Lezione 22
ATLAS Introduzione
~ 2000 fisici
Rivelatori di Particelle
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Lezione 22
ATLAS Introduzione
Atlas è un esperimento ad LHC
Rivelatori di Particelle
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Lezione 22
ATLAS Introduzione
La collaborazione ATLAS ha installato un apparato sperimentale general
purpose che ha le potenzialità di studiare tutta la nuova fisica resa disponibile
con LHC.
♦ LHC collider pp con 2 fasci di 7 TeV ciascuno e con una luminosità di progetto
pari a 1034 cm-2 s-1. I fasci si incrociano ogni 25 ns.
♦ L’apparato deve ricoprire quanto più possibile di 4p e deve essere capace di
identificare, tracciare, misurare impulso ed energia delle particelle prodotte nelle
interazioni.
♦ L’apparato deve inoltre essere veloce per non introdurre troppo tempo morto, e
capace di lavorare ad alta luminosità per poter studiare eventi rari in un tempo
ragionevole e con alto potere di reiezione nei confronti di eventi “minimum bias”.
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Lezione 22
ATLAS Introduzione
Detector Center
Tile Calorimeter End Cap Jura side
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Lezione 22
ATLAS la particella di Higgs
Physics with ATLAS: The Higgs Particle
One of the main goals of the ATLAS program is to discover and study the Higgs
particle. The Higgs particle is of critical importance in particle theories and is
directly related to the concept of particle mass and therefore to all masses.
What is the Higgs particle?
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Lezione 22
ATLAS la particella di Higgs
♣ The Riddle of Mass
 Why do the fundamental particles have mass, and why are their masses
different? It is remarkable that a concept as familiar as mass was not understood
until the proposal of the Standard Model.
 Most of us are familiar with electric, magnetic, and gravitational fields. A person
in Earth's gravitational field feels a force. Electromagnetic waves (such as radio
waves) travel through space in the same way that ripples in a pond travel
through water. If the pond was described in quantum language, the water surface
that carries the waves would be called a "field".
 The Standard Model proposes that there is another field not yet observed, a field
that is almost indistinguishable from empty space. We call this the Higgs field.
We think that all of space is filled with this field, and that by interacting with this
field, particles acquire their masses. Particles that interact strongly with the Higgs
field are heavy, while those that interact weakly are light.
 The Higgs field has at least one new particle associated with it, the Higgs particle
(or Higgs boson). The ATLAS detector at the LHC will be able to detect this
particle if it exists. This would be one of the greatest scientific discoveries ever!.
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Lezione 22
ATLAS il meccanismo di Higgs
To understand the Higgs mechanism, imagine
that a room full of physicists chattering quietly
is like space filled with the Higgs field ...
... a well-known scientist walks in, creating a
disturbance as he moves across the room and
attracting a cluster of admirers with each step ...
... this increases his resistance to
movement, in other words, he acquires
mass, just like a particle moving through
the Higgs field...
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Lezione 22
ATLAS la particella di Higgs
... if a rumor crosses the room, ...
... it creates the same kind of clustering, but this time
among the scientists themselves.
In this analogy, these clusters are the Higgs
particles.
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Lezione 22
ATLAS la particella di Higgs
Per valutare il progetto limitiamoci, fra i vari possibili canali di fisica studiabili
con ATLAS, alla ricerca del bosone di Higgs.
L’Higgs, fondamentale per una migliore comprensione del meccanismo di
rottura della simmetria del modello elettrodebole, dà la massa ai bosoni di
gauge W e Z ai quarks ecc.
In ATLAS ci si propone di cercare l’Higgs nei seguenti canali:
◘ Hgg
◘ Hgg
◘
◘
◘
◘
◘
produzione diretta
dalla produzione associata WH, ZH, ttH, usando un leptone (e,m)
come tag del W,Z o t.
HZZ*4 l
HZZ4 l
HZZllnn
HZZlljj
HWWlnjj
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Lezione 22
ATLAS richieste per l’apparato
♣
Ottima calorimetria e.m. per l’identificazione e la misura di e e g, implementata da
una calorimetria adronica essenziale per misure di jet (energie dei jets) e di ETmiss (n).
♣
Misura ad alta precisione dell’impulso di m, con la possibilità di misurare i m
accuratamente anche ad altissime luminosità usando unicamente lo spettrometro
esterno dei m.
♣
Tracciamento efficiente, anche ad alta luminosità per particelle ad alto impulso
trasverso (essenzialmente leptoni), per poter identificare e, g, t e quark pesanti;
possibilità di tracciare tutte le particelle a luminosità più bassa.
