regioni inesplorate ( - )

Altri collisionatori es e e non sarebbero stati altrettanto convenienti energeticamente

➢

Alta luminosità Alta luminosità :

?

Perchè un hadron collider ?

Perchè un hadron collider

(5)

- Collisioni p p - Collisioni p p

➢ Protone prticella composita > quark di valenza: - , gluoni

-

coppie q qbar

’ ’ :

Se l energia dell interazione è sufficientemente alta ’ ’ : Se l energia dell interazione è sufficientemente alta

“ ”

possiamo vedere il protone con una risoluzione temporale

sufficiente per osservare le reazioni tra gluoni e quark del mare (interazioni forti tempi di reazione piccolissimi - )

➢ Il campo di Higgs puo essere perturbato : ’

➔ quindi particelle di Higgs possono essere visibili; ( : es onde del mare!)

( : es onde del mare!)

’ !!

Basta che l energia sia sufficiente ’ !!

Basta che l energia sia sufficiente

LHC

?

Perchè proprio LHC ?

Perchè proprio LHC

(6)

LHC

➔

Iniezione di protoni dal CERN PREACELERATOR

CERN PREACELERATOR COMPLEX

COMPLEX

➔

450 GeV

(7)

➔

Campo magnetico 8T 8T :

➔

1232 dipoli 1232 dipoli SUPERCONDUTTORI SUPERCONDUTTORI

( traiettoria ) Raffreddati a 1 9 K 1 9 K . . con elio elio superfluido

superfluido

➔

700 700 quadrupoli ( quadrupoli focusing )

➔

8 cavità RF: da 450 450 GeV a GeV a 7 7 Tev Tev

LHC

➔

Dimensione trasversale del fascio al punto di interazione: 16 16 μ μ m m

➔

Al posto di LEP a : 80 m 80 m sotto terra con un diametro fissato

diametro fissato a 27 km 27 km - > unico modo per

' :

incrementare l energia del fascio FORTE CAMPO

!

MAGNETICO

(8)

I protoni circolano in ““bunchesbunches” ”

➢ spaziatura temporalespaziatura temporale è di 25 ns25 ns ( . . . i e 7 5 metri)

➢ raterate di Bunch crossing è- 40 MHz40 MHz :

Consideriamo

➢ la sezione d urto totale p p ’ - _TOT_TOT ~ 100 mb~ 100 mb

➔Il rate di eventi a L= 10³⁴ cm^-2s^-1 è R~ 10⁹ Hz

➢ ci sono circa ~ 25 interazioni pp separate per bunchcirca ~ 25 interazioni pp separate per bunch -- crossing

crossing

➔Diventa difficile separare un evento interessante dal

fondo di eventi prodotti

LHC

(9)

LHC

Experiments@LHC ( ): I

➔

TOTEM - LHCf :

farward particles

➔

LHCb :

fisica del b

➔

ALICE :

ioni pesanti

➔

ATLAS E CMS :

general purpose experiments maggior potenziale di scoperta possibile

(10)

LHC

Experiments@LHC ( ): II LHC detta le condizioni ...

➢ alta effecienza di rilevazionealta effecienza di rilevazione ( : es 1 traccia

“interessante su” 1000 > devo essere in grado di - )

ricostruirle tutte

➢ alta risoluzione spazialealta risoluzione spaziale (quale delle n interazioni

?

vicine è quella giusta Devo ricostruire n vertici di

)

decadimento distanti poche decine di micron tra loro

➢ alta velocità di rispostaalta velocità di risposta ( ’ 25 ns e la frequenza di interazione)

➢ resistenzaresistenza al danneggiamento da radiazionedanneggiamento da radiazione

(11)

ATLAS vs CMS

Differenze Principali

CAMPO MAGNETICO → DIMENSIONI CAMPO MAGNETICO → DIMENSIONI ( (  

_P_PTT

  /BL /BL

²²

) )

➢

ATLAS ATLAS : : campo toroidale 2 T

➢

CMS CMS : : campo solenoidale 4 T : CALORIMETRO ADRONICO : CALORIMETRO ADRONICO

➢

ATLAS ATLAS : : Argon liuido

➢

CMS CMS : : rame intervallato da materiale plastico

scintillante

(12)

CMS

(13)

CMS

(14)

CMS

(15)

CMS

Solenoide Super conduttore : : Solenoide Super conduttore

➢

Lungo 13m

➢

Diametro interno 5 9 m .

➢

Campo 4 T

➢

Campo di ritorno . 1 8 T ( chiuso )

dal ferro esterno

➢

Contiene :

➢

Tk detectr Tk detectr - -

➢

ECAL ECAL

➢

HCAL HCAL

(16)

CMS

Tracker detector Tracker detector

: Dimensioni : Dimensioni

➢ Ragio esterno : 110 cm110 cm

➢ Lunghezza : 540 cm540 cm

: 3 zone : 3 zone

➢ Zona internaZona interna : Pixel detector

➢ Zona intermediaZona intermedia:: Microstrip detector

➢ Zona esternaZona esterna:: Microstrip

(17)

CMS

➢

La misura del momento misura del momento di una particella < - Forza Forza :

di Lorentz : di Lorentz

F=qv x B F=qv x B

➢

La risoluzione della misura d impulso risoluzione della misura d impulso ’ ’ : : d eterminata dalla precisione nella ricostruzione della traiettoria precisione nella ricostruzione della traiettoria ( : es numero di punti con cui si ricostruisce risoluzione ,

spaziale del punto )

➢

Per bassi impulsi bassi impulsi : : fondamentale che i rivelatori siano -

leggeri > meno materiale meno multiple meno materiale meno multiple scattering

scattering

(18)

