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Rocchi Pietrini
LHCb:
cos’`e e dov’`e Fisica dei mesoni B VELO RICH 1 Magnete Sistema tracciante Calorimetri Sistema di rivelazione dei muoni
LCHb e la fisica del b
Francesco Rocchi Alberto Pietrini
Universit`a degli studi di Perugia
6 luglio 2012
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LHC: Large Hadron Collider
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Da cosa ` e composto Lhcb
L’esperimento, per un peso complessivo di circa 4500 tonnellate, comprende diversi apparati:
1 VELO (VErtex LOcator)
2 RICH (Ring Imaging CHerenkov counters)
3 Magnete
4 Sistemi traccianti
5 Calorimetri (elettromagnetico e adronico)
6 Rivelatore muonico
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Apparato di rivelazione
E qui fornito uno schema dell’apparato di rivelazione:´
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Perch` e rivelare i mesoni B
Osservazioni sui decadimenti dei mesoni B portano a conferme sperimentali della validit`a del MS. Infatti il Modello Standard prevede che questi mesoni, prodotti come canale quasi totale del decadimento delle Y(4S), debbano violare, come gi`a osservato per i K, la simmetria CP. Il modello delle interazioni debole ed elettromagnetica include in maniera naturale un meccanismo che porta alla violazione di CP, attraverso il mescolamento delle tre famiglie di quark che vi compaiono, descritto dalla matrice di
Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)
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Perch` e rivelare i mesoni B
Tale violazione si evidenzia in una asimmetria nelle distribuzioni temporali dei decadimenti del mesone B0e della sua antiparticella ¯B0in particolari stati finali. Poich´e tali decadimenti sono piuttosto rari, `e necessario produrre una gran quantit`a di mesoni B per poter accumulare la statistica sufficiente per effettuare la misura. Per questo motivo sono nate le ”B-factory”
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VELO `e il primo, complesso, elemento di LHCb. Esso `e costituito da 42 mezzelune di silicio spesse 0.3 mm che poco prima del bunch crossing vengono avvicinati alle pipes fino ad una distanza di circa 3,5 mm.
Misure di posizione. Sensibilit`a 10 µm
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L’intero rivelatore di vertice `e posto all’interno della pipe a vuoto di LHC per essere il pi`u vicino possibile alle interazioni primarie
Per mantenere il vuoto spinto, i sensori di silicio sono separati dal resto attraverso fogli di alluminio spessi 0.3 mm.
Sistema di raffreddamento a CO2per l’elettronica
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Pile-up VETO
Il pile-up veto counter ha lo scopo di contare il numero di vertici primari, e viene utilizzato dal trigger di livello 1 per scartare gli eventi contenenti pi`u di un’interazione pp per incrocio. E’ costituito da strip al silicio.
Risoluzione lungo i fasci sulla posizione del vertice: 1 mm
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Obiettivo RICH: identificare la particelle cariche in un range di energie compreso fra 1 e 150 GeV.
Accettanza angolare: 15-300 mrad
Necessario identificare le particelle per ridurre il fondo
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Costituito da due diversi radiatori:
1 aereogel al silicio (immediatamente dopo VELO)
2 C4F10
⇒ Tracce di particelle di basso-medio impulso
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L’aereogel di silicio `e un colloide di quarzo solido a bassa densit`a (→
riduzione di MS) ma ad alto indice di rifrazione (n = 1.01 ÷ 1.1)
⇓
adatto a discriminare particelle a basso impulso (pochi Gev /c) Il gas C4F10`e
utile invece, unitamente al radiatore di RICH 2, per la rivelazione di particelle di medio-alto impulso.
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Effetto Cherenkov...
Quando una particella attraversa un mezzo con velocit`a maggiore della luce in quel mezzo
cos(θc) = 1/βn
⇒ esiste, per ogni mezzo, una velocit`a di soglia βs= 1/n tale che viene emesso un fotone ad angolo nullo (cosθc = 1)
Fotoni emessi per unit`a di lunghezza e di lunghezza d’onda:
d2N
dxd λ= 2πz2α λ2 sin2(θc)
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Rivelare i fotoni Cherenkov
Hybrid Photon Detectors (HPDs)
↓
rivelano la posizione dei fotoni emessi
1 Energia media depositata nel silicio per fotoelettrone: 3.6 eV
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Magnete bipolare da 1.1 T
1 apertura: ±250 mrad verticali e ±300 mrad orizzontali
2 risoluzione su misure del momento fino allo 0.4% → campo integrato 4 Tm
3 Due avvolgimenti da 27 tonnellate ciascuno
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Sistema tracciante
Il sistema tracciante consente di visualizzare il percorso di una particella nell’alttraversare il rivelatore.
Ci`o permette di:
collegare i segnali lasciati dalle particelle nei vari sottorivelatori ricostruire i decadimenti delle particelle B
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Tracciatori - Tracciatori al silicio
La stazione TT `e posta fra il rivelatore di vertice ed il magnete e la IT (che consta di 3 diverse stazioni) `e interna all’ Outer Tracker.
Ognuna delle 4 stazioni consta di 4 strati di rivelazione.
microstrip di silicio con un passo di 200 µm superficie sensibile di circa 11 m2
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Tracciatori - Tracciatori al silicio
TT
150 cm di larghezza per 130 cm di altezza copre l’intera accettanza dell’esperimento
Figure: Silici del TT
IT
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Tracciatori - Tracciatori al silicio
Vediamo ora come funzionano:
le particelle passando attraverso il rivelatore strappano elettroni agli atomi → e−liberi di muoversi nel materiale
campo elettrico 100 V → attira gli e−agli elettrodi
elettrodi segmentati finemente → possibilit`a di determinare dove la particella `e passata
Vantaggi:
pi`u di 270.000 e elettrodi e misura della posizione di una particella con precisione di 0.05 mm
Svantaggi:
la tecnologia a silici `e costosa!
