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Tesi etd-09042007-204721


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
Francavilla, Paolo
URN
etd-09042007-204721
Title
Sezione d'urto inclusiva dei jet adronici con il rivelatore ATLAS: prospettive per la misura con i primi dati di LHC.
Struttura
SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI
Corso di studi
SCIENZE FISICHE
Commissione
Relatore Prof.ssa Roda, Chiara
Parole chiave
  • calibrazione adronica
  • calorimetro
  • ATLAS
  • jet
  • Combined Test Beam
Data inizio appello
21/09/2007;
Consultabilità
completa
Riassunto analitico
Il Large Hadron Collider (LHC) è l'acceleratore protone-protone in fase di costruzione nel centro di ricerca dell'organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN). L'elevata energia nel centro di massa a cui avverranno le collisioni protone-protone (14 TeV) e l'alta luminosità dei fasci (10^34 cm^-2 s^-1) permetteranno di coprire un vastissimo programma di fisica. Due tra le misure più attese sono la scoperta o l'esclusione dell'esistenza del bosone di Higgs, uno dei componenti essenziali del Modello Standard, e la verifica sperimentale delle predizioni di teorie oltre il Modello Standard, quali la teoria Supersimmetrica.

ATLAS (A Thoroidal Lhc ApparatuS) è uno dei quattro esperimenti progettati per raccogliere dati negli urti dei protoni accelerati da LHC. Questo esperimento si prefigge di coprire uno spettro di ricerca quanto più vasto possibile. Questa richiesta e la necessità che i materiali utilizzati siano resistenti alla alta radiazione a cui sono sottoposti, hanno portato alla divisione dell'esperimento in più sotto-rivelatori con differenti caratteristiche tecnologiche e differenti materiali utilizzati. In particolare nella tesi sono state studiate le caratteristiche dei calorimetri che permetteranno la misura dei jet prodotti negli urti tra protoni.

Data la natura adronica dei protoni, la produzione di jet sarà tra gli eventi più frequenti. Lo studio presentato in questa tesi riguarda la misura della sezione d'urto inclusiva dei jet nell'esperimento ATLAS. Gli aspetti interessanti dello studio della sezione d'urto inclusiva di jet sono molteplici e dipendono dalla regione in impulso trasverso che si vuole misurare. Le caratteristiche di LHC sono tali che nelle collisioni protone-protone verranno prodotti jet ad una energia trasversa mai raggiunta fino ad ora. Il confronto tra la misura della sezione d'urto dei jet ad alto impulso trasverso e le predizioni del Modello Standard permetterà di scoprire l'esistenza di nuove particelle o interazioni (quali ad esempio la quark-compositness). Prima di arrivare a compiere questa misura tuttavia, il lavoro si concentrerà sulla misura della sezione d'urto di produzione di jet nella regione a basso impulso trasverso (P_t<600 GeV). In questa regione l'accordo tra i dati sperimentali e il Modello Standard è stato già verificato dagli esperimenti in corso al Tevatron. Questa misura permetterà, quindi, di controllare le prestazioni dell'apparato sperimentale per tutti gli aspetti legati alla scala di energia dei jet. In un secondo momento, questa misura sarà anche utilizzabile per migliorare la stima delle distribuzioni partoniche che permetteranno una diminuzione delle incertezze teoriche nelle previsioni di altri processi interessanti.

Il primo periodo di funzionamento di LHC permetterà una iniziale misura della sezione d'urto inclusiva dei jet. Per misurare nel modo corretto la sezione d'urto sono richiesti vari passaggi presentati nel lavoro di tesi. In particolare sono necessarie le stime degli errori sistematici nella misura della sezione d'urto. Questi errori, valutati nel corso degli studi condotti per la tesi, sono stati divisi in due parti: incertezze teoriche e incertezze sperimentali. Per le prime (stimate grazie ad un Monte Carlo al Next to Leading Order) sono state prese in considerazione sia le incertezze legate alla distribuzioni partoniche del protone sia le incertezze dovute agli ordini successivi nel calcolo perturbativo non tenuti in considerazione. Per le incertezze sperimentali (valutate con un Monte Carlo con Parton Shower) sono stati studiati gli errori dovuti alla incertezze sulla linearità e risoluzione della misura dell'energia dei jet nei calorimetri. Queste stime sono poi state confrontate con l'errore statistico dei dati del primo periodo di acquisizione di ATLAS.

La causa principale di errore sistematico è risultata essere l'incertezza della linearità della calibrazione calorimetrica. Una incertezza del 10% sulla scala di energia misurata nei calorimetri porta ad una incertezza nella sezione d'urto superiore al 50 % per jet di impulso trasverso superiore ad 1 TeV. Questa incertezza scende al 30 % nel caso di una errore nella scala di energia del 5%. Per avere una buona stima della sezione d'urto è essenziale il controllo dell'errore sistematico della scala di energia dei jet.

L'esperimento ATLAS sta studiando vari algoritmi di calibrazione della scala dei jet, tutti sviluppati a partire dalle simulazioni Monte Carlo del rivelatore. Per calibrare correttamente i segnali misurati diventa cruciale avere una ottima simulazione dell'apparato, dei rilasci di energia nel calorimetro e della formazione dei segnali calorimetrici. Eventuali discrepanze tra Monte Carlo e dati possono peggiorare sensibilmente la capacità di calibrazione degli algoritmi usati. La seconda parte della tesi descrive l'analisi sviluppata per ottenere una valutazione della precisione della scala di energia adronica che si avrà nella prima fase di presa dati. Questo studio è stato fatto utilizzando i dati raccolti nel 2004 esponendo ad un fascio di pioni ed elettroni, di varie energie, una intera sezione longitudinale del rivelatore centrale di ATLAS. Nonostante la differenza tra il segnale di pioni singoli e di jet di particelle, dal confronto tra dati e Monte Carlo è possibile avere una valutazione dell'incertezza in linearità e risoluzione per i differenti algoritmi di calibrazione. Questo permette di stimare la principale incertezza nella misura della sezione d'urto inclusiva dei jet.
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