Lezione 23 Lezione 23

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Introduzione LHCb Introduzione

Motivazione fisica:

Motivazione fisica:

Studiare la fisica del B con particolare riguardo alla violazione di CP ed alla determinazione degli elementi della matrice CKM.

Perch

Perch é é ad LHC? ad LHC?

Paragonato ad altri acceleratori, funzionanti o in costruzione, LHC è la più copiosa

sorgente di B a causa dell’alta sezione d’urto per produrre coppie di b ed antib e dell’alta luminosità della macchina.

P.S. la sezione d’urto a BABAR è ≅ 1nb mentre ad LHC è ≅ 500 µb.

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Introduzione LHCb Introduzione

La sezione d’urto totale pp a ~14 TeV è ~120 mb, ma si perde tutto l’elastico ed il quasi elastico nel tubo a vuoto Î σ_vis~80 mb.

‰ La sezione d’urto per produzione di coppie di b e antib è ~500 µb Î i canali con produzione di b sono sommersi da un fondo di minimum bias.

‰ I canali interessanti di decadimento del B hanno “branching ratios” ~10^-5Î fondo da decadimenti comuni del B.

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Introduzione LHCb Introduzione

‰ La luminosità di progetto di LHC è L=10³⁴ cm^-2s^-1 Î R=σL=8x10⁸ Hz

‰ I bunch sono separati da 25ns Î il numero medio di interazioni per crossing è

<n>=8x10⁸x25x10^-9=20!

Î

Ridurre la luminosità per avere in media un evento per ogni bunch crossing.

( in media anche se <n>=1 ho nel 26% dei casi più di un evento per bunch crossing (Poisson)).

32 3

36 27

9

5 10

10 2

10 10

80 10

25

1 = ×

= ×

×

×

= ×

L

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Introduzione LHCb Introduzione

Vantaggi (con luminosità più bassa):

™ L’apparato non è affollato ( Î si riduce il danno da radiazione)

™ Gli eventi sono dovuti a singole interazioni (meno pile-up) più

facili da analizzare

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Introduzione

LHCb Introduzione

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Introduzione

LHCb Introduzione

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Introduzione LHCb Introduzione

Dimensioni di LHCb

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Richieste per l’apparato LHCb Richieste per l’apparato

1) Le coppie b antib (nelle interazioni forti si conserva la bellezza, quindi si

producono in coppie) sono prodotte essenzialmente a piccolo angolo (seguono cioè la direzione dei fasci incidenti) e tendenzialmente dallo stesso lato

ÎSpettrometro a piccolo angolo

θ_min~15 mrad (beam pipe e radiazione) θ_max~300 mrad (prezzo)

Ovvero 1.88≤η≤4.89

Accettanza simile a quella che si avrebbe con un detector centrale (molto più grande)

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Richieste per l’apparato LHCb Richieste per l’apparato

Definizione di variabili.

Definizione di variabili.

Normalmente nelle collisioni adroniche la produzione di quarks pesanti è caratterizzata da 2 variabili, l’impulso trasverso ai fasci e la rapidità

Spesso si approssima la rapidità con la speudo-rapidità η

 

 





−

= +

//

ln

2 1

p E

p y E

( ) ( ^tan ₂ )

ln ϑ

η = −

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Richieste per l’apparato LHCb Richieste per l’apparato

Commenti.

Commenti.

ƒ La produzione di coppie di b se plottata in η è uniforme (in questa variabile) Î piccolo o grande η è approssimativamente la stessa cosa. Ma: per alti valori di

|η| (piccolo angolo) i b hanno impulso maggiore Î più facile osservarne i decadimenti (ovvero determinare vertici secondari).

ƒ LHCb è da un lato solo. Un apparato da tutti e due i lati ( sempre a piccolo angolo ) raddoppierebbe la statistica Î errore ridotto di 2^1/2. Però il costo è aumentato di un fattore 2 Î compromesso qualità costo si fa da un lato solo.

ƒ Determinazione del vertice secondario Æ parametro d’impatto b b~(cτ_B)~ 450 µm

Il parametro d’impatto è indipendente dall’impulso della particella Î conviene avere particelle ad alto impulso perché riduco lo scattering multiplo (~1/p)

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Richieste per l’apparato LHCb Richieste per l’apparato

Concludendo 1) vogliamo con un apparato a piccolo angolo, raccogliere molti B (~10

prodotti in un anno di presa dati) basandoci su particelle ad alto

impulso trasverso e vertici secondari Î

ƒ Trigger efficiente e flessibile

ƒ Spettrometro magnetico per la misura dell’impulso

ƒ Tracciatore con elevata risoluzione e posizionato molto vicino alla zona d’interazione per la determinazione dei vertici secondari.

