Decadimenti di mesoni K per
la ricerca di nuova fisica oltre
il Modello Standard
Mauro Piccini
INFN Perugia
Perugia – 30 Marzo 2011
Sommario
 Breve introduzione
– Il sistema de mesoni K e la violazione di CP
– Decadimenti rari dei K nel Modello Standard e oltre
L’esperimento NA62
_
BR(K+p+nn)
– Il nuovo apparato sperimentale per la misura di
– NA62 fase I: la misura di RK = Γ(K± →e± ν) / Γ(K± →μ± ν)
 Attività del gruppo di Perugia
– Il RICH (Ring Imaging CHerenkov detector) di NA62
– Test su prototipi al CERN e a Perugia
– Il read-out del RICH, contributo al trigger di NA62
Perugia, 30 Marzo 2011
2
Mauro Piccini – INFN Perugia
Mixing di quark nello SM
Per i quark gli stati di massa non
corrispondono agli autostati di sapore
Matrice CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) :
• Elementi diagonali non nulli
 Violazione del sapore
(angolo di Cabibbo, GIM)
• Con 3 (o più) famiglie di quark:
 Violazione di CP nello SM
 d '   Vud Vus Vub  d 
  
 
s
'

V
V
V
s
cd
cs
cb
  
 
 b '   V V V  b 
ts
tb  
   td
Perugia, 30 Marzo 2011
C= operatore carica, inverte la carica dello stato
P= operatore parità, inverte le coordinate spaziali
Imponendo l’unitarietà della matrice CKM:
Nf =2 Nfasi= 0  No Violazione di CP
Nf =3 Nfasi= 1  Violazione di CP possibile
3
Mauro Piccini – INFN Perugia
Violazione diretta di CP
L’origine della violazione di CP può essere imputata all’interazione debole nell’ambito
del Modello Standard oppure si può introdurre una nuova interazione ad hoc (teoria
superdebole)
Uno dei sistemi ideali per studiare la violazione di CP è quello dei K neutri
_ _ _
Definendo gli autostati di sapore come K0=sd e K0=ds, gli autostati di CP sono:
Decade in 2p per
conservare CP
(vita media corta)
Decade in 3p per
conservare CP
(vita media lunga)
Già nel 1964 evidenza sperimentale di violazione
di CP, ridefinizione degli autostati di massa:
Nell’ambito del Modello Standard è prevista
l’esistenza della violazione diretta di CP,
la componente a vita media lunga K2 decade in 2p
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
NA48
Violazione diretta di CP nei
decadimenti dei K neutri
Re(e’/e) = (14.7 ± 2.2) x 10-4
Misura di parametri di Violazione di CP
NA48
NA48/1
Decadimenti rari del KS, prima
osservazione e misura del BR di
KS  p0e+e- e KS  p0m+m-
NA48/2
Ricerca di violazione diretta di CP
nei decadimenti K±→ 3p
Misura delle lunghezze di scattering pp
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Decadimenti rari di K
Le relazioni per l’unitarietà della matrice CKM possono essere espresse in termini di
triangoli nel piano complesso; a questo scopo conviene usare la parametrizazione di
Wolfenstein:
Vus ~ l
Vcb ~ l2 A
Vub ~ l3 A(r- ih)
Vtd ~ l3 A(1-r- ih)
Ci sono sei relazioni da soddisfare per l’unitarietà, e quindi sei triangoli, in particolare:
VudV*ub + VcdV*cb + VtdV*tb = 0
Golden modes
CP
lt = Vtd V*ts
Im lt = A2 l5 h
Re lt = A2 l5 r
Perugia, 30 Marzo 2011
VcdV*cb
KL →π0μ+μ–
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Il decadimento K+p+n n
_
Nell’ambito dello SM
il processo è descritto con
diagrammi a un loop definiti
diagrammi a pinguino:
Nel calcolo teorico del BR, le incertezze dovute all’elemento di matrice
adronico vengono inglobate in un termine già ben misurato
- BR(K+p0e+n) - la restante parte dell’errore teorico deriva dai
parametri della matrice CKM:
_
+
+
BR(K p n n)  (1.6×10-5)|Vcb|4[sh2+(rc-r)2]  (8.5 ± 0.7)×10-11
Decadimento sensibile a nuova fisica oltre lo SM, si possono testare
indirettamente scale fino a Λ~100 TeV (complementare rispetto a LHC);
molte le teorie in cui è previsto un BR maggiore:
 Minimal Flavour Violation (MFV)
 Minimal Supersymmetric extension of SM (MSSM)
 Light Higgs Theory (LHT)
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Stato dell’arte
Due esperimenti a BNL (Brookhaven
National Laboratory-USA) dal 1997 al
2004, 7 candidati identificati in totale
(di cui 4 compatibili con il fondo):
• K+ fermati su un bersaglio circondato dal rivelatore
• Accettanza molto bassa, ~ 0.1%
_
Compatibile
+
+
+1.15
-10
BR(K → p nn ) = (1.73
-1.05)× 10
Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 191802
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con lo SM
Mauro Piccini – INFN Perugia
L’esperimento NA62
Collaborazione NA62
Bern ITP, Birmingham, Bristol, CERN, Dubna, Ferrara, Fairfax, Firenze, Frascati, Glasgow, IHEP, INR, Liverpool, Louvain,
Mainz, Merced, Napoli, Perugia, Pisa, Roma I, Roma II, San Luis Potosi, SLAC, Sofia, TRIUMF, Torino
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Schema del rivelatore



