Il quark top è Q = 2/3, $T_3$ = +1/2 l'ultimo della terza famiglia di sapore. La sua grandissima massa ($\approx 173 GeV$, il b è $\sim 4 GeV$, l'u $\sim 2 MeV$, d $4 MeV$, s $90 MeV$ c $1.29 GeV$, più massiccio dei primi 74 elementi, più massiccio del W e anche del Z) è la causa di quasi tutte le sue peculiarità:
Per questi motivi e altri non citati, come lo studio di rottura di simmetria avanti-dietro etc, gioca un ruolo importante in molti possibili verifiche di precisione del SM e prospettive oltre il SM. Per esempio i top possono essere un background (cioè sembrano top ma possono essere altre cose) di fenomeni di produzione di eventuali quark di 4a famiglia (cioè praticamente decadimento quark più pesante in top) (permessi da SM "would allow for the right size of CP violation in the universe" v ref), risonanze pesanti eg di Z e W (che possono apparire in rotture spontanee di simmetria ew dinamiche TODO cioeh?) che possono decadere in top, produzione o decadimento di susy-quarks più leggeri
Mentre il single top è prodotto da interazioni elettrodeboli tra fermioni (quark,antiquark (o leptoni-antileptoni anche in LEP?)), la produzione di una coppia ttbar è un processo strettamente int forte, quindi descritti bene da pura QCD, che quindi considera e conferma anche il fatto che i quark top hanno carica di colore. I principali processi sono gg fusion e qqbar annihilation. Il processo per annichilazione è simile a quello Drell-Yan, con però il fattore 1/9 dato dal numero di colori da qcd: $q \overline{q} \rightarrow g^* \rightarrow t \overline{t}$ (TODO da chiedere se è vero).
I due processi gluonici sono uno con un vertice a tre gluoni: $gg \rightarrow g^* \rightarrow t \overline{t}$ e uno con due gluoni che vanno in ttbar con scambio di un top (propagatore?) (propagatore che rimane offshell finché l'energia (quadratica) o massa trasversa dei gluoni incoming è maggiore della massa a riposo (quadratica) dei quark uscenti TODO da spiegare meglio)
Il top decade spontaneamente in altri quark per interazione EW, via un bosone W onshell, cioè non virtuale, quindi rivelabile.
Secondo la matrice CKM, gli elementi di matrice di accoppiamento del top con altri quark sono tutti molto piccoli, eccetto il termine con il quark bottom ($V_{tb} \approx 1$). Accoppiamento di top con altri quark "downtype" è piccolo ma non fortemente negato, mentre quello con gli altri quark "uptype" (u/c) è fortemente negato, possibili nel SM a livello di loop, con probabilità bassissime di decadere con emissione di un quark uptype e un fotone (BR 5.9‰) o un bosone Z(BR 2.1‰) (al momento in lhc mai visto) (TODO DA METTERE BIBLIOREF).
Il principale decadimento del top è quindi in un bottom e in un bosone W, il quale a sua volta può decadere leptonicamente o adronicamente:
Quindi i possibili canali di decadimento tramite cui è possibile rivelare la coppia ttbar (ricordiamo che t ha un tempo di decadimento estremamente breve quindi è impossibile da vedere direttamente) sono: "all jets", cioè 2b jet + 4 altri jet adronici (ubar-d/u-dbar o cbar-s/c-sbar); "jets + leptons" cioè 2bjet, altri 2 jet adronici provenienti dal decadimento di uno dei due W prodotti dai due top, e un leptone (e+-, mu+- o tau+-) più relativo neutrino (cioè MET nel rivelatore) dall'altro W, "dilepton", cioè i due jet b con due leptoni (diversi in generale) e i relativi neutrini (quindi MET)
(TODO Altri processi più rari da scrivere quali cross sect a tevatron, cioè top in loop con uscita $\gamma/Z^0$ e quark c/u)
Fondamentalmente il top ha massa 175 GeV, più o meno serve un ordine di grandezza in più come energia del centro di massa in un collider adronico. Con i leptonici è tutta un'altra storia.
Stupefacente che già con i dati iniziali di LEP del 1994 sui parametri del Z (massa, larghezza, larghezza parziale in adroni e quindi in bbbar e ccbar, larghezza parziale in leptoni, ll), (che permette eg formazione di mesoni neutri e quindi vedere meson mixing del B), forward backward asimmetrie, ma anche dati non da LEP come massa del W da Tevatron, del scattering neutrino nucleo da varie collaborazioni, e left right asimmetria nella produzione di Z a SLC. The leading top quark dependence is quadratic and allows a determination of $m_t$ . The main dependence on $m_H$ is logarithmic and therefore, with the present data accuracy, the constraints on m_H are still weak (1994).
Supponendo una massa di H tra 60 e 1000 GeV ottennero una stima della massa del top tra 150 e 210 GeV, questo con i dati risalenti ai tempi immediatamente antecedenti alla scoperta del 1994
La ricerca del top quark parte praticamente nel 1977, con la scoperta del bottom. Infatti dalle misure dell'autovalore dell'isospin debole $I_3$ risultava $-1/2$, mostrando che il b faccia parte di un doppietto di isospin come i quark delle altre due famiglie. Se fosse stato $I_3 = 0$ allora sarebbe stato singoletto. NB questa misura è stata fatta misurando la larghezza di decadimento (parziale) del Z in bbbar: se fosse stata abbastanza piccola $ \sim 24MeV$ da calcoli elettroweak b sarebbe stato singoletto, invece è di $\sim384 MeV$, compatibile con $I_3^{w}=-1/2$ Nel 1995 è stato finalmente osservato nel canale di produzione ppbar->ttbar a Tevatron a $\sqrt{s}= 1.8 TeV$.
