roman pots for luminosity measurements and forward physics in atlas
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Roman Pots for luminosity measurements and forward physics in ATLAS. Hasko Stenzel II. Physikalisches Institut Universit ät Gießen. ATLAS-D workshop on physics and tools. Messung der Luminosität - Motivation. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
H.Stenzel Luminosity and forward physics 1
Roman Pots for luminosity measurements and Roman Pots for luminosity measurements and forward physics in ATLASforward physics in ATLAS
Hasko StenzelII. Physikalisches Institut
Universität Gießen
ATLAS-D workshop on physics and tools
H.Stenzel Luminosity and forward physics 2
Messung der Luminosität - MotivationMessung der Luminosität - Motivation
Präzise Messungen der Wirkungsquerschnitte (x Branching ratio) für Standardmodellprozesse wie t-tbar,b-bar Produktion W/Z Produktion QCD jets Untergrund für Searches, Bestimmung von PDFs Die Genauigkeit theoretische Vorhersagen liegt bei 5-10%, wird jedoch
zunehmend besser (NNLO, PDFs).
Suche nach neuer Physik in der Abweichung von x BR relativ zur SM Vorhersage
Wichtig Messungen von SM/MSSM Parametern Higgs Produktion x BR tan Messung für MSSM Higgs
pp
bgdobs
LA
NN
exp
H.Stenzel Luminosity and forward physics 3
Impakt der Luminositäts Messung Impakt der Luminositäts Messung
Relative precision on the measurement of HBR for various channels, as function of mH, at Ldt = 300 fb–1. The dominant uncertainty is from Luminosity: 10% (open symbols), 5% (solid symbols).
(ATLAS-TDR-15, May 1999)
Higgs Kopplungen tan Messung
BeispieleBeispiele
Systematic error dominated by luminosity (ATLAS Physics TDR )
H.Stenzel Luminosity and forward physics 4
ATLAS Strategie zur Lumi-messung ATLAS Strategie zur Lumi-messung Angestrebte Genauigkeit ΔL= ±2-3%
Relative Luminosität mit einem dedizierten luminosity monitor LUCID , linear über einen dynamischen Bereich von 1027 – 1034 cm-2 s-1 , ggf. unterstützt durch andere Detektoren (Tile, Larg, BCM...)
Absolute Luminosität Kalibration über elastische Streuung im Coulomb-Bereich mit spezieller
Strahloptik bei L= 1027 cm-2 s-1 und Roman Pot Detektoren Mit dem Optischen Theorem: elastische Vorwärts- + total inelastische
Rate: Roman Pots+central detector
|η|-coverage in ATLAS ist jedoch begrenzt
Unter Verwendung von tot z.B. von TOTEM
Kombination der Maschinen-Luminosität mit dem optischen Theorem
Aus den Raten von präzisen Eichprozessen wie
QCD pp→W/Z
QED γγ→µµ
Aus den LHC Machinenparametern
Unter Verwendung eines Null-Grad Kalorimeters in Schwerionenkollisionen
in ATLAS werden alle Optionen verfolgt!
H.Stenzel Luminosity and forward physics 5
Elastische pp Streuung in der Coulomb RegionElastische pp Streuung in der Coulomb Region
2
2
0
2
4
2 tb
eit
affL
dt
dN EMNC
t
ρσ
L tot
Aus einem fit an das gemessene t-Spektrum in der Coulomb Region können wir die Parameter
tot , ρ, b and Lbestimmen.
