ACT.higgs.mic

Hgg
•Hbb(bar) è il decadimento dominante
ma puo' essere osservato solo in
produzione associata
H gg canale importante per
mH<130 GeV
s(Hgg) x BR ~ 70 fb
Background Hgg
• il fondo da bremmstrahlung e da jets puo' essere ridotto con tagli di
isolamento e criteri di separazione jet/g
 p0gg puo essere ridotto utilizzando calorimetri granulari
sezioni d'urto (fb) dopo i tagli
Hgg
GH~ MeV at MH=120 GeV
La risoluzione sulla massa é
completamente dominata dalla
risoluzione della misura
S
Ns
Nb
Ns

L 
ds b
dmg g
dmg g

1
s gg
Ns
L
ds b
dmg g
L=100 fb-1
(1 anno LHC ad alta luminosità)
S
1
10 3
s gg
10  10
2
3

10
s gg
s g g  1GeV
s gg
Mg g
 1%
Risoluzione massa Hgg
Contributi alla risoluzione mgg
1) Misura di Eg:
 Risoluzione intrinseca dei
calorimetro
 Calibrazione/uniformità del
calorimetro
 Pile-up
2) Misura di q12
 Misura di posizione and
direzione degli sciami em
 Mis. del vertice di interazione zv
DE/E ~ 1%
s(q) ~ 5 mrad
Calorimetri di ATLAS e CMS
ATLAS
• Calorimetro a
Campionamento
– diviso in strati di mezzi
assorbitore (Pb) e strati di
materiali attivi (LAr).
CMS
•Calorimetro omogeneo
•Unico mezzo usato come mezzo
assorbitore e di scintillazione
(PbWO4)
Caratteristiche ECAL
•
Formazione dello sciame
–
–
–
•
Bremsstrahlung
Creazione di coppie
Compton (a basse energie)
Lunghezza di radiazione X0
–
–
–
•
Raggio di Moliere RM
–
–
–
–
•
•
•
distanza longitudinale dopo la quale un
elettrone perde (1-1/E) della sua energia per
bremsstrahlung;
circa 25 X0 sono richieste per contenere
(longitudinalmente) circa 99% dello sciame.
Cammino libero medio di g energetici ~ 9/7 X0
scala per la dimensione trasversa dello
sciame.
Es ~21 MeV
Ec = 570/Z, energia critica (alla quale la dE/dx
per e per radiazione sono uguali)
90% dello sciame contenuto in 1 RM
Luce emessa per unità di energia depositata
Lunghezza d'onda della luce emessa (importante per la scelta del PM)
Tempo di emissione
ATLAS
CMS
•
CMS
–
–
–
piccola lunghezza di radiazione 
compatto
piccolo raggio di Moliere  granularità
luce di output bassa
•
–
•
ATLAS
Amplification (noise), no PM tubes in
B(4T)
veloce  bc rate
ATLAS
–
–
–
–
–
–
meno compatto
no amplificazione del segnale
flessibilità, altà granularità
basso costo
uniformità
criogenia
Risoluzione :
• a termine “stocastico”, dovuto a fluttuazioni statistiche
 sN termine di rumore elettronico + pileup ~ 100 MeV
• c termine costante – contributo dalle non uniformità del calorimetro < 1%
Numero di particelle prodotte N  E/e
Lunghezza totale della traccia T0  X0 E/e
Termine stocastico: “a”
• Nei calorimetri omogenei, qualche % :
– le fluttuazioni del numero dei fotoelettroni
– contributi dal contenimento incompleto
•
Nei calorimetri a sampling, 5-20%:
– fluttuazioni nell'energia campionata nei piani attivi. Dipende dalle caratteristiche
(spessore, densità) dei mezzi attivi e passivi..
CMS : PbWO4
•
Copertura in :
– 0 < || < 1.479 Barrel
– 1.55< || < 3 Endcap
•
Ermeticità: garantita da geometria
non pointing (3° in  e )
Dimensione dei cristalli:
longitudinale 25 X0 = 22.2 cm
Transversa 1 RM = 2.2 cm
95% dello sciame è contenuto in 2 RM
•uso di fotodiodi al Si a valanga per la
rivelazione dei fotoni, vantaggi
•possono operare in campi magnetici
alti (4T)
•moltiplicazione alta (tra 50 e 200)
24x24x230 mm3 in the barrel,
30x30x220
mm3
in the end-caps
75000 cristalli
ATLAS: Pb+LAr
• Copertura in eta:
 0 < || < 1.475 Barrel
 1.375 < || < 3.2 Endcap
• Ermeticità: la geometria con elettrodi e assorbitori piegati a ‘fisarmonica’
garantisce una copertura totale senza zone morte nella coordinata
azimutale
• Zone morte:
1.4 < || < 1.55 : Transizione barrel / endcap
Back
Posizionato al di fuori del solenoide
 Granularità molto fine in  delle strips
Sampling
Granularity D x D
Depth
Strips
0.003 X 0.1
5X0
Middle
0.025 X 0.025
16X0
Back
0.05 X 0.025
2 to 10
X0
Middle
Strips
pitch 4mm
ATLAS LAr
Iphys
HT
Gerbe
EM
Funziona come camere a ionizzazione:
segnale dato dalle cariche di
ionizzazione
La soluzione consiste nell'integrare solo la
corrente di ionizzazione in un tempo piccolo
(40–50 ns), raccogliendo solo una frazione
della carica prodotta.
Puo' funzionare solo se il tempo di
trasferimento del segnale dagli elettrodi al
readout è molto piu' piccolo del tempo di
integrazione e cio' richiede di minimizzare
cavi e connettori.
cavi lunghi, trasferimento del segnale in decine
di ns, spazi morti  meno ermeticità
segnale estratto dagli estremi del calorimetro,
lunghezza cavi e connettori ridotti. Spazi morti
minimizzati. Per evitare che le particelle non
vadano nel LAr si sceglie la geometria a
fisarmonica.
e-
g
ions
Electrode
e-
e+
Plomb
Il tempo di raccolta della carica dipende
dalla velocità di drift, tipicamente è 400
ns (16 bc LHC!!!)
e-
Argon
liquide
E ~ 1kV/mm
drift degli
e- induce
il segnale
sugli
elettrodi
di lettura
Risoluzione
• Calorimetri a sampling
• termine stocastico tipicamente <=
10%. Questo limita il termine costante
ad essere 1% e il termine di rumore
dell'ordine di qualche centinaia di
MeV.
•Calorimetri Omogenei
•Termine stocastico di qualche % a
causa delle minori fluttuazioni di
campinamento. Bisogna avere un
buon controllo delle sistematiche per il
termine costante O(0.5%).
ATLAS EM cal
(liquid-argon/lead
sampling calorimeter):
s (E)
E

