RPC - CERN
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Sviluppo dei rivelatori RPC per l’esperimento LHCb Danilo Domenici XVI ciclo Universita’ degli Studi di Roma “Tor Vergata” Sommario La Fisica - Violazione di CP nel Modello Standard - i Mesoni B neutri - l’esperimento LHCb I Rivelatori - le camere per Muoni di LHCb - RPC: Resistive Plate Chambers L’Attivita’ - il problema dell’invecchiamento - formazione della Valanga nel Gas - misura del Coefficiente di Townsend 3 luglio 2002 2 Danilo Domenici La Violazione di CP Implicazioni della rottura della simmetria CP: Materia e Antimateria hanno proprieta’ fisiche diverse Non invarianza per Inversione Temporale (teor. CPT) CP necessaria per la Bariogenesi (asimmetria materia-antimateria) CP nel MS e’ un fenomeno Elettrodebole (accoppiamento quark-Higgs) Test di CP test indiretti della scala EW test diretti ricerca dell’Higgs 3 evidenze sperimentali: CP indiretta nei K neutri (ε, 1964) CP diretta nei K neutri (ε’/ε, 1999) CP nei B neutri (sin2β, 2001) 3 luglio 2002 3 Danilo Domenici La Matrice CKM Il Modello Standard con 3 famiglie di fermioni genera CP nelle Interazioni Deboli mediante una fase complessa nella Matrice di Cabibbo-Kobayashi-Maskawa VCKM Vud = Vcd V td Vus Vcs Vts Vub 1 − λ 2 /2 λ −λ Vcb ≅ 1 − λ 2 /2 − Aλ 2 Vtb Aλ 3 (1 − ρ − iη ) Aλ 3 (ρ − iη ) 2 Aλ 1 Parametrizzazione di Wolfenstein (λ, A, ρ, η) λ = sinθC = 0.2196 ± 0.0023 A = 0.83 ± 0.04 ρ = ?? iη = ?? Unitarieta’: VCKMV+CKM=1 genera CP 3 luglio 2002 4 Danilo Domenici Il Triangolo di Unitarieta’ Rappresentazione sul piano C di una delle equazioni di unitarieta’: VudVub* + VcdVcb* + VtdVtb* = 0 VudVub* VcdVcb* VtdVtb* , α = arg * VudVub VtdVtb* VcdVcb* VcdVcb* , β = arg * VtdVtb VudVub* γ = arg * VcdVcb B Physics → misurare i lati e gli angoli del triangolo 3 luglio 2002 5 Danilo Domenici I Mesoni B mesone quarks ub 5279.0 ± 0.5 1.653 ± 0.028 B0 db 5279.4 ± 0.5 1.548 ± 0.028 Bs sb 5369.6 ± 2.4 1.493 ± 0.062 cb (6.4 ± 0.4) · 103 0.46 ± 0.18 Autostati di bellezza: B0 - B0 BH = p B 0 + q B 0 BL = p B τ (10-12 s) B+ Bc+ 0 M (MeV) −qB 0 Autostati di massa: BH - BL W + q b Oscillazioni |∆B| = 2 _0 _ 0 q t t B q W − Bq b Differenze con K-K: Effetti della CP maggiori ⇒ fenomeno di interferenza Incertezze teoriche minori ⇒ effetti QCD piccoli 2 sistemi di B neutri ⇒ B0 e Bs Molti canali di decadimento CP definiti Branching ratio ‹ 10-3 ⇒ difficolta’ sperimentali 3 luglio 2002 6 Danilo Domenici Decadimenti dei Mesoni B Misura della Asimmetria di CP in funzione del tempo proprio di decadimento Γ(B 0 → f) − Γ(B 0 → f) Af (t) = Γ(B 0 → f) + Γ(B 0 → f) Misura delle Asimmmetrie ⇔ Misura degli angoli B 0 → J/Ψ KS Af ∝ sin(2β) B0 → π + π − Af ∝ sin(2 α) B 0 → D 0K *0 Af ∝ sin(2 γ) BS → DS*± π m Af ∝ sin(γ - 2β) BS → J/Ψ φ Af ~ O(λ 5 ) 3 luglio 2002 Prima evidenza della CP nei mesoni B sin(2β) = 0.62 ± 0.13 (luglio 2001) 7 Danilo Domenici Fisica del B a LHC Produzione di coppie bb in macchine leptoniche e adroniche PEPII - KEKB collisione di e+e- a 10.57 GeV Tevatron - LHC collisione di partoni a ~ 1 TeV Confronto tra LHC e B-factory e+e- Υ(4s): σ + grande ⇒ maggiore produzione di B Energia + alta ⇒ possibilita’ di produrre BS, BC, D-D Boost relativistico ⇒ maggiore risoluzione spaziale (temporale) Collisione – pulita ⇒ grande fondo 3 luglio 2002 8 Danilo Domenici Il Large Hadron Collider Caratteristiche principali particelle energia nel CM luminosita’ tempo tra bunch pp 14 TeV 1034cm-2s-1 25 ns circonferenza 26.7 km sez. d’urto tot 80 mb sez. d’urto