radGeVTOT
EMa
tNf
Cf
5.324106
8|;||| :Region Coulomb
Roman-Pot Messung
dN
/dt
H.Stenzel Luminosity and forward physics 6
Messung der elastischen pp StreuungMessung der elastischen pp Streuung
Zwei Roman Stationen auf jeder Seite 240m vom ATLAS IP entfernt
Ein scintillating fibre tracker zur Messung des t-Spektrums elastisch gestreuter Protonen
Spezielle Strahloptik mit grossem β* und parallel-to-point Fokussierung
Absolute Kalibration bei L=1027cm-2s-1
Relative Luminositätsmessung bei L=1027cm-2s-1 -1034cm-2s-1 mit LUCID
H.Stenzel Luminosity and forward physics 7
Roman pots für ATLASRoman pots für ATLAS
Roman Pots
H.Stenzel Luminosity and forward physics 8
Roman Pot Mechanik Roman Pot Mechanik
Design des Positionierungs- und Vakuum-Systems gemeinsam mit TOTEM
H.Stenzel Luminosity and forward physics 9
Roman Pot – Vakuum-Kammer und DetektorenRoman Pot – Vakuum-Kammer und Detektoren
Vakuum-Kammer
Szintillierende Fasern
in UV-Geometrie
H.Stenzel Luminosity and forward physics 10
Scintillating fiber trackerScintillating fiber tracker Szintillierende Fasern
Kuraray 0.5 mm × 0.5 mm fibers single cladded, verspiegelt
10 Module mit 64 U/V Fasern, double sided 70 μm Versatz zwischen den Modulen
Überlapp Detektor Messung des vertikalen alignment 3 Module mit 60 x-Fasern Halo Trigger Szintillator
Trigger Szintillator
Ceramic spacers (0.5mm thick)
Ceramic substrate
(170m thick
UV planes 90˚ and 45˚ end
cuts
H.Stenzel Luminosity and forward physics 11
SciFi ElektronikSciFi Elektronik
MA
PM
T
MA
PM
T
MA
PM
T
MA
PM
T
MA
PM
T
FE FE FE FE FE
Mother board
HV LV TTC
Trigger
Data
PMT Frontend : one chip per PMT,gain adjustment, discriminator (64 channels)
PMT Backend : one chip per PMT, pipeline latency for L1, parallel to serial data
Motherboard : Data serializer (FPGA) , Optical Transmission, TTC, monitor, Voltage reg.
1 or 2 ASICS
per PMT
PMTs : 5x5 array of 64 anodes MAPMT, H7546B Hamamatsu
Kapton cable & Connectors
H.Stenzel Luminosity and forward physics 12
ProjektstatusProjektstatus
Prototypentwicklung bis Mitte 2006
Protoyp0 wurde im Labor getestet/vermessen
Prototyp1 (10 Module / 6 Fasern + 2 Module / 32 Fasern) wird im Okt/Nov am DESY testbeam getestet: Auflösung, Lichtausbeute, FE-Elektronik
2006 Modul0, Testbeam mit FE &
Readout-Elektronik tests
Detektor Produktion 2006-2007
Installation shutdown 2007/2008
Lumi Messung Ende 2008
Prototyp0
DESY testbeam set-
up
H.Stenzel Luminosity and forward physics 13
Experimentelle BedingungenExperimentelle Bedingungen
Messung in der Coulomb-region, t=(θ▪p)2
Unabhängig vom vertex offset:
Untere Grenze für |t|min:
Anforderungen Detektor dicht am Strahl grosses * geringe Emittanz Kontrolliertes Halo Spezielle Optik, niedrige Lumi Detektorauflösung ≈ 30 µ
y*
y*
parallel-to-point focusingydet
IP Leffshift phase 90 point -to-parallel o
*,
**det
yyeffy Ly
*22
min
min
2*minmin
,
min*min
N
beam
Ny
beam
yeff
npt
nnd
pt
L
d
radGeVTOT
EMa
Nf
Cftt
5.3
min24106
8|)||(|
min
H.Stenzel Luminosity and forward physics 14
Messung des Messung des tt-Spektrums der elastische Streuung -Spektrums der elastische Streuung
diffractive structure
Photon - Pomeron interference
pQCD
pp 14 TeVBSW model
Multigluon (“Pomeron”) exchange e– b |t|
-t [GeV2]
t p2 2
d/ d
t [m
b / G
e V2 ]
wide range of predictions
Photon exchange, coulomb region
2max
2min
max
min
d
GeV 098.0
GeV 0004.0
rad 7.44
rad 7.2
mm 12.0
m 2625
t
t
High β* Optik für ATLAS
H.Stenzel Luminosity and forward physics 15
Simulation der DetektorauflösungSimulation der Detektorauflösung
expect Npe/fibre ~ 3
confirmed with source tests
H.Stenzel Luminosity and forward physics 16
Simulation des dNSimulation des dNelel/dt Spektrums und Fit/dt Spektrums und Fit
Ereignis Generation:
5 M events generiert entsprechend ~90 hr bei L 1027 cm-2 s-1
High β* - Strahloptik, 4-implulse -> Detektorhits
Keine systematischen Unsicherheiten (Alignment, Strahloptik,...)