10%
E (GeV )

0.25
 0.7%
E (GeV )

0.2
 0.5%
E (GeV )
CMS EM cal
(crystals):
s (E)
E

2.7%
E (GeV )
Risoluzione Angolare
Per non dominare la risoluzione sulla massa dell'Higgs, la risoluzione angolare deve
essere dell'ordine
•La misura degli angoli di incidenza puo' essere fatta dall' ECAL con buona accuranza.
•C'è bisogno inoltre di misurare il vertice primario. La maggior incertezza è
rappresentata dalla grande incertezza sulla posizione del vertice primario lungo l'asse
Z (longitudinale al fascio), lo spread è di circa 6cm.
•Nel regime di bassa luminosità ci sono in media 1-2 interazioni per bunch crossing  le
tracce cariche possono essere usate per individuare il vertice. Impossibile ad alta luminosità
(23 interazioni per bunch crossing)
R direction
•ATLAS
•la posizione dello sciame è
misurato in due posizioni
back
middle
preshower
Primary vertex
•Centro di gravità
• tracce cariche in ID
•endcap preshower
con ID sZ (H)~ decine mm
solo EM sZ (H)~ mm
strips
q - angle
•CMS
Z direction
Somma tracce ad alto pt
conversione g
high lumi: 70% di efficienza
Separazione jet/g
jj
gg
 10
6
jg
gg
 10 3
I jet possono essere discriminati studiando
l'energia depositata nel calorimetro
adronico,
con criteri di isolamento, studiando la shape
dei depositi elettromagnetici
Puo' essere ridotto al 20% del BKG
irriducibile, costituito da eventi con p0gg.
fraction of en. in the core
Separazione
0
p /g
• Il calorimetro e.m. deve essere in grado di rigettare
p0gg
– ricostruzione di due sciamo e.m. vicini
– CMS :
• granularità dei cristalli e tecniche di PE/NN
• preshower + Si strips nelle endcaps
– ATLAS
• EM cal  strips
g
p0
•
I fotoni convertono prima di entrare nel
calorimetro (prob 30% ATLAS)
– I due elettroni sono separati dal campo
magnetico in f
•
A seconda del raggio di conversione, i
due elettroni possono raggiungere il
calorimetro nello stesso cluster o in
cluster separati
– Piu' è alto il campo magnetico, maggiore
è l'effetto
•
e+ e-
.
g
Algoritmi di clusterizzazione usano
Le conversioni sono ricostruite con l'inner
cluster maggiori in f
I vertici di conversione danno un
immagine "a raggi X" della
distribuzione del materiale inerte
Atlas
tracker
– Ricerca di due tracce cariche opposte
provenienti da un vertice comune
– Il fotone ricostruito punta al vertice di
interazione
• Effetti sulla risoluzione (ATLAS)
Low lumi 2x1033
Low lumi 2x1033
High lumi 1034
PV from Inner Detector
+ calorimeter
PV from calorimeter only
Hgg: ATLAS vs CMS
• ATLAS ha una peggiore risoluzione energetica ~(1.1 GeV/c2)
rispetto a CMS (0.8 GeV/c2)
• ATLAS ha un miglior sistema di ricostruzione della direzione dei
fotoni e del vertice primario. Efficienza maggiore.
– CMS ha un grosso campo magnetico che fa perdere una buona
frazione di fotoni che convertono nel Tracker
• Sia ATLAS che CMS hanno circa la stessa potenzialita’
Canali Possibili
• produzione diretta
– 2 g isolati ad alto pt (40, 25 GeV)
centrali (<2.4)
– reiezione di jj, jg, p0
•produzione associata (W/Z, tt)
•sezione d'urto di produzione 50 volte
piu' piccola
•possibilità di migliorare S/B
richiedendo 1 leptone isolato di alto pT
•vertice puo' essere identificato con la
traccia carica del leptone  migliora la
risoluzione in massa
•bkg irriducibile Zgg, Wgg, ttgg,bbgg,
lepton FSR
•tagli su Rlg, mlg
•Significativo per alta luminosità
•misura dei couplings Higgs-bosoni di
gauge, Higgs-top
Hgg + jets
Hgg + 1 jet
minore statistica ma migliore S/B, puo'
migliorare la misura combinata.

