L’expérience CMS et son calorimètre électromagnétique L’expérience CMS –Concepts/ comparaison avec ATLAS –Etat d’avancement de la construction & planning.

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1 L’expérience CMS et son calorimètre électromagnétique L’expérience CMS –Concepts/ comparaison avec ATLAS –Etat d’avancement de la construction & planning Le calorimètre électromagnétique de CMS –Conception –Statut –Performances P.BLOCH CERN/PH Orsay, 5 Fevrier 2007

2 CMS comme ATLAS a pour but de couvrir ( ou découvrir) les phénomènes qui régissent la physique dans un domaine d’énergie entre l’échelle électrofaible (~ 100 GeV) et quelques TeV –Mesures précises des masses du top et W –Boson de Higgs (Modèle Standard ou plus) –Super-symétrie –Extra dimensions, sous-structures des quarks, –… Ces études nécessitent une excellente détection des leptons (e/muons /taus) et neutrinos ≡ missing ET ≡ herméticité et une bonne mesure des jets de quarks/gluons

3 Cahier des charges Bonne résolution électromagnétique |  |<2.5 u < 1% résolution masse di-électron à 100 GeV/c 2  Localisation du vertex primaire et/ou  direction  Rejection des  0 u Isolation des leptons Bonne identification des muons et bonne résolution en impulsion pour |  |<2.5 u < 1% résolution masse di-muon à 100 GeV/c 2 u mesure de la charge jusqu’à >1 TeV/c n Bonne résolution en missing ET and masse di-jet  Calorimètre hadronique jusqu’à |  |~5  Segmentation latérale  x  < 0.1 x 0.1 n Reconstruction des particules chargées dans le tracker  B et  tagging (pixel detector)

4 Cahier des charges techniques n Réponse rapide u Eviter le “pile-up” u Temps de réponse typique : 20-50 ns l  intégrer sur 1-2 croisements  pile-up de 25-50 min-bias l  électronique très performante n Forte granularité u Minimiser la probabilité d’avoir deux éléments touchés en même temps l  grand nombre de canaux d’électronique ~40x10 6 n Rėsistance aux radiations

5 Sélectivité n Les sections efficaces des différents processus physiques varient sur de nombreux ordres de grandeur u Inélastique: 10 9 Hz  W   : 10 2 Hz u t t production: 10 Hz u Higgs (100 GeV/c 2 ): 0.1 Hz u Higgs (600 GeV/c 2 ): 10 –2 Hz n Sélection : 1:10 10–11 –

6 Le détecteur CMS

7 building 40 au CERN

8 Le choix de l’aimant La raison de la différence de taille entre ATLAS et CMS est essentiellement due à la différence dans le choix de l’aimant pour le système des muons CMSATLAS 1 aimant unique Solénoïde 4T 4 aimants n Solénoïde 2T n Toroïde barrel n 2 Toroïdes F/B Système de muons dans le fer de retour Système de muons dans l’air

9 Aimant CMS CMS: SC Solénoïde B=4T sur 1.2m + 2T dans retour 3m L= 12.5m, Ø 6m, E= 2.4 GJ J grande valeur de BL 2 grande longueur |  | ≤ 1,5 profite du spot faisceau de 20  m J un seul aimant J calorimétrie dans l’aimant K Solénoïde → mesure Pt (détérioration donc vers l’avant) K retour de fer → résolution dominée par le multiple scattering ; mais excellente résolution avec le tracker interne

10 Rappel : Aimants ATLAS ATLAS: aimants toroidaux ( deflection angle polaire) ~0.6T sur 4.5 m J bonne mesure en “stand-alone” J résolution indépendante de l’angle polaire  ne bénéficie pas du faible spot du faisceau (20  m) K solénoïde additionnel pour la mesure des traces chargées K Calorimétrie en dehors de l’aimant

11 Systeme Muons de CMS 250 DTs 468 CSCs 480 RPCs Tracker ECAL HCAL Bobine

12 Performance attendue CMS vs ATLAS Muon spectrom. standalone Inner tracker stand alone ATLAS CMS

13 Calorimetrie Hadronique (HCAL) n Barrel u Technique similaire à ATLAS (CMS: Laiton-scintillateur) u Moins bon échantillonnage, (mais résolution des jets améliorées avec l’inclusion des infos tracker « energy flow ») n End caps  Laiton-scintillateur 1.3<  <3  Fibres de Quartz; 3<  <5 lumière Tcherenkov (très résistant aux radiations)