Decadimenti di Kaoni in volo da un fascio “non separato” a 75 GeV/c,
prodotto da un fascio di protoni a 400 GeV/c estratto dall’SPS contro
un bersaglio fisso di berillio (fascio a ~800 MHz, ~6% kaons)
Le particelle non decadute viaggiano nel tubo a vuoto centrale
Goal: misura di O(100) eventi in 2 anni di presa dati riducendo
l’errore sistematico fino al livello di qualche %
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Tecnica di misura
Rispetto a un esperimento con decadimenti da
K fermi:
Vantaggi:
Più facile rivelare fotoni da decadimenti di fondo
Più facile avere fasci ad alta intensità
Svantaggi:
Rivelatore e regione di decadimento di grandi
dimensioni
Necessità di misurare l’impulso di ogni K
Fascio non separato di adroni
Punti chiave:
1. Reiezione cinematica
2. Veto
3. Trigger ad alte prestazioni
4. Identificazione delle particelle (PID)
Segnale difficile da identificare e raro: BRSM=8x10-11
Potenzialmente alta contaminazione da altri decadimenti di K
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Reiezione cinematica /I
Pp
PK
2
miss
m
92% del fondo
cinematicamente
separabile dal segnale
pK
Pn
Pn


Pp 
PK 
2



 - PK Pp p2K
 m 1 +
m
1
p

PK 
Pp 


2
K
La variabile fondamentale è la massa mancante, utilizzata per definire
due regioni di segnale poco popolate dal fondo
 Estremamente importante avere buona risoluzione nella ricostruzione
della massa mancante
 Necessario misurare sia l’impulso del kaone che quello del pione
 Ridurre il materiale (specialmente nella zona dello spettrometro
magnetico) per minimizzare lo scattering multiplo
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Reiezione cinematica /II
Il Gigatracker:
18000 pixel, rate di 150 kHz per ogni
singolo pixel nella zona centrale
Misura dell’impulso in un fascio ad alta
intensità → 3 stazioni inserite in un
sistema di dipoli
Rivelatore sottile→200 mm di spessore per
i pixel e 100 mm per il chip del readout
chip (<0.5% X/X0 per stazione)
Ottima risoluzione temporale per stringere
le finestre di coincidenza con gli altri
rivelatori→ risoluzione temporale minore
di 200 ps raggiunta in test già effettuati
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Reiezione cinematica /III
Spettrometro magnetico funzionante in
vuoto per ridurre lo scattering multiplo
4 camere con 4 viste (piani di tubi)
(ridondanza)
Magnete Ptkick = 256 MeV/c
Tubi a straws lunghi 2.1 m, fatti di mylar
spesso 9.6 mm (<0.1% X/X0 per vista)
Foro centrale per far passare le particelle
non decadute del fascio (raggio 6 cm)
Prototipi già testati al CERN nel 2007 e
nel 2010
s(Pp)/Pp~ 0.3% 0.007%*Pp (GeV/c)
s(dX/dZ)/(dX/dZ)~ 45-15 mrad
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Veto e PID
8% di decadimenti dei K (potenziale
fondo) non è cinematicamente
separabile dal segnale (+ code di
risoluzione)
La reiezione di questi decadimenti si
basa esclusivamente sui sistemi di
veto e sulla PID
Richieste per il sitema di veto:
Grandi angoli (8.5-50 mrad): inefficenza <10-4
Angoli intermedi (1-8.5 mrad): inefficienza <10-5
Angoli piccoli (<1 mrad): inefficienza <10-3
Richieste per la PID:
Identificazione dei K nel fascio iniziale prima del loro decadimento
Separazione p-m: probabità di errore id ID minore di 10-2
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Veto a largo angolo (LAV)
12 stazioni (ad anello) lungo la regione di
decadimento (in vuoto)
Piena copertura angolare fra 8.5 e 50 mrad
I vetri-pimbo del calorimetro
dell’esperimento OPAL sono stati
riutilizzati
Piu di 2500 cristalli (canali) in totale
Blocchi controllati e testati a Frascati:
inefficienza < 10-4 per positroni a 476 MeV
risoluzione temporale di 700 ps
3 anelli già costruiti
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Veto ad angoli intermedi
Fra 1.5 e 8 mrad viene riutilizzatto il vecchio calorimetro
elettromagnetico a kripton liquido di NA48

