h.stenzelluminosity and forward physics1 roman pots for luminosity measurements and forward physics...

H.Stenzel Luminosity and forward physics 1

Roman Pots for luminosity measurements and Roman Pots for luminosity measurements and forward physics in ATLASforward physics in ATLAS

Hasko StenzelII. Physikalisches Institut

Universität Gießen

ATLAS-D workshop on physics and tools

H.Stenzel Luminosity and forward physics 2

Messung der Luminosität - MotivationMessung der Luminosität - Motivation

Präzise Messungen der Wirkungsquerschnitte (x Branching ratio) für Standardmodellprozesse wie t-tbar,b-bar Produktion W/Z Produktion QCD jets Untergrund für Searches, Bestimmung von PDFs Die Genauigkeit theoretische Vorhersagen liegt bei 5-10%, wird jedoch

zunehmend besser (NNLO, PDFs).

Suche nach neuer Physik in der Abweichung von x BR relativ zur SM Vorhersage

Wichtig Messungen von SM/MSSM Parametern Higgs Produktion x BR tan Messung für MSSM Higgs

pp

bgdobs

LA

NN

exp

H.Stenzel Luminosity and forward physics 3

Impakt der Luminositäts Messung Impakt der Luminositäts Messung

Relative precision on the measurement of HBR for various channels, as function of mH, at Ldt = 300 fb–1. The dominant uncertainty is from Luminosity: 10% (open symbols), 5% (solid symbols).

(ATLAS-TDR-15, May 1999)

Higgs Kopplungen tan Messung

BeispieleBeispiele

Systematic error dominated by luminosity (ATLAS Physics TDR )

H.Stenzel Luminosity and forward physics 4

ATLAS Strategie zur Lumi-messung ATLAS Strategie zur Lumi-messung Angestrebte Genauigkeit ΔL= ±2-3%

Relative Luminosität mit einem dedizierten luminosity monitor LUCID , linear über einen dynamischen Bereich von 1027 – 1034 cm-2 s-1 , ggf. unterstützt durch andere Detektoren (Tile, Larg, BCM...)

Absolute Luminosität Kalibration über elastische Streuung im Coulomb-Bereich mit spezieller

Strahloptik bei L= 1027 cm-2 s-1 und Roman Pot Detektoren Mit dem Optischen Theorem: elastische Vorwärts- + total inelastische

Rate: Roman Pots+central detector

|η|-coverage in ATLAS ist jedoch begrenzt

Unter Verwendung von tot z.B. von TOTEM

Kombination der Maschinen-Luminosität mit dem optischen Theorem

Aus den Raten von präzisen Eichprozessen wie

QCD pp→W/Z

QED γγ→µµ

Aus den LHC Machinenparametern

Unter Verwendung eines Null-Grad Kalorimeters in Schwerionenkollisionen

in ATLAS werden alle Optionen verfolgt!

H.Stenzel Luminosity and forward physics 5

Elastische pp Streuung in der Coulomb RegionElastische pp Streuung in der Coulomb Region

2

2

0

2

4

2 tb

eit

affL

dt

dN EMNC

t

ρσ

L tot

Aus einem fit an das gemessene t-Spektrum in der Coulomb Region können wir die Parameter

tot , ρ, b and Lbestimmen.

radGeVTOT

EMa

tNf

Cf

5.324106

8|;||| :Region Coulomb

Roman-Pot Messung

dN

/dt

H.Stenzel Luminosity and forward physics 6

Messung der elastischen pp StreuungMessung der elastischen pp Streuung

Zwei Roman Stationen auf jeder Seite 240m vom ATLAS IP entfernt

Ein scintillating fibre tracker zur Messung des t-Spektrums elastisch gestreuter Protonen

Spezielle Strahloptik mit grossem β* und parallel-to-point Fokussierung

Absolute Kalibration bei L=1027cm-2s-1

Relative Luminositätsmessung bei L=1027cm-2s-1 -1034cm-2s-1 mit LUCID

H.Stenzel Luminosity and forward physics 7

Roman pots für ATLASRoman pots für ATLAS

Roman Pots

H.Stenzel Luminosity and forward physics 8

Roman Pot Mechanik Roman Pot Mechanik

Design des Positionierungs- und Vakuum-Systems gemeinsam mit TOTEM

H.Stenzel Luminosity and forward physics 9

Roman Pot – Vakuum-Kammer und DetektorenRoman Pot – Vakuum-Kammer und Detektoren

Vakuum-Kammer

Szintillierende Fasern

in UV-Geometrie

H.Stenzel Luminosity and forward physics 10

Scintillating fiber trackerScintillating fiber tracker Szintillierende Fasern

Kuraray 0.5 mm × 0.5 mm fibers single cladded, verspiegelt

10 Module mit 64 U/V Fasern, double sided 70 μm Versatz zwischen den Modulen

Überlapp Detektor Messung des vertikalen alignment 3 Module mit 60 x-Fasern Halo Trigger Szintillator

