ALINEAMIENTO DEL ESPECTRÓMETRO DE MUONES DE CMS. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DEL IMAN DE CMS

1. ALINEAMIENTO DEL ESPECTRÓMETRO DE MUONES DE CMS. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DEL IMAN DE CMS XXXI Reunión Bienal de Física 10-14 Septiembre 2007, Granada Mar Sobrón Sañudo

2. Índice • El Detector CMS • El Sistema de Alineamiento Óptico • El Magnet Test & Cosmic Challenge de CMS. • Estudios del Alineamiento en el MTCC • Validación del sistema óptico y resultados • Validación y alineamiento con cósmicos • Conclusiones Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

3. ELECTROMAGNETIC CALORIMETER HADRONIC CALORIMETER 4T MAGNET RETURN YOKE SILICON TRACKER MUON BARREL 20 m 100 m MUON ENDCAPS Precisiones Espaciales Requeridas 75-100 m El Detector CMS Weight: 12.500 t Diameter: 15.0 m Length: 21.6 m B Field: 4 T • Criterios de diseño • Excelente identificación de leptones (electrones y muones) • Un preciso sistema de tracking en Si bajo un campo magnético de 4T para la medida del momento de las trazas • Detectores capaces de operar con niveles altos de radiación (hasta 1MGy en 10 años) • Uso de tecnologías de respuesta rápida (intervalo de cruce de haces de 25 ns) • Muy buena hermeticidad Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

4. Link Ali. Interno Barrel Ali. Interno EndCap Ali. Interno Tracker El Sistema de Alineamiento de CMS Propósito: Alineamiento interno del tracker y monitoreo de la posición relativa de las cámaras de muones (barrel y endcap) con respecto al tracker. • Requerimientos físicos: • Error global de alineamiento~100-200 m • Restricciones en el diseño: • Hermeticidad (el sistema debe adaptarse a la geometría del detector y a las restricciones de espacio) • Rango dinámico (varios cm) • Resistencia a la radiación • Inmunidad de los componentes a B y DB Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

5. MAB (36) Plano Activo (6) Plano Pasivo (6) Línea Óptica Cámara Muones (8 lineas) Puntos de Referencia Sistema de Alineamiento Barrel Provee información de la orientación y posición relativa de las cámaras del Barrel La posición relativa de las cámaras es calculada por triangulación. Video-cámaras situadas en estructuras rígidas externas (MABs) observan los puntos de referencia de las cámaras de muones (instrumentados con LEDs) Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

6. Sistema de Alineamiento EndCap Orientación y Posición relativa de las cámaras del EndCap y alineamiento relativo de los diferentes discos. • Líneas láser: interceptadas por cámaras CCD (DCOPs). • Seis Transfer Lines miden la posición relativa entre las estaciones de CSCs. • Tres straight lines (SLM) Para el alineamiento interno de las cámaras en cada estación. • Sensores de proximidad: complementan la medida de los laseres. • Distancias radiales entre inner rings y outer rings y entre outer rings y transfer lines. • Medida de distancias azimutales en la primera estación. Straight Line DCOPs Transfer Line Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

7. Beam Laser Link Laser Source MAB Seis planos activos ME/1/3 MAB Zone ME/1/2 YN1 Zone ME1/1 Transfer  =3 Zone Tracker Zone ME/1/1 Distance tube Laser source Laser Source ME1/2 Zone Link Disk Alignment Ring Distance tube Zona ME1/1 Sistema de Alineamiento Link Relaciona los subsistemas barrel y endcap con respecto al tracker generando una referencia interna común a todos los sistemas de trazas y se encarga del alineamiento de las cámaras de la primera estación del endcap. • Líneas Láser: Líneas laseres interceptadas por sensores semitransparentes (ASPDs) • Sensores de proximidad y de inclinación: • Complementan y añaden redundancia. Estructuras rígidas: Alignment Ring (AR) & Link Disk (LD) son usadas como referencia • Del AR (tracker) al LD (YE+1): Conexión Tracker-Endcap • Del LD a los MABs: Conexión Endcap-Barrel Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