2) Cerchiamo decadimenti del B con B.R. ~10

Î necessaria una

identificazione del tipo di particella per ridurre il fondo dovuto a

decadimenti del B poco interessanti, ma più copiosi.

Lezione 23 Lezione 23

LHCb Richieste per l’apparato LHCb Richieste per l’apparato

In breve serve :

Lezione 23 Lezione 23

Apparato (versione TDR)

Apparato (versione TDR)

Lezione 23 Lezione 23

Apparato (versione Light) Apparato (versione Light)

Per questioni di costo e di troppo materiale l’apparato è stato ridisegnato nella versione light

Risultato: materiale sceso di un fattore 2 e apparato migliore

Lezione 23 Lezione 23

Apparato (versione Light) Apparato (versione Light)

Anche con un apparato light la vita non è semplice

Lezione 23 Lezione 23

Layout generale Layout generale

¾ Il punto d’interazione non è al centro della sala (caverna) per permettere un apparato (solo da un lato) lungo onde ricoprire piccoli angoli ( ~15 mr).

¾ Per determinare l’intervallo d’impulsi in cui deve operare lo spettrometro magnetico si è studiato il decadimento B⁰_dÆπ⁺π⁻ e B⁰_sÆ π⁺D^-_s

Poche tracce hanno impulsi superiori a 159 GeV/c

Accettanza ridotta ad alti impulsi (le particelle restano nel tubo a vuoto.

Accettanza ridotta a bassi impulsi (troppo poche camere attraversate dalla particella)

Lezione 23 Lezione 23

Layout generale Layout generale

¾ Le richieste per il rivelatore di vertice possono essere illustrate dalla distribuzione della lunghezza di decadimento del B⁰_dÆπ+π− (valor medio 1cm).

Lezione 23 Lezione 23

Layout generale Layout generale

Riassumendo LHCb comprende:

◙ Rivelatore di vertice

◙ Spettrometro magnetico (tracciatore + magnete)

◙ Identificatore di particelle (rich)

◙ Calorimetro elettromegnetico

◙ Calorimetro adronico

◙ Rivelatore di µ

Lezione 23 Lezione 23

Rivelatore di vertice Rivelatore di vertice

ƒ Il rivelatore di vertice deve fornire una misura precisa delle coordinate delle tracce vicino alla regione d’ interazione, per ricostruire il vertice di decadimento del B e per misurare il parametro d’impatto delle particelle usate per “etichettare” il B.

ƒ Usato anche nel trigger di livello 1 per arricchire il contenuto di B dei dati.

ƒ Installato in ROMAN POTS (dentro il tubo a vuoto) per poter andare a piccolo angolo.

ƒ Spostato più lontano dal fascio durante l’iniezione.

ƒ 21 stazioni pari a 42 piani di silicio

Lezione 23 Lezione 23

Rivelatore di vertice

Rivelatore di vertice

Lezione 23 Lezione 23

Rivelatore di vertice Rivelatore di vertice

Silici convenzionali

Ma disposti in maniera molto complessa

Misura di R e φ per la ricostruzione del parametro d’impatto.

Dimensioni variabili (minimo 40 µm) Æ occupazione costante <0.75%

Elettronica di lettura fuori dall’accettanza

Lezione 23 Lezione 23

Rivelatore di vertice Rivelatore di vertice

Radiazione

• 10¹⁴ neutroni equivalenti /cm²/anno e non uniforme

• Scelta la tecnologia n su n che da

studi con fasci di test sembra essere la più adatta per sensori di così alta

risoluzione

• Possibilità di cambiare pezzi dell’apparato ogni anno

Lezione 23 Lezione 23

Rivelatore di vertice Rivelatore di vertice

Tutte le particelle misurate a valle dello spettrometro passano almeno 3 stazioni del rivelatore di vertice (VELO). Ogni stazione è 2 dischi che misurano r e φ.

Risoluzione degli hit ~ 6÷10 µm.

Pile-up veto: i silici posizionati prima della regione d’interazione aiutano (al primo livello di trigger) a rigettare eventi multipli dallo stesso bunch crossing.

