I rivelatori

1. I rivelatori Sistemadimigliaiadisensorispecializzati • Sfruttanol’interazionedelleparticelle con la materia per ricavaremisureindipendentidiposizione, energia, quantitàdimoto • Misurechevanno poi messeinsieme per ricostruirecosa è successo • Un rivelatorenon è unagrossamacchinafotografica…

2. I rivelatori Per ricostruirecosa e’ successo al momentodell’interazione trai due protoni, dobbiamoricostruiretutte le particelleche sono state prodottenellostato finale. Di questevogliamomisuraretutto: - massa, dunqueidentita’ (elettroni, fotoni, muoni, tipo di adrone…) - momento (ovverovelocita’) edenergia - traiettoria, dunqueangoli e direzioni Per far questocombiniamo le informazioni di moltirivelatori posti in successione. InoltrevogliamodeirivelatoriVELOCIperche’ vogliamoanalizzare eventi molto rari (e quindiregistraremolteinterazioni) E rivelatoriPRECISI, per esserepiu’ efficienti. rapidacarrellata sui rivelatori  irivelatori a LHC

3. Come si “vedono” le particelle? Sfruttandoimeccanismi con cui interagiscono con la materia • Esempio: le particellecaricheionizzano la materia al loropassaggio Camera a nebbia(Wilson, 1911; premio Nobel 1927): Camera riempita di vaporesaturochecondensa a seguitodellaionizzazione, rendendovisibile la traccia B Scoperta del positrone (e+) (Andersen, 1932; premio Nobel 1936): Osservandoraggicosmiciattraversouna camera a nebbiaimmersa in un campo magneticoche ne curva la traiettoria, con unalastra di piombo per assorbire parte dell’energia (1928 Dirac introduced the anti-matter) Lamina di Pb

4. I primirivelatori: Camere a bolle Milioni di collisionifotografate e studiateuna ad una..

5. Rivelatorielettronici • Fotocamere a bolle: procedimento lento sia per acquisizionesia per lettura • 1968:Georges Charpakal CERN inventa la • Camera Proporzionale a Multi-fili Premio Nobel nel 1992 Camera con gas+ filisotto altatensione particellaionizzail gas  le carichesonoraccolte dal filo piu’vicino segnaleelettronico Si passaall’eratotalmenteelettronica: - Rapidità di acquisizione e di lettura - Possibilità di processamento con computer

6. cathode - + - + Signal - + - + anode wire - + t = 0 + gas filledtube + + HV + + - + - - - - t = t1 Rivelatori a gas • Geiger-Counter: Binary response • Proportional Counter: • MWPC: Multi Wire Proportional Chamber • ealtri…. 6

7. Drift Chamber • Le camere a filistandardsonolimitatenellaprecisione della misura delle traiettoriadalladistanzatra i fili. • Le camere a deriva (driftchambers) misuranoil tempo di deriva delle carichemigliorando la risoluzione. • Il tempo di passaggio della particelladevepero‘ esserenoto.

8. Camere a muoni: es. Drift Tubes Drift Cell • Strati sovrapposti di celle indipendenti • Misura della posizione dal tempo di drift delle cariche prodotte per ionizzazione • Risoluzione ~200 mm • Gruppi di di strati ortogonali permettono la ricostruzione di un segmento 3D Anode wire 3.6 kV Electrodes 1.8 kV Cathode -1.2 kV Drift lines . . . . . . . . . . Chamber (side view) . . . . . . CMS Barrel: 250 camere, 172000 celle . .

9. Compact MUON Solenoid B field☉ ℓ (path length in uniform B) is ~1.1 m for the Si-tracker, but more important is the first layer of the Muon chambers ( ~3m) Tiziano Camporesi, CERN

10. Rivelatori al silicio • Invece di un gas, siusa un materialesemiconduttore: • ilsilicio, opportunamentedrogato e lavorato:

11. Rivelatori al vertice • Il rivelatori al siliciopermettono • misure di posizione con altissime • precisioni (~10mm) • Sonoideali per misurareilvertice • dell’interazioneedeventuali • verticisecondari di particelle • con lunga vita media. • Sono molto costosi (~8 euro/cm2) • e vengonousati solo nelle zone • vicino al verticedell’interazione. ~3 mm = ~1ps = tb

12. Misuradellatraiettoria: itracciatori • Ricostruzionedellatraiettoria: dai “punti” in strati successivi • Misuradellaquantità di moto: dallacurvaturanel campo magnetico CMS Tracker: silicon strips: 200 m2, 10M canali, s = 80-180 mm Silicon pixels: 16m2, 66M canali, s = ~15 mm