Il Tevatron collider è la parte finale di una serie di 7 acceleratori necessari per ottenere i raggi collidenti al Fermilab:
Sono in realtà 2 per ridondanza consistono in una sorgente di ioni di idrogeno negativi, un generatore Cockcroft-Walton (un circuito che trasforma corrente alternata in corrente continua ottenendo una ddp molto più alta), una colonna acceleratrice elettrostatica e una linea di trasporto che inietta il fascio di particelle nel LinAc. I ioni neg di H vengono prodotti a 18 keV, accelerati attraverso una ddp di 750 kV attraverso la colonna verso la linea di trasporto (che è "messa a terra"). Dopo l'accelerazione a 750 KeV il fascio passa al LinAc attraverso la linea di trasporto, mediante magneti che focalizzano e guidano il fascio, dotata di un filtro elettrostatico che controlla l'ammontare della corrente che passa, eliminando la parte in eccesso del fascio pulsante passante. Una opportuna cavità risonante bunchizza il fascio a $\sim201$ MHz, cioè la frequenza risonante del LinAc per raddoppiare l'efficienza di cattura del LinAc da 35% (non bunciato) a 70%.
Un acceleratore lineare a due fasi che produce un fascio pulsato di ioni H- di 400 MeV per l'iniezione nel booster con scambio di carica. Il primo stage è un Alvarez drift tube (tubo acceleratore dotato di schermi cilindrici di lunghezza $\beta\lambda$ che scherma il fascio quando è in fase decelerante rispetto al campo EM esterno NB supponiamo di volere accelerare un fascio a alte energie in una distanza più lunga della metà del periodo di risonanza $\beta \lambda /2$, allora il fascio dopo aver accelerato rallenta a causa della polarizzazione del campo elettrico assiale che si dirige in direzzione opposta alla direzione del fascio), accelera i ioni fino a 116 MeV lungo 79 m (composte da 5 tank cilindrici risonanti con i 59, il primo, 25, l'ultimo, tubi drift dentro con quadrupoli incorporati); la seconda parte di 67m è stata sostituita da poco ai normali drift tubes perché arrivava solo a 200 MeV, ora arriva a 400 MeV grazie a drift tubes in cilindri risonanti side-coupled
consists of 4 sections with each section containing 16 accelerating cells and 15 coupling cells. The 4 sections are joined together on the module girder by 3 bridge couplers. An 804.96 MHz signal, amplified by a 12 MW Klystron, drives the module. The accelerating gradient for each side-couple cavity module is about 7.5 MV/m, which is three times that of the Drift-Tube Linac (DTL).
Un proton sincroton di diametro 151m che porta da 400 MeV a 8 Gev il fascio che serve da iniettore al main ring. Accelera tramite un'iniezione a scambio-carica multigiro al rate di 15Hz. È fatto da 96 magneti di-quad lungo 17 cavità a doppio gap che significa doppio-mono gap? TODO. Il motivo perché non si inietta direttamente dal linac è che era difficile avere linac oltre i 400 MeV al tempo, e sarebbe stato complicato usare il main ring per passare direttamente da 0.4 a 400 GeV. La soluzione è stata usare il booster che aumenta di un ordine di grandezza l'energia e riempe il main ring a cicli.
synchrotron is an accelerator where the particles follow a closed orbit while being accelerated via multiple passes through accelerating stations; this requires that the magnetic fields constraining the particles to their orbits and the RF fields accelerat- ing the particles vary synchronously with the change in particle momentum.
Boosting e injection procedono per fasi:
The frequency with which the Booster completes the acceleration cycle requires that the magnets be an integral part of a resonant system. Each of the bending magnets in the Booster is a combined function dipole/quadrupole.
The Booster operates in two modes for colliding beam operations. When the Booster is accelerating protons for eventual injection into the Tevatron, only 11, 13, or 15 bunches are actually injected into the Main Ring for final coalescing into one bunch. The rest of the buckets are directed to a beam dump. While antiprotons are being collected, the Booster delivers one full turn (or "batch") of protons ( 84 - 1 = 83 bunches) to the Main Ring approximately every 2.4 sec.
worth noting that the linac upgrade was motivated by a desire to increase beam current in the booster with the ultimate goal being increased luminosity in the Tevatron
The Antiproton Source is comprised of a target station, a Debuncher ring and an Accumulator ring (entrambi di forma triangolare smussata e il secondo dentro il primo), and the transport lines associated with these devices. The accumulation of antiprotons involves extracting protons from the Main Ring, directing them onto a target, collecting negatively charged particles with an ~8 GeV momentum from the secondaries, and "cooling" the antiprotons so that they may be stored for later use in the Tevatron. This process continues for several hours until sufficient antiprotons are available for later injection into the Tevatron. Il target usato è di Nickel.
Un collider pp ha il vantaggio economico di richiedere solo ioni di idrogeno per entrambi i beams, ma ha lo svantaggio di avere il doppio dei magneti per gestire due fasci di stessa carica in direzione diversa
The Main Ring is a 400 GeV proton synchrotron with a radius of 1000 m. Now it serves as a 150 Ge V injector of protons and antiprotons for the Tevatron as well as a source of 120 GeV protons used in antiproton creation. It is composed primarily of 774 dipole magnets, 240 quadrupole magnets, and 18 dual gap RF cavities; it contains 1113 RF buckets and operates at about 53 MHz.
L'iniezione in Tevatron avviene in fasi:
Una volta catturato a 8 GeV, il fascio è accelerato fino alla energia di iniezione del Tevatron di 150 GeV (la frequenza risonante viene leggermente aumentata di 0.3). Arrivati all'energia massima i magneti vengono mantenuti costanti e si procede con la coalescenza e cogging. Cioè dato che il main ring fa da iniettore al Tevatron, deve massimizzre il numero di particelle per bunch trasferito e deve mettere ogni bunch nell'appropriato RF bucket.
cogging: adjusting the revolution frequency of bunched beam in a synchrotron to correspond to some external frequency.
