Prospettive di fisica a LHC

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Prospettive di fisica a LHC
I) Gli esperimenti a LHC. Le problematiche ad un
collisore adronico ad alta luminosita
triggers e identificazione del bunch crossing
effetti di pile-up degli eventi triggers di
alto livello. II) Prospettive di fisica misure
di precisione di Mw e Mtop. III) Ricerca dell
Higgs principali canali di ricerca dell Higgs
standard, problematiche sperimentali e
teoriche nel controllo dei fondi. Ricerca
dell Higgs nel MSSM. IV) Ricerca di segnali
di supersimmetria fenomenologia del modello
mSUGRA, ricerca di chargini e neutralini,
s-leptoni e s-quarks in stati finali con
topologie multi-leptoniche e con multi-jets ed
energia mancante. Decadimenti a catena di
particelle supersimmetriche.
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Prospettive di fisica a LHC

• Parte I)
• Gli esperimenti a LHC.
• Le problematiche ad un collisore adronico
• ad alta luminosita
• - Triggers e identificazione del bunch crossing
• effetti di pile-up degli eventi
• - Triggers di alto livello.

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Il Large Hadron Collider

• Motivazioni scientifiche ed obiettivi
• Comprensione del meccanismo di generazione della
  massa
• scoperta / studio della caratteristiche del
  bosone (o dei bosoni)
• di Higgs
• - Verifica delle ipotesi di Super-Simmetria
  scoperta delle particelle
• supersimetriche nel range di massa 0.1-1 TeV
• studio della loro spettroscopia
• Scoperta di ulteriori segnali di nuova fisica
  (es. segnature dalle teorie
• di compattificazione della gravità)
• Misure di precisione della fisica del modello
  standard (top, W/Z,
• beauty)
• - l inaspettato.

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Il Large Hadron Collider

• I parametri della macchina
• Gli obiettivi di fisica sopra citati, insieme con
  i limiti sulle ricerca
• di nuove particelle posti dalle macchine
  precedenti (LEP, Tevatrone)
• pongono richieste ambiziose sui parametri
  principali (ECM, luminosità)
• di LHC
• - energia dell interazione tra i costituenti
  partonici sqrt(s ) 1-2 TeV
• - accessibilità a sezioni durto molto
  piccole s O(fb)
• Nel disegno finale della macchina
• ECM 14 TeV
• Luminosità L 1033-1034 cm-2s-1 ( 1 -10
  nb-1s-1)

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L eredità di LEP( SLCTevatrone..) su MHiggs
Fit agli osservabili elettrodeboli
ovvero
mH lt 196 GeV (95 CL)
ricerche dirette
mH lt 114 GeV (95 CL)
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Aspettative dal Tevatrone...
Cè un Higgs a 115 GeV ? Dovremo (probabilmente)
comunque attendere fino al 2007 ...
Al Tevatrone, il processo rilevante è quello di
W-stralung (analogamente a quello di Z-stralung
a LEP)
q
W
W
q
H
seguito dal decadimento H ?bb
non facile...
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Confronto LHC - acceleratori precedenti
LHC avrà una energia circa 1 ordine di grandezza
maggiore del Tevatrone ed una luminosità (
intensità del fascio ? frequenza di bunch
x-ssing) maggiore di 2 ordini di grandezza
Energy
Large Hadron Collider
Top quark discovery,1994
Large Electron Positron collider
(Cern)
Pioneer ee- machines in Frascati
W,Z discovery,1983
year
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Tevatron vs LHC
Startup in 2007
Running (since 1994)
Tevatron
ECM14 TeV Luminosity 10nb-1s-1
LHC
Luminosity 0.1nb-1s-1
Geneva
?2 km
? 6 km
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Il Large Hadron Collider (LHC)
Collisioni a LHC
1 bunch-crossing ogni 25 ns
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Large Hadron Collider
Nello stesso tunnel di LEP
i gioghi del magnete (YB0) di CMS

• 4 esperimenti
• - ATLAS, CMS general porpuse
• ALICE ioni pesanti
• - LHCb fisica del b

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Experiment assembling CMS
The underground cavity
The mounting of Compact Muon Solenoid experiment
(on surface)
Endcap
Central part
? 100 m
Muon chamber devices
? 800 chambers in total (BarrelEndcap) ? 103
readout channels/chamber
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Rivelatori a LHC
Schematicamente
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Rivelatori a LHC ATLAS
A Toroidal LHC ApparatuS
Spettrometro muoni (toroide in aria)
Cal.adronico (Tile cal.)
Cal.e.m. (LAr)
Tracker (Pixels,Strips,TRT)
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A Toroidal Lhc ApparatuS
MDT CSC RPC
Technical Proposal CERN/LHCC/94-43
(Liquid Argon)
Solenoide centrale B 2T
Air-core toroid magnet system bending power
Pixel detector, (1500 moduli, 50000 pixels
ognuno, 108 canali ) Semiconductor
Tracker Transition RadiationTracker
Steel-scintillator sampling
(dipendente dalla pseudorapidità h)
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A Large Ion Collider Experiment at LHC
Fisica degli ioni pesanti studio degli stati
condensati di quark-gluon plasma in
scattering Pb-Pb
(gt proprietà di deconfinamento dei quarks)

• -run a bassa luminosità
• (L1027 cm-2s-1)
• eventi ad elevatissima
• molteplicità di tracce
• cuore del rivelatore
• enorme TPC

