1

LHC

, ilpotenzialedi

scopertae C

MS

2

LHC

is the most pow

erful instrument for particle

investigation with accelerators.

It is expected to provide some answ

ers on the E

W sector and, possibly, new

challenges

CM

Sis an extrem

ely sophisticated detector. The local C

MS

group is involved since 1995 in the project and actively participate to construction and now

in data analysis

3

Actually our know

ledge, based on the interpretation of natural phenom

ena, is the Standard M

odel-a relativistic quantum field theory

The symm

etry principle is the local gauge invariance, where the

generators are described by an SU

(3)xSU

(2)xU(1) algebra;

from a phenom

enological point of view the m

odel is composed of 3

elements:

1) 3 fermion

generations (quarks and leptons)++ huge m

ass interval 10-10-> 10

2GeV

++ CP

violated in transitions among quarks of different generations

2) Vector bosons, responsible for the interactions

3) Higgs

mechanism

(which provide m

ass to fermions and bosons)

expected within a m

ass range [90, 1000] GeV

The model is able to w

ell describe (very well) m

ain part of known

phenomena

4

Standard M

odel -pre 2012

A key elem

ent, a “Higgs-like” particle

discovered in 2012 by LHC

Experim

entally: neutrino mass, the dark m

atter, the barionic asym

metry cannot be taken into account considering the

Standard M

odel

Gravity is form

ally excluded

The hierarchyproblem

...the standard model seem

s not complete, new

theoretical structures needed. E

xperimentally accessible at the TeV

scale

5

Standard M

odel ?

How

canw

eaccess

tothe

~TeVscale

with

enoughlum

inosityto

seethe

Higgs

?

Theidea

isto

builda

hadroniccollider

usingthe

olde

+e-infrastructure

(LEP

)atCE

RN

Why

hadronic?Is

simpler

andless

expensivethan

ane

+e-atthe

same

C.o.M

.energy

...butthefinalstate

ism

orecom

plex.

6

7

We set-up a Large H

adron Collider (LH

C), a

proton-proton collider with several TeV

available in the collisions

We need to understand how

the interaction works

to properly identify any new signal

protoneprotone

Main Interaction

Radiation (ISR/FSR)

Jet

Fragmentation/

Hadronization

Mutiple Interactions

(MPI)

Beam Rem

nant

8

Structure of the p-p interaction

9

Higgs P

roduction rates

g-g fusion

vector bosons fusion

W/Z strahlung

associate production

10

Decay rates

11

Our “M

aster” equation -How

detect signals?

The goal is to test SM

(in)consistencyFor each process expected at LH

C:

Dobbiam

o essere sensibili il piu’ possibile ai processi di fisica che possono realizzarsi

+ tanta energia: necessaria per produrre particelle m

assive (es: il bosone di H

iggs)A

ltri collisionatori (es e-e) non sarebbero stati altrettanto convenienti energeticam

ente

+ alta intensita’:S

pesso i processi che si vorrebbero osservare sono m

olto rari (es: 10 ordini di grandezza)

Il collisionatore

12

13

Il collisionatore

14

15

16

17

CER

N

LHC

è costruito al CE

RN

, sfruttandola

vecchiainfrastruttura

del LEP

Un anello

di 27km di diam

etroin m

edia 80 m sotto terra

Il sistema

di iniezionesono

i“vecchi” acceleratoripS

e SP

S (W

,Z)

4 esperimenti:

+ ATLA

S+ C

MS

esperimenti“generali”, disegnatiper

assicurareilm

aggiorpotenzialedi scoperta

possibile

+ LHC

bottim

izzatoper la fisica

deiB+ A

LICE

ottimizzato

per le collisionitraionipesanti

18

LHC

L’energia dei protoni e’ limitata dal cam

po magnetico che

mantiene i protoni in una traiettoria circolare

Beam

energy mom

entum:

p = 0.3×B×r p = m

omentum

[GeV

], B

= magnetic field [Tesla],

r = radius [metres]

