Comportamento di un modulo
“Silicon Strip Detector”
dell'esperimento Alice:
simulazione e prove con particelle
minimo ionizzanti
Federica Benedosso
Trieste, 10 novembre 2003
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Sommario
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La fisica di Alice
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Il rivelatore Alice
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Il programma di simulazione e risultati
●
Test sotto fascio e analisi dei dati raccolti
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Confronto tra i dati della simulazione e quelli
sperimentali
Calibrazione dei parametri della simulazione
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La fisica: diagramma di fase
●
●
●
●
QGP presente subito dopo il
Big Bang
–
Deconfinamento di quark e
gluoni
–
Ripristino della simmetria
chirale
Scompare con il
raffreddamento
Attualmente presente nelle
stelle di neutroni? (bassa
temperatura, alta densità)
Esperimenti mirano a
riprodurre alte temperature
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La fisica: evidenze del QGP
●
●
Collisioni Pb-Pb per produrre
QGP
5 TeV per nucleone nel centro
di massa
●
2x104 particelle per evento
●
Segnature della QGP
–
Riduzione nella
produzione di J/Y
–
Aumento coppie
elettroniche
–
Aumento della stranezza
STAR @ BNL
➔AuAu
➔200 GeV per nucleone
NA49 @ CERN
➔PbPb bersaglio fisso
➔150 GeV per nucleone
Inizio presa dati: 2007
prove p-p
prove p-Pb
prove Pb-Pb
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Il rivelatore Alice @ LHC
●
Due componenti principali:
–
Parte centrale per lo
studio dei segnali
adronici ed elettronici
Magnete
● TPC
● ITS
● Altri rivelatori
Uno spettrometro
muonico per lo studio
dei quark nella materia
densa
●
–
5
Sistema di tracciamento interno ITS
●
●
Ricostruzione vertici
primari e secondari
Tracciamento particelle
basso impulso
●
Tecnologia al silicio
●
6 layer
–
2 SPD (interni)
–
2 SDD (intermedi)
–
2 SSD (esterni)
6
Silicon Strip Detector
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●
●
●
●
Occupa gli strati più esterni
dell'ITS, r=40cm(748 moduli)
e r=45cm (950 moduli)
Chip di lettura e ibrido
Area=73x40mm², W=300mm
768 strip per lato, passo
95mm, angolo stereo di 35
mrad
x
Risoluzione: 15mm (x) e
700mm (y)
Lettura effettuata da 12 chip,
ciascuno collegato a 128 strip.
Gli ADC convertono la carica
in numero
modulo
y
Microcavi
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Efficienza di ricostruzione
Angolo stereo piccolo
●
●
●
Risoluzioni molto
diverse (15 mm e
700mm)
true
ghost
Riduzione del numero
di ghost (utile per la
molteplicità)
Lettura solo su due lati
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Il programma di simulazione
AliRoot è il framework per la simulazione, la ricostruzione
e l'analisi dei dati di Alice. Integra passaggi compiuti da
programmi diversi
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●
●
●
Produzione dell'evento fisico
Trasporto attraverso i rivelatori (Geant) e produzione
degli hit (informazione che ingloba posizione e energia
rilasciata) GEOMETRIA
Simulazione della risposta (digitizzazione)
GEOMETRIA
Ricostruzione di punti e tracce GEOMETRIA
In ogni passaggio la geometria è fondamentale
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Geometria per il beam test
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●
●
●
Scopo: calibrare la risposta del rivelatore SSD utilizzando i dati
dei beam test
Condizioni della simulazione il più possibile realistiche
➔
Un solo modulo SSD (oppure un telescopio)
➔
Fascio di p a 7 GeV/c
Per introdurre una geometria appropriata, due alternative:
✗
Scrivere programma isolato (Geant)
✔
Utilizzare AliRoot
Grazie alla struttura object-oriented, gli algoritmi di simulazione,
di digitizzazione e di ricostruzione non richiedono modifiche
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Simulazione della risposta 1/2
Conoscendo gli hit si ricostruisce
quale strip viene attivata e con
quale segnale
●
●
●
Perdita di energia "quasi" continua
e produzione coppie
elettrone/lacuna
Le coppie migrano verso le strip
con distribuzione gaussiana
Al segnale viene sommato un
rumore gaussiano
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Simulazione della risposta 2/2
●
●
●
Accoppiamenti capacitivi: a
ciascuna strip viene aggiunta una
frazione del segnale della strip
precedente e di quella seguente
Conversione in canali ADC
Vengono scritti su disco solo i
valori che superano una certa
soglia
Ogni particella attiva più strip
(distribuzione di carica, rumore,
accoppiamenti). L'insieme delle
strip attivate dalla stessa particella