Hgg + 2 jets
•produzione associata con jets
•2 high pt g isolati + 2 jets (Et>40 GeV)
centrali
DRjg per rigettare FSR da quark
•VBF
sVBF~0.1sggF
•canale t  taggato da 2 jets forward
(>2)/emisferi opposti
g in pseudorapidità devono essere tra
i due jets
100 fb-1
100 fb-1
3 anni low lumi
mH=120GeV
100 fb-1
1 anno high lumi
(ATLAS TDR, 1999)
Hgg+0j
Hgg+1j
Hgg+2j
Signal: VBF
Signal: gg Fusion
EW+DPS ggjj
QCD ggjj
gjjj+jjjj
ATLFAST/DC1
NLO MC  significanza aumentata
ATLAS North American SM & Higgs Workshop
(28.04.06)
L = 10 fb-1
Spares
Interazioni e/g con la materia
Electrons and Positrons
PDG 2004
Photon
PDG 2004
A calorimeter for LHC environment
•ATLAS and CMS have been designed to:
– Minimize the pile-up in:
 time: fast detector with a time response compatible with the bunch
crossing distance 25/50 ns
 space: high granularity thus high number of channels
 Radiation resistance: appropriate tecnique for each rapidity
range.
 Measurement of neutrinos (and Susy processes): high
ermeticity
 Use of performance on important channels to define the
reuirement on calorimeter performance. For EM calorimeters
H→ gg…
ATLAS and CMS makes different choices: ATLAS
require segmented calorimeter to have redudant
mesurement of g angle
CMS relies on vertex reconstruction from tracking and
point to homogenous calorimeter with very low
stochastic term aiming for excellent energy resolution
Termine Stocastico
Numero di particelle prodotte N  E/e
Lunghezza totale della traccia T0  X0 E/e
Nei calorimetri omogenei le fluttuazioni sono piccole perchè l'energia depositata nei
volumi attivi non fluttua evento per evento. Quindi la risoluzione è migliore della
aspettazione statistica (fattore di Fano)
Ne calorimetri a sampling l'energia depositata nei mezzi attivi fluttua evento per
evento, cio' limita la risoluzione.
# particelle che attraversano il mezzo attivo
per tabs non troppo piccolo
Raccolta del Segnale
•
I fotorivelatori sono dispositivi in grado di trasformare un segnale di
luce in entrata, in un segnale di natura elettrica in uscita.
– I fotoni di luce incidono sul fotorivelatore; questi generano delle cariche
(coppie elettrone-lacuna o elettroni prodotti per eetto fotoelettrico).
– La carica prodotta e raccolta e, nel caso sia presente un meccanismo di
moltiplicazione amplificata.
– La corrente cosi prodotta interagisce con il circuito esterno, emettendo un
segnale di uscita.
•Fotomoltiplicatori
• fotocatodo, responsabile del processo di conversione della luce in
carica elettrica (effetto fotoelettrico)
•sistema di dinodi (coppia di elettrodi con doppia funzione anodocatodo) responsabile della successiva fase di amplicazione.
•Le prestazioni del fotomoltipicatore sono inuenzate dalla presenza
di campi magnetici
•Fotodiodi
•di materiali semiconduttori di elevata purezza, opportunamente drogati
•i fotoni, entrando, interagiscono con il mezzo e generano le coppie elettrone-lacuna
•Nella regione di svuotamento le coppie elettrone-lacuna vengono separate grazie
all'azione di un forte campo elettrico; questo campo trasporta le cariche verso i
relativi elettrodi, che le raccolgono.
Materiale nei Trackers
• Electrons radiate photons in
the material of the tracker:
– Most energy is lost as low
energy photons
– But there are also hard brems
with the emission of a single
high pT g and a substantial
change in the electron
direction (kink), especially if
occurring at low radii
• The energy collected by the
calorimeter is spread over
many cells (along f) and in the
worst cases can be collected
as separate clusters:
– The higher the magnetic field
the larger the effect
• Need a larger cluster size
along f
• In case of a single hard
radiation the energy-weighted
barycenter of the impact points
of the electron and the g in the
calo lies on the extrapolation of
the initial electron trajectory
– Must be taken into account
when trying to match electron
clusters and electron tracks
Dal TDR (1999) ad Oggi ...