13. Misuradell’energia: ilcalorimetro • Misuradell’energiavia assorbimentototale • (misuradistruttiva) • La risposta del rivelatoredeveessereproporzionale ad E per • Particellecariche:elettroni e adroni • Particelleneutre: fotoni e neutroni • Principio di misura: • Sciameelectromagnetico(interazionielettromagneticodelleparticelle con ilmateriale) • Sciameadronico(dominato da interazioni forte delleparticelle con ilmateriale) • Il segnalecheleggiamo e’ la conversionedellaionizzazione o dell’eccittazione - provocatadalleparticelledellosciame - del materiale del rivelatore: simisuracorrente e tensione. • Il numero di particelleprodotteèproporzionaleall’energiaincidente

14. Sciameelettromagnetico Bremsstrahlung (gemission) Lead atom Pair production (electron-positron) etc. Until all particle energy is spent ;-) • Radiation length: X0 = Length, where 1/e particle energy is emitted via Bremsstrahlung

15. Calorimetroadronico • Cascata di particelleconcomponentielettromagneticheeadroniche Misuradell’energia e’ menoprecisadeicalorimetrielettromagnetici, a causa di grandifluttuazionineglisciamiadronici

16. Sciami: l’energia e’ proporzionale al numero di particelleprodotto Possonoesserecomposti da assorbitoripassivi(chefannosciamare le particelle)alternati ad elementisensibili(chepermettono di “leggere” la particella…)

17. … I calorimetripossonoancheesserecomposti da un materialeomogeneocheagiscecontemporaneamente da assorbitore e da materialesensibile Il materialedeveesserespeciale: ad alto “A” per far sciamare le particelle, ma trasparente, da porter permettereallalucegenerata da questedi arrivare al fotocatodo. Vacuum phototriode Cristallo PbWO4

18. CalorimetroElettromagnetico di CMS • 80000 cristalli di PbWO4 • Puntano verso ilverticedell’interazioneprotone-protone CMS ECAL x 80000

19. Le diverse particelle • Le particelleinteragisconodiversamente con la materia: • Tutte le particellecarichesono “tracciabili”, ionizzano un gas o un silicio. • Glielettronisciamano in modo “elettromagnetico” (risentonodellaforzaelettromagnetica e debole, ma non forte) • I fotonisononeutri: non sonotracciabili e sciamano in modo • elettromagnetico (risentonosolo dellaforzaelettromagnetica) • I muoni: interagisconopochissimo con la materia: possonoattraversarespessi strati di materiale – non sciamano, ma ionizzano un gas. • Gliadronisciamanoadronicamente: risentonodellaforza forte. • I neutrini“non” interagiscono (risentono solo dellaforzadebole) edescono dal rivelatore

20. Il passaggiodelleparticelle measurement by missing energy undetected neutrinos... electromagnetic hadronic shower rivelazionedeimuon chehannoattraversatotutto Il rivelatore. Lungobraccio di leva: misura delmomento misura dell’ energia viacreazionee totale assorbimentodi sciami misura del momento via curvatura nel campo magnetico

21. Lo scattering multiplo • Man manoche ci siallontana dal verticedell’interazione, siusanorivelatori con minor precisoneintrinseca – e menocari! – perche’ le particelleinteragiscono con ilmaterialedeirivelatoricheattraversano e la loroposizione e’ nota a meno di un “errore”. • “multiple scattering”

22. La precisionenecessaria • E’ necessariostimarebene la precisione di cui si ha bisogno da ognirivelatore data la misurachesivuole fare e le condizioni a contorno. • Per esempio: ilrivelatore al verticevuolemisurareparticellechedecadono in 1.5 ps, ovverochedecadonodopo 3mm dal verticeprimario;precisioni “intrinseche” di ~10mm sononecessarie. Il rivelatoredeveessereposizionato a un raggiopiu’ piccolo possibile, e averealmeno 3 strati per determinare la traccia… l r sint e’ data dalladistanzatra le “strisce” attive del silicio sMS (multiple-scattering) ~ a2 + b2/p2 sinq3/2

23. La precisionenecessaria • Se vogliamorivelare H  gge avere un picco “stretto” in massa, ilnostrocalorimetrodovra’ avereunaottima, e costanteneltempo, risoluzionein energia • m2γγ= 2E1E2(1-cosα) • Incertezzasu m  • IncertezzasuEnergiafotoni • e sudirezionedeifotoni