Prima del Main Ring il numero di particelle nei bunch è troppo piccolo per colliderle, quindi il Main Ring riunisce vari bunches in uno prima di iniettare mediante delle cavità apposite
Per i pbar i protoni a 120 GeV vengono mandati verso la sorgente pbar che procede poi a stackarli in successivi cicli di circa 2,5 sec in maniera praticamente continuativa. Il procedimento è simile all'injector mode: i protoni vengono presi, accelerati (in pbarstack mode prende solo un intero batch dal Booster, 83/1113 cioè 7.5% della capacità totale del main). Quando si arriva all'energia di 120 GeV i magneti vengono lasciati costanti, i bunches vendono ruotati nello spazio delle fasi in modo che siano stretti in tempo ma larghi nello spread del momento. A questo punto il fascio è estratto verso il target per i pbar.
In tutto questo processo ci sono perdite durante le iniezioni e transizioni.
È l'acceleratore a sincrotone con fasci collidenti di p-antip, che porta a una energia del centro di massa di 1.8 TeV. È il primo sincrotone a grande scala basato su tecnologia di superconduttori. Tutti dipoli, quadrupoli e magneti correttivi che fanno il reticolo di base della macchina sono superconduttori e sono raffreddati da elio liquido a 4.6 K. A parte questa eccezione è abbastanza simile in dimensioni e struttura al main ring. Opera a 53 MHz circa, ha 1113 buckets come il Main e questo porta a una efficienza nel trasferimento del fascio vicina al 100% (mentre booster-main e pbarsource-main è circa 85-90%). Qui sono posizionati i punti in cui i fasci collidono, con i due esperimenti, tra cui CDF.
Il detector complessivamente consiste in un complesso di $2 \cdot 10^{6}Kg$ semovente, fatto da magneti solenoidali, un gioco d'acciaio, camere di tracciamento, contatori di shower EM, calorimetri adronici e camere muoniche, e due identici detector in avanti e indietro composti da contatori segmentati di tempo di volo, calorimetri EM e adronici, e spettrometri toroidali muonici. Successivamente è stato aggiunto subito nei pressi del bunch crossing un rivelatore al silicio per la determinazione della posizione del vertice e di vertici secondari, e ulteriori camere muoniche nel cilindro e avanti-dietro. Il giogo di acciaio forma una grande scatola 9.4 x 7.6 x 7.3 m che supporta la bobina superconduttrice di Ø = 3m e l = 5m e i calorimetri terminali avanti/dietro, mentre il calorimetro centrale, composto da 48 moduli a forma di cuneo sono assemblati in 4 archi autosupportanti posati sulla base del gioco.
Il detector è diviso in un detector centrale ($10° < \theta < 170°$), che include le parti terminali che compongono i pezzi polari per il magnete solenoidale ($ 10° < \theta_s < 30°$) e le regioni avanti/dietro ($\theta_s < 10°$), dove $\theta_s$ è l'angolo polare misurato dal fascio p/antip. A angoli sotto i 10° le particelle prodotte al punto di interazione escono dal buco conico agli attacchi terminali e colpiscono gli shower counters e calorimetri avanti/dietro. A ogni capo i calorimetri sono seguiti da magneti toroidali da Ø = 7.6m usati come spettrometri per muoni. Piani singoli di contatori a scintillazione alle facce dei shower counter a ogni capo fanno da "minimum bias" trigger TODO cosa è? e monitor di luminosità TODO perché?
L'obiettivo di base di CDF è misurare energia e momento delle particelle prodotte nelle collisioni e quando possibile identificarle, coprendo la più larga frazione possibile del totale angolo solido. La strategia è ricoprire la zona di interazione con strati di differenti componenti rivelatrici. In sequenza ci sono: il silicon microstrip vertex detector, camere traccianti per le particelle cariche, calorimetri, e rivelatori muonici. Lo spazio delle fasi per collisioni adroniche energetiche è ben descritto dalle variabili rapidità y, momento trasverso pT e angolo azimutale TODO vedere bene quale angolo è, segliendo un layout delle componenti del detector a simmetria cilindrica abbastanza uniforme in pseudorapidità $\eta$ e azimuth $\phi$
The pseudo-rapidity $\eta$, is defined by $\eta := -ln(tan \theta /2)$, where $\theta$ is the polar angle measured from the proton beam direction; $\phi$ is the azimuthal angle. CDF uses a conventional right-handed coordinate system with $x$ out of the Tevatron ring in the horizontal plane, $y$ vertical, and $z$ in the proton direction. Forward refers to the proton direction (positive $z$ and $\eta$). In the text where the angular coverage of systems is given we use $\theta_s$ to measure the angle from either the proton or anti-proton beam, as the detector is forward/backward symmetric.
This section of the CDF detector uses a drift chamber to track charged particles passing through the detector. A passing particle ionizes the gas in the chamber, and the electrical signal is picked up by one of the wires and carried to readout electronics. The COT is lodged between the silicon detector and the solenoid magnet. Like the silicon detector, the COT tracks charged particles as they pass through it, leaving a trail of ions and electrons in their wake (see ionization). But instead of layers of silicon, the COT uses a chamber full of argon and ethane gas, with tens of thousands of wires strung across it to catch those electrons and transport the information to computers for processing. There are two kinds of wires. The thinner ones are called sense wires. Their job is to pick up electrons that are released from the atoms in the gas when a particle flies past. The thicker field wires attract positive ions that are left behind when the electrons get ripped off. Engineers apply a more negative voltage to the field wires than to the sense wires, creating an electric field that causes electrons to move in one direction (toward the more positive sense wires) and positive ions to move in the other (toward the more negative field wires). An electron, once released, will travel toward the nearest sense wire. Physicists want to pack as many wires as they can into the COT. The denser your forest of wires, the less time it takes for an electron to reach the nearest one. And with eight million collisions happening every second, the faster the electrons reach the wires, the better your chances of distinguishing the particles produced in one event from those produced in the next. The space between the wires in the original tracking chamber (featured in the images on this page) is 5 millimeters (0.197 inches); in the tracking chamber currently used at CDF, the wires are only 3.56 millimeters (0.140 inches) apart.
Consideriamo i sistemi che ricoprono l'accettanza del calorimetro (angoli maggiori di 2° rispetto alla direzione del raggio IN CHE DIR!?). Ci sono quattro sistemi di tracciamento separati in CDF:
Sense wire: The thinner of the two kinds of wire in the central outer tracker (COT), their job is to pick up electrons that are released from the atoms in the gas when a particle flies past.