Trigger Szintillator

Ceramic spacers (0.5mm thick)

Ceramic substrate

(170m thick

UV planes 90˚ and 45˚ end

cuts

H.Stenzel Luminosity and forward physics 11

SciFi ElektronikSciFi Elektronik

MA

PM

T

MA

PM

T

MA

PM

T

MA

PM

T

MA

PM

T

FE FE FE FE FE

Mother board

HV LV TTC

Trigger

Data

PMT Frontend : one chip per PMT,gain adjustment, discriminator (64 channels)

PMT Backend : one chip per PMT, pipeline latency for L1, parallel to serial data

Motherboard : Data serializer (FPGA) , Optical Transmission, TTC, monitor, Voltage reg.

1 or 2 ASICS

per PMT

PMTs : 5x5 array of 64 anodes MAPMT, H7546B Hamamatsu

Kapton cable & Connectors

H.Stenzel Luminosity and forward physics 12

ProjektstatusProjektstatus

Prototypentwicklung bis Mitte 2006

Protoyp0 wurde im Labor getestet/vermessen

Prototyp1 (10 Module / 6 Fasern + 2 Module / 32 Fasern) wird im Okt/Nov am DESY testbeam getestet: Auflösung, Lichtausbeute, FE-Elektronik

2006 Modul0, Testbeam mit FE &

Readout-Elektronik tests

Detektor Produktion 2006-2007

Installation shutdown 2007/2008

Lumi Messung Ende 2008

Prototyp0

DESY testbeam set-

up

H.Stenzel Luminosity and forward physics 13

Experimentelle BedingungenExperimentelle Bedingungen

Messung in der Coulomb-region, t=(θ▪p)2

Unabhängig vom vertex offset:

Untere Grenze für |t|min:

Anforderungen Detektor dicht am Strahl grosses * geringe Emittanz Kontrolliertes Halo Spezielle Optik, niedrige Lumi Detektorauflösung ≈ 30 µ

y*

y*

parallel-to-point focusingydet

IP Leffshift phase 90 point -to-parallel o

*,

**det

yyeffy Ly

*22

min

min

2*minmin

,

min*min

N

beam

Ny

beam

yeff

npt

nnd

pt

L

d

radGeVTOT

EMa

Nf

Cftt

5.3

min24106

8|)||(|

min

H.Stenzel Luminosity and forward physics 14

Messung des Messung des tt-Spektrums der elastische Streuung -Spektrums der elastische Streuung

diffractive structure

Photon - Pomeron interference

pQCD

pp 14 TeVBSW model

Multigluon (“Pomeron”) exchange e– b |t|

-t [GeV2]

t p2 2

d/ d

t [m

b / G

e V2 ]

wide range of predictions

Photon exchange, coulomb region

2max

2min

max

min

d

GeV 098.0

GeV 0004.0

rad 7.44

rad 7.2

mm 12.0

m 2625

t

t

High β* Optik für ATLAS

H.Stenzel Luminosity and forward physics 15

Simulation der DetektorauflösungSimulation der Detektorauflösung

expect Npe/fibre ~ 3

confirmed with source tests

H.Stenzel Luminosity and forward physics 16

Simulation des dNSimulation des dNelel/dt Spektrums und Fit/dt Spektrums und Fit

Ereignis Generation:

5 M events generiert entsprechend ~90 hr bei L 1027 cm-2 s-1

High β* - Strahloptik, 4-implulse -> Detektorhits

Keine systematischen Unsicherheiten (Alignment, Strahloptik,...)

Detektorsimulation für eine Roman-Pot Station

Simple fit Fit-Range:

0.00056 < |t| < 0.030 GeV2

~4 M Ereignisse rekonstruiert for dN/dt

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LUCID - der relative Luminositätsmonitor LUCID - der relative Luminositätsmonitor (“(“LULUminosity measurement using minosity measurement using CCerenkov erenkov IIntegrating ntegrating DDetector”)etector”)

Projektive Alu Cerenkov Röhren um die beam pipe (200 pro Seite)

Cerenkov radiator gas C4F10

Cerenkov-Licht über Quarzfasern an MAPMT

ηMAX = -ln (tan 0.132º) = 6.073ηMIN = -ln (tan 0.266º) = 5.374Eingangsfenster ~ 17m vom IP