24. CMS a LHC

31. B B Imagnet coil Imagnet µ µ Configurazionedeimagneti di ATLAS e CMS Solenoide (air-core) Toroide • + large air core, no iron, low material budget • additional solenoid in the inner parts necessary • - inhomogeneous field • complex structure • + strong and homogeneous field in solenoid • massive iron return yoke necessary • limited in size (cost) • solenoid thickness (radiation length) CMS, ALICE, LEP Detectors ATLAS

32. SUPERCONDUCTING COIL Silicon Microstrips Pixels Exploded View of CMS CALORIMETERS ECAL HCAL Scintillating PbWO4 crystals Plastic scintillator/brass sandwich IRON YOKE TRACKER Total weight : 12,500 t MUON ENDCAPS Overall diameter : 15 m Overall length : 21.6 m MUON BARREL Magnetic field : 4 Tesla Drift Tube Resistive Plate Cathode Strip Chambers Chambers Resistive Plate Chambers Chambers

33. Il magnetesuperconduttore di CMS

34. ATLAS Numero di scienziati: >2000 Numero di istituti: 164 Numero di nazioni: 35

35. Gliapparatisperimentali ATLAS e CMS

36. Ricostruzionedegli “oggetti” • Ognirivelatore da unainformazione “parziale” sullaparticellapassata. • - il“tracciatore” rivela la particella e’ carica, misurailmomento, • la carica, e la direzione. • Il calorimetroelettromagnetico: misural’energia dell’ elettrone o fotone •  tracciatore_+ cal EM = distinzionetraelettrone e fotone • - Il calorimetroadronicomisural’energiadellealtreparticelle (gliadroni). •  Tracciatore + cal HAD = distinzionetraadroneneutro e carico • - Il rivelatore a muoniidentifica la particella come un muone: e’ l’unica • particellacaricacheriesce ad attraversareirivelatoriprecedenti. •  elettroni, fotoni, muoni e adroni

37. Ricostruzionedegli “oggetti”: neutrini Il neutrino non e’ rivelabileperche’ interagisce molto poco con la materia, simanifesta come mancanza di energia e momento, le sue caratteristichesonoricostruibiledallacinematicadell’evento: Sommiamotutte le particelle (energie e momenti): quellocheotteniamo deveessereugualea quelloda cui siamopartiti (interazioneprotoneprotone). Se mancadell’energia o del momento -> un neutrino e’ statoprodotto ede’ uscitodal rivelatore.

38. Ricostruzionedegli “oggetti”: i jet Nellarealta’ siosservanogliadroni, i quark non possonoesistere “liberi”, ma solo aggregatidentrogliadroni (mesoni: particellecomposte da 2 quark , barioni: particellecomporte da 3 quark) E’ possibileottenere le informazionisul quark o sulgluoneche ha partecipato all’interazionestudiandogliadronichesonostatigenerati: Gliadronicheprovengono da un quark iniziale, tendono ad andarenellastessadirezione edunque a associarsi in “jetti” di particelle. I JET sonodunqueformati da adroni, elettroni, muoni, neutrini, fotoni etc…

39. Esercizio: riconoscere le diverse particelle neglieventiseguenti Ricordarsiivaririvelatori e la regoladellamanosinistra per il campo magnetico (pag 30)

43. LPPP, Freiburg, Oct. 2011--- Chiara Mariotti

44. LPPP, Freiburg, Oct. 2011--- Chiara Mariotti

47. - 21.1 GeV Simulation MET 6.9 GeV + 22.7 GeV drastically reduced by requiring MET in the event

48. CRAFT eventCosmicRay FourTesla Before start of LHC beams

49. Come si “vedono” le particelle? Sfruttandoimeccanismi con cui interagiscono con la materia • Esempio: le particellecaricheionizzano la materia al loropassaggio Camera a nebbia(Wilson, 1911; premio Nobel 1927): Camera riempita di vaporesaturochecondensa a seguitodellaionizzazione, rendendovisibile la traccia B Scoperta del positrone (e+) (Andersen, 1932; premio Nobel 1936): Osservandoraggicosmiciattraversouna camera a nebbiaimmersa in un campo magneticoche ne curva la traiettoria, con unalastra di piombo per assorbire parte dell’energia (1928 Dirac introduced the anti-matter) Lamina di Pb

50. AlgoritmidiRicostruzione • Algoritmisofisticati per ricostruireglioggettipresentinell’eventoa partiredamigliaiadisingolemisureindipendenti • Pattern recognition • Track fitting • Clustering • associazionediinformazionididiversirivelatori, risoluzionediambiguità • Stimadellequantitàfisiche Conv-bremcluster Electroncluster Electron track Conv-Brem tracks Conv-bremcluster Electron track Bremcluster Electroncluster