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Comportamento di un modulo “Silicon Strip Detector” dell'esperimento Alice:
simulazione e prove con particelle minimo ionizzanti
Federica Benedosso Trieste, 10 novembre 2003
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Sommario
● La fisica di Alice● Il rivelatore Alice● Il programma di simulazione e risultati● Test sotto fascio e analisi dei dati raccolti● Confronto tra i dati della simulazione e quelli
sperimentali● Calibrazione dei parametri della simulazione
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La fisica: diagramma di fase● QGP presente subito dopo il
Big Bang
– Deconfinamento di quark e gluoni
– Ripristino della simmetria chirale
● Scompare con il raffreddamento
● Attualmente presente nelle stelle di neutroni? (bassa temperatura, alta densità)
● Esperimenti mirano a riprodurre alte temperature
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La fisica: evidenze del QGP● Collisioni Pb-Pb per produrre
QGP
● 5 TeV per nucleone nel centro di massa
● 2x104 particelle per evento
● Segnature della QGP
– Riduzione nella produzione di J/
– Aumento coppie elettroniche
– Aumento della stranezza
STAR @ BNL➔AuAu➔200 GeV per nucleoneNA49 @ CERN➔PbPb bersaglio fisso➔150 GeV per nucleone
Inizio presa dati: 2007 prove p-p prove p-Pb prove Pb-Pb
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Il rivelatore Alice @ LHC● Due componenti principali:
– Parte centrale per lo studio dei segnali adronici ed elettronici
● Magnete● TPC● ITS● Altri rivelatori
– Uno spettrometro muonico per lo studio dei quark nella materia densa
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Sistema di tracciamento interno ITS
● Ricostruzione vertici primari e secondari
● Tracciamento particelle basso impulso
● Tecnologia al silicio
● 6 layer
– 2 SPD (interni)– 2 SDD (intermedi)– 2 SSD (esterni)
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Silicon Strip Detector
● Occupa gli strati più esterni dell'ITS, r=40cm(748 moduli) e r=45cm (950 moduli)
● Area=73x40mm², W=300m
● 768 strip per lato, passo 95m, angolo stereo di 35 mrad
● Risoluzione: 15m (x) e 700m (y)
● Lettura effettuata da 12 chip, ciascuno collegato a 128 strip. Gli ADC convertono la carica in numero
x
y
modulo
Chip di lettura e ibrido
Microcavi
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Efficienza di ricostruzione
Angolo stereo piccolo● Risoluzioni molto
diverse (15 m e 700m)
● Riduzione del numero di ghost (utile per la molteplicità)
● Lettura solo su due lati
true
ghost
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Il programma di simulazioneAliRoot è il framework per la simulazione, la ricostruzione
e l'analisi dei dati di Alice. Integra passaggi compiuti da programmi diversi
● Produzione dell'evento fisico● Trasporto attraverso i rivelatori (Geant) e produzione
degli hit (informazione che ingloba posizione e energia rilasciata) GEOMETRIA
● Simulazione della risposta (digitizzazione) GEOMETRIA
● Ricostruzione di punti e tracce GEOMETRIA
In ogni passaggio la geometria è fondamentale
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Geometria per il beam test
● Scopo: calibrare la risposta del rivelatore SSD utilizzando i dati dei beam test
● Condizioni della simulazione il più possibile realistiche
➔ Un solo modulo SSD (oppure un telescopio)➔ Fascio di a 7 GeV/c
● Per introdurre una geometria appropriata, due alternative:
✗ Scrivere programma isolato (Geant)✔ Utilizzare AliRoot
● Grazie alla struttura object-oriented, gli algoritmi di simulazione, di digitizzazione e di ricostruzione non richiedono modifiche
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Simulazione della risposta 1/2
Conoscendo gli hit si ricostruisce quale strip viene attivata e con quale segnale
● Perdita di energia "quasi" continua e produzione coppie elettrone/lacuna
● Le coppie migrano verso le strip con distribuzione gaussiana
● Al segnale viene sommato un rumore gaussiano
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Simulazione della risposta 2/2
● Accoppiamenti capacitivi: a ciascuna strip viene aggiunta una frazione del segnale della strip precedente e di quella seguente
● Conversione in canali ADC
● Vengono scritti su disco solo i valori che superano una certa soglia
Ogni particella attiva più strip (distribuzione di carica, rumore, accoppiamenti). L'insieme delle strip attivate dalla stessa particella forma il cluster
