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 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
1
Lezione 23
LHCb 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
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Lezione 23
LHCb 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.
1
1036
32
L


5

10
25 10 9  80 10 27 2 103
( 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
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Lezione 23
LHCb 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
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Lezione 23
LHCb Introduzione
Rivelatori di Particelle
5
Lezione 23
LHCb Introduzione
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
LHCb Introduzione
Dimensioni di LHCb
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
LHCb Richieste per l’apparato
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
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
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Lezione 23
LHCb 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
1  E  p// 

y  ln 
2  E  p// 
Spesso si approssima la rapidità con la speudo-rapidità h
  
h   ln tan  2
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
LHCb Richieste per l’apparato
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 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
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Lezione 23
LHCb 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
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Lezione 23
LHCb Richieste per l’apparato
In breve serve :
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
Apparato (versione TDR)
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
Apparato (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
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Lezione 23
Apparato (versione Light)
Anche con un apparato light la vita non è semplice
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
Layout 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
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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pp (valor medio 1cm).
Rivelatori di Particelle
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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
Rivelatori di Particelle
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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 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
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Lezione 23
Rivelatore di vertice
Rivelatori di Particelle
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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 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
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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
dell’apparato ogni anno
Rivelatori di Particelle
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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 ~ 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
23
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 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
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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 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
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Lezione 23
identificazione 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
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Lezione 23
RICH
Servono a separare K da pioni.
Camera di
precisione
areogel
RICH1
Rivelatori di Particelle
RICH2
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Lezione 23
RICH
Richieste per il fotorivelatore:
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
Fotorivelatore
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
Fotorivelatore
Cerchi visti
con particelle
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
Calorimetri
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:
i.
ii.
iii.
Preshower
Calorimetro elettromagnetico a shashlik (ECAL)
Calorimetro adronico a tegole di scintillatore
Rivelatori di Particelle
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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.
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
ECAL
o
o
o
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
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Lezione 23
ECAL
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
Hcal
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
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Lezione 23
Spettrometro dei m
Costituito da camere e ferro .
Rivelatori di Particelle
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Lezione 23
Trigger
Rivelatori di Particelle
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