Altas Energías en el CERN y el proyecto ATLAS Carmen Iglesias Grupo TileCal-ATLAS, IFIC (Valencia) IX JORNADAS AMBIENTALES Facultad de Ciencias Químicas(Univ. Salamanca)

¿Por qué Altas Energías? ¿Cuál es el origen y composición de la materia? Para saberlo debemos tratar de reproducir el BigBang, cuando existían partículas muy masivas que después dieron origen a las actuales. ¿Cómo conseguir partículas tan pesadas? A partir de partículas muy energéticas, alcanzando energías muy altas en los aceleradores, ya que mediante de la famosa fórmula de Einstein E = mc2 la energía (E) y la masa (m) se pueden convertir la una en otra. Razón por la cual la física de la partículas se llama Física de altas energías Las nuevas partículas producidas son a menudo inestables. Decaen en un tiempo muy corto en otras partículas más ligeras, tan rápido que lo que vemos en el detector es el producto del decaimiento.

¿Qué es el CERN? CERN: Laboratorio Europeo de Física de Partículas, situado cerca de Ginebra, entre la frontera suiza y francesa. 1954-2004: 50º aniversario 1954: primera piedra en Meyrin (Ginebra elegida sede del CERN en 1952) CERN emplea 3000 personas -físicos, ingenieros, técnicos, secretarias... 6500 científicos, mitad de los físicos de partículas del mundo, vienen al CERN para su investigación. Representan 500 universidades y sobre 80 nacionalidades

Un poco de Historia… (I) 1957: El SC (synchro-cyclotron) de 600 MeV, fue el 1er acelerador del CERN. Después de 33 años fue cerrado en 1990 1959: El PS (Proton Synchrotron) aceleró protones por 1ª vez . 1971: ISR (Intersecting Storage Rings) el primer colisionador protón-protón 1973: descubrimiento de la corriente neutra, con ’s en la cámara de burbujas Gargamell. 1976: SPS (SuperProton Synchrotron), con 7km de circunferencia, operacional

Un poco de Historia… (II) 1989: LEP (Large Electron-Positron), el colisionador de 27 km de circunferencia entra en funcionamiento, con sus 4 detectores: 1990: World Wide Web inventada por Tim Berners-Lee 1993: Materia y AntiMateria, resultados que explican la diferencia infinitesimal ALEPH L3 DELPHI OPAL

Un poco de Historia… (III) 1999: LHC (Large Hadron Collider), comienzan las obras de construcción 2000: Quark gluon plasma, nuevo estado de materia, que existió después del BigBang. 2007: LHC el colisionador protón-protón más grande del mundo entrará en funcionamiento... junto con sus 4 experimentos, ALICE, ATLAS, CMS y LHCb estado de materia 20 veces más denso que la actual materia en la cual los quarks vagan libremente

CERN y el medio ambiente (I) Escombros de la tierra Se producirán cerca de 600 000 m3 de escombros. 500 000 m3 serán descargados en la vecindad inmediata a la extracción. 100 000 m3 serán transportados al lugar de descarga sin atravesar aldeas. Electricidad Consumo de energía del CERN desde 1993 con el pronostico hasta 2008. En 2000, LEP es desmontado para la instalación del LHC y los detectores, por lo que hay una reducción en 2001. En 2002-04 pruebas en los aceleradores. Estaba programado empezar con LHC en 2005, y la consumición anual alcanzará su valor nominal al 4º año, en 2008

CERN y el medio ambiente (II) Radioactividad Las partículas aceleradas dentro de LHC producen reacciones nucleares al chocar. A altas energías, estas reacciones producen cascadas hadrónicas con toda clase de partículas absorbidas en el blindaje. Estas partículas secundarias inducen radioactividad. Fuera del blindaje sólo quedan partículas de interacción débil que no producen radioactividad pero son una fuente de radiación. La radioactividad y radiación por ionización en las partes no blindadas son menores que las locales de origen natural. Una pérdida del haz induciría radiactividad en los componentes del acelerador Además dañaría los imanes y daría lugar a una parada larga de la máquina. Según ICRP, la dosis anual máx para la población:1 mSv/año...Pero CERN limita a 0.3mSv/año. El impacto máx de CERN en el ambiente permanece por debajo de las variaciones naturales

CERN y el medio ambiente (III) Reciclaje Debido a su situación geográfica en la frontera del Franco-Suizo, la gestión de desechos en la CERN está conforme a procedimientos especiales y genera mayores costes. El almacén maneja unas 2800 toneladas (~400 camiones) de mercancías reciclables cada año No todo puede usarse de nuevo en el CERN. El material entrante es clasificado por categorías: cables, metal, baterías y hardware… Lo que ya no es necesario en el CERN se envía a las plantas de nuevo tratamiento en Francia o Suiza

