Descripcion General de la historia del CERN, el acelerador LHC y el detector ATLAS, profundizando en la construccion y calibracion del calorimetro hadrónico de TL

1. Altas Energías en el CERN
y el proyecto ATLAS
Carmen Iglesias
Grupo TileCal-ATLAS,
IFIC (Valencia)
IX JORNADAS AMBIENTALES
Facultad de Ciencias Químicas(Univ.

2. ¿Por qué Altas Energías?
 ¿Cuál es el origen y composición de la materia?
Para saberlo debemos tratar de reproducir el BigBang, cuando existían
partículas muy masivas que después dieron origen a las actuales.
 ¿Cómo conseguir partículas tan pesadas?
A partir de partículas muy energéticas, alcanzando energías muy altas en
los aceleradores, ya que mediante de la famosa fórmula de Einstein
E = mc 2
la energía (E) y la masa (m) se pueden convertir la una en otra.
Razón por la cual la física de la partículas se llama Física de altas
energías
 Las nuevas partículas producidas son a menudo inestables. Decaen en un
tiempo muy corto en otras partículas más ligeras, tan rápido que lo que
vemos en el detector es el producto del decaimiento.
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3. ¿Qué es el CERN?
CERN: Laboratorio Europeo de Física de Partículas, situado cerca de Ginebra,
entre la frontera suiza y francesa.
1954-2004: 50º aniversario
1954: primera piedra personas -físicos, ingenieros, técnicos, secretarias... 6500
CERN emplea 3000 en Meyrin (Ginebra elegida sede del CERN en 1952)
científicos, mitad de los físicos de partículas del mundo, vienen al CERN para su
investigación. Representan 500 universidades y sobre 80 nacionalidades
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4. Un poco de Historia… (I)
 1957: El SC (synchro-cyclotron) de 600 MeV, fue el 1er acelerador del
CERN. Después de 33 años fue cerrado en 1990
 1959: El PS (Proton Synchrotron)
aceleró protones por 1ª vez .
 1971: ISR (Intersecting Storage Rings)
el primer colisionador protón-protón
1973: descubrimiento de la corriente neutra,
con ν’s en la cámara de burbujas Gargamell.
 1976: SPS (SuperProton Synchrotron),
con 7km de circunferencia, operacional
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5. Un poco de Historia… (II)
 1989: LEP (Large Electron-Positron), el colisionador de 27 km de circunferencia entra en
funcionamiento, con sus 4 detectores:
ALEPH L3 DELPHI OPAL
 1990: World Wide Web inventada por Tim Berners-Lee
 1993: Materia y AntiMateria, resultados que explican la diferencia infinitesimal
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6. Un poco de Historia… (III)
 1999: LHC (Large Hadron Collider), comienzan las obras de construcción
 2000: Quark gluon plasma, nuevo estado de materia, que existió después
del BigBang.
estado de materia 20 veces más
denso que la actual materia en la
cual los quarks vagan libremente
 2007: LHC el colisionador protón-protón más grande del mundo entrará en
funcionamiento... junto con sus 4 experimentos, ALICE, ATLAS, CMS y
LHCb
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7. CERN y el medio ambiente (I)
 Escombros de la tierra
Se producirán cerca de 600 000 m3 de escombros.
 500 000 m3 serán descargados en la vecindad inmediata a la extracción.
 100 000 m3 serán transportados al lugar de descarga sin atravesar aldeas.
 Electricidad
Consumo de energía del CERN desde 1993 con el pronostico hasta 2008.
En 2000, LEP es desmontado para la instalación del LHC y los detectores, por
lo que hay una reducción en 2001. En 2002-04 pruebas en los aceleradores.
Estaba programado empezar con LHC en 2005, y la consumición anual
alcanzará su valor nominal al 4º año, en Iglesias
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2008

8. CERN y el medio ambiente (II)
Radioactividad
Las partículas aceleradas dentro de LHC producen reacciones nucleares al chocar.
A altas energías, estas reacciones producen cascadas hadrónicas con toda clase
de partículas absorbidas en el blindaje. Estas partículas secundarias inducen
radioactividad.