Field wire: The thicker of the two types of wire in the central outer tracker (COT), their job is to create a difference in voltage that will send a floating electron toward the nearest sense wire. They also attract the positive ions whose electrons have been ripped away by a passing particle through the process of ionization. (See sense wires.) (Note: The positive ions do not actually move toward the field wires, but a positive ion will attract an electron from its neighbor, and so on down the line, effectively creating a wave of ion production.)
$r$ è la distanza radiale dal fascio, $z$ è quella lungo il fascio partendo dal centro del detector.
e circa 3000 pad per le misure delle coordinate nel piano $R-\phi$. Ogni modulo ha una griglia centrale ad alto voltaggio che lo divide in due regioni di deriva di 15 cm. Alla fine di ogni regione di deriva c'è una camera contatore proporzionale fondamentalmente una camera a deriva TODO da vedere come funziona con contatori proporzionali ai capi TODO da ved come funz arrangiata in ottanti, con ogni ottante dotato di 24 cavi sensibili anodici e 24 pads catodici. Guardando dalla regione di drift un ottante consiste in una griglia (schermo) di catodi seguita da un piano di cavi field shaping, poi un piano di cavi sensibili che laterna nella direzione radiale con i cavi da campo, e infine un piano catodico resistivo; tre righe di pad sono posizionate dietro il catodo resistivo. L'area attiva della camera si estende da R=6.8 cm a 21 cm. Dato che le particelle che passano per il calorimetro e le altre camere traccianto per prima passano dal VTPC si è cercato di minimizzare il più possibile la massa del VTPC (oltre che ovviamente del tubo dentro cui passa il fascio e collide, fatto da berillio spesso 0.5 mm).
La determinazione precisa del momento nella CTC avviene grazie a un campo magnetico uniforme di 1.5 T, orientato lungo la direzione incidente del fascio. Il campo è prodotto da una bobina cilindrica solenoidale superconduttrice lunga 5m e larga 3. La bobina è fatta da più di 1000 giri di superconduttore a NbTi/Cu stabilizzato all'alluminio che non so che diamine è o significa. La bobina è disegnata per non avere un "rocchetto" interno: le forze magnetiche radiali verso fuori sono supportate da un cilindro all'esterno di una lega di alluminio. Il raffreddamento è fatto con elio a doppia fase vedere appunti antenna risonante Ricci che passa attraverso un tubo di alluminio saldato a quello esterno di supporto. Dato che dopo il magnete ci sono i calorimetri, è importante notare che la lunghezza complessiva del solenoide è 0.85 lunghezze di radiazione quanto è? tanto? poco? medio?
Calorimeter: This section of the CDF detector measures the energy of charged and neutral particles that hit it on their way out from the center of the detector. The calorimeter is made up of 48 wedges arranged in a circle just outside the solenoid magnet. Each wedge consists of an electromagnetic calorimeter for catching leptons and a hadronic calorimeter for catching hadrons, as well as a section of muon chambers. The layer of calorimeter wedges comes between the solenoid magnet and the steel shielding.
Light guide: At CDF, a tube of very clear plastic used to transmit data (in the form of light) from the scintillators to the photomultiplier tubes, which send the signal to the readout electronics. The light guide carries light the way a garden hose carries water, bending it around corners and other difficult areas. A reflective coating on the surface of the light guide keeps light inside the guide until it has reached its destination.
Photomultiplier Tubes (PMTs): Cylindrical devices that turn a small signal (a few photons) into a larger signal (millions of photons), and then convert that into an electrical signal that can be picked up by the readout electronics.
I jets elettromagnetici, e sopratutto quelli adronici (in particolare per quanto riguarda il ricostruirli completamente) sono molto importanti, per cui è stata usata una geometria a torre per dare il maggior spazio di interazione fattibile. La copertura complessiva delle torri calorimetriche nello spazio $\eta-\phi$ è quasi completa tra $0° < \phi < 90°$ e $0 < \eta < 4.2$ (con la parte finale oltre 4 che ha una copertura minore in profondità a causa dei quadrupoli a basso beta CHE AZ SONO? TODO); la parte centrale ha risoluzione in $\phi \sim 15°$ e $\eta \sim 0.1$, mentre endplug e forward/backward calorimetri in $\phi \sim 5°$ e $\eta \sim 0.1$. Una singola torre spazza 24.1 cm in $\eta$ e 46.2 cm in $\phi$ ma che az vuole dire!?! TODO nella zona centrale, mentre 1.8 x 1.8 cm in quella fw/bw. Ogni torre ha un contatore di shower elettromagnetici davanti a un corrispondente calorimetro adronico, in modo da poter fare confronti dettagliati le energie nei due calorimetri della stessa torre.
La calibrazione di ogni cuneo basato da scintillatori è stata fatta usando elettroni e pioni carichi da 50 GeV in un fascio di test oltre a raggi cosmici con muoni. È stata controllata anche la riproducibilità della misura controllando variazioni di breve e lungo periodo nel guadagno dei scintillatori e fotomoltiplicatori (con sistemi di controllo vari), le quali sono risultate sotto il 2% in un periodo di alcuni mesi nell'88, non so dopo. NB: le variazioni di guadagno dei calorimetri gasbased sono dovuti a variazioni in P e T del gas, o da variazioni della sua composizione, il tutto monitorato.
This section of the calorimeter is designed to stop leptons and record their energy. It consists of alternating layers of lead and scintillator; the lead stops the particles, and the scintillator picks up the energy they deposit.
