Gli esperimenti LHCb e BaBar

L’esperimento LHCb al
CERN e le attività del
Gruppo di Ferrara
Massimiliano Fiorini
per il Gruppo LHCb Ferrara
Lavori in Corso a Fisica
Ferrara, 4 Febbraio 2014
Il Modello Standard
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• 
12 particelle elementari, 6 leptoni
e 6 quark, raggruppate in 3
famiglie, di massa crescente
Forze tra particelle di materia
trasmesse da altre particelle , i
cosiddetti “campi di Gauge”
Prevista l’esistenza di una
particella, il bosone di Higgs,
finalmente osservata a LHC!
M.S. non può essere la teoria
ultima. Non spiega:
– 
– 
Perché 3 x 2 famiglie ?
Perché masse così diverse ?
( mve < 1 eV ; mtop = 175 GeV )
• 
La materia ordinaria è formata
solo dalla prima generazione
– 
– 
– 
Perché 4 interazioni ?
Come conglobare la gravità ?
dov’è finita l’antimateria?
La fisica del sapore
Permette di accedere a processi di fisica al di là del modello
standard, attraverso lo studio di effetti indiretti
(correzioni radiative) in decadimenti rari di adroni B, D, K
Osservazione
diretta
Osservazione
indiretta
Large Hadron Collider
Esperimento LHCb (1)
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Uno dei 4 grandi esperimenti di LHC (L=21m, H=10m,
W=5600t)!
Installato in una caverna sotterranea a 100 metri di
profondità!
700 scienziati di 52 istituti di tutto il mondo!
Mole equivalente di dati: 8 DVD al secondo!
Filtrati attraverso una farm
di 2000 computer!
L’equivalente di 60000 DVD
all’anno viene scritto su
disco !
Sistema di calcolo distribuito
(GRID)!
Esperimento LHCb (2)
Ring Imaging Cherenkov
Calorimeters
250/300 mrad
Acceptance
10 mrad
pp collision
« Tracking » detectors
Muon System
(side view)
Muon Detector
n 
Contributo fondamentale a !
costruzione, installazione, !
collaudo e allineamento del !
sistema di rivelazione dei !
muoni (camere a fili)!
q  1400 camere!
q  2.5 milioni di fili (coprono la !
distanza tra Ginevra e Madrid)!
q  435 m2 (un campo da basket)!
In vista della ripartenza della presa dati nel 2015 (14 TeV) e dell’upgrade nel
2018 (luminosità x10) sono in corso studi e ottimizzazioni !
•  delle camere e dell’elettronica di lettura!
•  dell’allineamento spaziale del rivelatore con tracce ricostruite!
•  del trigger fornito dal rivelatore !
RICH Detectors
56 glass spherical mirrors
support structure
8m
Aerogel
40 glass flat mirrors
Central Tube
RICH1: !
5 cm aerogel n = 1.03, 2-11 GeV!
4 m3 C4F10 n = 1.0014, 10-70 GeV !
288 HPDs and magnetic shielding
RICH2: !
100 m3 CF4 n = 1.0005, 17-150 GeV !
LHCb Upgrade
n 
Current LHC schedule:!
end 2009 – 2012!
2013 – 2014 !
√s=7 TeV until 2011, then 8 TeV!
LS1!
~3 fb-1!
n 
2018 – 2019 !
LS2 !
18 months!
Luminosity @LHCb reached ~4×1032 cm-2s-1 (μ = 1.6)!
q 
n 
2015 – 2017!
√s=13 TeV, 25 ns!
target ~5 fb-1!
×2 higher than design value (μ = 0.4)!
Plan for an LHCb Upgrade after LS2 à fully exploit
LHC flavour physics potential (collect 50 fb-1 in 10 years)!
q 
q 
Increase luminosity up to 2×1033 cm-2s-1!
Upgrade the detector!
n 
!
Letter of Intent (2011)!
Framework TDR (2012)!
Overcome current limitation of ~1 MHz read-out rate à
substantial change in LHCb trigger and read-out architecture
to read the full detector at 40 MHz!
RICH Upgrade
n 
Aumento della lunghezza
totale degli specchi sferici nel
RICH-1 per dimezzare il rate
istantaneo sui rivelatori!
n 
Nuovi foto-rivelatori con
struttura modulare!
q 
q 
q 
Ma-PMT!
Elettronica di front-end!
FPGA e link veloci!