♣
Grande accettanza in  (pseudorapidità ) e accettanza ~2p in f.
♣
Possibilità di triggerare e misurare particelle con una soglia in pT relativamente bassa
onde avere buona efficienza praticamente per tutti i processi fisici rilevanti ad LHC.
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Lezione 22
ATLAS l’apparato
Rivelatori di Particelle
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Lezione 22
ATLAS l’apparato
Beam pipe
tracking detector
magnete solenoidale
calorimetro e.m.
calorimetro adronico
magnete toroidale
rivelatori per muoni
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Lezione 22
ATLAS l’apparato
♠
♠
Siamo ad un collider e cerchiamo eventi rari (higgs), piuttosto poco definiti (massa ignota). Gli
Higgs sono visibili solo tramite i prodotti di decadimento.
Massa molto elevata  ci attendiamo prodotti di decadimento ad alto impulso trasverso e
distribuiti su tutto l’intervallo di rapidità  apparato a 4p
Dobbiamo identificare e, g, m e jet  apparato multipurpose (a cipolla)
♠
Dobbiamo misurare pT  magneti (solenoidale per l’ inner detector, toroidale per i m)
♠
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Lezione 22
ATLAS l’apparato
L’apparato è composto da:
◙ Tracciatore di particelle cariche (inner detector)
◙ Calorimetro elettromagnetico (LAr)
◙ Calorimetro adronico (ET e pTmiss)
◙ Spettrometro per i m
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Lezione 22
ATLAS geometria dell’inner detector
L’inner detector costituisce il tracciatore di Atlas. Il tracciatore combina apparati ad alta
risoluzione e granularità ai raggi più interni con elementi con meno risoluzione, ma che
forniscono più punti ai raggi più esterni.
Siccome uno studia i prodotti di collisioni che avvengono allo stesso punto d’interazione
l’apparato più congeniale sarebbe sferico, ma… bisogna lasciare lo spazio per i fasci 

Particelle emesse a grande angolo polare sono rivelate da un insieme di apparati in una
configurazione cilindrica di raggi crescenti e con l’asse lungo l’asse dei fasci (Barrel).

Prodotti di collisione emessi ad angoli più piccoli rispetto all’asse dei fasci sono rivelati da
dischi (ruote), con il centro sull’asse dei fasci e con il rivelatore ortogonale all’asse dei fasci.
Tali dischi sono posti a varie distanze alla fine del barrel (Endcap).
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Lezione 22
ATLAS geometria dell’inner detector
I sensori del Barrel sono posizionati lungo la lunghezza del cilindro  essendo in un
campo magnetico // all’asse dei fasci si misura l’impulso trasverso della particella 
Molti piani di sensori rettangolari più lunghi che stretti per misurare meglio la deflessione
nel piano trasverso (f).
Nelle Endcap i sensori sono posizionati radialmente assicurando una buona misura di pT.
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Lezione 22
ATLAS inner detector
L’ inner detector misura la direzione, l’impulso ed il segno della carica delle particelle
cariche prodotte nella collisione. È costituito da:
 Magnete solenoidale
 Pixel detector
 Strip detector
 Tracciatore a radiazione di transizione
(straw tubes)
Rivelatori di Particelle
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Lezione 22
ATLAS inner detector
Il numero totale degli elementi ad alta precisione deve essere limitato perché:
1)
2)
Introducono materiale
Costano troppo
3 strati di pixel seguiti da 8 strati di strip (4 punti nello spazio)
Un grosso numero di misure (~36) è fornito dagli straw tubes  buona tracciatura con
molto meno materiale e costo decisamente inferiore. Gli hits negli straw contribuiscono in
maniera significativa alla misura dell’impulso, compensando la peggiore risoluzione con il
numero elevato di misure. L’elevato numero di misure è importante anche per la
determinazione di vertici secondari (fisica del B) e conversione di g.
L’inner detector si estende per una lunghezza totale di 7 m ed un raggio di ~ 115 cm. Il
barrel è lungo ~80 cm ed è seguito dalle 2 endcaps (identiche). I silici coprono fino ad un
raggio di 56 cm, seguono gli straw.
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Lezione 22
Magnete solenoidale
Il magnete solenoidale consiste in un cilindro di diametro interno 2.44 m
(esterno 2.63 m), lungo 5.3 m.
È un magnete superconduttore che fornisce un campo di ~ 2T.