Dal m

omento che il raggio e’ fissato, l’unico m

odo per increm

entare l’energia e’ aumentare B

Rendere il cam

po magnetico il piu’ om

ogeneo possibile ~ 2/3 dell’anello hanno dipoli m

agnetici

Altri m

agneti per il focussingS

ono necessarie sezioni rettilinee per posizionare gli esperim

entiU

n po’ di spazio se lo prendono i sistemi di iniezione ed

espulsione

Energia

19

Magnetisuperconduttori

Raffreddatia1.9 K

con eliosuperfluido

B > 8 Tesla

Magneti“doppi” rispetto

a Tevatron

perche’ LHC

e’ p-p e non p-anti_p

Nota: siusano

fascip-p (e non p-anti_p) perche’ non sarebbe

convenientedate le

luminosita’ che

siintendonoraggiungere

I magneti di LH

C

20

Energia

nelcentrodi m

assa√s = 14 TeV

per collisioniprotone-protone√s = 6 TeV

per collisioniPb-P

b

Luminosita’

L = 1034cm

-2s-1per collisioniprotone-protone

L = 1027cm

-2s-1per P

b-Pb

Il rate di eventi attesi

I protoni circolano in “bunches” (cioe’ in pacchetti)La spaziatura tem

porale e’ di 25 ns (i.e. 7.5 metri)

Il rate di Bunch-crossing e’ 40 M

Hz

Se consideriamo la sezione d’urto totale p-p ~ 100 m

bIl rate di eventi a L = 10

34cm-2s

-1e’ R ~ 10

9Hz

Se poi consideriam

o che ci sono circa ~ 25 interazioni pp separate per ogni bunch-crossing vi renderete conto della difficolta’ di separare un evento interessante dal fondo di eventi prodotti

21

22

LHC

-2012

From A

pril 20128 TeV

energy -stable running w

ith increasing luminosity

~25 fb-1collected

(Linst up to 10

32)

LHC

-2015

From July 2015

13TeV

energy -stable running w

ith increasing luminosity

~4fb

-1collected (L

inst up to 1033)

Now

LHC

restarted, the first stable beam

last May 7th

Particularcase: each

Z decays in μ μ

The idea is:

+ select all the events with:

at least 4 μ (+-,+-) in thefinal state

+ apply invariant mass condition

best pairing:m

_inv(i, j)=m_inv(k, l) = m

Z

+ at this point: m

_inv(i, j, k, l) = mH

what is the background ? any other process

with 4 m

uonsin the final state

24

How

to “see” the Higgs ?

with a detector

past

present

25

How

to “see” the Higgs ?

Il rivelatoredeve

esserein grado

di:

+ altaefficienza

di rilevazione(es: 1 traccia

“interessante” su1000 -

> devoessere

in gradodi ricostruirle

tutte)

+ altarisoluzione

spaziale(quale delle

n interazionivicinee’ quella

giusta? Devo

ricostruiren

verticiprimarie secondarialle

volte distantipoche

decinedi m

icron traloro)

+ altavelocita’ di risposta

(40MH

ze’ la frequenza

di interazionedei

bunches ad LHC

)

+ inoltrela parte piu’ interna

deveessere

in gradodi resistere

al danneggiam

entoda radiazione

LHC

detta le condizioni ai detectors

26

Il rivelatore CM

S

27

Il ruolo dei sottorivelatori

28

Un unico solenoide usato sia per i detector interni sia per le cam

ere a μ (usando il campo di ritorno)

Cam

po intenso (4 Tesla) nel volume interno

Grande raggio (~ 3 m

)

I calorimetri sono dentro il m

agnete!M

eno materiale di fronte al calorim

etro EM

, quindi una risoluzione piu’ alta nella determ

inazione dell’energia di fotoni ed elettroni

Il ferro che contiene il campo di ritorno esterno del

solenoide e’ equipaggiato con le camere a μ

Pesa 14,500 tonnellate

Tutto questo ferro limita la precisione nella

ricostruzione dell’impulso (se ci si basa solo sulla

misura esterna!)