forma il cluster
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Risultati della simulazione
Segnale sulle strip
Rumore
Attivate 2 strip
Dimensione dei cluster
Segnale sui cluster
Cluster di 1 strip
P
Picco principale
P
P
N
N
N
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Prove sotto fascio
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●
●
●
Misure effettuate al Cern
con fascio di p a 7 GeV/c
(minimo ionizzanti) dal PS
10000 particelle/minuto
fascio pulsato (3 burst/min)
250 eventi/minuto raccolti
da 5000 a 20000 ev/run
163 run con modulo singolo
231 run con telescopio
Configurazione de trigger
Studio della risposta dei
moduli: rumore,
alimentazione, scansione
della superficie,
tracciamento
Prove con moduli singoli e
telescopio
Sviluppo di un programma
di analisi specifico
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Il programma di analisi
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Run di rumore: calcolo del piedestallo
I run di rumore servono per conoscere il fondo e analizzare poi il segnale
●
●
●
●
●
Per ciascuna strip, il piedestallo è la media sugli eventi della carica
Per escudere segnali elevati (dovuti al passaggio di particelle) si utilizzano soglie
arbitrarie (piedestallo=0, s=50)
Una strip che produca sistematicamente segnali sopra soglia viene segnalata come non
funzionante
Il calcolo viene iterato usando come soglie il piedestallo e la deviazione standard trovate
precedentemente
Il piedestallo viene sottratto strip per strip ed evento per evento
Dopo
Prima
Lato P
Lato N
Strip non funzionanti
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Run di rumore: common mode
●
●
Il common mode è una variazione di offset legato
al chip di lettura
Si calcola mediando, evento per evento, il segnale
delle 128 strip lette dallo stesso chip
Dopo:
ora è il
RUMORE
Prima
Strip non funzionanti
???
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Run di rumore: alimentazione
●
●
Il rumore varia in funzione della tensione di
alimentazione
Alimentazione ottimale quando il rumore è
minimo
M1
M2
M3
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Run di segnale
●
Calcolo e sottrazione di pedestal e common mode come per i
run di rumore
Metodo iterativo non richiede analisi preliminare di un run di
rumore: aumenta velocità di analisi
●
La forma del cluster è la distribuzione di carica tra le strip;
permette di ricavare gli accoppiamenti capacitivi
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Rapporto segnale/rumore
P
S/N=43
N
S/N=17
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Prove con telescopio
●
●
●
Tracciamento
–
Calcolo della
risoluzione spaziale
–
Risultati preliminari:
x=15mm y=650mm
Moduli diversi:
differenze minori nel
rumore lato P/lato N
Analisi tuttora in corso
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Calibrazione dei parametri
●
●
●
Aumento del fattore di conversione delle coppie
elettrone/lacuna in canali ADC: da 40 a 65 canali
ogni 25000 coppie
Variazione del rumore: vengono utilizzati i valori
misurati. Sul lato N il valore è doppio rispetto al
lato P
Aumento degli accoppiamenti capacitivi (dal 2%
a fino al 7%), utilizzando i rapporti ottenuti dallo
studio della forma del cluster
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Confronto dopo la calibrazione
Segnale singola strip
???
Dimensione cluster
Segnale cluster
Simulazione
Dati sperimentali
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Conclusioni
●
●
Sono stati calibrati il fattore di conversione, il rumore e gli
accoppiamenti capacitivi
–
La distribuzione del segnale dei cluster viene riprodotta
–
La forma dei cluster viene riprodotta nell'andamento
–
La distribuzione di carica sulle strip è ancora molto
diversa
La calibrazione è soddisfacente, ma si può migliorare il
modello (es. rete capacitiva)
●
Moduli in fase di ridisegno per il problema del rumore
●
Analisi dei run con telescopio ancora in corso
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Run di segnale: ricerca dei cluster
●
●
Due metodi implementati
–
Utilizzo di una soglia per isolare eventi associati al
passaggio di particelle e un'altra (eventualmente più
bassa) per le altre strip del cluster
–
Metodo geometrico: ogni strip incrocia determinate
strip del lato opposto: il cluster viene ricostruito solo
se c'è corrispondenza geometrica tra i due lati
I metodi implementati danno risultati analoghi
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Confronto con la simulazione
Segnale singola strip
Dimensione cluster
Segnale cluster
Simulazione
Dati sperimentali
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