TEST SU FASCIO DEL CALORIMETRO ADRONICO DI ATLAS: DAL MONITORAGGIO IN TEMPO REALE ALL OTTIMIZZAZIONE DELLA RISOLUZIONE ADRONICA

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Alla fine del secolo scorso l’Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare
(CERN) ha varato un nuovo programma di sperimentazioni che include la
costruzione di un nuovo collisore protone-protone, il Large Hadron Collider, e di quattro nuovi esperimenti che copriranno un ampio spettro di
ricerche nell’ambito della Fisica delle Interazioni Fondamentali.

Uno degli scopi principali della costruzione di LHC è la conferma della validità del cosiddetto Modello Standard (Minimale) delle Interazioni Elettrodeboli di Glashow, Weinberg e Salam. Questa teoria di campo invariante di gauge, proposta 
più di trent’anni fa, unifica la descrizione di due delle quattro interazioni fondamentali della natura, quella elettromagnetica e quella debole, in una unica rappresentazione coerente. Nell’ambito del Modello Standard il meccanismo
comunemente accettato per spiegare le masse delle particelle è la rottura spontanea della simmetria, conseguenza dell’inserimento nel modello di nuovi
campi scalari. Nel Modello Sandard Minimale deve, pertanto, essere presente un bosone di Higgs neutro, non ancora osservato. La sua scoperta sarà uno degli obiettivi principali del programma di LHC. 

Le potenzialità di scoperta di questa nuova macchina acceleratrice si estendono anche alla ricerca di nuova fisica, attraverso l’esplorazione di eventuali indicazioni delle teorie che superano il Modello Standard stesso, come la SuperSimmetria.

ATLAS e CMS, i due esperimenti a carattere generale in costruzione ad LHC, sono
stati progettati per essere in grado di fornire una risposta definitiva sull’esistenza dello Higgs nell’intervallo di massa in cui questi può esistere (100 GeV-1 TeV). In particolare le masse comprese fra 120 e 200 GeV dovranno
essere indagate con molta attenzione, poiché misure precedenti indicherebbero
proprio questi valori come più probabili.

Il lavoro descritto nella presente tesi di laurea è stato sviluppato nell’ambito del gruppo di ricerca dell’INFN di Pisa che partecipa all’esperimento ATLAS attraverso la costruzione e la calibrazione della sezione adronica del 
Calorimetro Centrale TileCal. TileCal è un calorimetro a campionamento costituito da ferro e mattonelle di scintillatore plastico accoppiate a 
fotomoltiplicatori attraverso fibre ottiche. Fra le caratteristiche fondamentali del rivelatore sono la risoluzione, la linearità e l’intervallo dinamico misurabile. La linearità di progetto è di qualche percento su tutto l’intervallo di energia misurabile e la risoluzione di 50%/sqrt(E). L’intervallo dinamico copre energie che variano fra qualche centinaia di MeV (quelle rilasciata da particelle al minimo) e qualche TeV. 

Questo calorimetro è non compensato: infatti il rapporto tra l’efficienza di rivelazione della energia rilasciata in interazioni elettromagnetiche e quella
rilasciata in interazioni adroniche (e/h) è circa 1.4. La compensazione viene 
ottenuta con correzioni applicate a livello di ricostruzione. Un metodo per
compensare è parte dell’argomento di questa tesi. Una buona calibrazione del 
calorimetro ed una buona efficienza nella compensazione costituisce il
necessario punto di partenza per la misura dell’energia dei getti.

Nella regione di massa 120-200 GeV i canali di decadimento dalla 
significatività più alta sono caratterizzati dalla presenza di getti adronici la
cui identificazione dipende in modo decisivo dalle prestazioni di TileCal.

L’esposizione del lavoro svolto inizierà con un breve riassunto dei meccanismi
che conducono alla richiesta della esistenza del bosone di Higgs. Verranno 
riassunti i limiti sperimentali ottenuti fino a questo momento dai precedenti
esperimenti a LEP ed i limiti posti dai fit di precisione delle osservabili 
elettrodeboli. Le indicazioni complessive fornite indicano un Higgs di massa
compresa tra 100 e 200 GeV. Passeremo, poi, ad analizzare le prospettive di 
scoperta del bosone di Higgs utilizzando il rivelatore ATLAS ad LHC. Verranno
riportati gli studi effettuati nell’intero intervallo di massa da 100 GeV a 1 
TeV e discusse le possibilità di utilizzo dei vari canali di produzione e
decadimento al variare della massa dello Higgs, con particolare riguardo 
all’intervallo di massa 100-200 GeV.

Nel secondo capitolo, dopo una breve introduzione a LHC viene descritto
l’esperimento ATLAS, con particolare attenzione alla sezione adronica del 
Calorimetro Centrale, che il gruppo di Pisa ha contribuito a costruire.

Nel terzo capitolo esporremo in modo particolareggiato il funzionamento del
Sistema di Acquisizione Dati di ATLAS ed in particolare i dettagli 
dell’architettura che permette lo sviluppo di sistemi di monitoring
(supervisione) in tempo reale dei singoli rivelatori.

Alla esposizione della progettazione, dello sviluppo e del funzionamento del
programma di supervisione elaborato dal candidato per le sessioni di
calibrazione del Calorimetro Adronico, effettuate nell’estate 2003, è dedicato 
il quarto capitolo. Il programma, creato per facilitare la messa a punto delle
corrette condizioni di acquisizione e la verifica della qualità dei dati 
registrati, è stato utilizzato durante tutti i test beam dei mesi
seguenti. Una prima estensione di questo programma ha permesso di monitorare i 
dati di alcuni moduli del calorimetro e dello spettrometro per i muoni acquisiti
durante un breve test beam combinato nel Settembre 2003. Dopo aver discusso le
caratteristiche del nostro programma, concluderemo con uno sguardo d’insieme 
sugli sviluppi futuri del sistema di monitor.

Nel quinto capitolo esporremo alcune tematiche relative al funzionamento dei
calorimetri adronici in generale, per poi specializzarci alle procedure di
verifica e calibrazione, tramite esposizione a fasci di particelle di prova, del 
calorimetro di ATLAS.

Concluderemo l’esposizione con la discussione di una analisi svolta dal
candidato su dati acquisiti durante i test beam di calibrazione. L’analisi mira
allo sviluppo di un nuovo algoritmo di compensazione che permetta di migliorare
la risoluzione in energia del calorimetro adronico.
Questo studio è stato applicato a eventi di particella singola studiando il
segnale prodotto nei moduli del calorimetro da fasci di elettroni e pioni di 
energia compresa fra 10 e 180 GeV. Questo algoritmo rappresenta un tentativo
preliminare per lo studio di metodi più sofisticati da utilizzare per migliorare 
la ricostruzione dei getti nell’esperimento ATLAS.