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Dottorato in Fisica Maggio 2005“Fisica dei rivelatori” Apparati per Fisica agli acceleratori
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How to use single and specific How to use single and specific detection technology to build detection technology to build a general purpose apparatus a general purpose apparatus
for high energy physic for high energy physic
experiments.experiments.
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Introduction (I)
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Particles are detected via their interaction with matter.
Many different physical principles are involved (mainly of electromagnetic nature). Finally we will always observe ionization and excitation of matter ⇒ detectors
The classic quantities to measure are:Trajectory, Charge, Momentum, (transparent detector + Muon chamber + B)Energy (calorimeters)
In order to :identify particle, calculate mass, recover intermediate processes, decays, etc.
Introduction (II)
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To do that we have to design a detector. That is exciting; one of the best part of the whole story
Important before starting: Given an accelerator (example LHC)
What we want to measure (signatures)
GammasHiggs Leptons
Hadr Jets
Sparticles → Missing energyRare mesons….Etc
How we can measure (detector)
But a lot is simply not known, therefore, stick to general assumptions and design for surprises.
Introduction (III)
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Particle detection – ideal case
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Particle detection – some real cases
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Very good electromagnetic calorimetry for electron and photon identification
Good hadronic calorimeter jet reconstruction and missing transverse energy measurement;
Efficient and high-resolution tracking for particle momentum measurements, b-quark tagging, t tagging, vertexing (primary and secondary vertex)
Excellent muon identificationwith precise momentum reconstruction
……
fine segmentation,fast response,no dead timecoverage of full solid angle (Hermetic), no cracks but easy to dismountas less as possible material in front of the calorimeteras much as possible materialin front of the muon chambers
Pratical limitation (tecnology, space, budget):
Cost of experiment goes with~volume
+
The ‘ideal’ particle detector should provide.......
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In the following, we look only collider geometry
Detector Geometry
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The past…..The past - UA1
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The near pastALEPH
VDET2, partially build in Bari
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The present ….. or the near future
46m Long, 22m Diameter,
7’000 Ton Detector
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Internation LinearCollider
The future
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Magnet concept for 4π detector
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Momentum measurementµ trajectory in:
a)toroidal field
b) Solenoid field
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1) Check what signatures have significance (ask your preferred theoretician);2) Have a look at the interaction region and estimate your minimal δz;3) Fix your detector cell size (with precisions σφ, σz);4) Decide the magnet type;5) Place your inner tracker and muon shells in order to satisfy your min.
requests on δp/p and δz (which you can calculate);6) Decide what kind of calorimeter you need and place it;7) Calculate dose and occupancies and find your closest approach values to
the interaction region (compatible with maximum allowed dose and cellsize);
8) Go back to point 3) and re-adjust the values (if needed);9) Start your simulations and your R&D
Apologies…, I have given on following a fairly personal cut looking to the designing a detector for LHC focusing on CMS (and Atlas)
The rules for a detector designer
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Lum= 1034 cm–2s–1,
Interaction Rate, R = 8⋅108HzEvents/beam crossing: ∆t= 25 nsInteractions/crossing = 20Only 2835 full out of 3564 Interactions/”active”crossing = 20 x 3564/2835
Summary):(1) A "good" event containing a Higgs decay + (2) ~ 25 extra "bad" (minimum bias) interactions
Make up for the lower production cross section. Normally, σ~1/s, so a factor x in c.m. energy needs a factor x2 in luminosity (for the samenumber of events; N=σL) ⇒ high luminosity
LHC
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Momentum / charge of tracks and secondary vertices (e.g. from b-quark decays) are measured in central tracker. Energy and positions of electrons and photons measured in electromagnetic calorimeters.Energy and position of hadrons and jets measured mainly in hadroniccalorimeters. Muons identified and momentum measured in external muonspectrometer (+central tracker).Neutrinos “detected and measured” through measurement of missing transverse energy (ET
miss) in calorimeters.
Basic principle: need “general-purpose 4π ” experiments since we don’t know how New Physics will manifest itself ( →detectors must be able todetect as many particles and signatures as possible: e, µ, τ, ν, γ, jets, b-quarks, ….)
