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14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 1
Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
TOTEM: fisica diffrattiva TOTEM: fisica diffrattiva all’LHCall’LHCFabrizio Ferro
INFN Genova
http://totem.web.cern.ch/Totem/
IFAE 2004 - Torino
Collaborazione TOTEM: Collaborazione TOTEM: INFN Bari, CERN, ILK Dresda, INFN Genova, HIP Helsinki, IP Praga, Brunel UniversityINFN Bari, CERN, ILK Dresda, INFN Genova, HIP Helsinki, IP Praga, Brunel University
14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 2
Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
• Misura della sezione d’urto totale p-p a 14 TeV con un’incertezza dell’1% e indipendentemente dalla luminosità
• Misura dello scattering elastico p-p nel range 10-3 < -t < 10 GeV2
• Studio di eventi diffrattivi, insieme con CMS.
Obiettivi di TOTEM
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Apparato sperimentale• Rivelatori inelastici
– T1 – CSC Copertura ~3<||<~5
– T2 – GEM Copertura ~5<||<~7
• Leading proton detectors– Rivelatori al Silicio dentro a
Roman Pots (a 147,180,220 m dall’IP)
~10 m
~14 m
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Rivelatori inelastici
Analog r/o strips
Digital r/o pads
T2
~3m
T1
I rivelatori inelastici di TOTEM sono tracciatoritracciatori, disegnati per discriminare tra eventi beam-beam e di background (eg. beam-gas) per mezzo della riconstruzione del vertice riconstruzione del vertice primario.primario.
Risoluzione del vertice
R
z
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Roman pots
Camere a vuoto
Le RP consentono ai leading proton detectors di avvicinarsi al fascio.
QRL (LHC Cryogenic Line)
Prototipo 2004Prototipo 2004
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Leading proton detectorsI LPD devono essere efficienti a partire da 10mmmm e devono fornire una buona risoluzione (~20m).
Transizione in ~60m
Il bordo stesso è un elettrodo.Regione morta < 10 m
Elettrodi creati dentro il bulk.
Test SPS: transizione in ~6m
mm
Si 3DSi 3D Si planari con Si planari con guard ringsguard rings
Guard rings ridotti ~70m
T~-20C
p+
n+ Aledge
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Ottica di LHC per TOTEM
Alto- per una misura precisa dell’angolo di scattering *) = / * ~ 0.3 rad
Di conseguenza: elevata dimensione del fascio * = * ~ 0.4 mm
Numero di bunches ridotto ( 43 e 156 ) per evitare interazioni “a valle”
Parallel-to-point focusing ( v=0) :
Le traiettorie di protoni diffusi allo stesso angolo ma provenienti da vertici differenti
LTOTEM ~ 1028 cm-2 s –1
TOTEM necessita di brevi run con un’ottica speciale ad alto-**1540m1540me e bassabassaAngoli di scattering di pochi rad
y = Ly y*+ vy y* L = ()1/2 sin (s)
x = Lx x *+vx x*+Dx v = ()1/2 cos (s)
Massimizzare L e minimizzre v
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Misura di tot
Misura della sezione d’urto totale indipendentemente dalla luminosità usando il Teorema Ottico.
02
2
1
16L
t
tot dt
dN
inelasticelastictot NN L inelel
ttot NN
dtdN
0
2
)/(
1
16
Misura dello scattering elastico e inelastico con una precisione inferiore all’1%.
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
log
|t| (GeV/c)2 0.001 0.8
Scattering elastico e diffrazioneCoulomb scattering: d/dt 1/t2
Interferenza Coulomb&Strong:
Scambio di Pomeroni exp(Bt)
”Struttura”pQCD
Coulomb 10-4 * molto altoInterferenza Coulomb –Strong 10-3 alto *
Pomeron – Diffrazione 10-3
alto/basso *Struttura 0.8 basso/alto *Grande –t – Perturbative QCD 5 basso *
Regione –t caratteristico(GeV/c)2 Tipo di run
p1
p2p2’
p1’
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* = 1540 mScattering
elastico
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Risoluzione su t e
(t)/t vs risoluzione del rivelatore risoluzione su vs t
totale Divergenza angolare del fascio = 0
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Estrapolazione a t=0
La misura di tot necessita di (dN/dt)t=0 che si può stimare con un errore statistico dello ~0.1% (considerando 107 eventi ricostruiti dopo 10h di run a L=1028).
