il rivelatore compact muon solenoid di lhc · al silicio, 10 m strips, 10 pts, r = 20 – ... pixel...
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Il rivelatore Compact Muon Solenoid di LHC
Il rivelatore Compact Muon Solenoid di LHC
Amedeo StaianoIstituto
Nazionale
di
Fisica
Nucleare
Amedeo StaianoIstituto
Nazionale
di
Fisica
Nucleare
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Obbiettivi e SfideObbiettivi scientifici: CMS e’
un General Purpose Experiment, disegnato
per trovare
risposte
a molti
degli
interrogativi
irrisolti
dall’attuale
teoria
delle
interazioni
fondamentali
(lo “Standard model”): bosone
di
Higgs, supersymmetrie, Z’…
Extra dimensioni
rispetto
allo
spazio-tempo: gravitoni, buchi
neri, etc., ?
Caratteristiche dell’apparato sperimentale:• eccellente
identificazione, misura
della
carica, misura
dell’impulso(Δp/d<10%), capacita’
di
triggering dei
muoni
prodotti
con energie
di
O(1TeV)•
eccellente
identificazione
e misura
di
energia
di
elettroni
e fotoni
(risoluzione
del 0.5% @ ET
~50GeV), trigger• tracciamento
interno
con alta
risoluzione
spaziale• ermeticita’
dell’apparato• costo
Condizioni al contorno:•
Opertivita’
ad alta
frequenza: 109
collisioni
p-p/sec. I fasci
si
incrociano
alla
frequenza
di
40MhZ, il
trigger ne
seleziona
100kHz•
alta
molteplicita’
di
tracce, ~ <20> eventi
sovrapposti
per bunch, ~ 103
tracce
prodotte
ogni
25 ns elevato
numero
di
canali
(~ 100 M ch)•
resistenza
alle
radiazioni
(dose int. in 10 anni
~10Mrad) per rivelatori
e elettronica
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Compact Muon Solenoid
~2400 Scientific Authors38 Paesi175 IstitutiINFN e Univ.Torinocont.
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Il tracciamento interno
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Il tracciamento interno
La sfida: ricostruire
la traccia
di
1000 particelle
che
vengono formate
ogni
25nsec (ad ogni
interazione)
Flue
nza
dopo
10 a
nnid
iope
razi
oni
L’evoluzione
della
tecnologia
ha reso
possibile
la scelta
di
realizzare
l’intero
tracciatore
interno
(~250m2) con rivelatori
al silicio
• tecnologia
6 pollici•
implementazione
industriale
di
tecnologie
sub micron per la realizzazione
dei
VLSI di
FE•
automatizzazione
nei
laboratori
internazionali
dei
processi
di
assemblaggio
e bonding dei
moduli•
riduzione
dei
costi
di
produzione
di
riv
al Si
/ unit area
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Il “Tracker”
TOB
TIDTIB
TEC
Pix
120 cm
300 cm
Sezione
trasversale dei
rivelatori
costituenti
il tracciamento
interno
“Inner tracker”
PIX ~ 1 m2
di
sensori
al silicio, 65 M pixels, 100x150 μm2
, r = 4, 7, 11 cmTOB, TEC, TIB, TID 223 m2 di
sensori
al silicio, 10 M strips, 10 pts, r = 20 –
120 cm
Strip pitch da
80μm (TIB) fino
a 180μm (TOB). Spessore
del rivelatore
inner- outer 300-500μm.
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Il “Tracker”
digitaloptical link
Optical transmitter
��������
�������������
ADC
RAMTTCrx
TTCrx µPFront End Driver
T1
Front End Controller
I2C
Front End ModuleDetector
Control module
PLL
CLK
CCU��������������
����������
��
����
analogueoptical link
DCU
Tx/Rx
Tx/Rx
APV
APVMUX
256:1
FPGA
FPGA
Si Sensors15148 moduli24244 sensori
75k VLSI costruiti usando la tecnologia 0.25μm CMOS
Il lab. dell’INFN
Torino
e’
stato
uno
dei
siti
di
produzione
di
questo
rivelatore(500 moduli
realizzati
a Torino).
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Il “Tracker”
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Il “Tracker”
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Il calorimetro elettromagnetico (ECAL)
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I calorimetri - il funzionamento
• Obbiettivo: misura
dell’energia
della
particella
incidente•
possono
essere
a “sampling”
(alternando
strati
di
materiale
assorbitore
e rivelatore, o omogenei
(cristalli
ad alta
densita’
in grado
di
generare
segnali
luminosi
al passaggio
delle
particelle)•
la risposta
del segnale
e’
proporzionale
al numero
di
particelle
che
a sua
volta
e’
proporzionale
all’energia
della
particella
incidente
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Il calorimetro elettromagnetico (ECAL)
Obbiettivo: misurare
l’energia
dielettroni, positroni
e fotoni
con unarisoluzione
migliore
del 0.5%.80000 cristalli
di
PbWO4(tungstato
di
piombo).~80% metallo
–
transparente!