Il magnete

29

L’impulso di una particella carica e’

determinato dal raggio di curvatura

nel campo m

agneticop = 0.3 x B

x r

La risoluzione della misura d’im

pulso e’ determ

inata dalla precisione nella ricostruzione della traiettoria (es: num

ero di punti con cui si ricostruisce, risoluzione spaziale del punto)

Il tracciatore

30

Per basso impulso e’ fondam

entale che i rivelatori siano leggeri

-> meno m

ateriale meno m

ultiple scattering

Il tracciatore

Barrel:

4 layer interni 6 esterni

Endcap:

3 dischi interni9 dischi esterni

Pixel:

3 layers2 dischi

31

32

Misura

dell’impulso

33

Misura

dell’impulso

34

Energy loss

35

Silicon Detectors

36

Com

e ottenereun segnale

37

Com

e ottenereun segnaleD

ue silici drogati diversamente vengono

uniti per creare un’interfaccia detta giunzione p-n. S

e polarizzata inversamente

si crea in prossimità della giunzione una

regione di svuotamento che m

inimizza le

correnti di fondo. Il passaggio di una particella carica deposita energia creando coppie elettrone-lacuna.Il cam

po elettrico fa si che gli elettroni derivino verso la regione n e le lacune verso la p.

Ogni unità fornisce inform

azioni bidimensionali e la disposizione su più strati

permette di definire una regione di segnale in 3D

38

The Tracker

39

The Tracker

40

Il tracciatore -prestazioni

41

42

Calorim

etria

43

Calorim

etria

44

45

e/fotoni -interazioni

46

bremsstrahlung

47

ionizzazione/bremsstrahlung

fotoni

In orderto be detected, photon must transfer their

energy to charged particles:

Photo electric

effect: only possible in the close neighborhood of a third collision partner

Com

pton scattering: only possible in the close neighborhood of a third collision partner

Pair production: only possible in the close neighborhood of a third collision partner.

Thresholdenergy > 2m

e = 1.022 MeV

49

grand total

sciamielettrom

agneticiIl principio e’ determ

inarel’energia

dellosciam

eche

sisviluppa

L’energiadell’elettrone

o fotoneincidente

vienem

isurataper assorbim

entototale

(unafrazione

dell’energiaviene

convertitain luce

o carica)

Uno sciam

edi e e

γ sisviluppaa causa

dell’interazionecon ilm

ezzo assorbente:

+per energia

sopra~1 G

eVproduzione

di coppie

e bremsstrahlung sono

iprocessidom

inanti(finoa E

>Ec, dopoionizzazione)

+ la scaladella

lunghezzadello

sciame

e’ determ

inatadalla

lunghezzadi radiazione

X0(la lunghezza

sopracui un elettrone

riducela

suaenergia

di 1/e del suovalore

iniziale; dipende

da 1/Z del mezzo (1.76 cm

per Fe, 0.56 Pb))50

sciami adronici

Gli sciam

i adronici si sviluppano tramite interazione forte con i nuclei

+ molti π

0: parte dell’energia sviluppa sciami elettrom

agnetici, si misura solo questa

componente (alta fluttuazione -> risoluzione energetica povera)

+ gran parte dell’energia e’ usata per eccitare (o rompere) i nuclei, solo una frazione e’ EM

+ lo sciame e’ definito dalla lunghezza di assorbim

ento λ, in generale e’ piu’ largo e profondo di quello elettrom

agnetico: λ~17 cm sia nel Pb che nel Fe

51

sciami adronici

Tipicamente

ilrapportotra

componente

emed

adronicae’:

Profondita’ m

assima

dellosciam

e(e 95%

assorbimento):

con sviluppolaterale:

52

𝑒ℎ≈1.1

−1.35

𝑅95%

≈λ

lmax ≈ (0.6lnE[G

eV] –

0.2)λl95%

(cm) ≈ lm

ax + 4Eaλ

con a = 0.15

53

layout e readoutI calorim

etri si dividono principalmente in om

ogeneie a cam

pionamento

Om

ogenei:sono fatti di un m

ateriale che è allo stesso tempo pesante e

attivo: lo stesso materiale induce gli sciam

i e ne misura

l'energia. P

iùprecisi m

a più voluminosi (e pesanti), costosi e fragili,

difficilmente segm

entabili

Cam

pionamento:

alternano un materiale passivo, che si occupa di ferm

are elettroni e fotoni e di indurre gli sciam

i, e un materiale attivo

che ne misura una frazione d'energia.