Uncertainty Fit error
Beam divergence 10% 0.05%Energy offset 0.05% 0.1%Energy offset 0.05% 0.1% Beam/ detector offset 20m 0.06/0.08 % Crossing angle 0.2rad 0.08/0.1%
Theoretical uncertainty (model dependent) ~ 0.5%
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Sezione d’urto inelasticaSelezione:
• trigger da T1 o T2 (double arm o single arm)
• Ricostruzione del vertice (per eliminare il fondo beam-gas)
Estrapolatione necessaria per eventi diffrattivi
Eventi persi
Accettanza
simulati
estrapolati
rivelatiPerdita a piccole masse
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Sezione d’urto totale
(mb)(mb) Double Double armarm
Single armSingle arm Incertezza dopo Incertezza dopo l’estrapolazionel’estrapolazione
Minimum biasMinimum bias 5858 0.30.3 0.060.06 0.060.06
2 x singolo diffractivo2 x singolo diffractivo 1414 -- 2.52.5 0.60.6
Doppio diffractivoDoppio diffractivo 77 2.82.8 0.30.3 0.10.1
Doppio PomeroneDoppio Pomerone 11 -- -- 0.020.02
ElasticoElastico 3030 -- -- 0.10.1
Perdite (mb)
01.0005.00.008 22
tot
tot
(inel.~80mb, el.~30mb)
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
>90% dei protoni diffrattivi sono visti nelle the Roman Pots
Il momento del protone può essere misurato con una risoluzione di qualche per mille
Diffrazione ad alto
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
1 giorno di run a alto beta (1540m) e L=1029cm-2s-1: 100 milioni di eventi minimum bias, includendo tutti i processi diffrattivi
>90% di tutti i protoni diffrattivi vengono rivelati
mic
rosta
tion a
t 19m
?
RPs
Accettanza complessiva TOTEM/CMS (*=1540m)
CMS/TOTEM è il rivelatore con la più grande accettanza mai costruito ad collider adronico
TOTEM+CMS
T1,T2 T1,T2
Ro
ma
n P
ots
Ro
ma
n P
ots
Particelle cariche
Flusso d’energia
CMS/TOTEM
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Processi singolo diffrattivi
P
p1
p2p2’
p1*
ln(2pL/pT)
d/dproton:p2’
diffractive system:p1*rapidity gap
-ln min 0ln(2p/pT)min maxmax
lnMdiff2
p2’
= 1 - xF = M2/s
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Processi doppio diffrattivi
P
p1
p2*
p1*
p2
d/d
rapidity gapdiffractive cluster: p2*
diffractive cluster:p1*
max
min max
minmin
max min
max
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Scambio di doppio Pomerone
Il Pomerone ha i numeri quantici del vuoto.
PP: C = +, I=0,...
P: JP = 0+, 2+, 4+,...