Temperature stability ≤
0.1oCLight response stability ≤
0.1%
Avalanche Photo DiodeRivela 4 fotoel./MeV
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Il calorimetro elettromagnetico (ECAL)
Submodule2x5 crystalsSubmodule2x5 crystals
Supermodule1700 crytsalsSupermodule1700 crytsals
Total 36 Supermodules Total 36 Supermodules
Module400 crystals
INFN Torino
ha partecipato
ai
test e all’installazione
di
parte
dell’elettronica
di
read-out
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Il calorimetro adronico (HCAL)
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Il magnete
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Il magnete - la struttura
L’obbiettivo: misurare
il
momento
di
una
traccia
di
1 TeV con la risoluzionedel 10% il
piu’
grande
solenoide
superconduttore
del mondo
L = 13mØ = 6mWeight = 220tMax Field = 4TTemp. = 4.5 K Max current = 20kAStored energy 2000MJ
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Il magnete - la bobina
Superconducting
cable -
NbTiTc
=9.25K @ B=0
Ultra-pure Aluminium
-
magnetic stabilizer
Aluminium
alloy -
mechanical stabilizer
~ 1 millione
di
km di
filamenti
NbTi
(Ø
6 μm)
Importante
contributodell’industria
italiana
(Ansaldo
-
Genova) e INFN -
Genova
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Rivelatore di muoni
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Rivelatori di muoni
2 RPC per le prime due 2 stazioni
DT1 RPC per le ultime
due stazioni
DT e per le CSC fino
a |�|<1.6
3 Super Layer (2 φ
e 1 θ per le prime 3 stazioni)2 Super Layer (2 φ
per la quarta
stazione)4 strati
per ogni
Super Layer DTDrift
Tubes CSCCathode
Strip
ChambersRPCResistive
Plate
Chambers
Rivelatori
a gas• buona
risoluzione
spaziale•
bassa
densita’
di
canali
(grandi
superfici)• basso costo• capacita’
di
trigger
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Rivelatore di muoni (centrale)
Gain ~ 105
Max drift
time (Tmax) = 380 nssingle cell
spatial
resolution
~ 250 μmGas mixture: Ar(85%)+CO2(15%) at atm. pressure
250 camere
costruite
in 4 laboratori
internazionali
(Aachen, Madrid, INFN Padova
e INFN Torino).
INFN Torino
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Rivelatore di muoni (in avanti)YB+1 YB-1
17-Jan-20089-Jan-2007
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Installazione in caverna
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Installazione in caverna
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Installazione in caverna
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Installazione in caverna
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Installazione in caverna
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Installazione in caverna
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Installazione in caverna
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Installazione in caverna
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Installazione in caverna
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Installazione in caverna
![Page 32: Il rivelatore Compact Muon Solenoid di LHC · al silicio, 10 M strips, 10 pts, r = 20 – ... Pixel installed. ECAL endc. installed. CMS closed. CRAFT. I. Mikulec. 2006. 2007. 2008](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042413/5f2d84b7c53695002d313ae7/html5/thumbnails/32.jpg)
Cablaggio e completamento dei servizi
![Page 33: Il rivelatore Compact Muon Solenoid di LHC · al silicio, 10 M strips, 10 pts, r = 20 – ... Pixel installed. ECAL endc. installed. CMS closed. CRAFT. I. Mikulec. 2006. 2007. 2008](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042413/5f2d84b7c53695002d313ae7/html5/thumbnails/33.jpg)
La struttura completa
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Attivita’ in CMS
surface commissioning
underground commissioning
heavy lowering
CSA06
CMS dictionary:CSA – Computing, Software and Analysis challengeCCRC – Common Computing Readiness ChallengesMTCC – Magnet Test and Cosmic ChallengeCRUZET – Cosmic RUn at Zero TeslaCRAFT – Cosmic Run At Four Tesla
CSA07 CSA08 CCRC08
MTCC
Global Runs
computing commissioning
CRUZETs 1st beams
Beam
pipe bake-out
Tracker installed
Pixel installedEC
AL endc. installed
CM
S closed
CR
AFT
I. Mikulec
2006 2007 2008
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Cosmic Runs
~300M eventi
raccolti
a novembre
per il
completo
debugging dell’apparato~600TB di
dati
processati
nella
grid
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Conclusioni
•
a 16 anni
di
distanza
dal
concepimento
dell’esperimento, e a 11 dall’inizio
della
sua
costruzione, CMS e’
completo
e pronto per prendere
dati
•
dopo
i primi
vagiti
di
LHC, il
10-9-08, e successivamente
la rottura
di
una
sezione
criogenica
che
ha causato
l’interruzione
dell’attivita’, ci
si
attende
di
rientrare
in funzione
nell’estate
di
quest’anno
•
non solo l’hardware
ma anche
tutta
la catena di
acquisizione
e i processi
di
analisi
dei
dati
offline sono
stati
intensivamente
testati
con una
massiccia
raccolta
di
dati
da
raggi
cosmici
(~300M eventi) che
ha consentito
il“debugging”
del sistema
•
la collaborazione
internazionale
e’
pronta
e in ansiosa
attesa
di
accedere
alla
fisica
della
scala
O(1TeV).
![Page 37: Il rivelatore Compact Muon Solenoid di LHC · al silicio, 10 M strips, 10 pts, r = 20 – ... Pixel installed. ECAL endc. installed. CMS closed. CRAFT. I. Mikulec. 2006. 2007. 2008](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042413/5f2d84b7c53695002d313ae7/html5/thumbnails/37.jpg)
“Compact” Muon Solenoid
ATLAS grandi
dimensioni“bassa”
densita’, 7000t
CMS“piccole”
dimensioni, alta
densita’, 12500t
![Page 38: Il rivelatore Compact Muon Solenoid di LHC · al silicio, 10 M strips, 10 pts, r = 20 – ... Pixel installed. ECAL endc. installed. CMS closed. CRAFT. I. Mikulec. 2006. 2007. 2008](https://reader033.vdocuments.net/reader033/viewer/2022042413/5f2d84b7c53695002d313ae7/html5/thumbnails/38.jpg)
Il calorimetro adronico (HCAL)
Obbiettivo: misurare
l’energia
delgli
adroni
prodotti
nell’interazione
Calorimetro
a campionamento.Piastre
di
ottone
o acciaio
alternate a strati
di
scintillatore
plastico
o fibre
al quarzo.
Il materiale
deriva
dal
riciclo
di
materiale
bellico
dell’ex
URSS