ALICE. dedykowany eksperyment ciężkojonowy na LHC

ALICE ALICE

A A Large Large Ion Ion Collider Collider Experiment Experiment – – dedykowany eksperyment

dedykowany eksperyment ciężkojonowy ciężkojonowy na LHC

na LHC

Cel –Cel – poszukiwanie nowego stanu materii –poszukiwanie nowego stanu materii – plazmy kwarkowoplazmy kwarkowo-gluonowej-gluonowej

Po Wielkim Wybuchu Po Wielkim Wybuchu

LHC LHC – – Large Large Hadron Hadron Collider Collider

SPS SPS RHIC RHIC LHC LHC E E

[ [ GeV GeV ] ] 17 17 200 200 5500 5500

dN dN

/ / dy dy 500 500 700 700 3000 3000 - - 8000 8000 ε ε [ [ GeV GeV /fm /fm

] ] ≈ ≈ 2.5 2.5 ≈ ≈ 3.5 3.5 ≈ ≈ 15 15 - - 40 40

τ τ

[ [ fm fm /c] /c] <1 <1 ≈ ≈ 1 1 ≈ ≈ 4.5 4.5 - - 12 12

Fizyka w ALICE Fizyka w ALICE

•• Historia fizyki w ALICEHistoria fizyki w ALICE

(pierwszy okres(pierwszy okres)) –– Pierwsze pomysłyPierwsze pomysły (Aachen(Aachen, 1990), 1990)

–– Prezentacja zainteresowaniaPrezentacja zainteresowania (Evian, 1992)(Evian, 1992) –– LListist intencyjnyintencyjny (1993) (1993) i dodateki dodatek (1995)(1995)

–– Projekt technicznyProjekt techniczny (1995) i dodatki(1995) i dodatki (1996, 1999)(1996, 1999) –– Technical Design Reports (1998 –Technical Design Reports (1998 – 2004)2004)

–– Physics Performance Report (2003 –Physics Performance Report (2003 – 20052005))

•• Ciężkie jony wCiężkie jony w LHCLHC

–– ALICE ALICE początkowo początkowo ‘soft physics experiment’‘soft physics experiment’

–– Główne wyzwanie Główne wyzwanie –– rekonstrukcja torów rekonstrukcja torów (2000 <

(2000 < dNdN//ηη < 8000)< 8000) –– Identyfikacja cząstekIdentyfikacja cząstek

•• Fizyka na poziomieFizyka na poziomie EoIEoI and and LoILoI –– TrackingTracking (widma)(widma)

–– PPIDID

–– InterferometriaInterferometria bozonowabozonowa (HBT) (HBT) –– Pary Pary leptonoweleptonowe ((ρρ, , ωω, , φφ, J/, J/ψψ))

–– Bezpośrednie fotonyBezpośrednie fotony

–– GlobGlobalnealne charakterystyki przypadkówcharakterystyki przypadków

W stronę twardej fizyki W stronę twardej fizyki

•• Silna zachęta ze strony Silna zachęta ze strony LHCC LHCC –– fizyka obszaru Yfizyka obszaru Y

–– Początkowo zostawiona dla eksperymentów ppPoczątkowo zostawiona dla eksperymentów pp (CMS)(CMS) –– AleAle

•• Wysokie obcięcie na PWysokie obcięcie na P_tt w obszarze centralnymw obszarze centralnym

•• Absorber Absorber mionowymionowy daleko od punktu oddziaływania daleko od punktu oddziaływania –– duże tło

duże tło

•• NNiejasnaiejasna sytuacja z rekonstrukcją mionówsytuacja z rekonstrukcją mionów przed przed absorberem

absorberem

–– wpływ na zdolność rozdzielczą w masiewpływ na zdolność rozdzielczą w masie

–– ResultatResultat →→ Forward Forward MuonMuon SpectrometerSpectrometer (pierwszy pomysł (pierwszy pomysł eksperymentu asymetrycznego

eksperymentu asymetrycznego –– grupa krakowska)grupa krakowska)

•• Detekcja otwartego Detekcja otwartego charmucharmu (’95)(’95)