Readout analogico (12500 e- per un MIP) in quanto miglior controllo del danno da

radiazione e miglior separazione segnale/rumore. I 222000 segnali pre-amplificati sono immagazzinati in una pipeline analogica in attesa della decisione del trigger di livello 0.

Lezione 23 Lezione 23

Magnete Magnete

Posto dopo il primo identificatore di particelle (RICH1) è un magnete superconduttore che assicura un alto campo integrato (4Tm) in una corta lunghezza.

Il campo è orientato in verticale ed ha un valore massimo di 1.1 T. La polarità può essere invertita, per poter eliminare eventuali asimmetrie dell’apparato che potrebbero introdurre un bias in misure di asimmetria di carica.

L’apertura del magnete è 4.3 m in orizzontale e 3.6 m in verticale.

Lezione 23 Lezione 23

Tracciatore Tracciatore

Il compito principale del tracciatore è quello di fornire una ricostruzione efficiente delle tracce di particelle cariche ed una misura del loro impulso.

Il numero di stazioni presenti è diminuito nella configurazione light (non ci sono più camere nel magnete)

Ogni stazione è divisa in due parti:

‰ Parte interna (inner tracking system) Æ silici

‰ Parte esterna (outer tracking system) Æ tubi straw

Il sistema di tracciatura fornisce un’accurata misura delle traiettorie delle

particelle nel piano di deflessione (orizzontale) del magnete usando fili e strip quasi verticali. La ricostruzione tridimensionale delle tracce è ottenuta usando piccoli angoli stereo (±5

).

Risoluzione: 150-200 µm

Elettronica: preamplificatore/discriminatore come quelli di ATLAS.

Lezione 23 Lezione 23

identificazione di particelle identificazione di particelle

L’identificazione di particelle è fondamentale (specialmente la separazione di pioni da K) su tutto l’intervallo d’impulso di LHCb.

Lezione 23 Lezione 23

RICH RICH

Servono a separare K da pioni.

areogel Camera di

precisione

Lezione 23 Lezione 23

RICH RICH

Richieste per il fotorivelatore:

Lezione 23

Lezione 23

Fotorivelatore

Fotorivelatore

Lezione 23 Lezione 23 Fotorivelatore Fotorivelatore

Cerchi visti con particelle

Lezione 23 Lezione 23 Calorimetri Calorimetri

Servono ad identificare elettroni ed adroni e misurare l’energia e posizione dei medesimi.

Copertura da 30 a 300 mr.

Il calorimetro e.m. deve anche ricostruire π

e γ.

La selettività richiesta al primo livello di trigger impone una segmentazione longitudinale del calorimetro Æ 3 sezioni:

i. Preshower

ii. Calorimetro elettromagnetico a shashlik (ECAL)

iii. Calorimetro adronico a tegole di scintillatore

Lezione 23 Lezione 23 presciamatore presciamatore

Serve ad identificare elettroni e fotoni a livello di trigger.

Consiste in 14mm di spessore di piombo seguito da quadratini di scintillatore spessi 10 mm. I quadratini hanno dimensioni di 4,8,16 cm in modo da accordarsi con le torri dello shashlick. I quadratini sono letti da delle fibre wls accoppiate ad APD o fotomoltiplicatori multianodi.

Lezione 23 Lezione 23

ECAL ECAL

o Identificazione di elettroni (usata in vari livelli di trigger) o Misura dell’energia di elettroni e fotoni

o Ricostruzione dei pioni neutri

Î Accettanza θ(x)<300 mr θ(y)<250 mr (non puo’ andare troppo vicino alla beam pipe)

Î Risposta in tempo <25ns (sta nel trigger di livello 0)

Î Variabile in funzione della distanza dal tubo a vuoto per minimizzare l’affollamento

Î Risoluzione in energia ~10%/E

Î Buona resistenza alla radiazione

Lezione 23 Lezione 23

ECAL ECAL

Lezione 23 Lezione 23

Hcal Hcal

Scopo del calorimetro adronico è fornire dati per il trigger. In particolare deve fornire

l’energia trasversa di adroni isolati con alto impulso trasverso.

Deve migliorare la separazione elettroni adroni specialmente per particelle di alta energia

Lezione 23 Lezione 23

Spettrometro dei Spettrometro dei µ µ

Costituito da camere e ferro

Lezione 23 Lezione 23

Trigger

Trigger