Più di 13000 celle quasi omogenee (poco materiale passivo)


27 lunghezze di radiazione X0

Ottima risoluzione nella misura dell’energia

Ottima risoluzione temporale (200 ps)

Read-out completamente nuovo con ADC a 14 bits 40 MHz
Le prestazioni come
rivelatore in veto sono
state misurate con un
presa dati dedicata ed
un fascio di K a 75
GeV
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Veto a piccoli angoli
Tre piccoli rivelatori fanno parte di questa categoria:
 CHANTI: Posizionato dopo l’ultima stazione del Gigatracker per
rivelare particelle provenienti da interazioni del fascio nei collimatori e
nel Gigatracker stesso
 IRC: Per rivelare i fotoni in prossimità del tubo a vuoto dove passano
le particelle del fascio non decadute, posizionato prima dell’LKr
 SAC: Posizionato alla fine dell’aria sperimentale, per rivelare i fotoni
che passano attraverso il foro centrale dell’LKr
Per tutti e tre i rivelatori la ricerca e lo sviluppo sono in fase avanzata,
alcuni prototipi sono già stati prodotti
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
PID dei K del fascio
Scopo: Identificazione del Kaone
nel fascio non separato per
associarlo temporalmente ai prodotti
di decadimento rivelati a valle.
Questo permette di rilasciare le
condizioni sullo scattering multiplo
nel gas residuo presente nella zona
di decadimento ( è sufficiente
ottenere un vuoto a livello di
10-5 mbar).
Tecnica: Rivelatore Cherenkov differenziale (il radiatore e H2)
Riutilizzabile un vecchio rivelatore costruito al CERN negli anni ’70
Nuovo readout (fotomoltiplicatori e elettronica di lettura)
Nuovo sistema di specchi deflettori per diminuire il rate sul singolo
canale in lettura
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Identificazione di m
Dopo il calorimetro elettromagnetico ci sono dei blocchi di ferro ai quali
sopravvivono solo i m
MUV1-2: Identificano il muone e contribuiscono alla reizione di
decadimenti con m nelo stato finale (assieme al RICH)
MUV3: Identificazione veloce dei m a scopi di trigger, moduli di
scintillatore con superficie 22x22 cm2 letti da 2 PM
Risoluzione temporale migliore di 1 ns gia raggiunta in test su fascio
MUV 3
MUV 1-2
LKr
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Trigger e acquisizione dati
• L0: Trigger
L0
hardware, scelta
10 MHz
basata su segnali
RICH
MUV
CEDAR STRAWS LKR
LAV
veloci prodotti dai
sistemi di lettura
1 MHz
• L1: Trigger
1 MHz
1 MHz
software basato sulle
L0TP
informazioni
provenienti da
PC
PC
PC
PC
PC
PC
singoli rivelatori
(più dettagli, migliori
GigaEth SWITCH
risoluzioni)
• L2: Trigger
PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC PC
Software basato sui
dati di tutti i
L0 trigger
O(KHz)
Trigger primitives
rivelatori
CDR
PC
PC
PC
PC
Data
(informazioni
correlate)
L1
L
2
EB
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
NA62: proiezioni
4.8·1012 decadimenti per anno (ragionevole, circa 4 mesi di presa dati)
 flusso x50 rispetto a NA48 (con la stessa intensità di protoni dall’SPS)
 reiezione p0 a livello di 2·108
 Accettanza per il segnale O(10%)
 Assunzione: 100% efficienza di trigger