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Tracciatori - Outer tracker
il design delle stazioni di Outer tracker `e modulare ognuna costituita da 72 moduli sepatati
ogni modulo consiste di 2 pannelli
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Tracciatori - Outer tracker
ogni pannello `e costituito da 256 straw tubes, incollati con estrema precisione su di esso
all’interno di ogni tubo passa un anodo
strato interno di Kapton drogato con carbonio agisce da catodo → collettore di ioni positivi
strato esterno di alluminio laminato scherma elettricamente gli straw tube straw tube riempiti con mistura di Argon (70%) e di anidride carbonica (30%)
Ogni volta che una particella positiva passa attraverso un tubo, essa ionizza le molecole del gas, producendo elettroni. La posizione della traccia `e
determinata valutando il tempo che impiegano gli elettroni a raggiungere un filo anodico situato nel centro di ogni tubo.
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Tracciatori - Outer Tracker
Vantaggi:
la tecnologia a straw tubes `e pi`u economica rispetto ai silici straw tubes adatti a coprire vaste aree del sistema di tracciamento la rottura di un singolo straw tube non comporta il malfunzionamento di tutto l’apparato
Svantaggi:
hanno una risoluzione peggiore rispetto ai silici (ca. 0.2 mm)
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RICH 2
E situato immediatamente dopo la stazione T3 ed `´ e un rivelatore Cherenkov:
utilizza un gas come radiatore → CF4(tetrafluorometano)
accettanza limitata a regioni di piccolo angolo → vi `e la maggior parte delle particelle ad alto momento
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Calorimetri - SPD/PS
SPD (Scintillating Pad Detector) determina se le particelle sono cariche o neutre
PS (Pre-Shower) determina il carattere della particella → se `e un elettrone (nel caso sia carica) o un fotone (nel caso sia neutra)
sono usati come livello di trigger per indicare la presenza di elettroni, fotoni o pioni neutri
sono composti da uno spessore di piombo si 15 mm seguito da piastre scintillanti (6000)
la luce `e raccolta usando WLS (wavelength shifting fibers) ed `e inviata a dei fotomoltiplicatori
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Calorimetri - ECAL ed HCAL
In LHCb sono utilizzati due diversi calorimetri. Il calorimetro elettromagnetico
`e impiegato per la misura dell’energia delle particelle pi`u leggere, come elettroni e fotoni; il calorimetro hadronico `e usato per misurare l’energia di protoni, neutroni e altre particelle contenenti quark. Entrambi i calorimetri hanno una struttura a sandwich, che alterna strati di metallo e di materiale plastico. Quando le particelle colpiscono il metallo, producono degli sciami di particelle secondarie. Queste eccitano le molecole del materiale plastico, le quali emettono a loro volta luce ultravioletta. L’intensit`a di raggi ultravioletti prodotti `e proporzionale all’energia delle particelle entrate nel calorimetro. I calorimetri costituiscono il modo principale per identificare le particelle che non posseggono carica elettrica, come fotoni e neutroni.
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Calorimetri - ECAL
E un calorimetro elettromagnetico:´
tecnologia “shashlik” → alternanza di piastre scintillanti e piastre di piombo
la grandezza delle celle varia da 4x4 cm (parte interna del detector) fino a 12x12 cm (parte esterna)
il detector ha dimensioni 7.7 x 6.30 m e copre un’accettanza compresa fra 25-300 mrad (piano orizzonatale) e 25-250 mrad (piano verticale) luce rivelata da fotomoltiplicatori, ciascuno regolato da un proprio HV
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Calorimetri - HCAL
E un calorimetro adronico, posizionato subito dopo ECAL:´
piastre di ferro alternate a piastrelle scintillanti (parallele al fascio di tubi) parte interna ed esterna del calorimetro hanno dimensioni differenti:
13x13 e 26x26 cm rispettivamente
luce raccolta tramite WLS e mandata a dei fotomoltiplicatori peso totale: 500 t
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Sistema di rivelazione dei muoni
I muoni (particelle simili agli elettroni ma 200 volte pi`u pesanti) sono presenti negli stati finali di molti decadimenti dei mesoni B, quindi la rivelazione dei muoni `e di vitale importanza per l’esperimento LHCb.
Posizionato alla fine del rivelatore, il sistema di rivelazione dei muoni consiste di 5 stazioni rettangolari (M1 - M5), di dimensione crescente, le quali ricoprono globalmente un’area di 435 m2.
M1 `e posto di fronte a SPD/PS. M2-M5 seguono HCAL e sono separati da filtri di ferro.
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Figure:rivelatore di muoni
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ogni stazione contiene delle camere (MWPC) riempite con una combinazione di 3 gas: anidride carbonica, argon e tetrafluoruro di metano
coprono un’accettanza di ±300 mrad (orizzontalmente) e ±250 (verticalmente)
2 mm di spaziatura tra i fili; piccola gap di gas di ca. 5 mm
ogni stazione `e divisa in 4 regioni, poste a distanza crescente dall’asse del fascio
informazioni raccolte in 20 ns
I rivelatori forniscono misure spaziali delle tracce, che vengono poi lette dall’elettronica preposta allo scopo. Quest’ultima deve essere resistente alla radiazione.
