Lezione 23 LHCb Introduzione

1. Lezione 23LHCb Introduzione Motivazione fisica: Studiare la fisica del B con particolare riguardo alla violazione di CP ed alla determinazione degli elementi della matrice CKM. Perché 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 mb. Rivelatori di Particelle

2. Lezione 23LHCb 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  svis~80 mb. • La sezione d’urto per produzione di coppie di b e antib è ~500 mb  i canali con produzione di b sono sommersi da un fondo di minimum bias. • I canali interessanti di decadimento del B hanno “branching ratios” ~10-5  fondo da decadimenti comuni del B. Rivelatori di Particelle

3. Lezione 23LHCb Introduzione • La luminosità di progetto di LHC è L=1034 cm-2s-1 R=sL=8x108 Hz • I bunch sono separati da 25ns  il numero medio di interazioni per crossing è <n>=8x108x25x10-9=20!  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)). Proposta L(LHCb)=2x1032 cm-2s-1 Rivelatori di Particelle

4. Lezione 23LHCb Introduzione Vantaggi (con luminosità più bassa): • L’apparato non è affollato (  si riduce il danno da radiazione) • Gli eventi sono dovuti a singole interazioni (meno pile-up) più facili da analizzare Rivelatori di Particelle

5. Lezione 23LHCb Introduzione Rivelatori di Particelle

6. Lezione 23LHCb Introduzione Rivelatori di Particelle

7. Lezione 23LHCb Introduzione Dimensioni di LHCb Rivelatori di Particelle

8. Lezione 23LHCb Richieste per l’apparato • 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 • Spettrometro a piccolo angolo qmin~15 mrad (beam pipe e radiazione) qmax~300 mrad (prezzo) Ovvero 1.88≤h≤4.89 Accettanza simile a quella che si avrebbe con un detector centrale (molto più grande) Rivelatori di Particelle

9. Lezione 23LHCb Richieste per l’apparato 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-rapiditàh Rivelatori di Particelle

10. Lezione 23LHCb Richieste per l’apparato Commenti. • La produzione di coppie di b se plottata in hèuniforme (in questa variabile)  piccolo o grande hè approssimativamente la stessa cosa. Ma: per alti valori di |h| (piccolo angolo) i b hanno impulso maggiore  più facile osservarne i decadimenti (ovvero determinare vertici secondari). • LHCb è da un lato solo. Un apparato da tutti e due i lati ( sempre a piccolo angolo ) raddoppierebbe la statistica  errore ridotto di 21/2. Però il costo è aumentato di un fattore 2 compromesso qualità costo si fa da un lato solo. • Determinazione del vertice secondario  parametro d’impatto b b~(ctB)~ 450 mm Il parametro d’impatto è indipendente dall’impulso della particella  conviene avere particelle ad alto impulso perché riduco lo scattering multiplo (~1/p) Rivelatori di Particelle

11. Lezione 23LHCb Richieste per l’apparato Concludendo 1) vogliamo con un apparato a piccolo angolo, raccogliere molti B (~1012 prodotti in un anno di presa dati) basandoci su particelle ad alto impulso trasverso e vertici secondari  • Trigger efficiente e flessibile • Spettrometro magnetico per la misura dell’impulso • 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. ~10-5 necessaria una identificazione del tipo di particella per ridurre il fondo dovuto a decadimenti del B poco interessanti, ma più copiosi. Rivelatori di Particelle

12. Lezione 23LHCb Richieste per l’apparato In breve serve : Rivelatori di Particelle

13. Lezione 23Apparato (versione TDR) Rivelatori di Particelle

14. Lezione 23Apparato (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 Rivelatori di Particelle

15. Lezione 23Apparato (versione Light) Anche con un apparato light la vita non è semplice Rivelatori di Particelle

16. Lezione 23Layout generale • 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). • Per determinare l’intervallo d’impulsi in cui deve operare lo spettrometro magnetico si è studiato il decadimento B0dp+p- e B0s p+D-s Accettanza ridotta ad alti impulsi (le particelle restano nel tubo a vuoto. Accettanza ridotta a bassi impulsi (troppo poche camere attraversate dalla particella) Poche tracce hanno impulsi superiori a 159 GeV/c Rivelatori di Particelle

