CMS a LHC
Dott. Andrea Gozzelino
MATRICOLA: 1017719
UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PADOVA
SCUOLA DI DOTTORATO IN FISICA
CICLO XXVI – ANNO 2011
Corso «STRUTTURA NUCLEARE CON STRUMENTAZIONE GAMMA AVANZATA»
ESAME ORALE
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 1
SOMMARIOAcceleratore LHC
Esperimento CMS
Rivelatore ECAL
Trigger e acquisizione dati (DAQ)
Operazioni sperimentali
Analisi dei dati
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 2
CMS
LHCb
ATLAS
ALICE
Large Hadron Collider (LHC)
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 3
Caratteristiche di LHC Acceleratore circolare di particelle Collisionatore protone-protone o ioni Pb-ioni Pb
Energia di disegno nel centro di massa √s = 14 TeV
Luminosità istantanea di disegno L = 1034 cm-2s-1
Intervallo di tempo di disegno tra bunches ∆T = 25 ns
Condizioni di operatività nel 2011 Fasci di protoni da marzo a ottobre
Energia nel centro di massa √s = 7 TeV
Luminosità istantanea L ~ 1033 cm-2s-1
Intervallo di tempo tra bunches ∆T = 50 ns
Intensità dei fasci di protoni I(B1,B2) ~ 1014
1380 bunches per fill
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 4
Picco di luminosità istantanea: 3.55*1033 cm-2s-1 nel fill 2256 in data 26 ottobre 2011Massima luminosità integrata rilasciata in un fill:123 pb-1 nel fill 2219 in data 16 ottobre 2011Massima luminosità integrata rilasciata in un giorno: 136 pb-1 il 13 ottobre 2011Massima luminosità integrata rilasciata in una settimana: 538 pb-1 nella settimana 41Massima luminosità integrata rilasciata in un mese: 1614 pb-1 in ottobre 2011Fasci stabili per 1364 ore nel 2011
Luminosità integrata rilasciata nel 2011 5.74 fb-1
Luminosità integrata raccolta da CMS nel 2011 5.21 fb-1 (90.8 %)
LHC nel 2011
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 5
Layout di LHC
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 6
Fasi di iniezione a LHC
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 7
Ciclo di vita dei fasci a LHC
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 8
LHC pagina 1
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 9
Compact Muon Solenoid (CMS)Esperimento con obbiettivi di ricerca generali
ricerca del bosone di Higgs SM o MSSM nella regione di massa 100 GeV < √s < 1 TeV
informazioni sulla supersimmetria e altre teorie oltre il modello standard
ricerca di nuovi bosoni vettoriali massivi (Z’)
Caratteristiche
Copertura dell’intero angolo solido 4π
Rivelatori in grado di riconoscere maggior numero possibile di particelle e segnature
Disegno compatto e modulare
Solenoide superconduttore
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 10
CMSCalorimetro
adronicoSolenoide
superconduttore
Calorimetro elettromagnetico
Tracciatore
Rivelatore di muoniCompact Muon Solenoid
Calorimetro adronico in
avanti
Lunghezza 21,5 m
Diametro 16 m
Peso 12500 t
Campo magnetico 4 T
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 11
CMS: identificazione di particelle
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 12
H → γγ se mHiggs < 150 GeV
221
221 )()( γγγγγγ ppEEM +−+=
Risoluzione in energia
Calibrazione
)cos1(2 21 ϑγγγγ −= EEM
Risoluzione spaziale
Granularità
H ZZ* 4 leptoni carichi
se 150 GeV < mHiggs < 2 Mz
H ZZ 4 leptoni carichi
se 2 Mz < mHiggs < 700 GeV
Canale di ricerca Hγγ
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 13
Risoluzione in energia
S termine stocastico include fluttuazioni di energia nello sciame,statistica dei fotoni nel fotorivelatore, perdite;
N termine di rumore nella catena elettronica di lettura, corrente di buio, pile-up;
C termine costante include miscalibrazioni, non uniformità nella generazione o raccolta del segnale, perdita di energia in materiale morto, instabilità (temperatura, tensione).