Detektorsimulation für eine Roman-Pot Station
Simple fit Fit-Range:
0.00056 < |t| < 0.030 GeV2
~4 M Ereignisse rekonstruiert for dN/dt
H.Stenzel Luminosity and forward physics 17
LUCID - der relative Luminositätsmonitor LUCID - der relative Luminositätsmonitor (“(“LULUminosity measurement using minosity measurement using CCerenkov erenkov IIntegrating ntegrating DDetector”)etector”)
Projektive Alu Cerenkov Röhren um die beam pipe (200 pro Seite)
Cerenkov radiator gas C4F10
Cerenkov-Licht über Quarzfasern an MAPMT
ηMAX = -ln (tan 0.132º) = 6.073ηMIN = -ln (tan 0.266º) = 5.374Eingangsfenster ~ 17m vom IP
H.Stenzel Luminosity and forward physics 18
LUCID PrinzipLUCID Prinzip
Sensitiv auf primäre Teilchen vom IP, unempfindlich auf sekundäre und weiche Teilchen
Projektive Geometrie Kürzere Weglängen für gestreute
Sekundärteilchen Cerenkov-Schwelle für weiche Teilchen Keine Landau Fluktuationen für Cerenkov
Licht, single particle peak Gute Impulshöhen-Auflösung, Messung von
mehreren Spuren/Röhre Keine Saturation bei höchster Lumi Lineare Beziehung zwischen Lumi und
Anzahl der Spuren Ortsauflösung durch Position der 200
Röhren Gute Zeitauflösung (~140ps @ CDF) Bewährte Technologie - CDF Strahlungshart, kompakte Anordnung
zwischen Strahlrohr und forward shield
No Saturation
Linear response
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Alternative Lumi-Messungen: W/Z produktionAlternative Lumi-Messungen: W/Z produktion
Inklusive Produktion von W/Z Bosonen mit Zerfällen in isolierte Leptonen Hohe Raten, klare Signaturen Typische Schnitte für W: pT
lept >25 GeV, |ηlept |< 2.5,ETmiss >25 GeV, lept.isol
Akzeptanz≈0.5 Messung von N(W)xBR(We,µ+ν)
th
bgdobspp A
NNL
)'(ˆ),( 2 WqqQxPDFWpp th Theoretische Vorhersage für σ(W)
Systematische Unsicherheiten ΔPDF? ΔQCD?
H.Stenzel Luminosity and forward physics 20
Systematische Unsicherheiten Systematische Unsicherheiten σσthth(W)(W)
PDF Unsicherheiten berechnet mittels der MRST/CTEQ family members (30-40 Variationen der nominellen PDF)
CTEQ61 : Δ=± 5%MRST2001 : Δ=± 2%
QCD Unsicherheiten abgeschätzt über Skalenvariation (µR, µF)
Δ QCD =+ 5 – 3.5 % (NLO) =± 1% (NNLO)
H.Stenzel Luminosity and forward physics 21
LLuminosität aus LHC Maschinenparameternuminosität aus LHC Maschinenparametern
Luminosität kann aus den Strahlparametern bestimmt werden:
Bestimmung von L durch einen Van der Meer scandes vertikalen beam offsets
1,..,28 1,..,2808 0821 2 1 2
*Area of intersection 1,2 4 4 /
i i i ii i b
x y N
f N N f N N f k N
L
* * * *
#protons in bunch of beam ; revolution frequency / 26659 m, #bunches
-function at IP; normalized transverse emittance; / (~7460)
ai b
N x y p
N i a f c k
E m
Messung des beam currentsMessung des beam profiles
x
y
x
z
yo
Bunch Dichtefunktinen können vop den Experimenten aus beam-gas Interaktionen gemessen werden!
H.Stenzel Luminosity and forward physics 22
Gas
IP8
Gas
IP3±2
Expt
Beam2-gas
Beam1-gas
Beam1-beam2
Interactions
Proposal: Inject a tiny bit of gas (if needed at all!) into the vertex detector region Reconstruct bunch-gas interaction vertices get beam angles, profiles & relative positions overlap integral Simultaneously reconstruct bunch-bunch interaction vertices calibrate ‘reference’ cross-section Absolute Luminosity Genauigkeit < 5% Massimiliano Ferro-Luzzi
Messung der beam-gas und beam-beam VerticesMessung der beam-gas und beam-beam Vertices
H.Stenzel Luminosity and forward physics 23
Vorwärts-PhysikVorwärts-Physik Elastische Streuung Totaler Wirkungsquerschnitt Diffraktive Streuung (single, double Pomeron exchange )
p1
p2
p1’
p2’
P
P
Austausch von farbneutralen Objekten colour singlets (“Pomerons”) rapidity gaps Δη
Die Breite des rapidity gaps hängt mit dem Impulsverlust des Protons zusammen
Δη≈-lnξ ξ=p-p‘/p
p
g, qg, q
p
M
M
Austausch von colour triplets/octets in minimum bias Ereignissen
rapidity gap exponentiell unterdrückt
P() = e-, = dn/d
H.Stenzel Luminosity and forward physics 24
Der gesamte Wirkungsquerschnitt Der gesamte Wirkungsquerschnitt σσtottot
COMPETE collaboration:
[PRL 89 201801 (2002)]
mb 1.41.2
2.1 5.111TeV 14 tot
Große Modell-Unsicherheit
90 – 130 mb
02
2
1
16L
t
tot dt
dN
inelasticelastictot NN L inelel
ttot NN
dtdN
0
2
)/(
1
16
Optisches Theorem
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Der Der ρρ-Parameter-Parameter
sd
d
ss tot
tot ln)(2)(
0058.0
0025.0 0015.0 1361.0
Im
Re
0
tel
el
tf
tf
Der ρ-Parameter hängt über die Dispersionsgleichung mit dem Wirkungsquerschnitt zusammen.