Meno

precisi ma anche m

eno costosi, compatti, robusti,

permettono una segm

entazione estremam

ente fine

54

risoluzione energetica

il calorimetro EM

di CM

SC

ristalli di PbW

O4

+ omogeneo, tutta l’energia delle particelle e’

depositata nel mezzo

+ l’energia e’ convertita principalmente in luce,

convertita in segnali elettrici da fotodiodi e fototriodi

+ alta risoluzione energetica

+ intrinsecamente tracciante per l’alta granularita’

a = 2.7%, fluttuazioni

nellosviluppo

dellosciam

eb = 0.55%

, sistematiche

da calibrazionec ~ 0.2 G

eV,

sistematiche

strumentali

55

E’ un calorimetro a cam

pionamento, il m

ezzo assorbente e’ il ram

e a cui sono interposti dei piatti di materiale plastico

scintillante attivo

ilcalorimetro

adronicodi C

MS

La misura

adronicae’ piu’ com

plessadi quella

elettromagnetica. La

risoluzioneenergetica

intrinsecanon e’ m

olto alta, ma la capacita’ di

integrarela m

isuracon altrisottorilevatoripuo’ m

iglioraredi m

olto la risoluzione

56

le camere a μ di C

MS

Le zone “attive” sono frapposte al ferro che funge da ritorno per il cam

po magnetico

Perche’ 3 tipi di camere ?

DT (zona centrale)

+ alta risoluzione spaziale-lenta-m

eno resistente alle radiazioni

CS

C+ buona risoluzione spaziale-lenta+ alta resistenza alle radiazioni

RP

C (in com

binazione -TR

IGG

ER

)+ scarsa risoluzione spaziale+ m

olto veloce+ buona resistenza alle radiazioni

57

le camere a μ -prestazioni

La bassarisoluzione

in impulso

del muone, intrinsecam

entebassa

per le camere

a mu da sole (a causa

dellagrande

quantita’ di ferro) viene

compensata

dall’usocom

binatocon ilsistem

atracciante

interno

solo camere

a μ58

camere

a μ+ tracciatore

Con un rilevatore com

e CM

S, siam

o in grado di misurare quasi tutto quello che

viene prodotto dall’interazione centrale

+ particelle cariche (tracciatore)+ elettroni/fotoni (calorim

etro EM

)+ adroni neutri e carichi (calorim

etro adronico)+ m

uoni (camere μ)

+ energia mancante (calorim

etria)

Tutte quantita’ connesse allo stato finale di una reazione

Riassum

endo

Jet:C

alorimteri,

tracciatore

Particella singolaTracciatore, cam

ere μ,C

alorimetro E

M

Energia mancante:

Calorim

teri

59

Rapportiam

o tutto alla ricerca dell’Higgs

Dipendentem

ente dalla massa

1) mH

> ~2mW , le m

odalita’ di decadim

ento dominante sono

H -> W

W o H

-> ZZ

ZZ in particolare offre una chiara segnatura sperim

entale nello stato finale (leptoni)

2) mH

e’ piu’ bassai rate di decadim

ento m

aggiori si hanno per bb, τ +τ -, cc e ggM

olto difficile da vedere a causa dell’enorm

e fondo continuo

In questo caso e’ preferibile cercare l’H

iggs come H

-> γγ (alm

eno fino a 130 GeV

)

tracciatore/calorimetricam

ere a μ/tracciatore

calorimetro E

M/tracciatore

60

2010 -i primi sospetti...

2012

2012/13 -Higgs -La scoperta

if we w

ant renormalization:

and if we extend up to Q

G (10

19GeV

), requiring the Higgs m

ass < 1 TeV

:

a fine tune of the order of 10-34: unnatural (H

ierarchyproblem

)

radiative correction to the Higgs m

ass are unstable (Λ2):

64

The SM

Higgs w

ill make m

e happy ?

In analogy to Lorentz invariance to the classical dynamics -> positron

(Dirac)

We’re looking for new

phenomena at the TeV

scale: introducing additional term

s to the Higgs self-energy in order to cancel the

quadratic growth in a natural w

ay

The idea is to introduce a super-partner to each Standard M

odel particle (a S

upersymm

etric Model)

[additional alternative models are based on

Extra-D

imensions, Technicolor, Little H

iggs...]

65

so what ?

Is there something new

?

Waiting for R

un 2 dataStay tuned!