Barile Tappi
TEST in situ
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 14
Calorimetro elettromagnetico ECALIl calorimetro elettromagnetico (ECAL) è posto tra il rivelatore di tracciamento ed il calorimetro adronico, all’interno di un campo magnetico di 4 T e in un ambiente caratterizzato da un elevato livello di radiazione.
Dose attesa per ECAL in 10 anni di attività :
60kGY con un flusso di neutroni di 7*1014 n/cm2 ad η = 3
2kGY con un flusso di neutroni di 3*1013 n/cm2 ad η = 0 ÷1.5
E’ un calorimetro omogeneo costituito da cristalli di tungstato di Pb
TAPPI
4 Dee
14648 cristalli con VPT
734 VFE per Dee
156 Supercristalli per Dee
BARILE
36 Supermoduli (SM)
61200 cristalli con APD
1700 cristalli/SM
340 VFE per SM
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 15
ECAL
Lunghezza: 7.8 m
Raggio interno: 1.29 m
Raggio esterno: 1.75 m
Numero di cristalli: ~76000
Massa totale ~90 t
Geometria di ECAL
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 16
Cristalli di tungstato di piombo (PbWO4)
lunghezza ~ 22 cm ;
sezione trasversale (22x22) mm2 ;
alta densità 8.3 g*cm-3 ;
lunghezza di radiazione 0.89 cm ;
raggio di Molière 2.2 cm ;
80 % luce emessa in 25 ns (materiale veloce);
variazione di temperatura a 18 °C di –1.9% ;
resa luminosa limitata (≈ 50 fotoni/MeV).
Cristalli di ECAL
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 17
Fotorivelatori di ECALAvalanche Photo Diode (barile)
area attiva (5*5)mm2
2 APD in parallelo per ogni cristallo
tensione di lavoro 350 V
guadagno elevato (50)
Vacuum Photo Triode (tappi)
fototriodi con un singolo stadio di guadagno, anodo in rame sottile (10 µm)
diametro 25 mm
risposta condizionata dal campo magnetico
resistenza a radiazione intensa
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 18
Il segnale
Segnale → Ampiezza →
Energia depositata nel cristallo
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 19
Trigger Tower di ECAL
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 20
Very Front End (VFE) Ospita 5 canali di lettura, corrispondenti a 5 cristalli. Legge un segnale di carica, lo amplifica e lo digitalizza. Emette un segnale elettronico in bits, verso la scheda Front-End.
Photo-detector
APD / VPT
12 bits
2 bits1
6
12
MGPA
LOGIC
Multi-channel ADC
(AD41240)
HV
PreampGain LVDSADC
ADC
ADC
To FE
To mother boardLNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 21
Calibrazione in laboratorio per VFESi vuole misurare:
il piedestallo e il rumore nei 3 diversi guadagni;
i 3 guadagni in ADC/pC;
la calibrazione relativa tra canali ;
i rapporti di guadagno (G12 /G1 e G6/G1) ;
la linearita' (residui rispetto alla retta di calibrazione).
Segnale per diverse cariche iniettateSegnale per diverse cariche iniettate
Rette di calibrazioneRette di calibrazione
Picc
o (c
onte
ggi A
DC
)
Carica (pC)
Fit con polinomiale di 3° grado
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 22
Fasi di calibrazione di ECAL
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 23
Architettura del trigger di CMS
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 24
DAQ componenti hardware
Sostituisce switch da 500 porte8Efficienza
Flessibilità
Super frammenti
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 25
Struttura cDAQFM = Function Manager
RU = Readout Unit
BU = Builder Unit
FU = Filter Unit
EP = Event processor
SM = Storage Manager
FRL = Frontend Readout Link
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 26
Run Control Monitoring System (RCMS)
13 sotto sistemi
Sviluppato ai LNL e usato per esperimenti locali
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 27
FM Level 0 GUISviluppato ai LNL/Padova
AGATA usa una GUI sviluppato da un gruppo polacco con diverso protocollo di comunicazione ma analoga impostazione
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 28
FM L0 pannello di controllo
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 29
aDAQ monitor
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 30
Storage Manager page1
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 31
Schermi della postazione del cDAQ shifter in sala di controllo
al P5 - CERN
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 32
Situazione della macchina LHC
Situazione acquisizione dati (DAQ)
Note su presa dati
CMSSW software basato sul linguaggio C++, usato online e offline
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 33
Data taking conditionsShift leader ELOG message
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 34
Dati e loro utilizzoImmagazzinamento dei dati al Tier 0 presso il CERN
Distribuzione ai Tier 1 nazionali (in Italia CNAF a Bologna)
Distribuzione ai Tier 2 (come LNL)
Accesso ai dati collocati nei vari Tier2 attraverso protocolli (come dcap) per le analisi
'dcap://t2-srm-02.lnl.infn.it/pnfs/lnl.infn.it/data/cms/store/user/slacapra/Hbb/MuHad-May10ReReco-v1/patTuple_1_1_EIQ.root'
Ricerca del bosone di Higgs MSSM nel decadimento h bb(bar)
Analysis Note su cui lavora il gruppo CMS Padova/Trento/LNL
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 35
Tier2 @ LNLIl centro di calcolo ospita anche storage degli esperimenti locali, come AGATA.