Perugia, 30 Marzo 2011
22
Mauro Piccini – INFN Perugia
NA62 fase I
Definizione di RK=Γ(K± →e± ν) / Γ(K± →μ± ν)
 Test dell’Universalità Leptonica e
dell’accoppiamento V-A
RK e SUSY:
Masiero, Paradisi, Petronzio
(hep-ph/0511289 PRD74,2006)
 Predizione accurata del Modello Standard: violazioni supersimmetriche del
2


2 
2
2 
sapore leptonico (SUSY LFV)
(K  e n e ) me  m K - me 
(
)
RK =

1
+

R
QED
possono modificare il valore di
(K   m n m ) mm2  m K2 - mm2 
Rk del 2-3 %
= (2.477 ± 0.001)  10-5
V. Cirigliano, I. Rosell (JHEP 0710, 2007, 005)
RKSUSY = RKSM · (1+RSUSY)
con |RSUSY| ~ 2-3%
Misura con parte dei dati
raccolti nel 2007 ad hoc:
In accordo con lo SM
Perugia, 30 Marzo 2011
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Phys.Lett.B698:105-114,2011
Mauro Piccini – INFN Perugia
Il RICH di NA62
Per ridurre il fondo del decadimento K+  m+n a livello del % rispetto
al segnale e necessario un fattore di soppressione 10-12, fattore
raggiungibile se oltre alla cinematica e al MUV (già visti) si utilizza un
RICH (Ring Imaging Cherenkov detector) .
La costruzione e il funzionamento del RICH di NA62 sono sotto la
responsabilità dei gruppi di Perugia (G. Anzivino, P. Cenci, E. Marinova,
M. Pepe, R. Piandani, M. P.)
Il RICH sarà determinante anche nella decisione del trigger di primo
livello (hardware) per decidere se gli eventi saranno acquisiti (trigger di
molteplicità).
Inoltre misurerà il tempo di transito dei prodotti di decadimento carichi
da associare ai K carichi tracciati nel Gigatracker e identificati nel
CEDAR
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Principio di funzionamento
Il RICH rivela i fotoni prodotti per effetto C. da particelle cariche che
viaggiano in un mezzo a velocità maggiori della luce nel mezzo stesso.
L’angolo di emissione di tali fotoni rispetto alla direzione della particella
può essere messo in relazione alla velocità della particella stessa.
Il RICH permette di misurare l’angolo Cherenkov dei fotoni emessi e
quindi la velocità della particella tramite la ricostruzione dell’anello che
si ottiene se si rivelano i fotoni nel piano focale di uno specchio sferico
che li ha riflessi.
Se si misura indipendentemente l’impulso della particella (con uno
spettrometro) si può risalire alla massa della particella e quindi
identificarla.
Perugia, 30 Marzo 2011
25
Mauro Piccini – INFN Perugia
Schema
Vessel:
Mirror Mosaic
~18 m long,
17 m focal length
~3.7 m diameter
2 x ~1000 PMT
Beam
Filled with Neon
Perugia, 30 Marzo 2011
Beam Pipe
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Caratteristiche del RICH
Mezzo radiatore: Neon a pressione atmosferica
 (n-1) = 62.8 x10-6 a l=300 nm (bassa dispersione)
 basso peso atomico  X0 piccola  riduzione dello
scattering multiplo
 p2soglia = m2/(n2-1) = (12 GeV/c)2 per p
Specchi: Forma esagonale
 inscritti in cerchio di diametro 70 cm
 17 m di lunghezza focale, 18 specchi + 2 semiesagonali al centro
Fotomoltiplicatori: Hamamatsu R7400 U03
Collettori di luce: Coni di Winston
 18 mm di diamentro
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Prototipi del RICH
2 prototipi testati su fascio nel 2007
(RICH-100) e nel 2009 (RICH-400);
utilizzato sempre lo stesso cilindro
lungo ~18 m e di diametro ~60 cm
riempito con Ne a 1 atm.
Provati 2 specchi con f=17 m, d=50
cm, e spessore 2.5 cm
Perugia, 30 Marzo 2011
Prototipo RICH-100:
 96 PM Hamamatsu R7400 U03/U06
 Misura risoluzione temporale e scelta PM
Prototipo RICH-400:
 414 PMT Hamamatsu R7400 U03
 Misura della separazione p-m
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Risultati del test 2009
Raggio anello
Illuminazione PM @15 GeV
@15 GeV
p
e
@35 GeV
“m”
Il “µ” @ 15 (35) GeV/c in realtà è un π @ 20 (46.2) GeV/c
Fattore di soppressione
integrato per m: ~0.7%