bb 500 µb inizio apr 2007 ATLAS: gen purpose CMS: gen purpose ALICE: ioni pesanti LHCb: fisica del B 3 luglio 2002 9 Danilo Domenici Il rivelatore LHCb θb 3 [ra 2 d] 1 0 1 2 3 θb [rad] Distribuzione angolare coppie bb Spettrometro a braccio singolo con copertura angolare < 250 mrad 3 luglio 2002 10 Danilo Domenici Il rivelatore LHCb 3 luglio 2002 11 Danilo Domenici Il Rivelatore di Muoni Compito del rivelatore di muoni: Formazione del trigger di livello 0 Identificazione dei µ (presenti in molti canali di decadimento es: J/Ψ→µ+µ-) Segnatura di B→µX: Alto impulso trasverso (pt) 3 diverse tecnologie di rivelatori Determinate dai flussi di particelle regioni stazioni 3 luglio 2002 M1 M2 M3 M4 M5 R1 GEM MWPC MWPC MWPC MWPC R2 GEM MWPC MWPC MWPC MWPC R3 MWPC MWPC MWPC RPC RPC R4 MWPC MWPC MWPC RPC RPC 12 Danilo Domenici Gli RPC del Rivelatore di Muoni 210 m2 = 48% dell’area totale 480 camere, 960 gaps 56k canali FE R4 R3 150 cm 30 cm Pad logiche M4 M5 3 luglio 2002 13 Danilo Domenici RPC: caratteristiche generali E ≈ 5kV/mm GAS 95% C2H2F4 4% iC4H10 1% SF6 ρ ≈ 7x109 Ωcm Eccellente risoluzione temporale ~1 ns Risoluzione spaziale ~cm Efficienza >99% Limitata rate capability ~ kHz/cm2 Ageing ??? 3 luglio 2002 14 Danilo Domenici RPC: invecchiamento M4 M5 R3 750 Hz/cm2 11 nA/cm2 1.1 C/cm2 650 Hz/cm2 9.8 nA/cm2 1.0 C/cm2 R4 250 Hz/cm2 3.8 nA/cm2 0.4 C/cm2 225 Hz/cm2 3.4 nA/cm2 0.3 C/cm2 Flussi massimi *Densita’ di correnti *Carica integrata in 10y * = assumendo 30pC per valanga Risultati test alla Gamma Irradiation Facility @ CERN; 137Cs γ-source – 740 GBq 3 luglio 2002 Data R20 (MΩ) Q (C/cm2) Febbraio 01 ~ 10 ~ 0.08 Dicembre 01 ~90 ~0.4 15 Danilo Domenici RPC: principio di funzionamento Tempo di ricarica degli elettrodi τ = ρε0 (εr + 2) Superficie scaricata da una carica Q S= Q (εr + 2) ε0εrE Flusso massimo sostenibile La Rate capability dipende dalla resistenza degli elettrodi εE 1 Φm = = r (εr + 2) −2 τS ρQ 3 luglio 2002 16 Danilo Domenici RPC: teoria di Townsend Radiazione -> Ionizzazione Primaria ~1.5 <Z> coppie/cm (MIPs) Campo Elettrico -> Ionizzazione Secondaria a(E) l.c.m. per ionizzazione secondaria Coefficiente Di Townsend dq = αqdx nuova carica creata in cammino dx Q = q0 e αx q0 carica del cluster primario G = Q/q0 < 10 8 limite di Raether per la valanga α = Ae p B E p forte dipendenza di α dal “campo ridotto” Osservazioni sperimentali grandi effetti di carica spaziale fenomeno di “saturazione” della valanga 3 luglio 2002 17 Danilo Domenici RPC: misura di α Per capire il rivelatore a partire da principi fisici di base occorre misurare il Coefficiente di Townsend del gas E V ≈ 70 p cm ⋅ torr Campo elettrico ridotto dell’RPC Effetti di carica spaziale minimizzati con E e p piccoli ⇒ camera a deriva in alto vuoto Metodo di misura Sorgente X ⇒ ionizzazione primaria Griglia HV off ⇒ misura di q0 Griglia HV on ⇒ misura di Q Conosco x ⇒ misura di α x 3 luglio 2002 18 Danilo Domenici Conclusioni La CP e’ legata alla comprensione di fenomeni come la Bariogenesi e la produzione delle masse fermioniche LHCb si propone di misurare con precisione la CP nei mesoni B per testare il MS e trovare tracce di “Nuova Fisica” A RomaII verranno costruiti gli RPC del rivelatore di Muoni, per la prima volta utilizzati in condizioni di alti flussi (~kHz/cm2) I test d’invecchiamento in corso hanno evidenziato un aumento della resistenza degli elettrodi Un modello fisico del rivelatore richiede la misura diretta del Coefficiente di Townsend del gas 3 luglio 2002 19 Danilo Domenici
