Lezione 23 LHCb Introduzione

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Lezione 23 LHCb 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 dellalta sezione durto per produrre
  coppie di b ed antib e dellalta luminosità della
  macchina.
• P.S. la sezione durto a BABAR è ? 1nb mentre ad
  LHC è ? 500 mb.

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Lezione 23 LHCb Introduzione

• La sezione durto totale pp a 14 TeV è 120 mb,
  ma si perde tutto lelastico ed il quasi elastico
  nel tubo a vuoto ? svis80 mb.
• La sezione durto 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.

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Lezione 23 LHCb Introduzione

• La luminosità di progetto di LHC è L1034 cm-2s-1
  ? RsL8x108 Hz
• I bunch sono separati da 25ns ? il numero medio
  di interazioni per crossing è ltngt8x108x25x10-920
  !
• ?
• Ridurre la luminosità per avere in media un
  evento per ogni bunch crossing.
• ( in media anche se ltngt1 ho nel 26 dei casi più
  di un evento per bunch crossing (Poisson)).
• Proposta L(LHCb)2x1032 cm-2s-1

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Lezione 23 LHCb Introduzione

• Vantaggi (con luminosità più bassa)
• Lapparato non è affollato ( ? si riduce il danno
  da radiazione)
• Gli eventi sono dovuti a singole interazioni
  (meno pile-up) più facili da analizzare

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Lezione 23 LHCb Introduzione

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Lezione 23 LHCb Introduzione

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Lezione 23 LHCb Introduzione

• Dimensioni di LHCb

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Lezione 23 LHCb Richieste per lapparato

1. 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
• qmin15 mrad (beam pipe e radiazione)
• qmax300 mrad (prezzo)
• Ovvero 1.88h4.89
• Accettanza simile a quella che si avrebbe con un
  detector centrale (molto più grande)

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Lezione 23 LHCb Richieste per lapparato

• Definizione di variabili.
• Normalmente nelle collisioni adroniche la
  produzione di quarks pesanti è caratterizzata da
  2 variabili, limpulso trasverso ai fasci e la
  rapidità
• Spesso si approssima la rapidità con la
  speudo-rapidità h

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Lezione 23 LHCb Richieste per lapparato

• Commenti.
• La produzione di coppie di b se plottata in h è
  uniforme (in questa variabile) ? piccolo o grande
  h è 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
  dimpatto b
• b(ctB) 450 mm
• Il parametro dimpatto è indipendente
  dallimpulso della particella ? conviene avere
  particelle ad alto impulso perché riduco lo
  scattering multiplo (1/p)

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Lezione 23 LHCb Richieste per lapparato

• 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 dellimpulso
• Tracciatore con elevata risoluzione e posizionato
  molto vicino alla zona dinterazione 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.

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Lezione 23 LHCb Richieste per lapparato

• In breve serve

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Lezione 23 Apparato (versione TDR)

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Lezione 23 Apparato (versione Light)

• Per questioni di costo e di troppo materiale
  lapparato è stato ridisegnato nella versione
  light

Risultato materiale sceso di un fattore 2 e
apparato migliore
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Lezione 23 Apparato (versione Light)

• Anche con un apparato light la vita non è semplice

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Lezione 23 Layout generale

• Il punto dinterazione non è al centro della sala
  (caverna) per permettere un apparato (solo da un
  lato) lungo onde ricoprire piccoli angoli ( 15
  mr).
• Per determinare lintervallo dimpulsi in cui
  deve operare lo spettrometro magnetico si è
  studiato il decadimento B0d?pp- e B0s? pD-s

Poche tracce hanno impulsi superiori a 159 GeV/c
Accettanza ridotta ad alti impulsi (le particelle
restano nel tubo a vuoto. Accettanza ridotta a
bassi impulsi (troppo poche camere attraversate
dalla particella)
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Lezione 23 Layout generale

• Le richieste per il rivelatore di vertice possono
  essere illustrate dalla distribuzione della
  lunghezza di decadimento del B0d?pp- (valor
  medio 1cm).

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Lezione 23 Layout generale

• Riassumendo LHCb comprende
• Rivelatore di vertice
• Spettrometro magnetico (tracciatore magnete)
• Identificatore di particelle (rich)
• Calorimetro elettromegnetico
• Calorimetro adronico
• Rivelatore di m

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Lezione 23 Rivelatore 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 dimpatto 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
  liniezione.
• 21 stazioni pari a 42 piani di silicio

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Lezione 23 Rivelatore di vertice

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Lezione 23 Rivelatore di vertice

Silici convenzionali
Ma disposti in maniera molto complessa
Misura di R e f per la ricostruzione del
parametro dimpatto. Dimensioni variabili (minimo
40 mm) ? occupazione costante lt0.75 Elettronica
di lettura fuori dallaccettanza La strip più
corta 6 mm
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Lezione 23 Rivelatore di vertice

• 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 dellapparato ogni
  anno

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Lezione 23 Rivelatore 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 610 mm.
• Pile-up veto i silici posizionati prima della
  regione dinterazione 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.

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Lezione 23 Magnete

• 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 dellapparato che potrebbero
  introdurre un bias in misure di asimmetria di
  carica.
• Lapertura del magnete è 4.3 m in orizzontale e
  3.6 m in verticale.

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Lezione 23 Tracciatore

• 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 unaccurata
  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

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Lezione 23 identificazione di particelle

• Lidentificazione di particelle è fondamentale
  (specialmente la separazione di pioni da K) su
  tutto lintervallo dimpulso di LHCb.

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Lezione 23 RICH

• Servono a separare K da pioni.

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Lezione 23 RICH

• Richieste per il fotorivelatore

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Lezione 23 Fotorivelatore

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Lezione 23 Fotorivelatore

Cerchi visti con particelle
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Lezione 23 Calorimetri

• Servono ad identificare elettroni ed adroni e
  misurare lenergia 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

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Lezione 23 presciamatore

• 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.

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Lezione 23 ECAL

• Identificazione di elettroni (usata in vari
  livelli di trigger)
• Misura dellenergia di elettroni e fotoni
• Ricostruzione dei pioni neutri
• Accettanza q(x)lt300 mr q(y)lt250 mr (non puo
  andare troppo vicino alla beam pipe)
• Risposta in tempo lt25ns (sta nel trigger di
  livello 0)
• Variabile in funzione della distanza dal tubo a
  vuoto per minimizzare laffollamento
• Risoluzione in energia 10/E1/2
• Buona resistenza alla radiazione

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Lezione 23 ECAL

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Lezione 23 Hcal

Scopo del calorimetro adronico è fornire dati per
il trigger. In particolare deve fornire lenergia
trasversa di adroni isolati con alto impulso
trasverso. Deve migliorare la separazione
elettroni adroni specialmente per particelle di
alta energia
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Lezione 23 Spettrometro dei m

• Costituito da camere e ferro .

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Lezione 23 Trigger