14 HCAL (HB +HE,  <3) WLS fibres inserees dans le scintillateur Routing of clear fibres to optical disconnects Central Region (|  <3) : Brass/Scintillator with WLS fibre readout, projective geometry, granularity  x  = 0.0875 x 0.0875 Routage des fibres Région centrale (|  <3) : Laiton/Scintillateur avec fibre WLS granularité  x  = 0.0875 x 0.0875

15 Calorimètre hadronique HF (3<  <5) Insertion des fibres dans HF Descente dans la caverne CMS des HF, 9-11-2006

16 Calorimètre électromagnétique Voir la deuxième partie de la présentation !

17 Tracker n ATLAS et CMS ont choisi des options différentes  CMS: 10-14 points, très précis (< 30  m) en R  faible occupation (tout silicium)  ATLAS: moins de points précis (4) à petit rayon (<50 cm), suivi de ~ 40 points avec moindre précision ( 50  m) et grande occupation (TRT pailles) n ATLAS et CMS ont 3 couches de pixels entre 4cm et ~25 cm n Silicium et pixels doivent être à basse Température (-20ºC) pour éviter une détérioration par les radiations. u Beaucoup de matériel (jusqu’à 1.4 X 0 ) devant les calorimètres

18 Tracker 6 couches TOB 4 couches TIB R-phi (Z-phi) only measurement layers R-phi (Z-phi) & Stereo measurement layers Rayon ~ 110cm, Longueur ~ 270cm  ~2.4 210 m 2 de Si strips 3 couches TID 2x 9 couches TEC

19 Budget de matériel devant le calorimètre

20 Strategie d’assemblage n CMS a été conçu pour être construit en surface u Les difficultés géologiques attendues n’ont permis de terminer la caverne que début 2006 n L’expérience a été divisée en 15 tranches de poids max 2000 T construites en surface u HF + et HF – u 2 x 3 disques End cap (YE3+, YE2+, YE1+, YE1-, YE2-, YE3-) YE1 ± contiennent les calorimètres end caps u Roue centrale YB0 supportant le solénoïde u 4 roues Barrel entourant la bobine YB2+, YB1+, YB1-, YB2 u Barrel hadronique en deux parties HB+ et HB- u ( + les supermodules ECAL + le Tracker) n Les HF, YE, YB (sauf YB0) sont mobiles, permettant l’ouverture et l’accès à n’importe quel endroit en moins de 2 jours. Des superstructures attenantes contiennent une grande partie des services (Alims Basse tension, gaz). n Les pièces mobiles sont précablées en surface u Services locaux sur les superstructures, autres services jusqu’à des panneaux de connexion. Chaines à câbles en caverne

21 YB1YB0YB-1YB-2YB2YE1YE2YE3 HF

22 Statut de l’aimant 2T 3T 3.8T 4T = 19.140kA: stable operation Temp stability margin 0.6 K SD with FD from 5kA Unexpected FD adjust quench prot 3.5T Ramp-down, SD cryo tests + FD (4kA) Final fast discharge to warm up coil to 70K ~ no He losses Champ mesuré à: 2.0, 3.0, 3.5, 3.8( 2 fois) & 4.0 T L’aimant a été testé en surface et le champ mesuré en Octobre 2006 Il va être transporté en caverne fin février 2007. (re)mise à froid aout 2007

23 Statut détecteurs 01/02/2007 n Muons: toutes les chambres (RPC, CSC, DT) sont insérées u (Sauf quelques chambres verticales qui gêneraient le palan de descente) u YE : toutes mises en service en surface u DT+RPC de YB-2, YB-1 et YB0 mises en service en surface u Les YE-, YB2+ et YB1+ sont descendus en caverne. Chaines +z prêtes. u Descente YB0 (avec aimant) fin février, n Calorimètres hadroniques HF, HE, HF terminés avec l’électronique de lecture locale HFs déjà en caverne, mise en service en cours. HB+ descend le 13/02/07 n Tracker u Tous les sous éléments (TIB+TID, TOB, TEC) sont assemblés et testės individuellement. Ils sont présents au CERN dans le « Tracker Intégration Facility » qui permet de mettre en route 25% du Tracker a la fois. u Le TIB et Le TOB sont déjà insérés dans leur support u Mise a froid prévue en Mars u Mise en service (dans le TIF) Avril- Juillet u Descente dans CMS mi Aout 2007 u Pixels en construction