H.Stenzel Luminosity and forward physics 18

LUCID PrinzipLUCID Prinzip

Sensitiv auf primäre Teilchen vom IP, unempfindlich auf sekundäre und weiche Teilchen

Projektive Geometrie Kürzere Weglängen für gestreute

Sekundärteilchen Cerenkov-Schwelle für weiche Teilchen Keine Landau Fluktuationen für Cerenkov

Licht, single particle peak Gute Impulshöhen-Auflösung, Messung von

mehreren Spuren/Röhre Keine Saturation bei höchster Lumi Lineare Beziehung zwischen Lumi und

Anzahl der Spuren Ortsauflösung durch Position der 200

Röhren Gute Zeitauflösung (~140ps @ CDF) Bewährte Technologie - CDF Strahlungshart, kompakte Anordnung

zwischen Strahlrohr und forward shield

No Saturation

Linear response

H.Stenzel Luminosity and forward physics 19

Alternative Lumi-Messungen: W/Z produktionAlternative Lumi-Messungen: W/Z produktion

Inklusive Produktion von W/Z Bosonen mit Zerfällen in isolierte Leptonen Hohe Raten, klare Signaturen Typische Schnitte für W: pT

lept >25 GeV, |ηlept |< 2.5,ETmiss >25 GeV, lept.isol

Akzeptanz≈0.5 Messung von N(W)xBR(We,µ+ν)

th

bgdobspp A

NNL

)'(ˆ),( 2 WqqQxPDFWpp th Theoretische Vorhersage für σ(W)

Systematische Unsicherheiten ΔPDF? ΔQCD?

H.Stenzel Luminosity and forward physics 20

Systematische Unsicherheiten Systematische Unsicherheiten σσthth(W)(W)

PDF Unsicherheiten berechnet mittels der MRST/CTEQ family members (30-40 Variationen der nominellen PDF)

CTEQ61 : Δ=± 5%MRST2001 : Δ=± 2%

QCD Unsicherheiten abgeschätzt über Skalenvariation (µR, µF)

Δ QCD =+ 5 – 3.5 % (NLO) =± 1% (NNLO)

H.Stenzel Luminosity and forward physics 21

LLuminosität aus LHC Maschinenparameternuminosität aus LHC Maschinenparametern

Luminosität kann aus den Strahlparametern bestimmt werden:

Bestimmung von L durch einen Van der Meer scandes vertikalen beam offsets

1,..,28 1,..,2808 0821 2 1 2

*Area of intersection 1,2 4 4 /

i i i ii i b

x y N

f N N f N N f k N

L

* * * *

#protons in bunch of beam ; revolution frequency / 26659 m, #bunches

-function at IP; normalized transverse emittance; / (~7460)

ai b

N x y p

N i a f c k

E m

Messung des beam currentsMessung des beam profiles

x

y

x

z

yo

Bunch Dichtefunktinen können vop den Experimenten aus beam-gas Interaktionen gemessen werden!

H.Stenzel Luminosity and forward physics 22

Gas

IP8

Gas

IP3±2

Expt

Beam2-gas

Beam1-gas

Beam1-beam2

Interactions

Proposal: Inject a tiny bit of gas (if needed at all!) into the vertex detector region Reconstruct bunch-gas interaction vertices get beam angles, profiles & relative positions overlap integral Simultaneously reconstruct bunch-bunch interaction vertices calibrate ‘reference’ cross-section Absolute Luminosity Genauigkeit < 5% Massimiliano Ferro-Luzzi

Messung der beam-gas und beam-beam VerticesMessung der beam-gas und beam-beam Vertices

H.Stenzel Luminosity and forward physics 23

Vorwärts-PhysikVorwärts-Physik Elastische Streuung Totaler Wirkungsquerschnitt Diffraktive Streuung (single, double Pomeron exchange )

p1

p2

p1’

p2’

P

P

Austausch von farbneutralen Objekten colour singlets (“Pomerons”) rapidity gaps Δη

Die Breite des rapidity gaps hängt mit dem Impulsverlust des Protons zusammen

Δη≈-lnξ ξ=p-p‘/p

p

g, qg, q

p

M

M

Austausch von colour triplets/octets in minimum bias Ereignissen

rapidity gap exponentiell unterdrückt

P() = e-, = dn/d

H.Stenzel Luminosity and forward physics 24

Der gesamte Wirkungsquerschnitt Der gesamte Wirkungsquerschnitt σσtottot

COMPETE collaboration:

[PRL 89 201801 (2002)]

mb 1.41.2

2.1 5.111TeV 14 tot

Große Modell-Unsicherheit

90 – 130 mb

02

2

1

16L

t

tot dt

dN

inelasticelastictot NN L inelel

ttot NN

dtdN

0

2

)/(

1

16

Optisches Theorem

H.Stenzel Luminosity and forward physics 25

Der Der ρρ-Parameter-Parameter

sd

d

ss tot

tot ln)(2)(

0058.0

0025.0 0015.0 1361.0

Im

Re

0

tel

el

tf

tf

Der ρ-Parameter hängt über die Dispersionsgleichung mit dem Wirkungsquerschnitt zusammen.