17. Lezione 23Layout generale • Le richieste per il rivelatore di vertice possono essere illustrate dalla distribuzione della lunghezza di decadimento del B0dp+p- (valor medio 1cm). Rivelatori di Particelle

18. Lezione 23Layout generale Riassumendo LHCb comprende: • Rivelatore di vertice • Spettrometro magnetico (tracciatore + magnete) • Identificatore di particelle (rich) • Calorimetro elettromegnetico • Calorimetro adronico • Rivelatore di m Rivelatori di Particelle

19. Lezione 23Rivelatore di vertice • 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. • Usato anche nel trigger di livello 1 per arricchire il contenuto di B dei dati. • Installato in ROMAN POTS (dentro il tubo a vuoto) per poter andare a piccolo angolo. • Spostato più lontano dal fascio durante l’iniezione. • 21 stazioni pari a 42 piani di silicio Rivelatori di Particelle

20. Lezione 23Rivelatore di vertice Rivelatori di Particelle

21. Lezione 23Rivelatore di vertice Silici convenzionali Ma disposti in maniera molto complessa Misura di R e f per la ricostruzione del parametro d’impatto. Dimensioni variabili (minimo 40 mm)  occupazione costante <0.75% Elettronica di lettura fuori dall’accettanza La strip più corta ~6 mm Rivelatori di Particelle

22. 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 23Rivelatore di vertice Rivelatori di Particelle

23. Lezione 23Rivelatore 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 f. Risoluzione degli hit ~ 6÷10 mm. 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. Rivelatori di Particelle

24. Lezione 23Magnete 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. Rivelatori di Particelle

25. Lezione 23Tracciatore 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)  silici • Parte esterna (outer tracking system)  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 (±5o). Risoluzione: 150-200 mm Elettronica: preamplificatore/discriminatore come quelli di ATLAS. Dati in pipeline Rivelatori di Particelle

26. Lezione 23identificazione di particelle L’identificazione di particelle è fondamentale (specialmente la separazione di pioni da K) su tutto l’intervallo d’impulso di LHCb. Rivelatori di Particelle

27. Camera di precisione areogel RICH1 RICH2 Lezione 23RICH Servono a separare K da pioni. Rivelatori di Particelle

28. Lezione 23RICH Richieste per il fotorivelatore: Rivelatori di Particelle

29. Lezione 23Fotorivelatore Rivelatori di Particelle

30. Lezione 23Fotorivelatore Cerchi visti con particelle Rivelatori di Particelle

31. Lezione 23Calorimetri 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 p0 e g. La selettività richiesta al primo livello di trigger impone una segmentazione longitudinale del calorimetro  3 sezioni: • Preshower • Calorimetro elettromagnetico a shashlik (ECAL) • Calorimetro adronico a tegole di scintillatore Rivelatori di Particelle

32. Lezione 23presciamatore 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. Rivelatori di Particelle

33. Lezione 23ECAL • Identificazione di elettroni (usata in vari livelli di trigger) • Misura dell’energia di elettroni e fotoni • Ricostruzione dei pioni neutri • Accettanza q(x)<300 mr q(y)<250 mr (non puo’ andare troppo vicino alla beam pipe) • Risposta in tempo <25ns (sta nel trigger di livello 0) • Variabile in funzione della distanza dal tubo a vuoto per minimizzare l’affollamento • Risoluzione in energia ~10%/E1/2 • Buona resistenza alla radiazione Rivelatori di Particelle

34. Lezione 23ECAL Rivelatori di Particelle

35. Lezione 23Hcal 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 Rivelatori di Particelle

36. Lezione 23Spettrometro dei m Costituito da camere e ferro . Rivelatori di Particelle

37. Lezione 23Trigger Rivelatori di Particelle