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Rivelatori a LHC Alice
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LHC-b
Spettrometro single arm 1.88 lt h lt 4.89
(hln(tan(q/2)), q 15 -300 mrad ) dedicato alla
fisica del beauty
gt stessa accettanza per la fisica del b di un
grande apparato centrale
Top view
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Compact Muon Solenoid
Technical Proposal CERN/LHCC/94-38
Unico solenoide centrale B 4 T
Camere per muoni nei gioghi di ritorno del
magnete (1.8-2.2 T)
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Ricostruzione delle particelle in CMS
traiettorie di muoni con diverso momento trasverso
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Ricostruzione dei muoni in CMS
12 piani di misura
DT
4.2 cm
Resistive Plate Chambers
Cathode Strip Chambers
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Event reconstruction (I)
Muon in CSC detector
In each plane induced charge collected by cathod
strips due to a muon passing the gas detector
This is as a real cosmic muon looks like in the 6
detector planes
6 planes of anod wires and cathod strips
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Event reconstruction (II)
Output of the track fit (in the 4 T magn.field of
the detector) ( p, E ) of the muon
hits ( position error s ? 10 mm) in Tracker
silycon device (integrated on the beam direction
view)
extrapolated muon track
hits ( position error s ? 200 mm) in Drift
Tubes Chamber gaseus device
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Example of reconstruction (III)
CMS full simulation
Jets from particle tracks energy deposits in
caloremeters
Energy of biggest jet in the event
Top quark data
Background data
Beam direction
q
particles jet
hln(tan(q/2))
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Processi fisici a LEP e a LHC...
LHC
LHC una fabbrica di Higgs, ma in un ambiente
ostile...
Rate(Hz)
(L10nb-1s-1)
LEP
fondi e.w.
fondi QCD
?108
?103
mH100
H
mH500
? 1/ora
Higgs
? 1/anno
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Event pile-upat LHC
sTotinel 80 mb
Per L1034cm-2s-1 vi sono circa 20
eventi sovrapposti ad ogni bunch-crossing (tipica
mente di soft scattering particelle/jets di
bassa energia trasversa si sovrappongono all
evento di hard scattering che innesca il
trigger, costituendo un noise fisico alla
ricostruzione dei depositi energetici nei
calorimetri, ed aumentando la occupancy dei
rivelatori di tracce)
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Occupancy a LHC
Frequenza di Hits nelle camere a mu di CMS
dovuta a muoni hadron punch-through
neutron background (gt 1- 10 kHz sul singolo
canale gli hits da neutroni ( cattura dei
neutroni da parte dei nuclei, con emissione g e
successiva produzione di coppie e? ) sono
scorrelati tra di loro gt non danno luogo a
ricostruzione di tracce )
Alta granularità dei canali di lettura necessaria
(anche) per gestire la grande densità di
particelle prodotte
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Readout channels and data size
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Trigger a LHC...
ogni 25 ns ...
100KHz
TRIGGERS
100 Hz
ogni 3-4 ore...
L1
HLT
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Identificazione del bunch-crossing

• E essenziale che i diversi apparati di trigger
  (muoni, cal.e.m., cal.adronico)
• identifichino univocamente il bunch crossing
  dell evento che ha generato
• il trigger, in modo tale che le diverse parti
  dell evento possano essere
• assemblate insieme correttamente
• la risoluzione temporale deve essere ben
  inferiore a 25 ns
• si deve tener correttamente conto del tempo di
  volo (non trascurabile)
• dal vertice di interazione primaria al
  rivelatore che ha triggerato
• la sincronizzazione dei segnali dell
  elettronica tra i diversi
• sotto-rivelatori deve essere nota allo stesso
  livello di precisione

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Identificazione del bunch-crossing (II)
Esempio identificazione del b-xssing nel
sottosistema DT di CMS al 1o livello di trigger
(L1)
Gli hits registrati dal trigger appaiono
allineati (indipendentemente in ogni
quadrupletto di piani in una camera) solo se
attribuiti al corretto tempo di bunch crossing
bx corretto
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Identificazione del bunch-crossing (III)
Sincronizzazione assoluta tra i diversi
sottorivelatori al clock di LHC confronto tra
la struttura dei bunches (che ha dei gap il 20
dei bunches è vuota) in LHC e la popolazione dei
triggers dei vari rivelatori
LHC bunch structure
Accumulated histograms content
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I diversi livelli di trigger
CMS
ATLAS ha un ulteriore suddivisione L1/ L2/ L3

(anche il L2 ha hardware dedicato)
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High Level Triggers
Esempio di riduzione di dati on-line
CMS single muon stream pp ?? mX
Integral rate (Hz)
Le curve sono diverse a causa della diversa
risoluzione in pT ottenuta ai diversi livelli di
Trigger (L1/L2/L3)
L1 pTthr20 GeV rate 6.1 KHz
L3 output su mass storage
L2
Composition (after isolation cuts)
L3
W
Z
p,K ?m
t
Muon pT threshold (GeV/c)
Muon pT threshold (GeV/c)
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High Level Triggers vs off-line rates
CMS di- muon stream pp ?? 2mX
off-line analyses down to O(10-5-10-7) Hz rates
e.g. H ?WW ? 2m2n
HLT outpupt, di-mu stream (? 3 Hz) Low lumi
CMS-DAQ TDR
H ?WW ? 2m2n
tt ? 2m X
Z0 ? 1.5 Hz
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Example of off-line data reduction
CMS High Level Trigger outpupt, Invariant mass
of 2 reconstructed muons in di-mu stream selected
data(? 3 Hz)
off-line analysis down to O(10-5-10-7) Hz rates
H ?ZZ ? 4m
a few events/year
Minv(mm) (Gev/c2)
Minv(ZZ) (Gev/c2)
From top quark production
Z0 ? 1.5 Hz