Für LHC ergibt sich eine Vorhersage von (COMPETE):

ATLAS plant σ, ρ, b und L aus einem simultanen fit an dN/dt zu bestimmen.

H.Stenzel Luminosity and forward physics 26

Diffraktive PhysikDiffraktive Physik

M

M

DoublePomeronExchange

M1

M2

d/d

diffraktives System Mrapidity gap =–ln

min 0 max

proton:p’

diffractives System Mproton:p2’

proton:p1’

rapidity gaprapidity gap

min max

Produktion eines hadronischen systems M=ξ∙s mit einem rapidity gap und diffraktif gestreuten Protonen

H.Stenzel Luminosity and forward physics 27

Harte diffraktive SteuungHarte diffraktive Steuung

M

M

Double

Pomeron

Exchange

hard

hard

hard

e.g. jets, W, Z, b, J/, ...

Harte Diffraktion:Diffraktive mit Ereignisse mit einem harten partonischen sub-Prozess

Bestimmung der Pomeron-Strukturfunktion oder der Diffraktiven PDF

H.Stenzel Luminosity and forward physics 28

Exklusive Diffraktive Higgs ProduktionExklusive Diffraktive Higgs Produktion

Hpp

gap gap

b -jet

b -jet

H

b

b

Exklusive diffraktive Higgs produktion pp p H p : 2-10 fbInklusive diffraktive Higgs produktion pp p+X+H+Y+p : O(100) fb

p’

p’roman pots

roman pots

dipole

dipole22 )''( ppppM H

Messung des Impulsverlustes in Roman Pots be 420m (cold region)

H.Stenzel Luminosity and forward physics 29

Exklusive Higgs Produktion im Standard ModellExklusive Higgs Produktion im Standard Modell

Highlights:

• Klare Signatur und Redundanz durch Messung der Protonen und des Zentralsystems

• Austausch eines colour singlets mit Quantenzahlen des Vakuums: Auswahlregel: JP = 0+, (2+, 4+ ); C = +1 Untergrund unterdrückt gg qq, bb

Test der Quantenzahlen des Higgs P = (–1)J(+1) dσ/dΦ ~ 1 +(–) cos 2Φ

WW* : MH = 120 GeV σ = 0.4 fbMH = 140 GeV σ = 1 fb

MH = 140 GeV : S/B = 8/ O(3) für 30 fb-1

b jets : MH = 120 GeV σ = 2 fb (Unsicherheitsfaktor ~ 2.5)MH = 140 GeV σ = 0.7 fb

MH = 120 GeV : S/B= 11/O(10) für 30 fb-1 und ΔM=3 GeV

Bedingungen/offene Fragen:

• Level1 Trigger, b-tagging, low luminosity

• rapidity gap survival, background

• Proton tagging (420m?) mit Impulsmessung

H.Stenzel Luminosity and forward physics 30

Exclusiv-diffraktive Higgs produktion im MSSMExclusiv-diffraktive Higgs produktion im MSSM

MSSM

tan β = 50 S/B for L=30 fb-1

mA

σ x BR (A bb)

130 GeV

0.2 fb

1/2

mh

σ x BR (h bb)

124.4 GeV

13 fb

71/3

mH

σ x BR (H bb)

135.5 GeV

23 fb

124/2

SM

mH

σ x BR (H bb)

120 GeV

3 fb

11/4

Beispiel-Rechnung von Martin, Khoze und Ryskin hep-ph/0507305

H.Stenzel Luminosity and forward physics 31

ZusammenfassungZusammenfassung Optionen für die Luminositätsmessung bei ATLAS

Absolute Kalibration durch Coulomb Streuung W/Z, γγ, ... RatenmessungL aus der elastischen Streuung dN/dt|t0 mit tot von TOTEMLHC Maschinenparameterweitere ...