24 Descente YE3+ 30/11/2006

25 YE1 +, descendu le 9/01/2007

26 Descente YB2+ 19/01/2007

27 YB+1 dans la caverne 1/02/2007

28 CMS fin Mars 2007

29 Tracker : Barrel

30 Tracker (TEC) TEC, Novembre 2006 Rapport signal sur bruit rayons cosmiques < 0.3% canaux morts ou bruyants

31 Le Test Cosmique de Septembre 2006 n En 2006, pendant le test de l’aimant, un test combiné de tous les détecteurs a eu lieu, comprenant u 8% des systèmes muons 22% HB, 11% HE u 2 supermodules ECAL (5%) u 133 modules (~ 100K canaux) d’un tracker spécifique u 1 tranche du DAQ final, 1% ferme-calcul Signal muons ECAL avec/sans champ preliminaire

32 Planning n Fin février: descente de YB0 n Mars: descente HB-, insertion des HB dans l’aimant n Fin mars a mi-août 07: Services du Barrel, insertion ECAL. u Tuyautage et precablage sur l’aimant. Installation panneau de connexion Tracker (PP1) u Insertion du ECAL Mai (EB-) et Juin (EB+). u Câblage complet du HCAL et du ECAL ; mise en route. u Fibres optiques Tracker jusqu’à PP1. n En parallèle juin-juillet 07, descente des pièces YB2- …YE3- n Aimant prêt mi-juillet, refroidissement aout - septembre n mi août: descente du Tracker n En parallele: Mise en place du tube faisceau /connexion du Tracker à PP1 Run pilote n Shut down 07-08 : ECAL end caps. Pixels complets Run de physique

33 Le calorimètre électromagnétique de CMS Endcaps: 4 Dees (2 par endcap) 14648 Crystals (1 type) –22.9 t Dimensions: ~ 30 x 30 x 220 mm 3 (24.7 X 0 )   x  = 0.0175 x 0.0175 ↔ 0.05 x 0.05 Barrel: 36 Supermodules (18 par demi- barrel) 61200 Crystals (34 types) –67.4 t Dimensions: ~ 25 x 25 x 230 mm 3 (25.8 X 0 )   x  = 0.0175 x 0.0175 Cristaux pyramidaux dépointés ~ 3 o du vertex Pb/Si Preshowers : 4 Dees (2/endcap) 4300 Si strips (~ 63 x 1.9 mm 2 )

34 Propriétés du tungstate de plomb PbWO4 Emission rapide : ~80% in 25 ns Pic d’émission ~420 nm (visible) faible longueur radiation : X 0 = 0.89 cm Faible rayon Molière : R M = 2.10 cm Résistant aux radiations Dépendance température ~2.2%/ O C  Stabilisation a  0.1 O C Formation et désintégration de centres colorés (équilibre dynamique) sous irradiation  Système de light monitoring précis Faible émission lumineuse (1.3% NaI)  Photo détecteurs avec gain dans champ magnétique Mais :

35 Production cristaux Livraison des cristaux détermine le planning BTCP (Bogoroditsk, Russie)~ 1200/mois SIC (Shanghai, Chine)~ 130/mois → 180/mois ~ 98 % des cristaux Barrel délivrés Préséries des cristaux End cap : 300 BTCP, 425 SIC  Dernier cristal Barrel fin Fév. 2007  Dernier cristal End cap Fév. 2008

36 Photo détecteurs Barrel - Avalanche photodiodes (APD) Deux 5x5 mm 2 APDs/cristal - Gain: 50 QE: ~80% - Dépendance température : -2.4%/ O C - Livraison complète End caps: - Vacuum photo triodes (VPT) Plus résistantes aux radiations que les diodes Si (avec fenêtre verre UV) - Surface active ~ 280 mm 2 /cristal - Gain 8 -10 (B=4T) Q.E.~20% à 420nm - Livraison complète 40  m  = 26.5 mm MESH ANODE