Für LHC ergibt sich eine Vorhersage von (COMPETE):
ATLAS plant σ, ρ, b und L aus einem simultanen fit an dN/dt zu bestimmen.
H.Stenzel Luminosity and forward physics 26
Diffraktive PhysikDiffraktive Physik
M
M
DoublePomeronExchange
M1
M2
d/d
diffraktives System Mrapidity gap =–ln
min 0 max
proton:p’
diffractives System Mproton:p2’
proton:p1’
rapidity gaprapidity gap
min max
Produktion eines hadronischen systems M=ξ∙s mit einem rapidity gap und diffraktif gestreuten Protonen
H.Stenzel Luminosity and forward physics 27
Harte diffraktive SteuungHarte diffraktive Steuung
M
M
Double
Pomeron
Exchange
hard
hard
hard
e.g. jets, W, Z, b, J/, ...
Harte Diffraktion:Diffraktive mit Ereignisse mit einem harten partonischen sub-Prozess
Bestimmung der Pomeron-Strukturfunktion oder der Diffraktiven PDF
H.Stenzel Luminosity and forward physics 28
Exklusive Diffraktive Higgs ProduktionExklusive Diffraktive Higgs Produktion
Hpp
gap gap
b -jet
b -jet
H
b
b
Exklusive diffraktive Higgs produktion pp p H p : 2-10 fbInklusive diffraktive Higgs produktion pp p+X+H+Y+p : O(100) fb
p’
p’roman pots
roman pots
dipole
dipole22 )''( ppppM H
Messung des Impulsverlustes in Roman Pots be 420m (cold region)
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Exklusive Higgs Produktion im Standard ModellExklusive Higgs Produktion im Standard Modell
Highlights:
• Klare Signatur und Redundanz durch Messung der Protonen und des Zentralsystems
• Austausch eines colour singlets mit Quantenzahlen des Vakuums: Auswahlregel: JP = 0+, (2+, 4+ ); C = +1 Untergrund unterdrückt gg qq, bb
Test der Quantenzahlen des Higgs P = (–1)J(+1) dσ/dΦ ~ 1 +(–) cos 2Φ
WW* : MH = 120 GeV σ = 0.4 fbMH = 140 GeV σ = 1 fb
MH = 140 GeV : S/B = 8/ O(3) für 30 fb-1
b jets : MH = 120 GeV σ = 2 fb (Unsicherheitsfaktor ~ 2.5)MH = 140 GeV σ = 0.7 fb
MH = 120 GeV : S/B= 11/O(10) für 30 fb-1 und ΔM=3 GeV
Bedingungen/offene Fragen:
• Level1 Trigger, b-tagging, low luminosity
• rapidity gap survival, background
• Proton tagging (420m?) mit Impulsmessung
H.Stenzel Luminosity and forward physics 30
Exclusiv-diffraktive Higgs produktion im MSSMExclusiv-diffraktive Higgs produktion im MSSM
MSSM
tan β = 50 S/B for L=30 fb-1
mA
σ x BR (A bb)
130 GeV
0.2 fb
1/2
mh
σ x BR (h bb)
124.4 GeV
13 fb
71/3
mH
σ x BR (H bb)
135.5 GeV
23 fb
124/2
SM
mH
σ x BR (H bb)
120 GeV
3 fb
11/4
Beispiel-Rechnung von Martin, Khoze und Ryskin hep-ph/0507305
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ZusammenfassungZusammenfassung Optionen für die Luminositätsmessung bei ATLAS
Absolute Kalibration durch Coulomb Streuung W/Z, γγ, ... RatenmessungL aus der elastischen Streuung dN/dt|t0 mit tot von TOTEMLHC Maschinenparameterweitere ...