Fuera del blindaje sólo quedan partículas de interacción débil que no producen
radioactividad pero son una fuente de radiación.
La radioactividad y radiación por
ionización en las partes no blindadas
son menores que las locales de origen natural.
Una pérdida del haz induciría radiactividad en los componentes del acelerador
Además dañaría los imanes y daría lugar a una parada larga de la máquina.
Según ICRP, la dosis anual máx para la población:1 mSv/año...Pero CERN limita a
0.3mSv/año. El impacto máx de CERN en el ambiente permanece por debajo de
las variaciones naturales
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9. CERN y el medio ambiente (III)
 Reciclaje
Debido a su situación geográfica en la frontera del
Franco-Suizo, la gestión de desechos en la CERN
está conforme a procedimientos especiales y genera
mayores costes.
El almacén maneja unas 2800 toneladas (~400
camiones) de mercancías reciclables cada año
No todo puede usarse de nuevo en el CERN.
El material entrante es clasificado por categorías:
cables, metal, baterías y hardware…
Lo que ya no es necesario en el CERN se envía a las
plantas de nuevo tratamiento en Francia o Suiza
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10. El imán
 LHC trabajará a una energía de centro de masas de 14 TeV producida por
unos dipolos magnéticos superconductores de 8.33 Teslas
 Nuevo tipo de imán con 2 cavidades, permitiendo el paso de 2 haces simultá-
neamente y aprovechando el mismo imán para la aceleración de ambos.
El imán cuenta con 2 bobinas en un criostato común
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11. Los aceleradores
El haz de protones de alta energía no se inyecta directamente en el LHC .
Primero debe inducírseles una energía en los aceleradores
 El LINAC (Acelerador Lineal de protones) acelera los protones hasta 50 Mev
 Después el 'Proton Synchrotron Booster' (PSB) hasta 1,4GeV
 El 'Proton Synchrotron' (PS) los acelera hasta 26GeV
 Finalmente el ‘Super Proton Synchrotron ‘(SPS) hasta 450 GeV
Siendo posteriormente inyectados en el LHC, donde alcanzarán la energía de
haz deseada de 7 TeV.
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12. Los detectores de LHC
 Dentro de LHC, situados en los puntos de interacción, hay 4 experimentos con
finalidades muy diferentes:
 ATLAS : propósito general (mas detalle después)
 CMS: junto con ATLAS, encontrar evidencias experimentales de la existencia
del bosón de Higgs y estudiar la física mas allá del Modelo Standard.
 ALICE: realizará estudios con iones pesados
 LHCb: estudio del quark b
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13. Detector dedicado al estudio Detectores de carácter general
de los iones pesados cuyo propósito es el estudio de
la física protón-protón, encontrar
evidencias experimentales de la
ATLAS
existencia del bosón de Higgs y
estudiar la física mas allá del
Modelo Estándar
Detector dedicado al estudio
del quark b
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14. ATLAS
 Uno de los detectores mas grandes: altura de un piso de 7 plantas.
 Subdetectores
 Detector Interno (Inner detector): detecta trazas de partículas cargadas.
 Calorímetros (LAr y Tilecal): mide la energía depositada por las partículas
electromagnéticas y hadrónicas y la posición de las misma
 Espectrómetro de muones (Muon detector): mide el momento de los
muones.
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15. ¿Quién hace ATLAS?
 En la colaboración ATLAS de carácter mundial, participan más de 2000
físicos procedentes de 150 universidades y de 34 países.
 De entre los 155 institutos que colaboran el grupo TileCal del IFIC
(Instituto de Física Corpuscular) de Valencia ha participado en el pasado
con:
 el test de 1750 PMTs, el 17.5% del total de ATLAS
 la construcción del 50% de los módulos del Extended Barrel del Cal.
Hadrónico
 Actualmente colabora desarrollando:
 el sistema ROD (Read Out Drivers electronic boards) para el Cal.