Angestrebte Genauigkeit ΔL= 2-3%

Dedizierte Detektoren Roman Pot SciFi tracker zur elastischen StreuungLUCID als Luminosity MonitorNeue Detektoren FP420 R&D für forward/DPE Physik (upgrade)

PhysikzieleEleastische Streuung, Total cross sectionDiffraktive Physik (Strukturfunktionen, rapidity gaps)Exklusive harte Diffraktion (W/Z, jets, Higgs Produktion)

H.Stenzel Luminosity and forward physics 32

Backup transparenciesBackup transparencies

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Cost Estimates & ParticipantsCost Estimates & Participants

Participating institutes:(as a subsystem, fully part of the ATLAS collaboration)

University of AlbertaCERNEcole PolytechniqueInstitute of Physics Academy of

Science, Czech RepublicUniversity of ManchesterUniversity of MontrealUniversity of TexasUniversity of ValenciaSUNY Stony Brook

New candidates:Bologna (LUCID electronics)Giessen (RP SciFI)

Item Cost (KCHF)

LU

CID

Cerenkov tubes 68.0

Quartz fibers 62.0

Readout 62.0

Infrastructure 125.0

R&D 62.0

Total 379.0

Rom

an

Pot s

yste

m

RP units 220.0

Q4 polarity inverters 60.0

Scintillating fiber detectors

175.0

Readout 650.0

Integration 75.0

R&D 100.0

Total 1280.0

H.Stenzel Luminosity and forward physics 34

Use ZDC in heavy ion runs to calibrate machine Use ZDC in heavy ion runs to calibrate machine instrumentation instrumentation

H.Stenzel Luminosity and forward physics 35

Der Faserdetektor - Projektübersicht Der Faserdetektor - Projektübersicht

Kostenplan

Zeitplan

H.Stenzel Luminosity and forward physics 36

Requirements to reach the Coulomb regionRequirements to reach the Coulomb region

Required reach in t :

Requires: small intrinsic beam angular spread at IP insensitive to transverse vertex smearing large effective lever arm Leff detectors close to the beam, at large distance from IP

radGeVTOT

EMa

Nf

Cftt

5.3

min24106

8|)||(|

min

Parallel–to–point focusing

H.Stenzel Luminosity and forward physics 37

Requirements for Roman Pot DetectorsRequirements for Roman Pot Detectors

“Dead space” d0 at detector’s edge near the beam : d0 100≲ m (full/flat efficiency away from edge)

Detector resolution: d = 30 m

Same d = 10 m relative position accuracy between opposite detectors (e.g. partially overlapping detectors, …)

Radiation hardness: 100 Gy/yr

Operate with the induced EM pulse from circulating bunches (shielding, …)

Rate capability: O(MHz) (40 MHz); time resolution t = O(1 ns)

Readout and trigger compatible with the experiment DAQ Other:

simplicity, cost extent of R&D needed, time scale, manpower, … issues of LHC safety and controls

H.Stenzel Luminosity and forward physics 38

Detector ConstructionDetector Construction

Design: Modules of 128 fibres glued on ceramic substrate 64 U-fibres top, 64 V-fibres bottom machining and metallisation of surface 10 modules per RP staggered by 70 µm 3 overlapp detectors

Production: positioning technique using ceramic moulds precision metrology for fibre position single point diamond machining sputtering of surface gluing of fibres in optical connectors

Prototyping at CERN Production in Giessen?

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Integration in the Roman Pot Integration in the Roman Pot

H.Stenzel Luminosity and forward physics 40

MAPMTs and front-end electronicsMAPMTs and front-end electronics

MAPMT: Hamamatsu R7600 64 channels 2.3 X 2.3 mm2 pixel surface 12 dynodes gain 106 - 107

20 % quantum efficiency

Front-End: OPERA chip gain adjustment discrimination line driver

Motherboard trigger/timing cntrol data transmission voltage distribution

H.Stenzel Luminosity and forward physics 41

Simulated Elastic ScatteringSimulated Elastic Scattering

Reconstruct θ*:

2 2*

2 2

, ,

x y

eff x eff y

x y

L L

Inner ring: t = -0.0007 GeV2

Outer ring: t = -0.0010 GeV2

H.Stenzel Luminosity and forward physics 42

LUCID locationLUCID location

H.Stenzel Luminosity and forward physics 43

RP electronics - RadiationsRP electronics - Radiations

Front of Q7 quadrupole

Rp section

102-103 Gy per year

@ 1034 luminosity

H.Stenzel Luminosity and forward physics 44

RP electronics - RadiationsRP electronics - Radiations

102-103 Gy per year

@ 1034 luminosity

0.1-1 Gy per year

@ 1027 luminosity

1 to 10 rads/year

in operation (negligeable)

100 Krads per year

to the (inactive) electronics

and detector if left

in place during normal runs