–– Aktualny detektor wierzchołka niewystarczającyAktualny detektor wierzchołka niewystarczający

–– Próba umieszczenia dodatkowej warstwy w rurze próżniowejPróba umieszczenia dodatkowej warstwy w rurze próżniowej

•• bliżejbliżej

•• nie ma materiału „przed”nie ma materiału „przed”

•• tteechniczniechnicznie bardzo skomplikowanebardzo skomplikowane

–– Przeprojektowanie detektora wierzchołkaPrzeprojektowanie detektora wierzchołka

•• dodatkowa warstwa detektora dodatkowa warstwa detektora pikselowegopikselowego

•• tak blisko wiązki jak się tylko da tak blisko wiązki jak się tylko da (38mm)(38mm)

•• Rura próżniowa Rura próżniowa –– tak cienka jak się tylko datak cienka jak się tylko da

•• Detekcja elektronówDetekcja elektronów && trigger (’98)trigger (’98)

–– Identyfikacja elektronów oparta na pomiarze Identyfikacja elektronów oparta na pomiarze dEdE/dx w TPC/dx w TPC –– Zdolność rozdzielcza dE/dxZdolność rozdzielcza dE/dx pogorszyła się z pogorszyła się z

zaawansowaniem symulacji zaawansowaniem symulacji

–– Brak możliwości wyzwalania, może Brak możliwości wyzwalania, może J/J/ψψ ale nieale nie ΥΥ

–– Propozycja dołączenia Propozycja dołączenia Detektora Promieniowania Przejścia Detektora Promieniowania Przejścia (TRD)

(TRD)

•• Fizyka jetówFizyka jetów (wyniki z (wyniki z RHICRHIC--aa))

–– Duży Kalorymetr Elektromagnetyczny?Duży Kalorymetr Elektromagnetyczny?

ALICE dzisiaj ALICE dzisiaj

• • ITS (krzem) ITS (krzem) – – identyfikacja rozpadów, identyfikacja rozpadów, charm charm

• • PHOS PHOS – – spektrometr fotonowy spektrometr fotonowy

• • TPC TPC – – głowny głowny detektor śladowy, identyfikacja h detektor śladowy, identyfikacja h

• • RHICH RHICH ( ( Czerenkow Czerenkow ) - ) - identyfikacja h identyfikacja h

• • TOF TOF (czas przelotu) (czas przelotu) – – identyfikacja h identyfikacja h

• • TRD TRD (promieniowanie przejścia) identyfikacja e (promieniowanie przejścia) identyfikacja e

• • µ µ - - ARM ARM – – identyfikacja par µ identyfikacja par µ

• • PMD PMD – – krotno krotno ś ś ci foton ci foton ó ó w w

• • Detektory Detektory „ „ ku przodowi ku przodowi ” ” (FMD, START, V0, ZDC) (FMD, START, V0, ZDC)

HMPID

ITS

TPC TRD

MUON SPEC.

PMD

TOF PHOS

FMD

ALICE

ALICE detector detector

ITS ITS – – Inner Inner Tracking Tracking System System

Wielowarstwowy detektor krzemowy:

Wielowarstwowy detektor krzemowy:

• • 2 warstwy pikseli 2 warstwy pikseli

• • 2 warstwy detektora dryfowego 2 warstwy detektora dryfowego

• • 2 warstwy detektora paskowego 2 warstwy detektora paskowego Razem 6.7 m

Razem 6.7 m

krzemu krzemu

Pełnowymiarowy

Pełnowymiarowy model ITSmodel ITS

Detektory

Detektory pikselowepikselowe

parametr

parametr piksel piksel dryf dryf pasek pasek rozmiar

rozmiar komórki

komórki µm µ m

50x425

50x425 150x300 150x300 95x40000 95x40000

σ σ

µ µ m m 12 12 38 38 20 20

σ σ

µ µ m m 100 100 28 28 830 830

σ σ

2 2 - - track track µ µ m m 100 100 200 200 300 300

σ σ

2 2 - - track track µm µ m 850 850 600 600 2400 2400

TPC TPC Time Time Projection Projection Chamber Chamber

Sygnał na fragmencie rzędu padów Sygnał na fragmencie rzędu padów

Schemat TPC Schemat TPC

159 rzędów padów, 570k kanałów elektroniki 159 rzędów padów, 570k kanałów elektroniki