8. 75º Link Barrel Axial Transfer line 315º 255º Instrumentación del sistema de Alineamiento en el MTCC • Link: Tres líneas láser (75, 255 y 315o) • Endcap: Parte positiva prácticamente completa. • Barrel: Sectores 10 y 11 implementados en todas las ruedas (255 – 315o) • Numero de componentes usados en el test ( ~ ¼ del sistema total): • - 275 Sensores analógicos (sensores de distancia e inclinómetros) • - 125 Foto-sensores (DCOPS + ASPDs) y 100 video cámaras. • - 500 + 34 Fuentes de luz (LEDs + laseres semiconductores) • - Sondas de Temperatura, humedad y campo magnético • Calibración previa de todos los componentes (estructuras de FC y sensores) en • bancos de calibración específicos con precisiones ~mm (mrad) • Survey y Fotogrametría de los componentes durante la instalación (precisiones ~ 50-300 mm) Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

9. ASPDs TP CMS-MTCC LD y AR MABs en YB0 Link Line en YE+1 SLM en YE+2 Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

10. Objetivos del MTCC Tuvo lugar durante el verano (Fase I) y otoño (Fase II) del 2006 Objetivos del Magnet Test: • Comisioning del imán por primera vez a 4T (19.14 KA) y mapa del campo: • Barrel: 0.62T-1.97T con un campo central de 4.0124 T • EndCap: 1.66T-2.62T. La precisión de la medida se espera del poco por ciento. • Dentro del solenoide se ha medido la densidad de flujo magnético, con un campo central de 4T, con una precisión de 0.7 por mil. • Establecer y entender el procedimiento y tolerancias en el cerrado del detector • Validación del sistema de Alineamiento de Muones. Objetivos del Cosmic Challenge: • Operación por primera vez de toda la cadena de sub-detectores (2 sectores) • Comportamiento de los sub-detectores ante campo magnético y la sincronización entre ellos. • Desarrollo y test de algoritmos para el alineamiento con trazas (cósmicos) Fase II sin Tracker: Mapa del Campo Magnético Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

11. Objetivos de Alineamiento en el MTCC Validación del sistema de alineamiento de muones durante el MTCC: • Funcionalidad del sistema: Hardware & Electrónica de readout, DAQ, y software de reconstrucción. • Primeras pruebas de las tolerancias en el ensamblado y cierre del detector y efectos de campo frente a los rangos dinámicos del sistema. • Deformaciones del hierro de retorno. • Geometría inicial de los detectores a B=0T y B=4T • Test de los algoritmos de alineamiento con trazas de cósmicos • Cross-check y compatibilidad de las diferentes medidas: survey/Fotogrametría inicial (B=0T), medidas ópticas, información de cósmicos Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

12. Primer Cierre de CMS (julio 2006) Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

13. Resultados del MTCC • Movimiento de las estructuras debido a las fuerzas magnéticas: Comprensión (en Z) de los discos hacia el IP, dos tipos de movimientos con campo: elásticos y “permanentes” • Movimientos “permanentes”: No recuperación de la posición inicial de las estructuras a 0T tras los primeros ciclos de energización del imán. “Cerrado final” del detector. • Movimientos elásticos: Desplazamientos entre campo magnético on/off. Recuperación de la posición. • Estabilidad (en rf ) de los detectores durante operación • Repetitividad de los efectos de campo, observados entre las dos fases del test .  Primera geometría de CMS con campo magnético: • COCOA: reconstrucción geométrica a partir de la información óptica del sistema de alineamiento. • Algoritmos de Alineamiento con trazas (cósmicos) Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

14. Field on 2.4 mm 2.7mm Field off time Desplazamientos y deformaciones del Barrel: Compresión de las cámaras del Barrel hacia el IP. Permanente:No recuperación a 0T. Deformación elástica:Con B. Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

15. Barrel Permanente 16mm La mecánica de sujeción (los Z-stop) hace al EndCap curvarse en forma de cono Desplazamientos y deformaciones del EndCap: El fuerte campo magnético cerca del extremo del solenoide atrae la parte central del endcap hacia el. Outer ring se mueven aprox. 6 mm ( top/bottom asimetría) Dependencia cuadrática del movimiento con el campo Nariz de YE+1 se mueve 16mm Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

