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H.StenzelLuminosity and forward physics1 Roman Pots for luminosity measurements and forward physics in ATLAS Hasko Stenzel II. Physikalisches Institut.

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Präsentation zum Thema: "H.StenzelLuminosity and forward physics1 Roman Pots for luminosity measurements and forward physics in ATLAS Hasko Stenzel II. Physikalisches Institut."—  Präsentation transkript:

1 H.StenzelLuminosity and forward physics1 Roman Pots for luminosity measurements and forward physics in ATLAS Hasko Stenzel II. Physikalisches Institut Universität Gießen ATLAS-D workshop on physics and tools

2 H.StenzelLuminosity and forward physics2 Messung 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

3 H.StenzelLuminosity and forward physics3 Impakt der Luminositäts Messung Relative precision on the measurement of H BR for various channels, as function of m H, at L dt = 300 fb –1. The dominant uncertainty is from Luminosity: 10% (open symbols), 5% (solid symbols). (ATLAS-TDR-15, May 1999) Higgs Kopplungen tan Messung Beispiele Systematic error dominated by luminosity (ATLAS Physics TDR )

4 H.StenzelLuminosity and forward physics4 ATLAS Strategie zur Lumi-messung Angestrebte Genauigkeit ΔL= ±2-3% Relative Luminosität mit einem dedizierten luminosity monitor LUCID, linear über einen dynamischen Bereich von – 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= 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!

5 H.StenzelLuminosity and forward physics5 Elastische pp Streuung in der Coulomb Region Aus einem fit an das gemessene t- Spektrum in der Coulomb Region können wir die Parameter tot, ρ, b and L bestimmen. Roman-Pot Messung dN/dt

6 H.StenzelLuminosity and forward physics6 Messung 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=10 27 cm -2 s -1 Relative Luminositätsmessung bei L=10 27 cm - 2 s cm -2 s -1 mit LUCID

7 H.StenzelLuminosity and forward physics7 Roman pots für ATLAS Roman Pots

8 H.StenzelLuminosity and forward physics8 Roman Pot Mechanik Design des Positionierungs- und Vakuum- Systems gemeinsam mit TOTEM

9 H.StenzelLuminosity and forward physics9 Roman Pot – Vakuum-Kammer und Detektoren Vakuum-Kammer Szintillierende Fasern in UV-Geometrie

10 H.StenzelLuminosity and forward physics10 Scintillating 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 (170 m thick UV planes 90˚ and 45˚ end cuts

11 H.StenzelLuminosity and forward physics11 SciFi Elektronik MAPMT 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

12 H.StenzelLuminosity and forward physics12 Projektstatus 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 Installation shutdown 2007/2008 Lumi Messung Ende 2008 Prototyp0 DESY testbeam set- up

13 H.StenzelLuminosity and forward physics13 Experimentelle Bedingungen Messung in der Coulomb-region, t=(θp) 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* y * parallel-to-point focusing y det IP L eff

14 H.StenzelLuminosity and forward physics14 Messung des t-Spektrums der elastische Streuung diffractive structure Photon - Pomeron interference pQCD pp 14 TeV BSW model Multigluon (Pomeron) exchange e – b |t| -t [GeV 2 ] t p 2 2 d /dt [mb / GeV 2 ] wide range of predictions Photon exchange, coulomb region High β* Optik für ATLAS

15 H.StenzelLuminosity and forward physics15 Simulation der Detektorauflösung expect N pe /fibre ~ 3 confirmed with source tests

16 H.StenzelLuminosity and forward physics16 Simulation des dN el /dt Spektrums und Fit Ereignis Generation: 5 M events generiert entsprechend ~90 hr bei L 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: < |t| < GeV 2 ~4 M Ereignisse rekonstruiert for dN/dt

17 H.StenzelLuminosity and forward physics17 LUCID - der relative Luminositätsmonitor (LUminosity measurement using Cerenkov Integrating Detector) Projektive Alu Cerenkov Röhren um die beam pipe (200 pro Seite) Cerenkov radiator gas C 4 F 10 Cerenkov-Licht über Quarzfasern an MAPMT η MAX = -ln (tan 0.132º) = η MIN = -ln (tan 0.266º) = Eingangsfenster ~ 17m vom IP

18 H.StenzelLuminosity and forward physics18 LUCID 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 CDF) Bewährte Technologie - CDF Strahlungshart, kompakte Anordnung zwischen Strahlrohr und forward shield No Saturation Linear response

19 H.StenzelLuminosity and forward physics19 Alternative Lumi-Messungen: W/Z produktion Inklusive Produktion von W/Z Bosonen mit Zerfällen in isolierte Leptonen Hohe Raten, klare Signaturen Typische Schnitte für W: p T lept >25 GeV, |η lept | 25 GeV, lept.isol Akzeptanz0.5 Messung von N(W)xBR(W e,µ+ν) Theoretische Vorhersage für σ(W) Systematische Unsicherheiten ΔPDF? ΔQCD?

20 H.StenzelLuminosity and forward physics20 Systematische Unsicherheiten σ th (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 (µ R, µ F ) Δ QCD =+ 5 – 3.5 % (NLO) =± 1% (NNLO)

21 H.StenzelLuminosity and forward physics21 Luminosität aus LHC Maschinenparametern Luminosität kann aus den Strahlparametern bestimmt werden: Bestimmung von L durch einen Van der Meer scan des vertikalen beam offsets Messung des beam currents Messung des beam profiles x y x z y o Bunch Dichtefunktinen können vop den Experimenten aus beam-gas Interaktionen gemessen werden!