Wydajność rekonstrukcji śladów w TPC Wydajność rekonstrukcji śladów w TPC

%

≈ 7

dx

σ

TRD +

TRD + Transition Transition Radiation Radiation Detector Detector

Dwa gotowe moduły TRD Dwa gotowe moduły TRD

Zasada działania Zasada działania

Dyskryminacja

Dyskryminacja ππ -- ee

HMPID (RICH) HMPID (RICH)

β n

ϑ ¹

cos =

Kąt rozwarcia stożka Kąt rozwarcia stożka

Ring

Ring Image Image Cherenkov Cherenkov

RICH na wiązce SPS (NA35) RICH na wiązce SPS (NA35)

Testy

Testy –– STAR@RHICSTAR@RHIC

Liczniki Czasu Przelotu

Liczniki Czasu Przelotu - - TOF TOF

Wymagania

Wymagania –– szybki sygnał, dobre gaszenie lawinyszybki sygnał, dobre gaszenie lawiny

Prosty licznik RPC Prosty licznik RPC

Kalorymetr Fotonowy

Kalorymetr Fotonowy - - PHOS PHOS

PbWOPbWO₄₄

Moduł Moduł testowy testowy

Diody PIN Diody PIN

Spektrometr

Spektrometr Mionowy Mionowy

Komory

Komory triggeratriggera Absorber

Absorber

Komory śladowe (10 w pięciu stacjach) Komory śladowe (10 w pięciu stacjach)

FeFe

Akceptacja

Akceptacja ALICE ALICE

00

--11 11

-2-2 22

00 11 22 33 ηη

pp_tt PHOS

HMPID TRD TOF

TPC ITS tracking

2020 100100

ITS krotność ITS krotność

Muon Arm: -2.5 > η > -4

lowlow--pt pt highhigh-pt -pt

korelacje między nimi korelacje między nimi ALICE

ALICE –– optymalizacja naoptymalizacja na

Identyfikacja cząstek w

Identyfikacja cząstek w ALICE ALICE

ALICE

ALICE używa prawie używa prawie wszystkich znanych wszystkich znanych

metod

0 1 2 3 4 5 p (GeV/c) π/K K/p

e /π TPC + ITS

TPC + ITS

(dE/dx(dE/dx)₎ metod

e /π π/K

TOFTOF K/p

HMPID π/K HMPID

(RICH) K/p

(RICH)

TRDTRD e/πe/π PHOSPHOS γ /γ /ππ⁰⁰

MUON SPECTROMETER MUON SPECTROMETER

EMCAL

EMCAL ^{γ π0}

1 10

1 10 100 p (GeV100 p (GeV/c)/c)

Szybkie wyznaczanie wierzchołka Szybkie wyznaczanie wierzchołka

ITS ITS – – korelacja informacji z 2 warstw pikseli (bez korelacja informacji z 2 warstw pikseli (bez znajdowania śladów)

znajdowania śladów)

σσxx = 15 = 15 µµmm σσyy = 15 = 15 µµmm σσzz = 5 = 5 µµmm

niezależne od B niezależne od B

Tracking

Tracking – – TPC+ITS+TRD TPC+ITS+TRD

TPC TPC standalonestandalone

∆p/p

(%) ^TPC+ITS

TPC+ITS+TRD

∆∆p/p (%)p/p (%)

<P <P

> > P P

> 5 > 5 GeV GeV /c /c

B (T)

B (T)

0.2 0.2 0.5 0.5 0.2 0.2 0.5 0.5

TPCTPC

2.4 2.4 1.2 1.2 8.5 8.5 5.8 5.8

TPC+ITS

TPC+ITS

1.6 1.6 0.7 0.7 3.4 3.4 1.4 1.4

Identyfikacja cząstek w ALICE Identyfikacja cząstek w ALICE

TPCTPC ITSITS

HMPID

HMPID (RICH)(RICH)