PP: JPC = 0++
Gap GapJet+Jet
p1
p2p2’
p1’
P
P
diffractive systemproton:p2’proton:p1’
rapidity gaprapidity gap
min max
min max
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
=p/p
Trigger tramite Roman pots > 2.5 10-2
Trigger tramite rapidity gap < 2.5 10-2
Scambio di doppio pomeronep1
p2 p’2
p’1
M2
=s
P
P
M (GeV)
= 2Collaborazione CMS/TOTEM per la fisica diffrattiva
* = 1540 m = 0.5%
* = 200-400 m = qualche ‰
* = 0.5 m = qualche ‰
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Elastic Trigger:
Single diffractive Trigger:
Double Diffractive Trigger:
Central Diffractive Trigger:
Minimum Bias Trigger:
Segnale: 500 Hz Background: 20 Hz
Segnale: 10 Hz Background: 2 Hz
Segnale: 200 Hz Background: 0.1 Hz
Segnale: 100 Hz
Segnale: 1 kHz
ppT1/T2
p
p
RP RPCMS
p
L=1028cm-2 s-1Level-1 Trigger
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Eliminazione fondi
• Beam Halo (dominante): riducibile con la coincidenza a 2-bracci• Shower particles da interazioni beam-beam, beam-gas, beam-machine:
Riducibile tramite:– Coincidenze mutiple– Tagli angolari– Tagli sulla molteplictà di hit e tracce
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
• Per facilitare l’acquisizione comune, DAQ e Trigger saranno implementati in maniera CMS-compatibile– La compatibilità hardware e software apre la possibilità per
TOTEM di unirsi al DAQ di CMS durante i run comuni.
– I front-ends si conformeranno al CMS Trigger Control System nel caso in cui TOTEM voglia contribuire al Trigger di CMS.
• Possibili schemi di trigger– Il GT di CMS riceve il trigger di TOTEM e manda un L1A
sia ai front-ends di TOTEM sia a quelli di CMS.
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
ScenariScenario
(goal)1
low |t| elastic,
tot , min. bias
2diffr. phys.,
large pT phen.
3intermediate |t|,
hard diffract.
4large |t| elastic
* [m] 1540 1540 200 - 400 18
N of bunches 43 156 936 2808
Half crossing angle [rad]
0 0 100 - 200 160
Transv. norm. emitt. [m rad]
1 1 3.75 3.75 3.75
N of part. per bunch 0.3 x 1011 0.6 x 1011 1.15 x 1011
1.15 x 1011 1.15 x 1011
RMS beam size at IP [m]
454 454 880 317 - 448 95
RMS beam diverg. [rad]
0.29 0.29 0.57 1.6 - 1.1 5.28
Peak luminos. [cm-2 s-1]
1.6 x 1028 2.4 x 1029 (1 - 0.5) x 1031 3.6 x 1032
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
Luminosità 2·10 29 cm -2 s -1
Acquisizione dati per diffrazione soffice : 20 mb 4 kHz 4·10 8 eventi / 1 giorno
Doppio Pomerone : 1 mb 2·10 7 eventi / 1 giorno
Studio preciso di fenomeni diffrattivi soffici
Luminosità 10 31 cm -2 s -1
Alcuni run con 4 10 5 s 4 10 36 cm -2 4000 evts / nb
Scambio di Doppio Pomerone
Masse elevate dell’ordine del TeV
c 10 6-7 eventi
b 10 3-4 eventi
Getti ad alto pt dijet coplanari con due protoni sopravvissuti e nient’altro
Diffrazione singola con getti ad alto pt e leptoni
Studio di rapidity gaps con l’identificazione dei protoni
Esempi con differenti scenari
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
• TOTEM TDRTOTEM TDR presentato all’LHCC a gennaio LHCC 2004-002/TOTEM TDR 1
• Un TDR sul programma di fisica comune CMS/TOTEM verrà presentato in seguito.
14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 27
Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 29
Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
• PP scattering at highest energy
• Soft & Hard Diffraction
< 0.1 O(1) TeV "gluon beams"
E.g. Structure of the Pomeron F(,Q2)
down to ~ 10-3 & Q2 ~104
GeV2
Diffraction dynamics? Exclusive final states ?
• Rapidity gap physics - multigaps!
Diffraction at LHC:
14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 30
Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC
v= ()1/2 cos (s)
L = ()1/2 sin (s)
High optics: lattice functions
DxvLx
yvLy
xxx
yy y
**
**
L
v
