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
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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)
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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
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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
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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
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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 )
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Prima evidenza della CP
nei mesoni B
sin(2β) = 0.62 ± 0.13 (luglio 2001)
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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
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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
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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
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Danilo Domenici
Il rivelatore LHCb
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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
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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
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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
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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 ???
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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
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Data
R20 (MΩ)
Q (C/cm2)
Febbraio 01
~ 10
~ 0.08
Dicembre 01
~90
~0.4
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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
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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
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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
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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
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Danilo Domenici
