1 ALFA : mesure de luminosité absolue et de section efficace totale pour ATLAS S. Cavalier, M. Heller, P. Puzo Journées accélérateurs Roscoff octobre 2009

S..Cavalier – Roscoff Plan Description du cadre d’ALFA : ATLAS Objectif d’ALFA : mesurer luminosité absolue intégrée à 2-3% Principe de la mesure Transport et calcul d’acceptance Précision de la mesure Conclusion

S..Cavalier – Roscoff Le détecteur ATLAS Un des 4 détecteurs du LHC  positionné au point d’interaction 1 (IP1) 46 m de long, 25 m de diamètre, 7000 tonnes Composition du détecteur –Détecteur interne : mesure de l’impulsion des particules chargées –Calorimètres : mesure l’énergie des particules chargées et neutres –Système magnétique : solénoïde et toroïde –Spectromètre à muons

S..Cavalier – Roscoff Mesure de luminosité absolue dans ATLAS Plusieurs méthodes de mesure de la luminosité absolue : –Paramètres machines  20-30% de précision (thèse de S.White - CERN) –Selon processus physiques (à base de W et Z) bien connus mais inutilisable avant plusieurs années dépendant des modèles d’interaction forte ~3.5 µrad (pθ) 2 –Diffusion coulombienne déjà utilisé sur UA4 (SPS) Très petits angles de diffusion Impossibilité d’intercepter avant le premier élément magnétique Divergence angulaire << angle de diffusion  Ce n’est pas le cas avec l’optique nominale du LHC

S..Cavalier – Roscoff Optique appelée parallel to point focusing :  90º d’avance de phase dans le plan vertical pour focaliser les particules ayant le même angle de diffusion au même endroit sur le détecteur  Pas d’angles de croisement à la collision  Nombre de paquets réduits : 43 au lieu de 2808  β* = 2625 m au point d’interaction - Pour minimiser la divergence angulaire - Dans notre cas Modification de l’optique pour la mesure  Nécessité de runs spécifiques à basse luminosité : L = cm -2 s -1  Optimisation globale de ε, β* et

S..Cavalier – Roscoff Optique modifiée au point d’interaction Nouvelle optique pour le transport Paramètres optiques Optique fort β Optique Nominale β*xβ*yβ*xβ*y 2625 m0.55 m σ * x σ * y 593 µm17 µm σ’ * µrad30.3 µrad εNεN 1 μm rad3.75 μm rad Nécessité de matching autour de l’IP1 (sans modification autre dans l’anneau) pour obtenir les paramètres optiques voulus (collaboration avec S. White et H.Burkhardt - CERN)  modification des forces des quadrupoles Paramètres de l’optique fort β avec

S..Cavalier – Roscoff Localisation des pots romains On appelle les détecteurs des pots romains (RPs) Ils sont positionnés de part et d’autre du détecteur ATLAS Ils sont situés entre les quadrupoles Q6 et Q7 à 240 m

S..Cavalier – Roscoff Optique modifiée au point d’interaction β* = 2625 m α* = 0.0 D* = 0.0 μ y (RP) = 90º RPs Caractéristiques de l’optique voulue réunies Exemple d’optique utilisée (MadX) IP

S..Cavalier – Roscoff Principe général : simulation 1 million d’évènements de diffusion élastique générés avec PYTHIA à 7 TeV et transportés jusqu’aux RPs avec MadX Log 10 (pθ) < θ < 5.2 μrad 11.9 < θ < 16.2 μrad 37.7 < θ < 51.5 μrad Région Coulombienne Section efficace élastique Faisceau Enveloppe du détecteur Étalement vertical Figure de diffusion aux RPs

S..Cavalier – Roscoff Principe des Pots Romains - Les pots romains (RPs) contiennent des fibres scintillantes - Ces pots permettent d’approcher le faisceau de 1 à 2 mm pour intercepter les protons diffusés Chaque station est composée de 2 détecteurs : un haut, un bas Chaque détecteur contient 20*64 fibres scintillantes lues par 20 MAPMT de 64 canaux Une électronique front end compacte est montée au sommet des MAPMTs générés reconstruits