Data

Data takentakenatatSTARSTAR

TOFTOF

Observable

Observable hadronowe hadronowe

−

→π+π

K0 Ξ⁻ →Λπ⁻

position position resolution resolution

mass mass resolution resolution

momentum momentum resolution resolution

efficiency efficiency

200 200 - - 300 300 µ µ m m

6 6 - - 8 8 MeV MeV 1.5 1.5 - - 1.8% 1.8% 0.21 0.21 - - 0.25 0.25 500 µ 500 µ m m 3 3 - - 4 4 MeV MeV 1.3% 1.3% 0.15 0.15

K0

Λ

Charm

Charm i i beauty beauty

•• InkInkluluzywnezywne rozpady rozpady semileptonowesemileptonowe

•

• poprzezpoprzez koincydencje ekoincydencje e--µµ

TRDTRD TRD+MuonTRD+Muon MuonMuon

•• z rozpadów hadronowychz rozpadów hadronowych

ƒ D0 →D0 → pKpK i D+ i D+ →→ ppKppK

podstawowy problem

podstawowy problem -- zdolnośćzdolność rozdzielcza parametru zderzenia rozdzielcza parametru zderzenia

dN/dy pp

dN/dy S/B S/B 8000 2.8%

8000 2.8%

4000 11%

4000 11%

PbPb pp PbPb

Quarkonia Quarkonia

kanakanałł µµµµ

kanał kanał eeee

ALICE i EMCAL ALICE i EMCAL

jet

γ

Collision axis

Fizyka

Fizyka pp pp w ALICE w ALICE

Wszystkie

Wszystkie obserwable obserwable HI muszą być mierzone w HI muszą być mierzone w pp pp Poza tym

Poza tym pp pp jest interesujące samo w sobie jest interesujące samo w sobie

-- rozkłady krotnościrozkłady krotności -- korelacjekorelacje

-- przypadki dyfrakcyjneprzypadki dyfrakcyjne -- jetjetss

-- ……

Przewaga ALICE:

Przewaga ALICE:

•• niższe niższe obcięciePobcięcieP_tt

•• identyfikacjaidentyfikacja

Nasz detektor

Nasz detektor - - TPC TPC

Zasada dzia

Zasada działłania ania –– popołąłączenie komczenie komóór: r: dryfowejdryfowej i proporcjonalneji proporcjonalnej

•• segmentacja psegmentacja płłaszczyznyaszczyzny padów wyznaczenie współrzędnej padów wyznaczenie współrzędnej w kierunku prostopadłym do kierunku dryfu

w kierunku prostopadłym do kierunku dryfu

•• odczyt taktowany w czasie –odczyt taktowany w czasie – wyznaczenie wspówyznaczenie współłrzrzęędnej dnej w kierunku dryfu

w kierunku dryfu

Co my tam

Co my tam zrobiliśmy/ zrobiliśmy/ robimy? robimy?

Symulacje komputerowe Symulacje komputerowe::

•• Opcje konstrukcyjne:Opcje konstrukcyjne:

ƒƒ geometria detektorageometria detektora

ƒƒ wybór gazu roboczegowybór gazu roboczego

ƒƒ geometria komór odczytugeometria komór odczytu

•• Właściwości detektora:Właściwości detektora:

ƒƒ zdolności rozdzielcze (rzdolności rozdzielcze (rϕ, z, ϕ, z, dEdE/dx)/dx)

ƒƒ możliwości rekonstrukcyjne (wydajność rekonstrukcji, możliwości rekonstrukcyjne (wydajność rekonstrukcji, σσpp_tt//pp_tt…)…) RozwRozwóój oprogramowaniaj oprogramowania detektora i eksperymentudetektora i eksperymentu

•• Algorytmy rekonstrukcyjneAlgorytmy rekonstrukcyjne

•• Kalibracja i Kalibracja i alignmentalignment Analiza danych

Analiza danych

Testy prototypu (2004

Testy prototypu (2004 - - 2006) 2006)

Promieniowanie kosmiczne i na wiązce PS Promieniowanie kosmiczne i na wiązce PS

Obrazy

Obrazy śśladladóów czw cząąstek w pstek w płłaszczyaszczyźźnie prostopadnie prostopadłłej do dryfuej do dryfu

Ekstrapolacja do 250 cm:

Ekstrapolacja do 250 cm:

σσ_rϕrϕ ≅≅ 800 µ800 µm, m, σσ_zz ≅≅ 900 900 µmµm

Wyniki testów

Wyniki testów

Kalibracja komór odczytu Kalibracja komór odczytu

Pomysł polega na wykorzystaniu znanego widma energetycznego i porównaniu go sektor po sektorze lub w większej granulacji.