I calorimetri EM hanno una risoluzione spaziale di $\sim$2mm su tutto l'angolo solido. La segmentazione in profondità per ogni torre del contatore centrale (cioè tra $0<|\eta|<1.1$) consiste in un singolo sample complessivo, con misura addizionale dello shower con alta risoluzione trasversa usando una camera proporzionale posizionata a profondità di 6 $\lambda_{rad}$. Nella regione endplug ($1.1<|\eta|<2.4$) la misura in profondità è fatta con tre campionamenti, integrando su 3.8, 14.2 e 3.0 $\lambda_{rad}$WAT MA COME 3 viene dopo 3.8 e 14? COME SCRIVONO!? TODO. Ogni piano di cavi, 34 in tutto è anche digitalizzato da quadranti, dando un profilo dettagliato dello shower in aggiunta ai tre campionamenti in profondità, compresi elettroni e fotoni isolati. La ragione fw/bw ($2.2<|\eta|<4.2$) ha due segmenti di profontià, ognuno integrando su 12 $\lambda_{rad}$. Come nella regione plug, i piani di cavi a ogni profondità sono readout per informazioni del profilo, ma con 5 regioni separate per quadrante cosa è quadrante? TODO.
This section of the calorimeter is designed to stop hadrons passing through it and record the energy they emit. It consists of alternating layers of steel and scintillator; the steel stops the particles, while the scintillator catches the remaining energy and sends it off to be recorded.
Consiste in lastre di acciaio alternate con detector attivi: scintillatori plastici nella regione centrale, camere proporzionali a gas nelle regioni plug e fw/bw. Ha una suddivisione della copertura leggermente diverso da quello EM, a causa della geometria del solenoide che quello EM si ritrova subito adiacente ma quello adronico no. Nella zona centrale il calorimetro adronico consiste nella porzione adronica delle torri calorimetriche nei cunei, con in più torri addizionali nel "muro finale" attaccati al giogo ?. In tutto la copertura del calorimetro centrale è $0<|\eta|<1.3$, quello in zona endplug $1.3<|\eta|<2.4$, quello fw/bw $2.3<|\eta|<4.2$. Tutti i calorimetri hanno solo una raccolta in profondità, mentre quelli in plug e fw/bw hanno i cavi in ogni piano per quadrante digit-izzati individualmente per fornire info sul profilo degli shower.
This part of the detector measures the location of and energy deposited by muons, the only particle (with the exception of the neutrino) that has largely escaped detection in all of the other sections of the detector. Most of the muon chambers are located on the outskirts of the detector, behind two feet of steel shielding designed to stop all particles except muons. An individual muon detector consists of two parts: a drift chamber which measures the position of the muon, and layers of scintillator to give an accurate timing for when the muon passed through.
I muoni visti dalle muon chambers sono matchati con il FTC e il VTPC (anche con il SVX?) I sistemi muonici di CDF sono due alla costruzione e altri due aggiunti nel '92, dato che nelle zone intermedie tra regione centrale e fw/bw la copertura era parziale. L'upgrade consiste in una copertura angolare estesa, in pseudorapidità, nella regione $0.65 < |\eta| < 1.00$, più un secondo strato di detector dietro un addizionale strato di acciaio nella regione $|\eta| < 0.65$. I detector aggiunti consisono in vari strati di camere a deriva di 2.5x15cm, e 1 o 2 strati di scintillatori plastici; inoltre hanno un sistema di trigger interlacciato con gli altri sistemi. Il motivo che ha portato all'upgrade è sia aumentare l'accettanza dei muoni, sia diminuire il rate di trigger fake, diminuendo il background da punchthrough. Infatti per esempio con il decadimento del top da 170 GeV solo il 55% dei leptoni cade entro il CMC in $\theta$ e solo il 25 di quelli che decadono da bottom. Quindi se mancano zone la percentuale di muoni persi non è trascurabile. Non solo, dati solo 5.4 lun abs per il pi, circa 1/220 adroni passano dritti attraverso il calorimetro senza interagire, andando a fakare un muone.
Le camere misurano quindi 4 punti lungo la traiettoria del muone, con un'accuratezza di 0.25mm per punto, nella direzione $/phi$, mentre la precisione nella divisione di carica è di 1.2mm per punto nella direzione z. Le camere coprono la regione angolare $55°<\theta<125°$.
Tuttavia la copertura media dell'apparato nella regione centrale è solo l'84%, a causa dello spazio tra le camere ai confini in $\phi$ dei cunei e del confine tra gli archi a $\theta=90°$.
Il sistema è efficiente al 100% per rivelare i muoni nel suo angolo solido, solo quando il momento del muone è OLTRE i 3 Gev/c. I muoni sono matchati sia in posizione che in angolo con le tracce del CTC. Come ogni traccia ad alto momento nel CTC, le CMC hanno risoluzione $\delta p_T/p_T^2 < 0.002 (Gev/c)^{-1}$ corrisponde a 2 mev/c^-1?
The $|\eta|$ coverage ranges from 0.65 at the horizontal and vertical axes to 0.52 at the corners of the rectangle NON HO CAPITO TODO.
Solo mettendo l'acciaio l'assorbimento per $|\eta|<0.6$ passa da circa 4.5 a quasi 8 (media su azimuth).
Il gap in angolo polare tra 17° e 55° dell'originale sistema muonico era abbastanza pesante, essendo questa regione comunque molto importante per i decadimenti leptonici di particelle pesanti. Viene aggiunto il CMX, che copre le regioni tra $42°<\theta<55°$ a entrambi i capi del detector, con le camere montate a formare un tronco di cono, inclinato di 41.5° coprento 240° in azimuth. Formato da un sistema di tubi a deriva sovrapponendosi parzialmente con il sistema muonico centrale. A questo si aggiunge CSX un sistema di contatori a scintillazione posizionati a ogni capo del detector centrale, usati per triggering
ma estendendo la copertura in pseudorapidità da 0.65 a 1.
The innermost layer of detection equipment in the CDF detector. Its purpose is to give a precise measurement of the position of each charged particle that passes through it.
silicon vertex detector
(storage e offline analisi?)
CDF employs a three level trigger system. The first two levels are implemented in custom electronics. To select events in the third level, we employ a CPU farm using a version of the CDF event reconstruction program optimized for speed. This trigger used an on-line computer farm of 58 Motorola 68020 processors operating in parallel. The on-line programs were written mainly in Fortran and run in an environment similar to that used for off-line analysis.