22 H.StenzelLuminosity and forward physics22 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 Vertices

23 H.StenzelLuminosity and forward physics23 Vorwärts-Physik Elastische Streuung Totaler Wirkungsquerschnitt Diffraktive Streuung (single, double Pomeron exchange ) p1p1 p2p2 p 1 p 2 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, q p M M Austausch von colour triplets/octets in minimum bias Ereignissen rapidity gap exponentiell unterdrückt P( ) = e -, = dn/d

24 H.StenzelLuminosity and forward physics24 Der gesamte Wirkungsquerschnitt σ tot COMPETE collaboration: [PRL (2002)] Große Modell-Unsicherheit 90 – 130 mb Optisches Theorem

25 H.StenzelLuminosity and forward physics25 Der ρ-Parameter 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.

26 H.StenzelLuminosity and forward physics26 Diffraktive Physik M M Double Pomeron Exchange M1M1 M2M2 d /d diffraktives System M rapidity gap = – ln min 0 max proton:p diffractives System M proton:p 2 proton:p 1 rapidity gap min max Produktion eines hadronischen systems M=ξs mit einem rapidity gap und diffraktif gestreuten Protonen

27 H.StenzelLuminosity and forward physics27 Harte diffraktive Steuung M M Double Pomeron Exchange 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

28 H.StenzelLuminosity and forward physics28 Exklusive Diffraktive Higgs Produktion H p p gap -jet H Exklusive diffraktive Higgs produktion pp p H p : 2-10 fb Inklusive diffraktive Higgs produktion pp p+X+H+Y+p : O(100) fb p p roman pots dipole Messung des Impulsverlustes in Roman Pots be 420m (cold region)

29 H.StenzelLuminosity and forward physics29 Exklusive 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: J P = 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 * : M H = 120 GeV σ = 0.4 fb M H = 140 GeV σ = 1 fb M H = 140 GeV : S/B = 8/ O(3) für 30 fb -1 b jets : M H = 120 GeV σ = 2 fb (Unsicherheitsfaktor ~ 2.5) M H = 140 GeV σ = 0.7 fb M H = 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

30 H.StenzelLuminosity and forward physics30 Exclusiv-diffraktive Higgs produktion im MSSM MSSM tan β = 50S/B for L=30 fb -1 m A σ x BR (A bb) 130 GeV 0.2 fb 1/2 m h σ x BR (h bb) GeV 13 fb 71/3 m H σ x BR (H bb) GeV 23 fb 124/2 SM m H σ x BR (H bb) 120 GeV 3 fb 11/4 Beispiel-Rechnung von Martin, Khoze und Ryskin hep-ph/

31 H.StenzelLuminosity and forward physics31 Zusammenfassung Optionen für die Luminositätsmessung bei ATLAS Absolute Kalibration durch Coulomb Streuung W/Z, γγ,... Ratenmessung L aus der elastischen Streuung dN/dt| t 0 mit tot von TOTEM LHC Maschinenparameter weitere... Angestrebte Genauigkeit ΔL= 2-3% Dedizierte Detektoren Roman Pot SciFi tracker zur elastischen Streuung LUCID als Luminosity Monitor Neue Detektoren FP420 R&D für forward/DPE Physik (upgrade) Physikziele Eleastische Streuung, Total cross section Diffraktive Physik (Strukturfunktionen, rapidity gaps) Exklusive harte Diffraktion (W/Z, jets, Higgs Produktion)

32 H.StenzelLuminosity and forward physics32 Backup transparencies

33 H.StenzelLuminosity and forward physics33 Cost Estimates & Participants Participating institutes: ( as a subsystem, fully part of the ATLAS collaboration) University of Alberta CERN Ecole Polytechnique Institute of Physics Academy of Science, Czech Republic University of Manchester University of Montreal University of Texas University of Valencia SUNY Stony Brook New candidates: Bologna (LUCID electronics) Giessen (RP SciFI) ItemCost (KCHF) LUCID Cerenkov tubes68.0 Quartz fibers62.0 Readout62.0 Infrastructure125.0 R&D62.0 Total379.0 Roman Pot system RP units220.0 Q4 polarity inverters60.0 Scintillating fiber detectors Readout650.0 Integration75.0 R&D100.0 Total1280.0

34 H.StenzelLuminosity and forward physics34 Use ZDC in heavy ion runs to calibrate machine instrumentation

35 H.StenzelLuminosity and forward physics35 Der Faserdetektor - Projektübersicht Kostenplan Zeitplan

36 H.StenzelLuminosity and forward physics36 Requirements 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 L eff detectors close to the beam, at large distance from IP Parallel–to–point focusing

37 H.StenzelLuminosity and forward physics37 Requirements for Roman Pot Detectors Dead space d 0 at detector s edge near the beam : d 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

38 H.StenzelLuminosity and forward physics38 Detector 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?

39 H.StenzelLuminosity and forward physics39 Integration in the Roman Pot

40 H.StenzelLuminosity and forward physics40 MAPMTs and front-end electronics MAPMT: Hamamatsu R channels 2.3 X 2.3 mm 2 pixel surface 12 dynodes gain % quantum efficiency Front-End: OPERA chip gain adjustment discrimination line driver Motherboard trigger/timing cntrol data transmission voltage distribution

41 H.StenzelLuminosity and forward physics41 Simulated Elastic Scattering Reconstruct θ * : Inner ring: t = GeV 2 Outer ring: t = GeV 2

42 H.StenzelLuminosity and forward physics42 LUCID location

43 H.StenzelLuminosity and forward physics43 RP electronics - Radiations Front of Q7 quadrupole Rp section Gy per luminosity

44 H.StenzelLuminosity and forward physics44 RP electronics - Radiations Gy per luminosity Gy per 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


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