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 36
Collaborazione CMS
Collaborazione CMS > 3000 persone
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 37
CMS P5 – luglio 2006 CMS P5 – luglio 2008
G
R
A
Z
I
E
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 38
Bibliografia• Elettronica di Front End del calorimetro elettromagnetico
Tesi di laurea triennale di Andrea Gozzelino – Torino, 26 luglio 2006
• Presentazioni del tutorial per central DAQ shifter – CERN, gennaio 2011
• Performance of the Monitoring Light Source for the CMS Lead Tungstate Crystal Calorimeter di Liyuan Zhang,David Bailleux, Adolf Bornheim, Kejun Zhu, and Ren-yuan Zhu– IEEE numero 4 volume52 agosto 2005
• CMS NOTE AN-11-204
RingraziamentiGruppo CMS LNL (dott. Gaetano Maron, dott. Michele Gulmini, dott. Massimo Biasotto, dott. Sergio Fantinel, Nicola Toniolo)
Gruppo CMS Padova (prof. Ugo Gasparini, dott. Stefano Lacaprara)LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 39
Back up slides
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 40
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 41
CMS
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 42
Mother Board (MB)
Le MB sono disposte sopra i cristalli; sono 68 per ogni supermodulo. Ciascuna MB è connessa con 25 cristalli via kapton flessibile; 5 kapton sono collegati a sensori di monitoraggio della temperatura. Sono schede totalmente passive che creano una superficie piana su cui installare l’elettronica. Esse instradano il segnale dal fotorivelatore alle VFE, distribuiscono alta tensione (HV) ai fotorivelatori e bassa tensione (LV) alle VFE.
Connettore x LVB
KaptonConnettori x VFE
Pettini verso APDLNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 43
Very Front End (VFE) Ospita 5 canali di lettura, corrispondenti a 5 cristalli. Legge un segnale di carica, lo amplifica e lo digitalizza. Emette un segnale elettronico in bits, verso la scheda Front-End.
Photo-detector
APD / VPT
12 bits
2 bits1
6
12
MGPA
LOGIC
Multi-channel ADC
(AD41240)
HV
PreampGain LVDSADC
ADC
ADC
To FE
To mother boardLNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 44
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 45
Schema test in situ dei cristalli con laser
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 46
Z ee con dati 2010
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 47
Low Mass Higgs Search : H γγ
γ1= 86 GeV
γ2=56 GeV
Signature: 2 energetic,isolated γ, narrow mass peakBackground: Large & partly irreducible QCD. Measured from Mγγ sidebands in data
• Data divided in 8 categories depending on γγ mass resolution & their PT
• Background shape fitted by 2nd order polynomial constrained to be positive
• Signal shape : Sum of 3 Gaussians, parameters determined from Z ee data
Simulated data not used in analysis
48
Unconverted γγ, both in ECAL barrel
1 converted γ, both in ECAL barrel
1 converted γ, one in ECAL endcap
Unconverted γγ, one in ECAL endcap
Low Mass Higgs Search : H γγ
LEEProb. to observe max. excess as large as seen in data = 0.05 (1.7σ)
CMS Prelim
≅ 2- 4×SM
49
LNL, 30 novembre 2011 Andrea Gozzelino 50