37 Electronique embarquée Trigger primitives calculées sur le détecteur Modularité: Trigger Tower (25 canaux Barrel) -1 Carte de régulation BT (LVR) - 5 Cartes VFE (5 canaux chacune) - 1 Carte FE - 1 Fibre envoie trig primitives (chaque crois t ) - 1 Fibre envoie data (au reçu du Level1 ) Trigger Tower (TT) Very Front End card (VFE) Front End card (FE) Trigger Sums Data x12 x6 x1 MGPA Logic 12 bit ADC 2 1 0 12 bits 2 bits HV APD/VPT VFE architecture pour un canal 0.25  m IBM CMOS VFE x 5 MB FEFE LVR Livraison/test terminés Barrel, en cours End Caps 30 MeV 45 MeV Bruit/canal

38 Electronique hors détecteur Statut: CCS DCC livrés TCC Barrel: livrés ; End Cap: prototype Tous les paniers test é s au Bt 904 avant descente dans CMS prévue Fev Mars 07 Clock & Control System (CCS) Data Concentrator Card (DCC) Trigger Concentrator Card (TCC) Alimentation BT: (Wiener) AC (220V) – DC (430V) DC(430V) – DC (7V, 100A) (7V→2.5V dans détecteur) En cours (~ 50% barrel reçu)

39 Intégration

40 Intégration…. u En juillet 2006, nous avions environ 25/36 Supermodules intégrés, à un taux de 4 - 5 SM/mois u Nous avons trouvé une faiblesse sur une carte de liaison passive avec des captons. Des test poussés de vieillissement ont montré que potentiellement ~ 0.7% des canaux pourraient poser un problème u Nous avons décidé de remplacer ces cartes dans la mesure du possible (et en premier lieu d’utiliser de nouvelles cartes pour les supermodules restants) u L’intégration a redémarré le 22/01. Nous tablons sur 9 SM / mois → pas sur le chemin critique de CMS Soudures manuelles

41 Performances et pré-calibration  ’ s Trigger Stand cosmiques au CERN Tous les SMs Test faisceau H4 1 SM en 2004 9 SMs en 2006 Test faisceau H2 ECAL + HCAL 2006 2 GeV < E < 300 GeV

42 Mesure du bruit 41.5 MeV .1 rms = 3.3 rms = 9.5 213.4 MeV .4 rms = 6.3 127.0 MeV .2 Histo des canaux 3x3 crystal matrices Matrice 5x5 Energie équivalente ≈ 41 MeV (random triggers) piédestal soustrait dynamiquement (3 pré-échantillons) Supprime le bruit basse fréquence et les corrélations entre canaux 1 canal : Matrice 3x3 Données faisceau 2004. Performances reproduites dans le test aimant

43 Notes: Impact restreint à 2  2 mm 2 contribution du faisceau soustraite:  P /P  0.1% Stochastic  3% Résolution intrinsèque en fonction de l’énergie Constant  0.3% Incidence centrale matrice 3x3  E Resolution: CMS Note 2006/140 Données 2004

44 0.5% résolution moyenne a chaque énergie: Incidence Centrale ( E in GeV ) Stochastic NoiseConstant  E Resolution: CMS Note 2006/140 Résolution intrinsèque en fonction de l’énergie (2) Données 2004

45 683703723 684704724 685705725 Example: 3x3 matrice 5x53x3 Effet décroit avec la taille de la matrice  3% Hodoscope Résolution: Impact Uniforme  Impact Uniforme  correction nécessaire Mesure dans une matrice de taille fixe NxN cristaux  dépendance en position de E REC Corrections de position (1) e  Cluster containment: CMS Note 2006/045

46 central edge central edge ‘Position’ obtenue de l’information du calorimètre  log(E2/E1) pour mesurer la position dans le cristal, ou E2 et E1 sont les énergies des colonnes Correction universelle, indépendante de l’énergie et du cristal pour matrices 3  3 ou 5  5 e.g. scan in  e e 5  5 matrice Corrections de position (2)

