L’esperimento LHCb
al CERN e le attività del
Gruppo di Ferrara
Massimiliano Fiorini
([email protected])
per il Gruppo LHCb Ferrara
Lavori in Corso a Fisica, Ferrara, 23 Novembre 2016
Il Modello Standard
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12 particelle elementari, 6 leptoni
e 6 quark, raggruppate in 3
famiglie, di massa crescente
Forze tra particelle di materia
trasmesse da altre particelle , i
cosiddetti “campi di Gauge”
Prevista l’esistenza di una
particella, il bosone di Higgs,
finalmente osservata a LHC!
M.S. non può essere la teoria
ultima. Non spiega:
–
–
Perché 3 x 2 famiglie ?
Perché masse così diverse ?
( mve < 1 eV ; mtop = 175 GeV )
•
La materia ordinaria è formata
solo dalla prima generazione
–
–
–
Perché 4 interazioni ?
Come conglobare la gravità ?
dov’è finita l’antimateria?
La fisica del sapore
Permette di accedere a processi di fisica al di là del modello
standard, attraverso lo studio di effetti indiretti
(correzioni radiative) in decadimenti rari di adroni B, D, K
Osservazione
diretta
Osservazione
indiretta
Large Hadron Collider
Esperimento LHCb
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Uno dei 4 grandi esperimenti di LHC (L=21m, H=10m,
W=5600t)
Installato in una caverna sotterranea a 100 metri di
profondità
Mole equivalente di dati: 8 DVD al secondo
Filtrati attraverso una farm di 2000 computer
L’equivalente di 60000
DVD all’anno viene
scritto su disco
Sistema di calcolo
distribuito (GRID)
La Collaborazione
n
Collaborazione internazionale: più di 70 istituti,
distribuiti in una ventina di paesi in vari continenti
Alcuni recenti risultati
n
n
LHCb produce circa 80-100 articoli all’anno, pubblicati
su prestigiose riviste internazionali
Alcuni esempi di risultati recenti:
Attività del gruppo
di Ferrara
Apparato sperimentale
Ring Imaging Cherenkov
Calorimeters
250/300 mrad
Acceptance
10 mrad
pp collision
« Tracking » detectors
Muon System
(side view)
The LHCb Muon Detector
The LHCb Muon Detector
The Muon System is made of 1368 Multi Wire
Proportional Chambers (MWPC), and 12 Gas
Electron Multiplirs (GEM) detectors, installed on 5
supporting walls according to a projective geometry
pointing to the interaction point
Of the 1368 MWPC
detectors, about 250
have been built and
tested in the Ferrara
Facilities
At present Ferrara has the
co-responsibility of the Detector
management and coordination
The LHCb Muon Detector
Interested Students will work on Detector Performance Studies based on the
analysis of Efficiency and Noise Data and have the possibility to spend some time
at CERN (for the Master Thesis).
Contact Person:
Wander Baldini: office 326, e-mail: [email protected]
RICH Detectors
56 glass spherical mirrors
support structure
Magnetic
Shield
Photon
Detectors
8m
rad
250 m
Spherical
Mirror
C4F10
Beam pipe
Track
VELO exit window
Plane
Mirror
40 glass flat mirrors
Central Tube
0
100
200
288 HPDs and magnetic shielding
z (cm)
RICH-1 (25-300 mrad)
RICH-2 (15-120 mrad)
4 m3 C4F10 n = 1.0014, up to 60 GeV
100 m3 CF4 n = 1.0005, up to ~100 GeV
Contatti: R. Calabrese, A. Cotta Ramusino, M. Fiorini, E. Luppi
LHCb Upgrade Plans
n
n
During Run 1 operated at tunable leveled luminosities
up to ~4×1032 cm-2s-1, 2× higher than design value
In Run 2 we should collect ~5 fb-1 more
q
Main limitation: 1 MHz L0 trigger rate
LHC era
n
HL-LHC era
Run 1
(2010-12)
Run 2
(2015-18)
Run 3
(2021-23)
Run 4
(2027-29)
Run 5+
(2031+)
3 fb-1
8 fb-1
~25 fb-1
~50 fb-1
~100 fb-1
LHCb Upgrade
q
q
q
Operate detector at luminosities of ~2×1033 cm-2s-1
Upgrade detectors to be able to readout at 40 MHz
Install upgraded LHCb during long shutdown 2 (2019-20)
RICH Upgrade
n
Aumento della lunghezza
totale degli specchi sferici nel
RICH-1 per dimezzare il rate
istantaneo sui rivelatori
n
Nuovi foto-rivelatori con
struttura modulare
q
q
q
Ma-PMT
Elettronica di front-end
FPGA e link veloci
Nuovi foto-rivelatori
n
Multi-anode Photo Multiplier Tubes (MaPMTs)
q
Quantum Efficiency (QE) fino a ~40%
n
Problemi: uniformità di guadagno, area
attiva, cross-talk, sensibilità ai campi
magnetici
n
Attività a Ferrara:
q
q
q
Costruzione e utilizzo di setup laser
al picosecondo (405 nm) per
caratterizzazione rivelatori ed
elettronica
Studio degli effetti di campo
magnetico
Studio del danno da radiazione
Attività di elettronica a Ferrara
n
n
CLARO: amplificatore veloce e discriminatore
sviluppato in tecnologia AMS 0.35 µm CMOS
Design del chip finale (CLARO 8
canali)
25 ns!
q
n
Successivi test elettrici,
irraggiamento, produzione su larga
scala e installazione
Test della produzione di circa 40k
chip e delle schede su cui saranno
alloggiati (laboratorio
fotorivelatori a Ferrara)
Test della produzione delle
Elementary Cells (a Ferrara)
Amplifier output!