Nuovi foto-rivelatori
n 
Multi-anode Photo Multiplier Tubes (MaPMTs)!
q 
Quantum Efficiency (QE) fino a ~40%!
n 
Problemi: uniformità di guadagno, area
attiva, cross-talk, sensibilità ai campi
magnetici!
n 
Attività a Ferrara:!
q 
q 
q 
Costruzione e utilizzo di setup laser
al picosecondo (405 nm) per
caratterizzazione rivelatori ed
elettronica!
Studio degli effetti di campo
magnetico!
Studio del danno da radiazione!
Attività di elettronica a Ferrara
n 
n 
CLARO: amplificatore veloce e discriminatore
sviluppato in tecnologia AMS 0.35 µm CMOS!
Test e caratterizzazione del primo
prototipo (CLARO 4 canali)!
q 
q 
Misure elettriche in laboratorio!
Irraggiamento con neutroni,
protoni e raggi X!
n 
n 
Valutazione dei danni da radiazione
(“SEE” e “cumulative dose”)!
Design del chip finale (CLARO 8
canali)!
q 
Successivi test elettrici,
irraggiamento, produzione su larga
scala e installazione!
Analisi dati
•  I dati sono analizzati mediante l’utilizzo di
–  risorse di calcolo distribuite e locali
–  tecniche sofisticate (analisi multivariate, reti neurali, simulazioni)
–  concetti avanzati di probabilità e statistica
–  strumenti collaborativi
Forte collaborazione tra colleghi italiani e stranieri
W+
B0s
t
W
Risultati: Bsà
µ
Z0
µ
H+
B0s
t
µ
+
µ µ-
h0, H0, A0
W
Results: Bs/d
+
µ
Il branching
⇥ ratio⇤piccolo del M.S.
4mµ2
mµ
0 puo’
+ essere aumentato
⇥ 2
⇥
(B(s) ⌅ µ µ ) ⇧ 1
|C
C
|
+
(C
C
)
+
2
S
P
S
P
2
2 (C10
m
m
B
B
significativamente
da nuova fisica!
2
⇥
C10
)
Sensitive
to scalar and pseudo-scalar NP contributions
LHCb:
0
+ −
+1.1
+0.3
Br(Bpredictions
= (2.9leptonic
×10 −9
Precise
final
state)[Buras
et al., 2012]:
s → µ µ ) (purely
−1.0 (stat)
−0.1(syst))
M.S.
B(B0s ⌅ µ+ µ )1
B(B0 ⌅ µ+ µ )
1 Time
SM
=
SM
=
(3.56 ± 0.30) ⇥ 10
(1.07 ± 0.10) ⇥ 10
9
10
BR( BS0
integrated B obtained [Bruyn et al., 2012] with ys and ⌧B0 from [HFAG, 2012]
Mathieu Perrin-Terrin
CPPM
Searches for Rare Decays at LHCb
s
) (2.9
August 16, 2013
0
BR( B
1.1
1.0
( stat )
0.3
0.1
( syst )) 10
5 / 22
) (3.7
2.4
2.1
(stat )
0.6
0.4
(syst)) 10
at 95% CL
Rare decays @ LHCb
Justine Serrano
LHCb pone limiti stringenti sui parametri della nuova fisica
1
Altri risultati importanti
n 
Misura + precisa delle
oscillazioni del B0s
%Ms = 17.768±0.023(stat)±0.006(syst) ps−1!
n 
Misura dell’asimmetria
semileptonica del mesone B0s
asls = (-0.06±0.50±0.36)%!
n 
Evidenza di nuovi decadimenti del
mesone B+c e misura della vita media
effettiva
LHC Computing GRID
n 
n 
n 
Il progetto LHC Computing Grid e’ una
collaborazione tra oltre 150 sedi di circa 40 paesi nel
mondo.!
La missione di tale progetto e’ fornire le risorse di
calcolo complessive necessarie a immagazzinare,
distribuire e analizzare i circa 25 PB di dati che ogni
anno vengono acquisiti dagli esperimenti di LHC.!
Ogni esperimento sviluppa il proprio modello di
calcolo sulla base dell’infrastruttura comune.!
LHCb Computing a Ferrara
n 
n 
n 
n 
n 
Il modello di calcolo e’ piuttosto complesso. !
Il gruppo di Ferrara si occupa di alcuni aspetti
di calcolo essenziali per gestire e analizzare
l’enorme quantita’ di dati che l’esperimento
raccoglie.!