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Risultati della simulazioneSegnale sulle strip Dimensione dei cluster Segnale sui cluster
Rumore
Attivate 2 strip
Picco principale
Cluster di 1 strip
P
N
P
P
NN
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Prove sotto fascio
● Misure effettuate al Cern con fascio di a 7 GeV/c (minimo ionizzanti) dal PS
● Studio della risposta dei moduli: rumore, alimentazione, scansione della superficie, tracciamento
● Prove con moduli singoli e telescopio
● Sviluppo di un programma di analisi specifico
10000 particelle/minutofascio pulsato (3 burst/min)250 eventi/minuto raccolti
da 5000 a 20000 ev/run163 run con modulo singolo
231 run con telescopioConfigurazione de trigger
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Il programma di analisi
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Run di rumore: calcolo del piedestallo I run di rumore servono per conoscere il fondo e analizzare poi il segnale
● Per ciascuna strip, il piedestallo è la media sugli eventi della carica
● Per escudere segnali elevati (dovuti al passaggio di particelle) si utilizzano soglie arbitrarie (piedestallo=0, =50)
● Una strip che produca sistematicamente segnali sopra soglia viene segnalata come non funzionante
● Il calcolo viene iterato usando come soglie il piedestallo e la deviazione standard trovate precedentemente
● Il piedestallo viene sottratto strip per strip ed evento per evento
Lato P Lato N
Strip non funzionanti
Prima Dopo
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Run di rumore: common mode
● Il common mode è una variazione di offset legato al chip di lettura
● Si calcola mediando, evento per evento, il segnale delle 128 strip lette dallo stesso chip
PrimaDopo:ora è ilRUMORE
Strip non funzionanti ???
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Run di rumore: alimentazione
● Il rumore varia in funzione della tensione di alimentazione
● Alimentazione ottimale quando il rumore è minimo
M1 M2 M3
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Run di segnale● Calcolo e sottrazione di pedestal e common mode come per i
run di rumore
Metodo iterativo non richiede analisi preliminare di un run di rumore: aumenta velocità di analisi
● La forma del cluster è la distribuzione di carica tra le strip; permette di ricavare gli accoppiamenti capacitivi
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Rapporto segnale/rumore
PN
S/N=43 S/N=17
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Prove con telescopio
● Tracciamento– Calcolo della
risoluzione spaziale– Risultati preliminari:
x=15m y=650m● Moduli diversi:
differenze minori nel rumore lato P/lato N
● Analisi tuttora in corso
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Calibrazione dei parametri
● Aumento del fattore di conversione delle coppie elettrone/lacuna in canali ADC: da 40 a 65 canali ogni 25000 coppie
● Variazione del rumore: vengono utilizzati i valori misurati. Sul lato N il valore è doppio rispetto al lato P
● Aumento degli accoppiamenti capacitivi (dal 2% a fino al 7%), utilizzando i rapporti ottenuti dallo studio della forma del cluster
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Confronto dopo la calibrazione
???
Segnale singola strip Dimensione cluster Segnale cluster
SimulazioneDati sperimentali
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Conclusioni
● Sono stati calibrati il fattore di conversione, il rumore e gli accoppiamenti capacitivi
– La distribuzione del segnale dei cluster viene riprodotta– La forma dei cluster viene riprodotta nell'andamento– La distribuzione di carica sulle strip è ancora molto
diversa● La calibrazione è soddisfacente, ma si può migliorare il
modello (es. rete capacitiva)
● Moduli in fase di ridisegno per il problema del rumore
● Analisi dei run con telescopio ancora in corso
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Run di segnale: ricerca dei cluster
● Due metodi implementati– Utilizzo di una soglia per isolare eventi associati al
passaggio di particelle e un'altra (eventualmente più bassa) per le altre strip del cluster
– Metodo geometrico: ogni strip incrocia determinate strip del lato opposto: il cluster viene ricostruito solo se c'è corrispondenza geometrica tra i due lati
● I metodi implementati danno risultati analoghi
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Confronto con la simulazioneSegnale singola strip Dimensione cluster Segnale cluster
SimulazioneDati sperimentali
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