47  Faisceau dirigé dans de nombreuses positions  données combinées  Bonne performance pour une incidence uniforme 0.50% résolution E à 120 GeV  Cluster containment: CMS Note 2006/045 Résolution en énergie incidence uniforme Données 2004

48 Données 2006 (plots « quasi » online) 15300 cristaux combinés, sans coupure position, calibrés à 90 ou 120 GeV Pic du  0 et  (échange de charge ) Faisceau H2 30 MeV45 MeV Bruit 1700 cx

49 Calibration avec cosmiques E1 E2 Muon traversant 1 seul cristal: ~7% des triggers E1 > 10 ADC counts E2 < 3 ADC counts Single Crystal E peak = 27 ADC counts  E /E ≈ 25% SM10 Gain APD = nominal x 4  CMS Note 2005/23

50 Cosmic Measurement Errors Stat % 7M triggers - 14 days live time Statistiques: Tous les supermodules sont exposés pendant au moins 7 jours (25 / 36) L’analyse combine les événements à “un seul cristal” et ceux traversant 2 cristaux (paire  ou  ) ; systématiques évaluées par comparaison avec les données électrons Une pré-calibration a mieux que 2% sur un SM complet a été obtenue! (2006) ≈ 25%/  N SM16 Calibration avec cosmiques (2) SM18 Systématiques en  sur SM16 utilisées pour les autres SM

51 InterCalibration des canaux ECAL mesures laboratoire C o s m i q u e s ( m.i.p.’s ) e faisceau test CMS 2007  0 ’s, symetrie en  (min. bias) W  e Z  e e Intercalibration initiale ECAL: Mesures au laboratoire (light yield) tous les cristaux ≈ 4 % Intercalibration cosmiques tous les supermodules  2 % intercalibration faisceau ≈ 10 supermodules  0.5 % Intercalibration et calibration absolue in situ:  -symétrie (biais min.) uniformité locale/stabilité 1.5 to 2%  0 ’s,  ’s W  e inter-calibration, systématiques  (w/r tracker) Z  e e calibration absolue, e E scale corrections  CMS Note 2004/007

52 Physique à 1 fb -1 Top physics ~ 700 dileptons ~ 250 single top Cross section of di-lepton (e/μ) and semi-leptonic (e/μ) channel (τ?) Mass measurement in di-lepton (e/μ) and semi-leptonic (e/μ) Rediscovering single-top processes (t-channel) PT and y distributions of top quarks ttbar + N jets exclusive cross sections Fourth generation t’ quark Electroweak physics Drell Yan pairs up to 1 TeV Production of W and Z bosons Measurement of the p T distribution of W / Z bosons Constraints on the PDF at LHC from W and Z leptonic decays Precise luminosity determination from W and Z production Measurement of WZ and ZZ production Measurement of Wγ and Zγ production Measurement of W, Z + n-jet production Production of W and Z bosons accompanied by charm and b pairs W mass measurement (needs well understood detector ) QCD Dijet up to 4.5 TeV for 0.1 fb-1, 5 TeV at 1 fb-1 Single jet up to 2.5 TeV at 0.1 fb-1 Underlying event Jet+ photon up to 500 GeV SUSY Abnormal High PT signal can be evidenced even at 0.1 fb-1 Higgs No discovery before 5 fb-1 except in a very narrow region around 165 GeV First 1 fb-1 can be used to study background

53 SM Higgs Le potentiel de CMS réévalué en 2006

54 Conclusions n L’expérience CMS est entrée dans sa phase d‘assemblage dans la caverne UXC5. Fin Février, la moitié de l’ expérience et l’aimant seront descendus. Les pièces assemblées sont déjà testées, et le principal travail est la connexion des services à la caverne de service. n Le Barrel ECAL et le Tracker sont en cours d’intégration et seront prêts pour insertion en avril-juin et aout respectivement. n Seuls les ECAL End caps et les pixels seront insérés après le pilote, en vue du run de physique. n Les performances du ECAL sont excellentes, en parfait accord avec les buts présentés dans le TDR. n Un programme de physique très intéressant s’ouvrira dès le premier run de physique en 2008 (~1 fb -1 )