Detto beam-beam counter è un sistema che consiste in 2 moduli, ognuno consistente in un piano di 16 contatori a scintillazione. Il suo ruolo è quello di minimum bias trigger e monitor primario di luminosità, oltre che misuratore del tempo di interazione. I contatori hanno timing con risoluzione sotto i 0.2ns. Con la misura di timing permette di circoscrivere la zona di interazione entro 4cm. Sono arrangiati in un rettangolo attorno al tubo del fascio e coprono una regione angolare tra 0.3° a 4.5° ($\Rightarrow 3.2 < \eta < 6$). Il minimum bias trigger richiede almeno un conteggio in ogni piano entro una finestra temporale di 15ns centrata sul tempo del bunch crossing. A questo sistema si aggiungono varie stazioni di rivelatori al silicio per studiare lo scattering elastico o particelle prodotte a angoli molto piccoli (entro 1°) a Tevatron dovevano tener conto di pile up e vertici secondari lungo il crossing? TODO
Tra tutti i singoli rivelatori, CDF ha circa 100mila canali elettronici. Solo la calorimetria richiedere una grande porzione dinamica di readout elettronico, che va da alcune decine di MeV fino a centinaia di GeV. Per gestire questo problema è stato sviluppato e adottato un sistema di front-end analogico crate-based chiamato RABBIT. RABBIT consiste in 129 crates montato sul detector, che servono a tutti i calorimetri per un totale di circa 60mila canali sui 100mila totali. Dei 40mila restanti il grosso viene occupato dalle camere a deriva: il loro segnale viene shapato al detector e portato nella counting room da dei Fastbus.
Il metodo di misura su cui è basato RABBIT consiste nel campionare due livelli di voltaggio per ogni evento, per evitare pil up e common mode noise CHE COSA È!? TODO: uno subito prima dell'interazione per stabilire un livello di riferimento e uno dopo, la differenza tra i livelli di voltaggio campionato è proporzionale al cambiamento integrato di segnale. Ovviamente questo approccio si basa sull'uso della struttura a bunch dei fasci. Tevatron ne ha di solito 3 o 6 equispaziati, quindi le interazioni avvengono in finestre temporali abbastanza definite, separate da 7 o 3.5 micros. Questo approccio è detto genericamente before-after sampling.
A crate is box (chassis) that mounts in an electronics rack with an opening in the front facing the user). Crate electronics are a general type of electronics and support infrastructure commonly used for trigger electronics and data acquisition in particle detectors. These types of electronics are common in such detectors because all the electronic pathways are made by discrete physical cables connecting together logic blocks on the fronts of modules. This allows circuits to be designed, built, tested, and deployed very quickly (in days or weeks) as an experiment is being put together. Then the modules can all be removed and used again when the experiment is done.
The RABBIT (Redundant Analog Bus-Based information Iransfer) system is the front-end portion of the data acquisition system presently used. Been built featuring low cost, compact packaging, fast readout, command capability, 16 bit digitization, and a high degree of redundancy. The crate can contain a variety of instrumentation modules and is designed to be placed near the detector. Remote. special purpose processors direct the data readout. Channel- by-channel pedestal subtraction CHE COSA È!? TODO and threshold comparison in the crate allow the skipping of empty channels. The system is suitable for the readout of a very large number of channels.
Quando i canali di RABBIT sono digitizati, sono letti fuori da scanners veloci intelligenti (MX) che si interfacciano con il sistema di acquisizione dati della Fastbus. Per quanto riguarda i sistemi di tracciamenti, la gran parte usa moduli commerciali della Fastbus che vengono letti fuori da altri scanner intelligenti (SSP). Ogni scanner ha abbastanza buffer per 4 eventi e gestisce approssimativamente 1000 canali: ci sono cira 60 MX e 25 SSP. La rete Fastbus che comprende il sistema DAQ consiste in 53 crates, 16 segmenti di cavi e 66 moduli di interconnessione dei segmenti. Molti moduli disegnati appositamente dalla Fastbus permettono abbastanza banda per trasmettere dati di ogni evento: per una dimensione nominale di un evento di 100KB, il DAQ legge fuori eventi a 20-30Hz nel trigger di livello 3.
Disegnato per sfruttare la geometria proiettiva delle torri del calorimetro. Le torri EM e adroniche sono sommate nelle torri del trigger, con uno spessore in $\eta$ di 0.2 e in $\phi$ di 15°. Ciò comporta una rappresentazione dell'intero detector in un array $\eta$ x $\phi$ = 42 x 24. Output da tutti i fototubi sono portati alla camera di conteggio individualmente e sommato 4 tubi per canale nelle rispettive torri di $\Delta \phi = 15°$ e $\Delta \eta = 0.2$. Tutte le pastiglie dei calorimetri a gas sono sommate nelle torri del trigger. I segnali sono pesati da $sin\theta$ per rappresentare l'energia trasversa $E_T$ depositata nella torre. I segnali di trigger dai calorimetri sono mandati all'elettronica di trigger da cavi dedicati. I segnali sono livelli di corrente continua (0-100 GeV in termini di $E_T$ sono 0-1 V) provenienti dal sampling before-after del bunch crossing. I livelli di tensione stanno nei cavi del trigger sino a quando la decisione del Livello 1 è fatta: se Lev1 non è soddisfatto in un certo crossing, un reset viene mandato automaticamente in tempo per il successivo beam crossing. Eventi che non superano il livello 1 non introducono tempo morto.