Questo campo, parallelo all’asse dei fasci, deflette ogni particella carica che
viene dal punto di collisione. Se una particella emerge perpendicolare al fascio,
continua perpendicolare e viaggia su un cerchio il cui raggio è proporzionale
all’impulso della particella stessa. Particelle con basso impulso trasverso
possono spiralizzare nell’apparato, mentre quelle con alto impulso trasverso
fanno cerchi di raggi molto ampi e lasciano l’apparato (se non sono assorbite o
deflesse).
La direzione del moto nel campo magnetico (oraria o antioraria) indica il segno
della carica della particella. Se la particella non è ortogonale al fascio il campo
magnetico cambia la sua traiettoria in un’elica con l’asse parallelo alla linea del
fascio. Il raggio dell’elica è proporzionale all’impulso della particella.
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Lezione 22
Pixel
Il sistema fornisce 3 misure di precisione su tutta l’accettanza ed è quello che
(essenzialmente) determina la risoluzione nel parametro d’impatto (vertici secondari B e
t). Risoluzione: Rf=12 mm z=66 mm (barrel) e z=77 mm (endcaps)
Devono essere resistenti alla radiazione (loro ed i chip di readout) per reggere 300KGy di
radiazione ionizzante e >5x1014 neutroni per cm2 in 10 anni di operazione.
Il sistema contiene ~140 milioni di pixel ciascuno di dimensioni 50x300 mm, suddivisi in 3
strati nel barrel e 5 dischi per ogni endcap. I rivelatori sono suddivisi in moduli identici nel
barrel e nelle endcap. Ogni modulo, lungo 62.4 mm e largo 21.4 mm comprende 61440
pixel, letti da 16 cip. Ciascun cip legge un array di 24x160 pixel.
Lo spessore di ogni strato di pixel è ~1.7 % X0.
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Lezione 22
Strip
To provide additional position measurements a little further from the collision point (to
best determine a full trajectory), additional layers of silicon subdivided into narrow strips,
about 80 microns wide by several centimeters long, are used. Each layer actually has two
sets of strips, running at an angle of 2.3 degrees relative to each other. On the cylinders,
the strips run parallel to the the beam axis. On the disks, the sets run radially.
When a charged particle goes through the strip detector, signals identify which strip in
each set has been traversed. The intersection of those two struck strips provides a 3dimensional position measurement, very precise around the cylinder or disk and much
less so in the other direction of the sensors. You may wonder why one simply does not
put in more pixel detectors instead of the strip detectors: For larger detector areas, the
pixel devices are simply too expensive.
In totale si hanno 61 m2 di silici con 6.2 milioni di letture. La risoluzione spaziale è 16 mm
in Rf e 580 mm in z. Si possono distinguere tracce se separate di ~ 200 mm.
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Lezione 22
TRT (Radiatore di transizione)
È costituito da tubi a deriva di 4 mm di diametro. Si usa
gas Xenon in modo da poter misurare anche la
radiazione di transizione da radiatori posti fra gli strati di
tubi. Ogni traccia è misurata in media in 36 punti (tubi).
Il filo anodico è di tungsteno spesso 30 mm e fornisce
una risposta rapida. La lunghezza massima dei tubi nel
barrel è 144 cm. Il barrel ha circa 50000 tubi divisi in due
al centro onde diminuire gli hit multipli ed ogni tubo e’
letto da entrambi i lati.
Le endcaps contengono 320000 tubi radiali letti al raggio
più esterno. Il numero totale di canali elettronici è quindi
420000. Ogni canale da una misura del tempo di deriva,
fornendo una risoluzione spaziale di 170 mm per tubo. Ci
sono 2 soglie indipendenti in modo da poter discriminare
particelle al minimo dalla radiazione di transizione.
Il barrel copre raggi da 56 a 107 cm.
Le 2 endcap consistono in 18 ruote. Le 14 più vicine al
punto d’interazione vanno da 64 a 103 cm, mentre le 4
ruote più lontane vanno fino a 48 cm in modo da
mantenere costante il numero di tubi attraversati su tutta
l’accettanza.
Il rate di hit sopra la soglia più bassa varia da 6 a 18
MHz (a seconda del raggio) mentre nelle endcaps varia
da 7 a 19 MHz (con z).
A questi rates in generale solo ~70% dei tubi danno la
misura giusta del tempo di deriva, ma il grosso numero di
tubi assicura che la precisione della misura sulla traccia
è di ~50 mm. La precisione del tubo è invece di ~170 mm.
I tubi sono stati ottimizzati (geometricamente) in modo da
avere un buon tracciamento a spese della radiazione di
transizione  il fattore di reiezione di un pione di impulso
trasverso = 20 GeV/c varia con  da 20 a 100 ( 90% di
efficienza per l’elettrone).