16.  20m  60m  1.5o Noche Estabilidades en r: Efectos de Temperatura: • Los movimientos de las cámaras correlacionan con la diferencia de temperatura día/noche Efecto de campo: • Pequeños movimientos por debajo de 60 m. • Estructura del movimiento correlacionada con B. Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

17. B=3.8T Dr Phase I Dr r ~3mm Dr PhaseII B=3.8T B=0T B=0T r ~ 2.7 mm Entre 0T y 3.8T r ~ 2.6 mm Repetitividad de las medidas entre Fases y Tolerancias en el Cerrado • Comportamiento similar con el campo en ambas fases • Entre Fases el detector se abrió y cerro de nuevo. Posicionamientos~ mm Diferentes pasos entre Fase I y II Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

18. Reconstrucción de la Geometría: COCOA • (CMS Object-oriented Code for Optical Alignment) • Es un sofware de reconstrucción a través de aproximaciones geométricas basado en un ajuste no lineal por mínimos cuadrados. • Permite la reconstrucción de la posición y la orientación angular de los objetos del Sistema óptico así como la determinación de los parámetros ópticos internos y la propagación de errores. • numero de grados de libertad de todo el sistema 30000 parámetros • Input: • Geometría completa (para MTCC) del sistema link en su geometría inicial: Geometría nominal + Survey. • Calibraciones de los sensores y las estructuras + Medidas 2D y 3D . • Medidas ópticas y Medidas de los sensores analógicos • Output: • Cocoa nos da las coordenadas (6 grados de libertad) de todas las estructuras y los componentes a campo 0T y a diferentes campos magnéticos hasta un campo de 4T. Estas coordenadas se pueden introducir directamente en la DB para la reconstrucción offline de muones • Por primera vez: • se ha implementado una descripción realista del sistema link de alineamiento y se ha obtenido una reconstrucción completa del sistema a diferentes valores de campo. • se ha establecido y validado una estrategia de ajuste (grados de libertad / medidas) • una primera estimación de la precisión del sistema (en base al estudio de los residuos del ajuste) es del orden de 200-300 mm.

19. Desplazamientos en r Before Alignment After Alignment Residual distribution (measured – fitted) Residuos del ajuste de las trazas Alineamiento con Trazas:Alineamiento Interno de Cámaras DT Cámaras: alineamiento Interno de layers Propósito: Geometría interna de las cámaras DT. Cada Cámara tiene tres Superlayers (dos miden  y uno q) • El algoritmo de alineamiento (Método Blobel) usa información de cósmicos junto con medidas de survey y medidas de calidad de fabricación, como información adicional. • Alineamiento de 8 -layers • Se han encontrado desviaciones de 80 m en desplazamientos y 20 rad en ángulos • Gran acuerdo entre medidas (survey, información de fabricación) Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

20. Targets de Fotogrametría en Las cámaras de Muones Desplazamientos r- Residuos del ajuste por trazas de las 4 camaras. Alineamiento con Trazas:Geometría del Detector (Barrel) de Muones • Partiendo de la geometría “ideal” del detector, medidas de survey y fotogrametría de las cámaras DT permiten definir una primera geometría “real” de detector. (Estas medidas tienen en cuentan principalmente efectos de gravedad de las estructuras de hasta 6 mm). • Con los datos de cósmicos, se aplican los algoritmos de Alineamiento con Trazas (Metodo Blobel) a los diferentes sectores y estructuras hasta obtener la geometría completa del espectrómetro (del barrel). • Desplazamientos r- • Cada sector separadamente. • La geometría del MTCC muestra desplazamientos del orden de 1 mm • Después de las correcciones de survey los desplazamientos llegan al nivel de 250 m. • Finalmente el alineamiento con trazas los reduce a 100 m. Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