El imán LHC trabajará a una energía de centro de masas de 14 TeV producida por unos dipolos magnéticos superconductores de 8.33 Teslas Nuevo tipo de imán con 2 cavidades, permitiendo el paso de 2 haces simultá- neamente y aprovechando el mismo imán para la aceleración de ambos. El imán cuenta con 2 bobinas en un criostato común

Los aceleradores El haz de protones de alta energía no se inyecta directamente en el LHC . Primero debe inducírseles una energía en los aceleradores El LINAC (Acelerador Lineal de protones) acelera los protones hasta 50 Mev Después el 'Proton Synchrotron Booster' (PSB) hasta 1,4GeV El 'Proton Synchrotron' (PS) los acelera hasta 26GeV Finalmente el ‘Super Proton Synchrotron ‘(SPS) hasta 450 GeV Siendo posteriormente inyectados en el LHC, donde alcanzarán la energía de haz deseada de 7 TeV.

Los detectores de LHC Dentro de LHC, situados en los puntos de interacción, hay 4 experimentos con finalidades muy diferentes: ATLAS : propósito general (mas detalle después) CMS: junto con ATLAS, encontrar evidencias experimentales de la existencia del bosón de Higgs y estudiar la física mas allá del Modelo Standard. ALICE: realizará estudios con iones pesados LHCb: estudio del quark b

ATLAS Detector dedicado al estudio de los iones pesados Detectores de carácter general cuyo propósito es el estudio de la física protón-protón, encontrar evidencias experimentales de la existencia del bosón de Higgs y estudiar la física mas allá del Modelo Estándar ATLAS Detector dedicado al estudio del quark b

ATLAS Uno de los detectores mas grandes: altura de un piso de 7 plantas. Subdetectores Detector Interno (Inner detector): detecta trazas de partículas cargadas. Calorímetros (LAr y Tilecal): mide la energía depositada por las partículas electromagnéticas y hadrónicas y la posición de las misma Espectrómetro de muones (Muon detector): mide el momento de los muones.

¿Quién hace ATLAS? En la colaboración ATLAS de carácter mundial, participan más de 2000 físicos procedentes de 150 universidades y de 34 países. De entre los 155 institutos que colaboran el grupo TileCal del IFIC (Instituto de Física Corpuscular) de Valencia ha participado en el pasado con: el test de 1750 PMTs, el 17.5% del total de ATLAS la construcción del 50% de los módulos del Extended Barrel del Cal. Hadrónico Actualmente colabora desarrollando: el sistema ROD (Read Out Drivers electronic boards) para el Cal. Hadrónico el software offline y online de ATLAS

Detección de las partículas Los fotones y electrones depositan casi toda su energía en el Calorímetro EM Los hadrones depositan su energía en el calorímetro HAD Los muones de poca interacción con la materia, llegan hasta el espectrómetro el momento de las partículas cargadas se mide a partir de la curvatura de la trayectoria en el detector de trazas Cada capa identifica y mide la energía- momento no definida en la capa previa Un solo detector no puede medir la energía/momento de todas las partcs

Campo Magnético Curva la trayectoria de las partículas cargadas para saber su momento a través de la medida de la curvatura y su carga eléctrica por su dirección. Solenoide central: localizado en frente del Lar calorímetro dentro de una cámara de vacío. 5,3*2,4m y 5,7 toneladas. Diseñado para generar hasta 2,6 Teslas. Bobina de cable superconductor Toroide externo: Rodeando el espectrómetro de muones. 8 bobinas de barril dentro de un sistema de criogenia

Detector central Longitud=6,80 m y radio=1,15m Colocado en la cavidad del solenoide superconductor. Su función es permitir buenas medidas de momento y de vértices (primarios y secundarios), reconocer trazas de partículas cargadas y mejorar identificación de fotones Píxeles discretos de alta resolución y detectores de strips (SCT) en la parte interna, con detectores de radiación de transición (TRT) de menos resolución en la parte externa

El calorímetro EM Absorbe la energía de fotones y electrones, dando una señal proporcional a la E depositada. La segmentación del calorímetro posición Se divide en una parte central de barril y 2 laterales, todas con geometría “acordeón” El elemento de detección es Argón líquido. Las cascadas EM en el argón liberan e- que se recogen y registran.