Hadrónico
 el software offline y online de ATLAS
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16. Detección de las partículas
 Los fotones y electrones depositan casi toda su energía en el Calorímetro EM
 Los hadrones depositan su energía en el calorímetro HAD
 Los muones de poca interacción con la materia, llegan hasta el espectrómetro
 el momento de las partículas cargadas se mide a partir de la curvatura de la
trayectoria en el detector de trazas
Cada capa identifica y mide la energía-
momento no definida en la capa previa
Un solo detector no puede medir la
energía/momento de todas las partcs
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17. Campo Magnético
Curva la trayectoria de las partículas cargadas para saber su momento a
través de la medida de la curvatura y su carga eléctrica por su dirección.
 Solenoide central: localizado en frente del Lar calorímetro dentro de una
cámara de vacío. 5,3*2,4m y 5,7 toneladas. Diseñado para generar hasta
2,6 Teslas. Bobina de cable superconductor
 Toroide externo: Rodeando el espectrómetro de muones. 8 bobinas de
barril dentro de un sistema de criogenia
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18. Detector central
Longitud=6,80 m y radio=1,15m
Colocado en la cavidad del solenoide superconductor.
Su función es permitir buenas medidas de momento y
de vértices (primarios y secundarios), reconocer trazas
de partículas cargadas y mejorar identificación de fotones
Píxeles discretos de alta resolución y detectores de strips
(SCT) en la parte interna, con detectores de radiación de
transición (TRT) de menos resolución en la parte externa
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19. El calorímetro EM
Absorbe la energía de fotones y electrones,
dando una señal proporcional a la E depositada.
La segmentación del calorímetro posición
Se divide en una parte central de barril y 2 laterales,
todas con geometría “acordeón”
El elemento de detección es Argón líquido.
Las cascadas EM en el argón liberan e- que se
recogen y registran.
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20. Calorímetro HAD
Extended Barrel
modules
Barrel
modules
Calorímetro de muestreo:
- centelleadores (mat activo)
- Hierro (mat.absorb.)
64 modules
radio int: 2,2m radio ext: 4,2m
Dividido en tres Barriles:
•Barril central: 5,6m de largo
•2 Barriles extendidos de 2,9m
•Producción de luz en las tejas por centelleo
• Fibras ópticas recogen la luz y la dirigen
• PMT (~10.000) convierten luz en señal electr
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21. Extended Barrel de TileCal
Peso:10 toneladas 1600 tejas centelleadoras
Altura:2m Anchura:3m 1750 fibras ópticas en 600 perfiles
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22. Espectrómetro de muones
Los muones son partículas parecidas a los electrones, pero 200 veces más pesadas.
Únicas partículas perceptibles que pueden atravesar el calorímetro sin ser paradas.
El espectrómetro de muones rodea el calorímetro y mide la trayectoria del muón y
determina su momento con alta precisión mediante 3 capas de cámaras de deriva.
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23. La caverna Profundidad: 92m
Anchura: 35m Longitud:55m Altura:40m
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24. Trigger y Adquisición de Datos
Gran reto  alto número de canales y alta frecuencia de LHC (40MHz)
Se necesita “trigger” rápido y muy selectivo para reducir en 6 ordenes de
magnitud la frecuencia de almacenamiento: de 109 Hz a 100Hz
LVL1: encuentra trazas en el detector central y
“cluster” de energía en los calorímetros para
identificar “regiones de interés”.. Frecc.:75kHZ
LVL2: Combina información del detector central y
de los calorímetros. Reduce la frecuencia a 1kHZ
LVL3: realiza la reconstrucción del suceso en 1s
mediante software en granjas de ordenadores.
La velocidad de almacenamiento será 10-100MB/s
reduciendo la cantidad y el tamaño de los sucesos
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25. El GRID
Gran volumen de datos producidos en LHC: 1 Petabyte/año (1Peta=106Giga)
no pueden procesarse con el sistema informático y de cálculo utilizado hasta ahora
Solución: formar una malla de nodos (GRID) comunicados a través de protocolos
software . Recursos necesarios para procesado y análisis, distribuidos por todo el
mundo en forma jerárquica: centros de nivel 0, 1, 2, 3...(un centro de nivel 1
proporciona datos a los de nivel 2...)
España: IFAE (Barcelona) participa en el testbed nacional distribuido
(Barcelona+Santander(IFCA)+Valencia(IFIC)+Madrid(Ciemat+UAM)
¿que proporciona el GRID? Una forma transparente de ejecutar el trabajo que desea:
- Encuentra los recursos (máquinas) disponibles
-Asegura un acceso optimizado a los datos
(incluyendo copias locales...)