1 Me- signal!
Front-end Board (FEB)!
Base board!
n
Ma-PMT!
Back board!
Analisi dati
• I dati sono analizzati mediante l’utilizzo di
– risorse di calcolo distribuite e locali
– tecniche sofisticate (analisi multivariate, reti neurali, simulazioni)
– concetti avanzati di probabilità e statistica
– strumenti collaborativi
Forte collaborazione tra colleghi italiani e stranieri
L. Pappalardo
LHC Distributed Computing
n
n
n
Il progetto LHC Computing Grid e’ una
collaborazione tra oltre 150 sedi di circa 40 paesi nel
mondo.
La missione di tale progetto e’ fornire le risorse di
calcolo complessive necessarie a immagazzinare,
distribuire e analizzare i circa 25 PB di dati che ogni
anno vengono acquisiti dagli esperimenti di LHC.
Ogni esperimento sviluppa il proprio modello di
calcolo sulla base dell’infrastruttura comune.
LHCb Computing a Ferrara
n
n
n
n
n
Il modello di calcolo e’ piuttosto complesso.
Il gruppo di Ferrara si occupa di alcuni
aspetti di calcolo essenziali per gestire e
analizzare l’enorme quantita’ di dati che
l’esperimento raccoglie.
Produzione
(ricostruzione, Monte Carlo, …)
q Gestione e controllo delle operazioni
Accounting
q Ottimizzazione e gestione
q Sviluppo funzionalità
Database
q Ottimizzazione dei database di back-end
all’infrastruttura di produzione distribuita
q Mysql (studi su MariaDB e database
NoSQL)
q Soluzioni con replicazione e cluster di
database
Trigger con GPU
n
n
GPU (Graphics Processing Units)
q Introdotte nel 1999 da NVIDIA à rivoluzione nella
computer grafica e video games
q Da alcuni anni molto usate per il calcolo scientifico
n la legge di Moore dà segni di saturazione
q Utilizzate per operazioni altamente parallelizzate
n mentre le CPU eseguono i programmi in maniera
seriale
La sfida: realizzare un sistema di trigger con GPU
q Calcoli in tempi ultra-rapidi e decisione
sull’evento da tenere/scartare
q Sviluppo di algoritmi paralleli per tracciatore
e RICH
Il futuro
Tracciatore 4D
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n
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Sviluppo di un tracciatore a pixel con risoluzioni
spaziali di 30 micron e risoluzioni temporali di circa 10
picosecondi
Elevata resistenza alle radiazioni
Utilizzo negli esperimenti di LHC a seguito
dell’aumento di luminosità dell’acceleratore
Contatti: R. Calabrese, M. Fiorini, E. Luppi
Il Gruppo LHCb-Ferrara
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Mirco Andreotti
Wander Baldini
Manuel Bolognesi
Concezio Bozzi
Roberto Calabrese
Angelo Cotta Ramusino
Marco Corvo
Massimiliano Fiorini
Luca Landi
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Roberto Malaguti
Luca Minzoni
Eleonora Luppi
Ilaria Neri
Luciano Pappalardo
Benedetto Siddi
Giulia Tellarini
Luca Tomassetti
Stefania Vecchi
Riepilogo
n
Numerose attività e argomenti di tesi (per Laurea
Triennale e Magistrale) possibili su LHCb, in vari
settori a seconda del vostro interesse:
q
q
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Analisi dati
Sviluppo di elettronica veloce, a basso rumore, resistente
alle radiazioni
Sviluppo di sistemi di acquisizione dati (DAQ)
Sviluppo e costruzione di rivelatori innovativi
(fotorivelatori, rivelatori a pixel di silicio)
Controllo di qualità e caratterizzazione dispositivi
elettronici e fotorivelatori
Computing
Contattateci per ulteriori informazioni!
Altre attività
Equorinometro
n
Studio di fenomeni di
bioluminescenza utilizzando
equorina
q
q
n
Monitoraggio della concentrazione
dello ione Ca2+ nei vari distretti
cellulari
Rivelazione di bassissimi livelli di
luce (blu) con tubi fotomoltiplicatori
ad elevata efficienza quantica e
basso rumore
Collaborazione con il Dipartimento
di Morfologia, chirurgia e medicina
sperimentale
Contatti: R. Calabrese, M. Fiorini, E. Luppi, L. Tomassetti