Il Livello 1 del trigger richiede che la somma della $E_T$ di tutte le torre calorimetriche, che sono individalmente sopra un limite inferiore di 1 GeV , sia più grande di un certo limite inferiore (complessivo) di 30-40 GeV; le soglie sono programmabili. Data una certa somma possono essere sommate entrambe le energie EM o had, o anche solo una delle due. In un dato bunch crossing sono fatte 4 comparazioni TODO NON HO CAPITO CHE SONO STE COMPARAZIONI pg 10 cd overview: il risultato di queste comparazioni sono combinate in una lookup table con la coincidenza del BBC, dei trigger dei muoni e dal track trigger composto da un fast hardware track processor, oltre a altri vari segnali opzionali che possono contribuire a generare la decisione accetta/rifiuta del Liv1. Pattern diversi possono avere limiti di rate, per cui minimum bias events per esempio possono essere presi mixati con trigger di jet o di elettroni NON HO CAPITO TODO idem
tempi, efficienza? full hardware, composizione hardware? NB a livello 1 sicuramente i trigger calorimetri, trackin e muoni operano in maniera indipendente e separata
Il trigger di livello 2 inizia non appena il liv1 ha accettato un evento. Usa lo stesso hardware, per cercare nell'array di 42 in $\eta$ x 24 in $\phi$ dei cluster di energia totale, o energia solo EM. Un trovatore di cluster hardware identifica i cluster di energia in una tempo di circa 200 ns per cluster. Le torri che stanno sotto una soglia programmabile sono ignorate. Le energie di tutte le torri per i quali è stato identificato stiano in un cluster sono sommate per formare la totale $E_T$ e i primi e secondi momenti in $\eta$ e $\phi$ (cioè media e varianza) pesati dalla $E_T$ tot. Somme vengon otenute separate per energie hadro e EM. Queste somme poi vengono digitalizzate e presentate come una lista di clusters in un processore veloce di livello 2 che proc?. Per ogni cluster viene fatto un match con le tracce trovate nel CTC con un processore di tracking in 10 micros, e una stima grossolana del $p_T$ viene messa nella lista se il match viene trovato. Il trigger finalmente è quindi una selezione su $\mu$, $e$, $\gamma$, $j$ e M${E}_T$ dal processore programmabile di livello 2 (molte combinazioni delle signature sopra elencate possono essere programmate in parallelo).
come sopra
Il livello 3 è puramente software, esegue algoritmi di filtraggio in Fortran come ultima fase della selezione online. I processori usati sono una 50ina (li hanno cambiati nel 92? o solo di più?) Motorola 68020, 32bit da circa 30MHz di clock e 256 bytes di cache, più vari coprocessori. Gli eventi che superano l'algoritmo di filtro di Livello 3 vengono scritti su nastro per analisi offline.
decisione full software, con che hardware? event building?
blabla
NB QUESTO A LHC, CONTROLLARE RETROCOMPATIBILITÀ CON TEVATRON Il primo e più importante requisito per identificare con successo un evento di ttbar è il b-tagging, dato che il canale di decadimento in W+b ha più del 99% di probabilità di avvenire.
Gli algoritmi che ricostruiscono i jet, identificano se a originarlo è un quark bottom affidandosi principalmente al fatto che il mesone B ha una lunga vita media. A seconda dei codici implementati, ricostruiscono un vertice "spostato" del decadimento del B (come funziona la formazione di un jet? e in particolare un bjet perché è diverso? TODO v rahatlou) o identificano una traccia con un grande parametro di impatto (cioè tangente una superficie lontana dalla linea del fascio di protoni incidenti TODO da controllare)
Fondamentalmente, sia CMS che ATLAS usano una combinazione di algoritimi (3 per il primo, 2 per il secondo) che fanno diverse cose, ma fondamentalmente ce n'è uno che vede i parametri di impatto delle tracce e uno cerca vertici secondari lontani dal fascio incidente.
Identificati i possibili b-jet, questi vengono ricostruiti con algoritmi di ricostruzione con i quali vengono identificati e studiati jet adronici.
La ricostruzione dei jets è fondamentale per distinguere eventi top dal bg, a partire dal bisogno di identificare i bjet ma non solo. Gli algoritmi utilizzati si basano sul definire una distanza tra il fascio e le tracce basate sul momento trasverso di queste, dove la distanza è funzione di $k_T^n$, chiamati "anti-$k_T$" proprio perché $n$ può essere minore di 0. In ATLAS vengono costruiti i jets clusterizzando assieme clusters energetici dentro il calorimetro e confrontandoli con simulazioni MonteCarlo, limitandosi a jet adronici con $p_T > 25 GeV$ e $|\eta|< 2.5$. (sembra contraddire quanto detto sopra, è impressione mia o ATLAS usa principalmente algoritmi a cono?) In CMS il procedimento è fondamentalmente lo stesso, con in più, oltre alle info sui "pixel" accesi del calorimetro, vengono incorporate informazioni sulle tracce (provenienti anche fuori dal calorimetro adronico) negli algoritmi di ricostruzione, misurandone i momenti sia di quelle che rimangono dentro il cono individuato dal calorimetro (k_T algoritmo), sia quelli che escono dal cono (anti k_T), addirittura arrivando, con uno degli algoritmi utilizzati, a usare tutti i dati del dei detector di CMS, per associare tutte le energie ottenute a leptoni, fotoni, o adroni, quindi identificandole e usando queste informazioni per caratterizzare meglio il jet. In CMS i jet ricostruiti hanno p_T sopra i 30 GeV.( In entrambi i casi la scala dimensionale dei jet ricostruiti è $R\sim0.5$, TODO cosa è R?)