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Lezione 22
Calorimetria
La calorimetria in ATLAS consiste in:
 Calorimetro e.m. (<3.2) Il calorimetro è a sampling (piombo/argon liquido) con
una geometria a fisarmonica. Per rapidità ||<1.8 è preceduto da un
presciamatore usato per correggere per la perdita di energia nell’inner detector,
criostato, giogo del solenoide (tutto materiale che sta prima del calorimetro).
 Calorimetro adronico Barrel (||<1.7) Il calorimetro adronico Barrel è un cilindro
diviso in 3 sezioni: barrel centrale e laterali. Tecnica: tegole di scintillatore e
ferro come assorbitore; le tegole di scintillatore sono lette da fibre.
 Calorimetro adronico endcap ed in avanti (1.5<||<3.2 e 3.1<||<4.9) Entrambi i
calorimetri sono ad argon liquido con assorbitore in rame.
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Lezione 22
Calorimetro elettromagnetico
Il calorimetro elettromagnetico di Atlas ad argon liquido è suddiviso in barrel ed endcap.
Struttura a fisarmonica:
Elettrodi di Kapton, assorbitore in piombo e materiale scintillante Argon liquido.
Per mantenere liquido l’argon è necessario un criostato (mantenere la temperatura a
90K).
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Lezione 22
Calorimetro elettromagnetico
La struttura a fisarmonica assicura una simmetria in angolo azimutale completa. Lo
spessore del piombo è stato ottimizzato in funzione di  in modo da assicurare un’ ottima
risoluzione in energia. Nel barrel la gap di argon liquido è mantenuta costante e pari a 2.1
mm. Lo spessore totale del calorimetro e.m. è > 24 X0 nel barrel e > 26 X0 nelle endcaps.
Nella regione (||<2.5) dedicata a fisica di precisione il calorimetro è segmentato in 3
sezioni longitudinali.



Regione a strip spessa 6 X0 (incluso il materiale davanti) è suddivisa in strisce strette di ~
4mm nella direzione di . Questa sezione funziona da presciamatore migliorando
l’identificazione di particelle e fornendo una misura precisa dell’inizio dello sciame in .
La regione intermedia è segmentata in torri quadrate DxDf=0.025x0.025. Lo spessore
totale del calorimetro fino alla fine della regione intermedia corrisponde a ~24 X0.
La sezione finale ha una granularità di 0.05 in  ed uno spessore variabile da 2 a 12
lunghezze di radiazione.
Per ||>2.5 (endcaps) il calorimetro è segmentato in 2 sezioni longitudinali ed ha una
granularità minore rispetto a quella del barrel. È comunque sufficiente per misure di
energia trasversa mancante e di jets.
In tutto l’intervallo di  coperto le celle del calorimetro puntano verso la zona
d’interazione.
Il numero totale di canali è ~190000.
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Lezione 22
Calorimetro elettromagnetico
La quantità totale di materiale vista da una particella incidente prima del
calorimetro è ~2.3 X0 ad =0 e cresce con  nel barrel a causa dell’angolo
delle particelle.
Nella regione con ||<1.8 si usa un presciamatore per correggere per le perdite
di energia nel materiale a monte del calorimetro. Il PS consiste in uno strato di
LAr spesso 1.1 cm nel barrel (0.5 nelle endcaps).
I segnali del calorimetro e.m. sono amplificati e formati ogni 25 ns (tempo fra i
crossing) ed immagazzinati in memorie analogiche (switching capacitor array)
in attesa del trigger di primo livello.
La risoluzione del calorimetro e.m. ad ||~0.3 è 6.3% per particelle di 10 GeV,
1.4% a 50 GeV e 0.8% a 200 GeV.
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Lezione 22
Calorimetro adronico
I calorimetri adronici di ATLAS coprono ||<4.9.
Diverse tecniche per il barrel (||<1.7) [Tile calorimeter] e per le endcaps ed il forward
(1.5<||<4.9) [LAr].
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Lezione 22
Calorimetro adronico
Un parametro importante del calorimetro adronico e’ lo spessore. Deve assicurare un
buon assorbimento dei jet adronici e ridurre al minimo il punch through nel sistema dei
m. spessore totale 11l ad ~0.
Risoluzione ~60%xE-1/2
Calorimetri adronici a LAr
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Lezione 22
Sistema dei m
 Magnete toroidale (2-6 Tm barrel) (4-8 Tm endcap)
 Misura : tubi a deriva nel barrel; Cathode strip chamber (endcap e forward).
 Trigger: RPC nel barrel e Thin Gap Chamber nelle endcap
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Lezione 22
Trigger
Rivelatori di Particelle
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