Risoluzione temporale
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Attività recenti sul RICH
I test del 2007 e del 2009 hanno evidenziato che le prestazioni necessarie
per il RICH di NA62 sono raggiungibili e che la tecnica di costruzione è
adeguata allo scopo e fattibile.
Nucl. Instrum. Meth. A 593 (2008) 314.
Nucl. Instrum. Meth. A 621 (2010) 205.
Attualmente, per quanto riguarda il gruppo di Perugia, il lavoro prosegue
sui seguenti argomenti:
 Analisi di parte dei dati del test del 2009
- Effetti di contaminazione del Neon
- Riflettività dei coni di Winston
 Completamento e ottimizzazione del Monte-Carlo di NA62
- Librerie per la simulazione veloce del RICH
- Simulazione completa del LKr
 Studi sul funzionamento dei fotomoltiplicatori immersi nel Neon
 Implementazione del Read-out del RICH e della parte di Trigger basata sul RICH
 Test e caratterizzazione dei fotomoltiplicatori
Perugia, 30 Marzo 2011
30
Mauro Piccini – INFN Perugia
PM immersi nel Neon
Configurazione base:
Nuova configurazione:
La finestra di quarzo (incollata alla
flangia) garantisce la separazione fra il Ne
nel cilindro e l’aria nella zona dei PM.
Tuttavia la presenza della finestra
introduce due riflessioni parziali,
riducendo di circa il 10% il numero di
fotoni che raggiungono i PM.
I PM sono immersi nel Neon, la separazione
fra Ne e aria è garantita da un feed-through
che garantisce anche la connessione elettrica
fra partitore e PM.
Da provare:
 Tenuta
 Assenza di scarica (200V fra 2 mm in Ne)
Perugia, 30 Marzo 2011
31
Mauro Piccini – INFN Perugia
Il separatore
Essenziale il contributo
dell’officina meccanica e del
laboratorio di elettronica per la
preparazione e la realizzazione dei
componenti utilizzati nelle
verifiche in laboratorio
Durante i test di tenuta preziosa la
collaborazione del Prof. Sacchetti
Perugia, 30 Marzo 2011
32
Mauro Piccini – INFN Perugia
Risultati
La realizzazione di un separatore che garantisca la purezza del Ne è
possibile.
Tuttavia con i PM immersi nel Neon sono state misurate scariche già a
700 V (punto di lavoro a 900 V).
Lasciando contaminare il Neon dall’aria le scariche iniziano già a partire
da 500 V.
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
La catena di readout
Nel nostro laboratorio abbiamo implementato (in scala, 24 canali rispetto
ai 2000 finali) l’intera catena di read-out del RICH
TDC
Scheda gestione dati
PC di acquisizione
Distributore HV
Preamplificatori
Discriminatori
HV
Flangia PM
Generatore del clock
Perugia, 30 Marzo 2011
Camera contenimento del laser
34
Mauro Piccini – INFN Perugia
Risoluzione temporale PM
Il sistema permette di verificare le risoluzioni temporali e le efficienze
dei 2000 fotomoltiplicatori che saranno utilizzati nel RICH
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
TELL1/TEL62
E’ il cuore del sistema di lettura e di trigger
Carte con TDC
CPU (linux SLC4)
4 porte Gb
FPGA (Field programmable Gate Array)
Per la gestione dei dati provenienti dai TDC
Perugia, 30 Marzo 2011
36
FPGA per la gestione dati
Mauro Piccini – INFN Perugia
TEL62
Tell1  sviluppata per LHCb
Nucl Instrum Meth A 560 (2006) 494.
Tel62 nuova versione per NA62:
 + unità logiche nelle FPGA (a parità di connessioni)
 memorie DDR2 per la scrittura temporanea dei dati più capienti
Oltre a gestire la ricezione dei tempi misurati dai TDC, provvede al
riordino e all’impacchettamento dei dati e alla loro spedizione ai PC di
acquisizione attraverso le porte Gbit ethernet.
Nelle FPGA saranno implementati algoritmi di selezione veloci che
contribuiranno al trigger di livello 0 (L0) dell’intero esperimento
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia
Work in progress!
Perugia, 30 Marzo 2011
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Mauro Piccini – INFN Perugia