Produzione'
(ricostruzione, Monte Carlo, …)!
q  Gestione e controllo delle operazioni!
Accounting!
q  Ottimizzazione e gestione!
q  Sviluppo funzionalità!
Database!
q  Ottimizzazione dei database di back-end
all’infrastruttura di produzione distribuita!
q  Mysql (studi su MariaDB e database
NoSQL)!
q  Soluzioni con replicazione e cluster di
database!
Trigger con GPU
n 
n 
GPU (Graphics Processing Units)!
q  Introdotte nel 1999 da NVIDIA à rivoluzione nella
computer grafica e video games!
q  Da alcuni anni molto usate per il calcolo scientifico!
n  la legge di Moore dà segni di saturazione!
q  Utilizzate per operazioni altamente parallelizzate!
n  mentre le CPU eseguono i programmi in maniera
seriale!
La sfida: realizzare un sistema di trigger con GPU!
q  Calcoli in tempi ultra-rapidi e decisione !
sull’evento da tenere/scartare!
q  Sviluppo di algoritmi paralleli per tracciatore!
e RICH!
Il Gruppo LHCb-Ferrara
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
Mirco Andreotti!
Wander Baldini!
Vincenzo Battista!
Concezio Bozzi!
Roberto Calabrese!
Angelo Cotta Ramusino!
Marco Corvo!
Antonio Falabella!
Marco Fiore!
Massimiliano Fiorini!
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
Luca Landi!
Roberto Malaguti!
Alexander Mazurov!
Eleonora Luppi!
Luciano Pappalardo!
Illya Shapoval!
Giulia Tellarini!
Luca Tomassetti!
Stefania Vecchi!
Proposte di tesi
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
n 
Approfondimenti su temi di interesse attuale in fisica del B!
Studio dell’allineamento spaziale del rivelatore di muoni !
Studio delle performance del trigger di muoni !
Studi di violazione della simmetria CP tramite!
q 
Decadimenti Bs0 →J/ψ ϕ (fase dell’oscillazione del B0s)!
q 
Decadimenti Bs0 →Ds-K+ (angolo γ del triangolo unitario)!
q 
Decadimenti semileptonici (violazione nelle oscillazioni)!
Sviluppo di algoritmi per l’identificazione del sapore di mesoni (“Flavour Tagging”)!
Studio di decadimenti semileptonici dei mesoni B !
q 
frequenza di oscillazione del B0d!
q 
Spettroscopia dello stato finale adronico !
Misura dei BR dei canali B→D0D0K, B→D+D-K, e B→DsDsK e analisi di Dalitz di canali
B→D(*)D(*)K!
Attività di Computing (produzione, accounting, database, etc…)!
Sviluppo sistema laser al picosecondo per test rivelatori e elettronica!
Test di fotorivelatori e caratterizzazione (campi magnetici, radiazioni, etc…)!
Design e caratterizzazione chip CLARO (inoltre irraggiamento, produzione su larga scala,
etc…)!
Trigger con GPU (ricostruzione degli anelli nel RICH e identificazione)!
…!
Riepilogo
n 
Numerose attività e argomenti di tesi possibili, in vari
settori a seconda del vostro interesse:!
q 
q 
q 
q 
q 
q 
q 
n 
Analisi dati!
Elettronica!
Acquisizione dati (DAQ)!
Sviluppo e test rivelatori!
Controllo di qualità e caratterizzazione!
Computing!
…!
Contattateci per ulteriori informazioni!!
Nonostante la presa dati sia finita da qualche anno BaBar
continua a fare importanti scoperte come la violazione di T
http://www.economist.com/
node/21561111
http://www.youtube.com/
watch?v=kHpJ7QwiNgA
Numerose analisi disponibili:
• 
Search for X(cc) decaying to χc1,c2γ.(Belle Measurement +docu from
BaBar)
• 
Measurement of χc0,c2(nP) Two Photon widths χc0,c2(nP) ->J/ψγ (Some
docu) $
• 
Search for ISR Y(4260) ->K+K-J/ψ (Must Be Restarted + lot of docu)
• 
Study of di-pions transitions from Y(3S) to (1S )and (2S) (Major project)
• 
Inclusive Search for ηb in Y(3S) ->ωηb (Never done+suggested by
Voloshin)
• 
Study of ISR Λc Λc bar final states (Must Be Restarted or finished)
• 
Per informazioni: prof. Roberto Calabrese
1

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