Mentre i b-jets sono fondamentali per identificare un decadimento di un top, i leptoni sono la via più facile a causa della semplicità nel rivelarli. In questo caso la rivelazione dei leptoni è limitata dal trigger, con soglie di p_T attorno ai 20 GeV per ATLAS, mentre CMS mostra soglie energetiche più alte, attorno 27 GeV (17) per gli elettroni (muoni), che però sale a 42 (30) in momenti di luminosità intensa, o nel caso in cui non si abbia il dilepton ma il lepton+jet, richiedendo quindi potenza di calcolo per registrare l'evento adronico. Ma non è un problema, perché offline queste soglie energetiche vengono innalzate, dato che nel caso di eventi top i leptoni sono abbastanza energetici e quindi con soglie alte si perdono pochi eventi. (NB e ha massa di 1/2 MeV, quindi trascurabile, muone invece no, per questo per e parlare di momento o energia trasversa a queste energie è più o meno indifferente. mu invece è 0.1 GeV, tau 1.8GeV) Per quanto riguarda le angolazioni rispetto al fascio, sia CMS che ATLAS vedono leptoni con |eta| sotto i 2.5 (CMS può invece avere soglia di eta un po' più bassa, attorno a 2.1, per i muoni (TODO non so se per scelta loro o per difficoltà della strumentazione, da verificare)) (TODO studiare bene rapidità e pseudorapidità)
I tauoni richiedono un discorso a parte. Gli elettroni sono ben identificabili dagli sciami leptonici caratteristici che generano, i muoni danno una semplice traccia nello spettroscopio e nei muon detector, ma il tau benché sia circa un 20% del BR di decadimento dei top, è difficile da identificare nei collider adronici a causa del fatto che sono molto instabili (anche i mu, ma escono con abbastanza boost da decadere molto (molto?) dopo i muon detector) e quindi decadono, tuttavia decadendo per il 35% in $l+ \nu_l + \nu_\tau$ difficilmente distinguibili da decadimenti di $W$, e per il resto in adrone + $\nu_\tau$, quindi con un jet e una grande MET. Tuttavia anche il decadimento adronico non dà sufficiente purezza del segnale per cui lo si cerca di ripulire, o identificando quando presente un elettrone o un muone dall'altro decadimento (dilepton), o scremando il BG da QCD dei jet adronici per identificare le diverse caratteristiche del jet del tau dagli altri jet dal top o dal W (lepton+jets), cercando quindi di isolare la topologia e la cinematica peculiare del decadimento del tau. In ogni caso, il BR di decadimento di ttbar che comprende tau, implica BG e errori sistematici da tenere in conto.
I neutrini vengono identificati mediante energia mancante nel bilancio di quadrimomento totale dell'evento, usando le energie e i momenti misurati nel calorimetro e pesandoli con il seno dell'angolo polare (quindi con la pseudorapidità). In ATLAS e CMS vengono usate quantità calibrate, nel primo mediante i clusters topologici nel calorimetro, nel secondo con i track candidates. (se mi è parso di capire bene, ATLAS ha un approccio più "pixelloso", mentre CMS più "classico" alla "camera a bolle" in cui si vedevano le tracce e le traiettorie) Sommandoli si ottiene l'ammontare di energia totale mancante.
(al variare di pT, una volta fatto il cut, il bg cambia come il segnale come un plaw, quindi poco interessante. Molto cambia invece con la scelta dei bjets)
Da quanto detto sopra possiamo quindi riassumere, per i ttbar:
NB QUESTO A LHC, CONTROLLARE RETROCOMPATIBILITÀ CON TEVATRON Gli eventi ttbar al LO vengono simulati partendo dai 2 partoni iniziali (g o q) e tenendo in conto fino a un massimo di altri 3 partoni per includere radiazione extra. I NLO vengono simulati con un programma principale di default e vari altri per valutare possibili sistematici provenienti da errori di programmazione o altro. Gli eventi così simulati vengono passati a algoritmi che generano l'evento completo, con sciami adronici, adronizzazione e underlying events (secondo una certa parton density function), decadimenti dei tau (main review fispartele fa un discorso che non capisco su difficoltà di simulare multijets)
Per ttbar i bg dei canali sopraddetti sono:
non visti in maniera significativa a tevatron run 1b
solo massa e sez urto
In [1]:
import seaborn
import pandas
from matplotlib import pyplot
%matplotlib inline
colori = ['#002e7a','#0061ff','#104400','#1c7a00','#560000','#ff0000','#2d2d2d','#2d2d2d','#000000','#4d008c','#9d00ff']
datiFinal = pandas.read_csv('GtoolAttackDataForSeaborn.csv')
seaborn.set_context("notebook", font_scale=1.1)
seaborn.set_style("ticks")
#diametro
seaborn.lmplot('part', 'mass', data=datiFinal, fit_reg=False,
size = 5, aspect = 1.3,
#legend = False,
hue='Particelle', palette = colori,
scatter_kws={"marker": "D", "s": 100})
pyplot.title('Confronto masse')
pyplot.xlabel("")
pyplot.ylabel("Massa")
pyplot.xlim(-1, 11)
pyplot.ylim(-10, 180)
#pyplot.legend()
pyplot.savefig('confrontMass.svg', format='svg', dpi=1000)
The total proton-proton cross section is the sum of the elastic and inelastic components, σtot = σ EL + σINEL. Three distinct processes contribute to the inelastic cross section; single diffraction, double-diffraction, and everything else, which is referred to as “non-diffractive” (ND) component. For elastic scattering neither of the beam particles breaks apart (i.e., color singlet exchange). For single and double diffraction one or both of the beam particles are excited into a high mass color singlet state (i.e., $N*$ states) which then decays. Single and double diffraction also corresponds to color singlet exchange between the beam hadrons. When color is exchanged the outgoing remnants are no longer color singlets and one has a separation of color resulting in a multitude of quark-antiquark pairs being pulled out of the vacuum. The non-diffractive component, σND , involves color exchange and the separation of color. However, the non-diffractive collisions have both a soft and hard component. Most of the time the color exchange between partons in the beam hadrons occurs through a soft interaction (i.e., no high transverse momentum) and the two beam hadrons “ooze” through each other producing lots of soft particles with a uniform distribution in rapidity and many particles flying down the beam pipe. Occasionally, there is a hard scattering among the constituent partons producing outgoing particles and “jets” with high transverse momentum. Min-bias (MB) is a generic term which refers to events that are selected with a “loose” trigger that accepts a large fraction of the overall inelastic cross section. All triggers produce some bias and the term “min-bias” is meaningless until one specifies the precise trigger used to collect the data. The underlying event (UE) consists of particles that accompany a hard scattering such as the beam-beam remnants (BBR) and the particles that arise from multiple parton interactions (MPI). The UE is an unavoidable background to hard-scattering collider events. MB and UE are not the same object! The majority of MB collisions are soft while the UE is studied in events in which a hard-scattering has occurred. One uses the“jet” structure of the hard hadron-hadron collision to experimentally study the UE.
In [ ]: