Viaggio al centro dell'esperimento CMS in regioni di spazio-tempo microscopiche - Seminari sperimentali INFN - CERN Indico

Seminari sperimentali INFN

 Viaggio al centro dell'esperimento CMS …
 in regioni di spazio-tempo microscopiche

 \

 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN
8/6/2020 per il gruppo CMS - Pixel, MiB

Fisica ai collider adronici
 Esempio decadimento Higgs: H → τ τ(µνµντ)
 µ-
 Tipicamente interessa misurare la massa inviante (m0, ma
 νµ non solo) della particella che ha generato il decadimento
 (H) ➜ bilancio energetico: m20c4 = E2 + (pc)2
 ντ
 Massa invariante, carica, spin, parità, etc… =
 Il rivelatore deve quindi essere in grado di:
 • Misurare momento ➜ tracciatore
 • Misurare energia ➜ calorimetro, i.e. rivelatore che
 converte tutta l’energia delle particelle in qualcosa di
 misurabile, e.g. luce
 • Identificare particelle ➜ e.g. µ, τ, ma anche adroni con
 quark beauty (b)
 • Essere ermetico ➜ misurare energia mancante (e.g. ν)

 Peccato che a LHC questi eventi siano nascosti … infatti le
 collisioni assomigliano di più a questa …
2 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

Fisica ai collider adronici

 86 eventi di pileup … tutti risolti
3 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

Fisica ai collider adronici
 Ad ogni incrocio dei pacchetti di protoni, bunch, avvengono più collisioni pp (pileup) ➜ ~1000 particelle che
 attraversano l’esperimento ➜ come trovare l’evento di interesse?
 Evento di interesse + pileup

 86 eventi di pileup … tutti risolti
4 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

Fisica ai collider adronici
 Ad ogni incrocio dei pacchetti di protoni, bunch, avvengono più collisioni pp (pileup) ➜ ~1000 particelle che
 attraversano l’esperimento ➜ come trovare l’evento di interesse?
 Evento di interesse + pileup

 E` come cercare il famoso ago nel pagliaio … voi cosa
 usereste? Io utilizzerei un magnete … ad LHC si utilizzano CMS
 e ATLAS

 • E` necessaria una risoluzione molto spinta ➜ alta granularità
 • Inoltre, quanti incroci di bunch avvengono al secondo?
 40 Milioni ➜ alta frequenza
 86 eventi di pileup … tutti risolti
5 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

CMS: spectrometer or onion?
 CMS è una gigantesca Pixel tracker
 “cipolla” in corrispondenza
 dell’incrocio dei bunch Strip tracker
 dell’acceleratore più potente
 Calorimetro
 al mondo (LHC)
 elettromagnetico

 Ogni strato è un diverso
 sotto-rivelatore

 Ogni sotto-rivelatore misura
 proprietà diverse delle
 particelle che lo attraversano
 • Traiettoria e momento
 • Posizione vertice di Calorimetro adronico
 produzione/decadimento
 • Energia Solenoide
 • Identificazione: elettroni,
 Rivelatore di muoni
 fotoni, adroni, muoni

6 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

Tracciatore (+ solenoide) consente di
 • misurare traiettoria e momento (trasverso, pT) particelle cariche

 Co
 nn
 • misurare posizione vertici di produzione (e decadimento)

 ec
 tin
 • agevolare misure calorimetriche (“particle-flow”)

 g
 • identificare particelle instabili (e.g. b-jet, τ-jet)

 th
 ed
 Alta granularità, veloce, leggero ➜ “misurare senza perturbare”

 ot
 s…
 Principi di misura del tracciatore:
 • campionare traiettoria (and connect the dots)
 • sfruttare forza di Lorentz v
 2
 v
 m = qvB → p = qBr
 r
 In particolare viene misurata la sagitta (S):
 2
 2 2 2 c 2 2
 r = (c/2) + (r − s) = + r + s − 2rs
 2 4 2 v
 c s c r
 r= + if s ≪ c → r = c/2
 8s 2 8s r-s s
 c/2

7 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

which have the lowest possible energy loss (see Bethe-Bloch-Formula). In High
 Come si rivela il passaggio di una particella?
 Physics, essentially all measured particles are minimum ionizing.

 Si sfruttano le proprietà dei semiconduttori, in particolare del Silicio, in Particle

 configurazione di giunzione pn polarizzata inversamente:
 • alto grado di miniaturizzazione ➜ alta granularità
 • facilità creazione coppie e-h (3.6 eV) ➜ alto segnale
 • basso rumore
 • alta mobilità portatori + alto campo elettrico per deriva&raccolta ➜ veloci
 Il tracciatore di CMS (210 m2 Silicio) … alcuni numeri:
 • 10 strati barrel + 18 dischi di Silicon strip, 80-205 μm: 11 M strip Figure 1: Principle of operation of a silicon strip detector [1].
 • 4 strati barrel + 6 dischi di Silicon pixel, 100x150 μm2: 124 M pixel Particle
 Silicon pixel 2.2 Potentials inside the Detector
 Silicon strip In oder to determine the potential in the whole detector, one needs to solve P
 equation:
 ⇢
 =
 "

 4

8 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

Il tracker di CMS come è adesso

 Layer 1
 Layer 4

 Layer 2 Layer 3

 Rivelatore a strip Rivelatore a pixel

 Disegno rivelatore a pixel

 Disk 1 Disk 2 Disk 3
9 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

How do we connect the dots?
 I punti di misura non sono numerati come nella settimana enigmistica…
 Compito molto complesso ➜ risolto utilizzando filtro di Kalman:
 efficiente filtro ricorsivo che valuta lo stato di un sistema dinamico a
 partire da una serie di misure soggette a rumore (algoritmo utilizzato
 nei radar per seguire la traiettoria di un oggetto in movimento)
 Seeding Pattern recognition Fitting
 strip

 strip
 ?
 ?
 ?
 ? ? ?
 pixel

 pixel

10 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

How do we connect the dots?
 I punti di misura non sono numerati come nella settimana enigmistica…
 Compito molto complesso ➜ risolto utilizzando filtro di Kalman:
 efficiente filtro ricorsivo che valuta lo stato di un sistema dinamico a
 partire da una serie di misure soggette a rumore (algoritmo utilizzato
 nei radar per seguire la traiettoria di un oggetto in movimento)
 Seeding Pattern recognition Fitting
 strip

 strip
 ?
 ?
 ?
 ? ? ?
 pixel

 pixel
 Tracce ➜ vertice di produzione/decadimento … ovunque essi siano
 Il rivelatore a pixel riveste un ruolo di primaria importanza:
 • fornisce i seed per il pattern recognition
 • è il più prossimo all’interazione ➜ determinante per la risoluzione Produzione: primary vertex
 sulla posizione dei vertici di produzione (e decadimento) Decadimento: secondary vertex
11 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

Vertici secondari: b-jet, B-meson e τ
 In generale è fondamentale poter identificare quanto più dettagliatamente gli stati finali in cui
 decadono le particelle che si vogliono studiare ➜ jet causati dall’adronizzazione di quark
 pesanti, b e c, possono essere riconosciuti dalla presenza di un vertice secondario nel jet
 • Il Modello Standard prevede che gli adroni costituiti da quark b e c abbiano vita
 media “lunga” (misurata ~ps) ➜ dilatata del fattore = E/m0 ➜ percorrono un
 tratto sufficientemente lungo per poter essere rivelati come vertici secondari
 e.g.: una delle particelle più interessanti da studiare è il quark top (t, in
 particolare in associazione all’Higgs) che decade t → W b

12 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

A FB
 Vertici secondari: b-jet, B-meson e τ
 0.5 LHCb Run 1 + 2016
 In generaleSMèfrom
 fondamentale
 ASZB
 poter identificare quanto più dettagliatamente gli stati finali in cui
 decadono le particelle che si vogliono studiare ➜ jet causati dall’adronizzazione di quark
 pesanti, b e c, possono essere riconosciuti dalla presenza di un vertice secondario nel jet
 0
 • Il Modello Standard prevede che gli adroni costituiti da quark b e c abbiano vita

 J / ψ(1S)
 media “lunga” (misurata ~ps) ➜ dilatata del fattore = E/m0 ➜ percorrono un

 ψ(2S)
 tratto
 −0.5 sufficientemente lungo per poter essere rivelati come vertici secondari
 e.g.: una
 0 delle particelle
 5 più interessanti
 10 15 da studiare è il quark top (t, in
 2 [GeV2/ c 4]
 particolare in associazione all’Higgs) che decade t → W b
 q
 µ+ π−
 5
 P'

 1 Un altro esempio notevole di adrone con
 LHCb Run 1 + 2016 µ−
 SM from DHMV quark b è il mesone B0 di cui è stato B0
 K*0
 0.5
 studiato, tra gli altri, il canale di decadimento p p
 K+
 0 K*0(K0π)µµ (nel MS spiegato con processi del
 µ- µ+
 second’ordine) ➜ particolarmente interessante per
 J / ψ(1S)

 µ+
 ψ(2S)

 −0.5 poter sondare processi fisici sconosciuti

 −1
 • Sotto lo stesso “cappello” studiamo τ → µµµ τ+

 0 5 10 15 p p
 2 Lieve discrepanza con MS ντ
 q2 [GeV / c4]
13 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

A closer look to the jets: particle flow
 E se usassimo il tracciatore per aiutare la calorimetria adronica? Adroni carichi, con momento fino a
 qualche centinaio di GeV, sono misurati meglio con il tracciatore che con il calorimetro

 Composizione media dei jet:
 • 65% adroni carichi ➜ risoluzione tracker σ(pT) / pT ~%
 • 25% fotoni/elettroni ➜ calo. EM risoluzione ~3.6% / √E
 • 10% adroni neutri ➜ calo. adronico risoluzione ~125% / √E

 Separare adroni carichi da neutri per rimpiazzare
 misura calorimetrica con quella del tracciatore
 Depositi di energia
 nei calorimetri
 Per fare questo abbiamo bisogno di:
 • tracciatore ad alta granularità ➜ separare tracce cariche nel jet
 Proprietà possedute da CMS
 • elevato campo magnetico ➜ “aprire” jet e separare componente
 Notevole miglioramento risoluzione energia
 carica da quella neutra, Δs α B·(Δp/p2)
 jet, missing energy, identificazione tau, …
14 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

terstitials with Silicon dopant impurities, like Phosphorous for n-type
 Il rivelatore
 Silicon, and non-dopant impurities, a pixel,
 typically Oxygen… non
 and è facile
 Carbon come dirlo …
 Il rivelatore a pixel è il più prossimo ai fasci di protoni ➜ investito da un
 clusters of defects: local high concentration of point defects that are ex-
 maggiore flusso di particelle altamente energetiche, i.e. radiazioni 1.2
 pected to behave somewhat differently from uniformly distributed
 M Gy/anno (fondo ~1 mGy/anno), che decrescono con il raggio (~1/r
 point defects. Such defect clusters are capable of producing local
 2)
 Layer 1
 charge concentrations and thus, depending on the type, of attract-
 Che effetto
 ing hanno le radiazioni
 or repelling sulfrom
 charge carriers funzionamento
 the surrounding del rivelatore?
 region. In order
 • creano to
 difetti nel
 create cristallo
 cluster deithe
 defects energy ➜
 sensori riduzione
 provided to thevita media
 recoil atom portatori
 must
 (e-h), ~ns ➜ minore
 be between 2 KeV libero
 and 12cammino
 KeV. Above medio
 12 KeV -segnale
 ➜ several e +rumore
 clusters will be
 • danneggiano transistor chip di lettura ➜ degradazione amplificazione
 produced
 Layer 2
 e range dinamico ADC, riduzione banda passante, aumento potenza
 Silicon atoms Silicon interstitial
 Impurity in interstitial site

 Adrografia: distribuzione vertici di
 produzione di particelle generate da
 interazioni nucleari (zoom sui primi 2
 pixel barrel). Densità vertici α densità
 Vacancy
 materia e numero atomico (Z)

 Impurity in substitutional site Frenkel defect
15 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

As already indicated, the most critical hybridi-

 Il rivelatore a pixel, … non è facile come dirlo … sation step is the connection between the chips and
 the sensor. The only technique able to cope with
 the high density of connections required is the one
 based on bump bonding and flip-chip.
 Altre sfide riguardano: This technique is widely used in integrated
 circuit packaging especially when large number

 • l’integrazione di più “intelligenza” nel chip di lettura ➜ Fig. 1. Sketch of a generic hybrid pixel detector (from RD19
 of connections is an issue. The industrial applica-
 tions require B100 connections with a pitch
 >0.25 mm and are therefore significantly less
 aumentare elaborazione locale per individuare cluster di pixel, [5]).
 demanding than the pixel hybridisation process.
 Each individual connection is established
 through a metallic droplet to be placed between
 comprimere dati, memorie più ampie, ecc… the sensing element (pixel) and its own mating
 read-out channel as illustrated in Fig. 3.
 Each front-end chip has a B100 mm insensitive
 region around its periphery to protect from the

 • il sistema di controllo, acquisizione dati e calibrazione effects of cracks during the wafer dicing process.
 Since several front-end chips are bonded to a
 single sensor tile, acceptance losses can only be
 avoided using larger pixel or assigning two pixels
 Fig. 2. ATLAS pixel module prototype. The kapton circuit is Chip di lettura
 to the same electronics channel as illustrated in
 glued on and completely covers the backside of the sensor tile.
 Fig. 4.
 16 front-end chips extend out of the kapton circuit and are

 Per migliorare la stima della posizione del
 wirebonded to it. Decoupling capacitors and the MCC ASIC
 are also visible.
 Layer 2

 passaggio della particella siA module,
 sfrutta il baricentro
 like the one shown above, has close
 40% 25% di carica
 to 50 000 channels, which are read out at 40 MHz
 frequency. The power density to be provided (and
 2
 to be dissipated) is B1 W/cm . This requires

 • ogni cella deve quindi essere accuratamente
 special care both for the power distribution system
 and for the cooling. An adequate control system
 should avoid possibly dangerous overvoltages on
 calibrata: ~108-109 pixelthe front-end chips and overheating of the entire
 module. Special care must be paid to the
 decoupling capacitors and to the glue joining the
 module to the mechanical support that also acts as
 heat sink.
 Capacitors must be placed as close as possible to
 25% 10% front-end chips to better filter noise. Glue must
 have a large heat conduction coefficient (>0.5 W/
 Fig. 3. Blow-up sketch of the cross-section of a hybrid pixel
 Esempio di percentuale di carica rilasciata in
 mK) to limit the temperature difference between
 the coolant and the sensor and a low shear
 detector. One of the many thousands of connections between
 sensor and electronics is shown, together with a particle track
 modulus (o10 N/mm2) to limit the stresses on releasing ionisation in the sensor volume.
 quattro pixel dal passaggio di una particella Sensore

16 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

La nostra attività in Bicocca

 Past In Bicocca ci siamo occupati di:
 • messa in opera e mantenimento del rivelatore a pixel
 • miglioramento del software di ricostruzione delle tracce

 L’acceleratore LHC verrà potenziato ➜ High Luminosity - LHC
 • 14 TeV (rispetto a 13 TeV di LHC), ma soprattuto più collisioni nell’unità di
 tempo (x4) ➜ sarà necessario costruire un rivelatore pixel con caratteristiche
 ancora più stringenti ➜ ve ne parlerà tra poco Davide

 In Bicocca ci occupiamo di:
 • ricerca e sviluppo di sensori per il rivelatore a pixel che siano altamente
 resistenti alle radiazioni
 • progettare nuovi sensori
 • testare sia in laboratorio che con fasci di particelle
 • sviluppo del software di controllo, acquisizione dati e calibrazione del nuovo
 Future
 rivelatore a pixel
17 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

La nostra attività in Bicocca
 Test nuovi sensori con fasci di particelle

 Laboratorio (Chicago, USA) Laboratorio DESY (Amburgo, Germania)

 120 GeV p

 6 GeV e

18 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

La nostra attività in Bicocca
 Sviluppo software di controllo, acquisizione dati e
 calibrazione del nuovo rivelatore a pixel
 Laboratorio di Milano - Bicocca
 Chip di lettura: 80 k pixel in 1x2 cm2
 120 GeV p

 Scheda con FPGA

19 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

The End

20 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN

from the event generator, excluding neutrinos. The p miss resolution must be studied for events in
 34 5 Performance in simulation T
 A closer
 which thelook
 pmiss
 T
 to the
 response jets:
 has been particle
 calibrated to flow
 unity. The pmiss is therefore required to be larger
 T,Ref
 than 70 GeV, a value above which the jet-energy corrections are found to be sufficient to adequately
 Il particle flow impiegato per la primacalibrate
 voltathe con successo
 PF and Calo pmiss
 T
 da CMS
 response. ad
 Figure 15 un
 showscollider
 the adronico
 relative pmiss resolution and the p
 T Æ miss
 T
 angular resolution, obtained with a Gaussian fit in each bin of p
 Æ miss .
 Funziona veramente? … giudicate voi … T,Ref
 Energy resolution

 Energy resolution
 0.5 0.5

 pmiss ϕ resolution (rad)
 resolution
 0.6 CMS Anti-kT, R = 0.4 Calo 0.6 CMS CMS Anti-kT, R = 0.4 Calo CMS

 2017 JINST 12 P1000
 Simulation |ηRef| < 1.3 PF 0.45 Simulation
 Simulation 1.6 < |ηRef| < 2.5 Calo
 PF 0.45 Simulation Calo
 0.4 PF 0.4 PF

 0.35 0.35

 miss
 0.4 0.4 0.3 0.3

 T
 Relative p
 0.25 0.25
 0.2 0.2

 T
 0.2 0.2 0.15 0.15
 0.1 0.1
 0.05 0.05
 0 0 0 0
 20 100 200 1000 2050 100 200 150 1000
 100 200 250 50 100 150 200 250
 Refpmiss (GeV) pmiss (GeV)
 pRef (GeV) p (GeV)
 T,Ref T,Ref
 T T
 Figure 13: Jet energy resolution as a function of pRef in the barrel (left) and in the endcap
 Jet energy resolution in T Missing
 Figure 15. Relativeenergy
 miss resolution
 pT resolution and resolution on the pÆTmiss direction as a function of pmiss for a simulated
 (right) regions. The lines, added to guide the eye, correspond to fitted functions with ad hoc T,Ref
 tt sample.
 sample di eventi QCD multijet
 parametrizations. in sample di eventi ttbar
 5.3 Electrons
 The electron seeding and the subsequent reconstruction steps are described in sections 3.2 and 4.3.
 In the reconstruction, electron candidates are only required to satisfy loose identification criteria
 so as to ensure high identification efficiency for genuine electrons, with the potential drawback
21 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN
 of a large misidentification probability for charged hadrons interacting mostly in the ECAL. In

from the event generator, excluding neutrinos. The p miss resolution must be studied for events in
 34 5 Performance in simulation T
 A closer
 which thelook
 pmiss
 T
 to the
 response jets:
 has been particle
 calibrated to flow
 unity. The pmiss is therefore required to be larger
 T,Ref
 than 70 GeV, a value above which the jet-energy corrections are found to be sufficient to adequately
 Il particle flow impiegato per la primacalibrate
 voltathe con successo
 PF and Calo pmiss
 T
 da CMS
 response. ad
 Figure 15 un
 showscollider
 the adronico
 relative pmiss resolution and the p
 T Æ miss
 T
 angular resolution, obtained with a Gaussian fit in each bin of p
 Æ miss .
 Funziona veramente? … giudicate voi … T,Ref
 Efficienza di identificazione τh
 0.8
 Energy resolution

 Energy resolution
 0.5 0.5

 τh ID efficiency

 τ ID efficiency
 pmiss ϕ resolution (rad)
 resolution
 0.6 CMS Anti-kT, R = 0.4 Calo 0.6 CMS Anti-kT, R = 0.4
 CMS Calo CMS CMS

 2017 JINST 12 P1000
 Simulation |ηRef| < 1.3 PF 0.45 Simulation
 Simulation 1.6 < |ηRef| < 2.5 Calo
 PF 0.45 Simulation Simulation Calo
 PF 0.7 20 < pGen < 100 GeV PF
 0.4 0.4 T
 pRec > 20 GeV
 0.35 0.35 T
 0.6

 miss
 0.4 0.4 0.3 0.3

 T
 Relative p
 0.25 0.25 0.5
 0.2 0.2 PF

 T
 0.2 0.2 0.4 +33%
 0.15 0.15 PF, loose
 PF, medium
 0.1 0.1
 0.3 PF, tight
 0.05 0.05 Calo
 0 0 0 0
 20 100 200 1000 2050 100 200 150 1000
 100 200 250 50 0.2100 150 −3 200 −2 250 −1
 −4
 Refpmiss (GeV) 10 10 pmiss10(GeV)10 1
 pRef (GeV) p (GeV)
 T,Ref Mis-ID
 T,Ref probability
 T T
 Figure 13: Jet energy resolution as a function of pRef in the barrel (left) and in the endcap
 Jet energy resolution in T Missing
 Figure 15. Relativeenergy
 miss resolution
 pT resolution and resolution on the pÆTmiss direction as a function of pmiss for a simulated
 (right) regions. The lines, added to guide the eye, correspond to fitted functions with ad hoc Figure 20. Efficiency of T,Ref
 the ⌧h identification versus misi
 tt sample.
 sample di eventi QCD multijet
 parametrizations. in sample di eventi ttbar The efficiency is measured for ⌧ produced at low p in sim h T
 the decay of a heavy particle H(3.2 TeV) ! ⌧⌧ events (rig
 5.3 Electrons for quark and gluon jets in simulated multijet events. Th
 Notevole miglioramento anche nella ricostruzione dei tau che absolute isolation for in
 PFsections
 ⌧h identified
 The electron seeding and the subsequent reconstruction steps are described 3.2 andwith
 4.3.the HPS algor
 decadono adronicamente (τh), soprattuto per pT < 100
 In the reconstruction, GeV
 electron loose, medium
 candidates are only required and
 to satisfy tightidentification
 loose isolation working points. The per
 criteria
 Modifor
 so as to ensure high identification efficiency decadimento
 is depicted
 genuine byττ
 electrons,a with
 square
 theaway from drawback
 potential the line.

22 Mauro Dinardo, Università degli Studi di Milano Bicocca and INFN
 of a large misidentification probability for charged hadrons interacting mostly in the ECAL. In