S..Cavalier – Roscoff Acceptance et transport du faisceau Détermination de l’acceptance A par la simulation : rapport entre le nombre de protons interceptés par le détecteur et le nombre de protons générés Utilisation de 2 méthodes différentes de transport avec MadX pour les même données entrantes : - Thintrack : utilise l’approximation lentille mince ⇒ calcul plus rapide -PTC (E.Forest) : lentille épaisse  Le pot romain est dans ce cas placé à 1.5 mm du centre faisceau  On constate que les 2 méthodes donnent des résultats similaires sur l’acceptance (~ 67%) Log((pθ) 2 ) ε : efficacité de détection Résultats obtenus sur 1 million d’événements générés : Pertes dues aux éléments magnétiques Pertes dues à la distance du détecteur par rapport au centre

S..Cavalier – Roscoff Connaissance des paramètres du faisceau Mesure précise  Connaissance de la sensibilité sur les paramètres optiques –β* doit être mesur é et connu à 1% près –β aux RPs à +/- 2% –L’avance de phase aux pots romains à +/- 0.5% –La divergence du faisceau au point d’interaction à +/- 10% –Angle de croisement entre les 2 faisceaux à +/- 0.2 μrad Études actuelles : influence d’autres paramètres tels que –Stabilité et reproductibilité des alimentations –Impact des désalignements des aimants Détermination de l’angle de diffusion avec,

S..Cavalier – Roscoff Désalignement des quadrupoles Rappel de la ligne autour d’IP1 Principaux éléments que l’on va désaligner : Q4, Q5 et Q6 de 250 μm Ces désalignements vont modifier l’orbite fermée Ils peuvent être verticaux ou horizontaux mais nous n’étudierons que les verticaux car ce sont eux qui ont le plus d’effets Q4Q5Q6

S..Cavalier – Roscoff Correction des désalignements - Avec certaines corrections on retrouve bien les valeurs initiales alors que pour d’autres, on constate encore une différence  L’incertitude sur la luminosité dans la pire des configurations (3 quadrupoles désalignés dans le même sens) est de 1.9% en tenant compte des corrections Sans correction : l’acceptance peut aller de 61% à environ 66.5% par rapport à la valeur nominale  Étude de l’acceptance avec correction d’orbite (Micado de MadX)

S..Cavalier – Roscoff Résumé sur les incertitudes systématiques Incertitudes systématiques(%) Divergence du faisceau0.3 Angle de croisement0.2 Fonctions optiques (β et β*)0.6 Avance de phase1.0 Alignement du détecteur1.3 Acceptance géométrique du détecteur0.5 Résolution du détecteur0.4 Soustraction du bruit de fond1.1 Total des incertitudes systématiques2.2 Si on combine le total des erreurs systématiques à l’erreur statistique (1.8%) :  incertitude totale sur la luminosité de 2.8 %

S..Cavalier – Roscoff Conclusion Des tests faisceaux ont confirmé le comportement des détecteurs et de leurs principaux paramètres Les 2 méthodes de transport sont fiables et donnent de bons résultats sur l’acceptance –Différence pour le bruit de fond diffractif Mesure délicate mais intéressante Premières données peut être pour 2012!

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S..Cavalier – Roscoff Mesure de la luminosité Absolue ALFA Run dédié LHC Adaptation de l’optique Calibration de LUCID avec mesure absolue à 2-3% de précision a l’aide de la diffusion élastique des protons Mesure relative de la luminosité nominale (~10 34 ) avec LUCID Run nominal LHC Mesure relative de la luminosité : LUCID

S..Cavalier – Roscoff Les simulations montrent une linéarité parfaite entre le nombre de particules mesurées et la luminosité L’idée principale est de compter le nombre de particules et d’utiliser ce nombre comme une mesure de la luminosité Utiliser la linéarité de LUCID pour obtenir la luminosité absolue aux autres points de fonctionnement, en particulier a haute luminosité