W ALICE używa się izoptopu ⁸³Kr

a) - Monte-Carlo b) - Dane

HV 1250 V HV 1275 V

IROC

OROC

σ ≈ 9%

σ ≈ 4%

σ ≈ 8%

σ ≈ 3%

Wzmocnienie elektroniki sektor po sektorze – strona C

dE/dx w TPC,

skalibrowany odczyt

promienie kosmiczne widziane w ALICE

zdolność rozdzielcza w P_t , dane nieskalibrowane

ALICEw

ALICEw dniu D dniu D

Tylko detektory odporne na „

Tylko detektory odporne na „splashsplash””

from interaction region

from beam line

Trigger – SPD in coincidence with bunches

On:

• 6 layers of ITS

• VO (scintilator)

• calorimeters

Zero Degree Calo Photon

Spectrometer EM Calorimeter

Off: all others

Dzień D: 23 List. 2009 Dzień D: 23 List. 2009

Pierwsza fizyka w ALICE Pierwsza fizyka w ALICE

5 .

< 0 η

) (

22 . 0 ) ( 13 . 0 10 . 3 )

(INEL stat syst

d

dN_ch = ± ±

η

Ratios of INEL, SD and DD taken from UA5.

Data corrected for:

• trigger efficiency

• detector efficiency

• reconstruction efficiency

• secondary tracks

The first ALICE (and LHC) paper 284 events taken during

the LHC commissionning

Stabilna wiązka

Stabilna wiązka – – wszystkie detektory wszystkie detektory

TPC, TRD, TOF, HMPID

Muon Spectrometer

Total events collected: > 1 M

‘Good pp interactions’: 500 k - 100 k : B = 0 (alignment)

- 10 k : B reversed (systematics) - 30 k : √s = 2.36 TeV

Identyfikacja cząstek Identyfikacja cząstek

No vertex cut ! TPC

ITS

TRD

Electrons

Pions

velocity v/c

TOF ^Protons_Kaons

Pions all plots:

preliminary calibration & alignment !

Rekonstrukcja torów cząstek Rekonstrukcja torów cząstek

TPC p_t spectrum Preliminary

Beam spot at 2.36 TeV

preliminary alignment !

SPD Vertex resolution versus # tracks

Particle

Particle ZOO 1 ZOO 1

PDG: 1115.7 MeV

Λ → πp

PDG: 497.6 MeV

K⁰_s → ππ

Φ → Κ⁺Κ⁻ PDG: 1019.5 MeV PDG: 1115.7 MeV

Λ → πp

Particle

Particle ZOO 2 ZOO 2

π⁰ → γγ

1 < p_t< 1.5 GeV

PHOS (9 m²)

π⁰ → γγ → e⁺e^- e⁺e^-

TPC Rods

SSD TPC Vessel 1

TPC Vessel 2 SDD

SPD

γ-ray image of ALICE photon conversion vertices

Ξ → Λπ → πp π

Smak

Smak przyszłosci przyszłosci

p/p ratio

to study Baryon Transport via di-quark stopping or gluon junctions

π^- HBT correlation function to study space-time evolution (also reference for heavy ion data)

Data

Monte Carlo (no HBT correlations)

TOF PID spectra

to study particle production

<p_t> versus multiplicity to tune Monte Carlo programs

(and watch for surprises ?)

<p_t> in 0.3 to 4 GeV

Więcej energii…

Więcej energii…

Work in progress..

dN/dη at 2.36 TeV statistical error negligible

final systematic error under evaluation

(still 7% for the time being)

LHC

√s = 2.36 TeV LHC

√s = 900 GeV

LHC 2010

LHC 2010