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Measure Momenta of Charged Particles
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Choise of magnet: Toroid
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Choise of magnet: Solenoid
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Tracking
CMS solution: few, very accurate pointsATLAS solution: continuous tracking
Both: add pixels for vertex tagging
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CMS Tracker (SST)
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SST Requirements
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SST basis unit:
FE hybrid FE hybrid with FE with FE ASICSASICS
Pitch adapterPitch adapter
Silicon Silicon sensorssensors
CF frameCF frame
9’648’128 strips ≡ channels
75’376 APV chips
6’136 Thin sensors18’192 Thick sensors
440 m2 of silicon wafers 210 m2 of silicon sensors
3’112 + 2*1’512 Thin modules5’496 + 2*1’800 Thick modules
~17’000 modules
p+ strips on n-type bulk<100> crystal lattice orientation
•Polysilicon resistors to bias the strips•Strip width over pitch w/p=0.25
•Metal overhang and multiguard structure to enhance breakdown performance
2000 (+ 2000) modules are build in Bari
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Tracker- b identification
3 barrel layersr = 4.1 – 4.6 cm, 7.0 – 7.6 cm, 9.9 – 10.4 cm (~ 60 x 106 pixels)
2 pairs of Forward/Backward disks–Radial coverage 6 < r < 15 cm–Average z position: 34.5 cm, 46.5 cm (~3 x 106 pixels per Disk)
⇒ 3 high resolution space points for η < 2.2
Pixel seeding fastest starting point for track reconstruction despite
the extremely high track density
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Events in VDET al LEP
B+ decay in Dbar0D+K01 cm
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Example: H →γγ for low mass Higgs
Higgs width is very narrow, so S/N directly ∝to signal resolution.
Moreover, initial background: x100 largerπ0 rejection: strips (ATLAS),
crystal size (isolation) (CMS);
Need excellent energy resolution of EM calorimeters
background from pp →γγH
H →γγ good resolution
H →γγ poorresolution
mγγ
eventi
Liquid argon by ATLAS. Not enough space in CMS for cryogenics ⇒ Crystal ECAL (more compact)
Optimal choice: PbWO4(Good light yield, short X0, short τ, good radiation resistance)
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Hadron calorimeter
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Other LCH experiments
LHCbLHCb is a dedicated experiment to study CP violation and other rare phenomena in B-meson decays.
Optimal L for LHCb ~ 2×1032cm−2 s−1: physics can be exploited from day one and β* can be tuned to run also at nominal L.Measure the CP violation in Bd and Bs systems, Search for New Physics, Determination
of the CKM
AliceAlice is a dedicated experiment to study HI collinsions to finf evidence of the quark-gluon plasma
Measure most (2π * 1.8 units η) of the hadrons (dE/dx + ToF), leptons (dE/dx) and photons (EM calorimetry) produced collisions.Track and identify from very low (< 100 MeV/c) up to fairly high pT (~100 GeV/c).……… in an environment of very high charged-particles density (dN/dη ≤ 8,000; 15,000 tracks)
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LHC-b
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Alice
ITS
TPCTRD
TOF PHOS
HMPID
MUON SPECTR..PMD
FMD
L3 Solenoid Magnet
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Pile-up & Electronic at LHC
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Example: electron reconstruction (I)
Nominal vertex (0,0,0)
B→
Predict a track
Cluster ECluster position
Propagate tothe pixel layersand look forcompatible hits
If a hit is found,estimate z vertex
Predicta new trackand propagate
Estimated vertex (0,0,z)
Pixel hit
In CMS, both tracker and ECAL are used
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Example: electron reconstruction (II)
e
γsingle single electrons,electrons,pptt> 28 GeV> 28 GeV
mainmainclustersclusters
supersuper--clustersclusters
Bremsstrahlung emission could false the electron energy estimation. The 4 T field, especially a low pt, produces a large separation, in φ, between electron and γbremsstrahlung clusters
“dynamic” clusterizzation algorithms produce Supercluster = cluster of cluster
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Example: electron reconstruction (III)
Combined algorithm
E = 5-10 GeV
E = 30-35 GeV
E = 80-85 GeV
Esc/Etrue Ptk/Etrue
☺
☺
Ebest/Etrue
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Example: energy flow
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+
SUSY
In conclusion, if everything (detector, trigger and analysis) work properly we should seen Higg