Angestrebte Genauigkeit ΔL= 2-3%
Dedizierte Detektoren Roman Pot SciFi tracker zur elastischen StreuungLUCID als Luminosity MonitorNeue Detektoren FP420 R&D für forward/DPE Physik (upgrade)
PhysikzieleEleastische Streuung, Total cross sectionDiffraktive Physik (Strukturfunktionen, rapidity gaps)Exklusive harte Diffraktion (W/Z, jets, Higgs Produktion)
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Backup transparenciesBackup transparencies
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Cost Estimates & ParticipantsCost Estimates & Participants
Participating institutes:(as a subsystem, fully part of the ATLAS collaboration)
University of AlbertaCERNEcole PolytechniqueInstitute of Physics Academy of
Science, Czech RepublicUniversity of ManchesterUniversity of MontrealUniversity of TexasUniversity of ValenciaSUNY Stony Brook
New candidates:Bologna (LUCID electronics)Giessen (RP SciFI)
Item Cost (KCHF)
LU
CID
Cerenkov tubes 68.0
Quartz fibers 62.0
Readout 62.0
Infrastructure 125.0
R&D 62.0
Total 379.0
Rom
an
Pot s
yste
m
RP units 220.0
Q4 polarity inverters 60.0
Scintillating fiber detectors
175.0
Readout 650.0
Integration 75.0
R&D 100.0
Total 1280.0
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Use ZDC in heavy ion runs to calibrate machine Use ZDC in heavy ion runs to calibrate machine instrumentation instrumentation
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Der Faserdetektor - Projektübersicht Der Faserdetektor - Projektübersicht
Kostenplan
Zeitplan
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Requirements to reach the Coulomb regionRequirements to reach the Coulomb region
Required reach in t :
Requires: small intrinsic beam angular spread at IP insensitive to transverse vertex smearing large effective lever arm Leff detectors close to the beam, at large distance from IP
radGeVTOT
EMa
Nf
Cftt
5.3
min24106
8|)||(|
min
Parallel–to–point focusing
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Requirements for Roman Pot DetectorsRequirements for Roman Pot Detectors
“Dead space” d0 at detector’s edge near the beam : d0 100≲ m (full/flat efficiency away from edge)
Detector resolution: d = 30 m
Same d = 10 m relative position accuracy between opposite detectors (e.g. partially overlapping detectors, …)
Radiation hardness: 100 Gy/yr
Operate with the induced EM pulse from circulating bunches (shielding, …)
Rate capability: O(MHz) (40 MHz); time resolution t = O(1 ns)
Readout and trigger compatible with the experiment DAQ Other:
simplicity, cost extent of R&D needed, time scale, manpower, … issues of LHC safety and controls
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Detector ConstructionDetector Construction
Design: Modules of 128 fibres glued on ceramic substrate 64 U-fibres top, 64 V-fibres bottom machining and metallisation of surface 10 modules per RP staggered by 70 µm 3 overlapp detectors
Production: positioning technique using ceramic moulds precision metrology for fibre position single point diamond machining sputtering of surface gluing of fibres in optical connectors
Prototyping at CERN Production in Giessen?
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Integration in the Roman Pot Integration in the Roman Pot
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MAPMTs and front-end electronicsMAPMTs and front-end electronics
MAPMT: Hamamatsu R7600 64 channels 2.3 X 2.3 mm2 pixel surface 12 dynodes gain 106 - 107
20 % quantum efficiency
Front-End: OPERA chip gain adjustment discrimination line driver
Motherboard trigger/timing cntrol data transmission voltage distribution
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Simulated Elastic ScatteringSimulated Elastic Scattering
Reconstruct θ*:
2 2*
2 2
, ,
x y
eff x eff y
x y
L L
Inner ring: t = -0.0007 GeV2
Outer ring: t = -0.0010 GeV2
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LUCID locationLUCID location
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RP electronics - RadiationsRP electronics - Radiations
Front of Q7 quadrupole
Rp section
102-103 Gy per year
@ 1034 luminosity
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RP electronics - RadiationsRP electronics - Radiations
102-103 Gy per year
@ 1034 luminosity
0.1-1 Gy per year
@ 1027 luminosity
1 to 10 rads/year
in operation (negligeable)
100 Krads per year
to the (inactive) electronics
and detector if left
in place during normal runs