CMS

Pixel Vertex Detector Pixel Vertex Detector

➢ 65 milioni65 milioni di Pixel

➢ Ogni pixel collegato ad un chip (BUMP BONDINGBUMP BONDING-- )

➢ Passaggio della particella → libero

➢ 3 layers

➢ 2 ENDCAP

➢ Dimensioni celle: 100x150100x150 mm²²

➢ Risoluzione:

➢ _r/_r/__= 10= 10mm

➢ _z_z= 20= 20mm

➢ Occupancy < 1 per mille< 1 per mille

(19)

CMS

Silicon Strip detector Silicon Strip detector

➢ TIB occupancy < 1%< 1%

➢ Risoluzione:

➢ _r/_r/__= 15= 15mm

➢ _z_z= 30= 30mm

➢inner barrel (TIBTIB)

➢inner endcaps (TIDTID)

➢Outer barrel (TOBTOB)

➢Endcaps (TECTEC)

(20)

CMS

: Prestazioni : Prestazioni

Pioni Pioni Muoni

Muoni

Efficienza del tracking Efficienza del tracking

:

Risoluzione in impulso :

Risoluzione in impulso < 1% per muoni

(21)

CMS

Calorimetro elettromagnetico ECAL I ( ) ( ) Calorimetro elettromagnetico ECAL I

: Calorimetro omogeneo

cristalli di PbWO cristalli di PbWO

₄₄

: :

➢

finemente segmentati

➢

forma trapezioidale con facce quadrate

➢

Materiale adatto !

Misura distruttiva Misura distruttiva : :

➢ Energia della particella depositata nel mezzo

➢

Energia convertita in luce

da fotodiodi e/o fototriodi

(22)

CMS

Calorimetro elettromagnetico ECAL II ( ) ( ) Calorimetro elettromagnetico ECAL II

Sciami elettromagnetici Sciami elettromagnetici

➢ Scala della lunghezza dello sciame dipende dalla X₀ (dipende )

dallo Z

➢

ECAL ECAL deve contenere tutto lo sciame tutto lo sciame !!! !!! COME PUÒ COME PUÒ ESSERE COMPATTO ?? ??

ESSERE COMPATTO

(23)

CMS

Calorimetro elettromagnetico ECAL III ( ) ( ) Calorimetro elettromagnetico ECAL III

Risoluzione Risoluzione

: energetica : energetica

➢ a >a >-- .2 7% fluttuazioni nello sviluppo dello sciame;

➢

- b > b > -

0 55% sistematiche_. _,

; da calibrazione

➢ cc

-> ->

0 2 GeV sistematiche. ,

; strumentali

(24)

➢

Alta Alta risoluzione energetica es H > ( : - )

➢

Photon angular resolution Photon angular resolution : : 

_

 50 mrad/ E

➢

Mass resolution: “ somma in quadratura delle

risoluzioni energetiche dei due fotoni e quella angolare ”

➢

Intrinsecamente tracciante Intrinsecamente tracciante per l alta ' granularità

CMS

(25)

CMS

( ) Calorimetro adronico HCAL I ( ) Calorimetro adronico HCAL I

:

Calorimetro a campionamento : Calorimetro a campionamento

➢

Mezzo assorbente rame : rame

➢

Materiale plastico scintillante attivo plastico scintillante attivo ; ;

➢ Misura distruttivadistruttiva

➢Struttura adatta a contenere gli sciami adronicisciami adronici

CMS

(26)

CMS

( ) Calorimetro adronico HCAL II ( ) Calorimetro adronico HCAL II

Sciami adronici Sciami adronici

➢ Si sviluppano tramite interazione forteinterazione forte con con i nucleii nuclei '

dell assorbitore' dell assorbitore

➢ Gran parte dell energia si usa per eccitare/rompere' eccitare/rompere nuclei solo

una piccola frazione è EM → importante la CALIBRAZIONECALIBRAZIONE

(27)

➢La misura adronica è più

complessa di quella . elettromagnetica

➢La risoluzione energetica :

intrinseca bassa

CMS

( ) Calorimetro adronico HCAL III ( ) Calorimetro adronico HCAL III

MA integrando

MA integrando la misura con altri sottorilevatori

migliora di un fattore 2 la migliora di un fattore 2 la

(

risoluzione tecniche di ( risoluzione tecniche di

ENERGY FLOW)) ENERGY FLOW

σ / E ~ 100%/√ E + few %

(28)

( ):

Muon system I ( ):

Muon system I

➢

Posizionato Interamente

al di fuori del magnete fuori del magnete

➢ Zone attive interposte a

blocchi di ferroferro ( . )1 8 T

3 SOTTOSISTEMI 3 SOTTOSISTEMI

: DIFFERENTI : DIFFERENTI

➢

D D rift T Tubes

➢

R R esistive P P late C Chamber

CMS

(29)

CMS

( ):

Muon system II ( ):

Muon system II

?

Perchè 3 sottosistemi ? Perchè 3 sottosistemi

➢

Ampia zona Ampia zona da coprire

➢ Vasta varietà di tipi di radiazionevarietà di tipi di radiazione

➢ Diverse funzioni:

➢ DTDT: buona risoluzione spaziale

➢ CSCCSC:: adatte per la ENDCAP region alta radiazione ( )

➢ RPCRPC:: bassa risoluzione spaziale MA ottima ( )

risoluzione temporale < 3ns

: Goal del Muon System : Goal del Muon System

➢

Identificare Identificare imuoni

➢ Misurare il pp_T_T

➢ Regolare il trigger trigger dell intero esperimento'

(30)

CMS

( ):

Muon system III ( ):

Muon system III

Misura del pT : : Misura del pT

➢