- Comprueba la autorización del usuario
- Monitoriza la ejecución
- Además, si es posible, paraleliza el trabajo
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26. Software Offline en ATLAS
 Generadores: PYTHIA, ISAJET, HERWING…
 Rápida Simulación-Reconstrucción: ATLFAST
 Completa Simulación: ATHENA
 Reconstrucción
 Simulación: Geant3(Fortran), Geant4(C++)
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27. Mi aporte a la investigación
Trabajos anteriores:
1) (Madrid)
Análisis de datos en el detector L3, LEP:
- Medida de la Masa, Anchura y Sección Eficaz
del Bosón W en LEP, 1999
- Estudio del e+e- W+W-qqeν en LEP, 2000
2) (Barcelona)
Control de Calidad de los módulos del Cal. Hadrónico de ATLAS:
- Estabilidad del “LED diffuser” dentro del módulo
- Estudio de las celdas cortadas del calorímetro
Análisis datos TestBeam de TiCal en CERN
- Análisis de datos de piones TBdata 2000-01.
- Programas MC de Simulación en TestBeam
Software Analysis Offline
- Energy Flow Algorithm en Atlfast (Fast Simulation)
Trabajo actual:
3) (Valencia)
Software Offline de simulación
- Energy Flow Algorithm in Full Simulation:
Validar Energy Flow en Combined TestBeam-04
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28. Definición de JET
Jet : Grupo de partículas emitidas
espacialmente colimadas, es decir, cercanas
entre si en ángulo
 Los jets son manifestaciones de los 'partones'
(quarks y
gluones) emitidos en la colisión inicial
protón-protón
 Un jet contiene principalmente hadrones: decenas de
piones cargados y neutros, una cantidad menor de
kaones y unos pocos bariones ligeros (protones y
neutrones)
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29. Características de los JETs
 Cada jet se caracteriza por tener:
 hadrónica cargada: piones y kaones
 electromagnética neutra : fotones
 hadrónica neutra: Kl y neutrón
 El calor HAD esta segmentado en ϕ (ang.
azimutal) y η (pseudo-rapidity).
 Los jets se observan como clusters de energía localizada en
torres adyacentes de 0.1x0.1 en η-ϕ y suelen reconstruirse
mediante un cono centrado en la torre de mayor Et y radio
R= √∆η 2 + ∆ϕ 2 ∼ 0.4-0.7
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30. Concepto de Energy Flow
Energy Flow: Algoritmo que combina la información procedente de los
calorímetros, del detector trazas y la identificación de partículas para tratar de
mejorar la resolución en la energía de los jets
 A bajo momento de las partículas cargadas, el error en la traza es mucho
menor que el error en la energía de los calorímetros  Sustituyo las
fluctuaciones de E en el calorímetro por medidas mejores del PT
 Primero debo localizar la energía depositada por los had cargados para
suprimirla y sustituirla por la medida del momento.
 Clasifico las CELDAS del calorímetro en función de las partículas que caen:
 CELDAS CARGADAS : caen hadrones cargados
 CELDAS NEUTRAS : caen fotones
 CELDAS MIXTAS : caen a la vez hadrones cargados y fotones
 Aplico Energy Flow a los hadrones cargados, PERO no a todos: Solo a los had
cargados que cayeron en CELDAS CARGADAS
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31. Becas
 INTERNACIONALES:
 CERN:
 Summer Student
 Doctoral Student
 Technical Student
 Max-Planck Institute (Alemania), Clermont-Ferrand (Francia), Fermilab (USA)…
 NACIONALES:
 FPI = (Ministerio de Ciencia y Tecnología) asignadas a proyecto
 FPU = (Ministerio de Educación y Cultura) asignadas a personas
 CSIC
 REGIONALES:
 Junta de Castilla-León, Generalitat …
 Universidad de Salamanca, Universidad Autónoma
 Institutos de Investigación : IFIC, CIEMAT, IFAE …
 PRIVADAS:
 Becas BanCaja, La caixa …
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