21. Conclusiones: • Se ha completado el desarrollo del sistema óptico de alineamiento: hardware, • electrónica, DAQ, reconstrucción e implementado por primera vez en el detector • Se ha validado el sistema de alineamiento, por primera vez con campo magnético • (validación dinámica) • Se han desarrollado y validado algoritmos de alineamiento con trazas utilizando • datos de cósmicos (commissioning de las cámaras y geometría del MTCC) • Se pudieron medir los efectos de campo magnético en la geometría del detector. • Se ha podido establecer una geometría para las condiciones de operación de CMS. • (a distintos valores de campo, donde se observa el comportamiento esperado) • Los datos presentan una buena consistencia entre las diferentes medidas • (distintos subsistemas de alineamiento, fases, valores de campo, datos de cósmicos) • En general se ha encontrado un buen acuerdo entre las medidas realizadas • y lo esperado por las simulaciones de elementos finitos (FEA) Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

22. Backup

23. MB4 MB3 MB2 MB1 ME1 ME2 ME3 ME4 CMS Muon system layout Up to  = 2.4 Barrel: 0 < | | < 1.2 5 wheels / 4 stations instrumented with DTs and RPCs Endcap: 0.9 < | | < 2.4 3 disc/4 stations instrumented with CSCs and RPCs • Task: • - Muon identification • - Muon momentum and charge measurement • Muon trigger (fast response RPCs with more precise • position resolution DTs and CSCs). Spatial precision of 100 m Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

24. Estructura Soporte EndCap Endcap Disc Geometría del sistema de Muones Estructura soporte Barrel (~12 m ´ 15 m) • Estructuras mecánicas grandes, no son suficientemente rígidas para los requerimientos. Deformaciones máximas esperadas (confirmadas por survey y MTCC) • ~1-3 cmB on/off • 5-15 mmgravedad • < 500 μmoperación (Temp. y humedad) • misalignment máximo permitido (no degradación de la medida de momento) • R200 m Para Barrel y EndCap • ~ mm en Z Alineamiento Preciso! Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

25. Reconstrucción de la Geometría: COCOA • Estrategia en la reconstrucción: • Ajuste a 0T: Ajuste de las diferentes estructuras a 0T utilizando las medidas dadas por fotogrametría y las medidas del sistema link (sensores analógicos y ópticos) • Ajuste a diferentes valores de Campo Magnético: Partiendo de la geometría reconstruida a campo 0T y las medidas del sistema, se reconstruye la geometría a diferentes valores de campo. Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

26. Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

27. Alineamiento con Trazas (I) Los Residuos son la diferencia entre la posición medida (real) y la extrapolada o esperada (nominal, survey, alineamiento) La traza de un muon ( r) se puede definir como: r=f (parámetros de trazas, parámetros de alineamiento) r (s) = r (s, p, delta) s es la distancia recorrida (el tiempo), p son los parámetros de trazas y delta los parámetros de desalineamiento Puesto que se esperan pequeños desalineamientos la expresión se puede desarrollar en serie • Construimos el 2 para una proyeccióncomo: • 2 = i j[ (Rxij (p, delta)-Jxj (p0)*Δpj -Jxj(deltai)*deltai)2/ ij2] • Donde i es la suma a las cámaras y j la suma a las trazas. • Este 2 contiene las variables siguientes: • deltai: (numero de grados de libertad que queremos medir) x (numero de cámaras diferentes) • Δpj: (numero de parámetros de una traza) x (numero de trazas)

28. Original chi2 Lagrange constrains to fix floating degrees of freedom in the mean value of the layers Survey:j is running over degrees of freedom.SLj means the mean value of that degree of freedom of the layers in superlayer j QC measurements: k runs over layers. i runs over superlayers (1 and 2) Alineamiento con Trazas (II) Para encontrar el minimo del 2 hay que resolver el sistema: M*B=s Siendo M una matriz nxn donde n es el numero de variables del 2 B es un vector de los deltai y Δpj y s es un vector de estas dimensiones y es una combinación de residuos. M*B=s B=( delta, Δp) Ponemos primero las variables de Ali. y luego las de trazas. s= (b, ) M se puede dividir en cuatro matrices, una con los elementos del desalineamiento y otra con los de las trazas. Queda al final un sistema por partes que se reduce a invertir N (numero de trazas) matrices 5x5 y una matriz (n_Ali.)x(n_Ali). Esta ultima no es invertible, pero introduciendo datos de survey en el chi2 se puede hacer invertible y el sistema se puede resolver.

29. Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

30. Before Alignment After Alignment Residual distribution (measured – fitted) Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007