Calorímetro HAD Calorímetro de muestreo: - centelleadores (mat activo) Extended Barrel modules Barrel modules Calorímetro de muestreo: - centelleadores (mat activo) - Hierro (mat.absorb.) 64 modules radio int: 2,2m radio ext: 4,2m Dividido en tres Barriles: Barril central: 5,6m de largo 2 Barriles extendidos de 2,9m Producción de luz en las tejas por centelleo Fibras ópticas recogen la luz y la dirigen PMT (~10.000) convierten luz en señal electr

Extended Barrel de TileCal Peso:10 toneladas Altura:2m Anchura:3m 1600 tejas centelleadoras 1750 fibras ópticas en 600 perfiles

Espectrómetro de muones Los muones son partículas parecidas a los electrones, pero 200 veces más pesadas. Únicas partículas perceptibles que pueden atravesar el calorímetro sin ser paradas. El espectrómetro de muones rodea el calorímetro y mide la trayectoria del muón y determina su momento con alta precisión mediante 3 capas de cámaras de deriva.

La caverna Profundidad: 92m Anchura: 35m Longitud:55m Altura:40m

Trigger y Adquisición de Datos Gran reto  alto número de canales y alta frecuencia de LHC (40MHz) Se necesita “trigger” rápido y muy selectivo para reducir en 6 ordenes de magnitud la frecuencia de almacenamiento: de 109 Hz a 100Hz LVL1: encuentra trazas en el detector central y “cluster” de energía en los calorímetros para identificar “regiones de interés”.. Frecc.:75kHZ LVL2: Combina información del detector central y de los calorímetros. Reduce la frecuencia a 1kHZ LVL3: realiza la reconstrucción del suceso en 1s mediante software en granjas de ordenadores. La velocidad de almacenamiento será 10-100MB/s reduciendo la cantidad y el tamaño de los sucesos

El GRID Gran volumen de datos producidos en LHC: 1 Petabyte/año (1Peta=106Giga) no pueden procesarse con el sistema informático y de cálculo utilizado hasta ahora Solución: formar una malla de nodos (GRID) comunicados a través de protocolos software . Recursos necesarios para procesado y análisis, distribuidos por todo el mundo en forma jerárquica: centros de nivel 0, 1, 2, 3...(un centro de nivel 1 proporciona datos a los de nivel 2...) España: IFAE (Barcelona) participa en el testbed nacional distribuido (Barcelona+Santander(IFCA)+Valencia(IFIC)+Madrid(Ciemat+UAM) ¿que proporciona el GRID? Una forma transparente de ejecutar el trabajo que desea: - Encuentra los recursos (máquinas) disponibles Asegura un acceso optimizado a los datos (incluyendo copias locales...) - Comprueba la autorización del usuario - Monitoriza la ejecución - Además, si es posible, paraleliza el trabajo

Software Offline en ATLAS Generadores: PYTHIA, ISAJET, HERWING… Rápida Simulación-Reconstrucción: ATLFAST Completa Simulación: ATHENA Reconstrucción Simulación: Geant3(Fortran), Geant4(C++)

Mi aporte a la investigación Trabajos anteriores: 1) (Madrid) Análisis de datos en el detector L3, LEP: - Medida de la Masa, Anchura y Sección Eficaz del Bosón W en LEP, 1999   - Estudio del e+e- W+W-qqe en LEP, 2000 2) (Barcelona) Control de Calidad de los módulos del Cal. Hadrónico de ATLAS: - Estabilidad del “LED diffuser” dentro del módulo - Estudio de las celdas cortadas del calorímetro Análisis datos TestBeam de TiCal en CERN - Análisis de datos de piones TBdata 2000-01. - Programas MC de Simulación en TestBeam Software Analysis Offline - Energy Flow Algorithm en Atlfast (Fast Simulation) Trabajo actual: 3) (Valencia) Software Offline de simulación - Energy Flow Algorithm in Full Simulation: Validar Energy Flow en Combined TestBeam-04

Definición de JET Jet : Grupo de partículas emitidas espacialmente colimadas, es decir, cercanas entre si en ángulo Los jets son manifestaciones de los 'partones' (quarks y gluones) emitidos en la colisión inicial protón-protón Un jet contiene principalmente hadrones: decenas de piones cargados y neutros, una cantidad menor de kaones y unos pocos bariones ligeros (protones y neutrones)

Características de los JETs Cada jet se caracteriza por tener: hadrónica cargada: piones y kaones electromagnética neutra : fotones hadrónica neutra: Kl y neutrón El calor HAD esta segmentado en  (ang. azimutal) y  (pseudo-rapidity). Los jets se observan como clusters de energía localizada en torres adyacentes de 0.1x0.1 en - y suelen reconstruirse mediante un cono centrado en la torre de mayor Et y radio R= 2 + 2  0.4-0.7

Concepto de Energy Flow Energy Flow: Algoritmo que combina la información procedente de los calorímetros, del detector trazas y la identificación de partículas para tratar de mejorar la resolución en la energía de los jets A bajo momento de las partículas cargadas, el error en la traza es mucho menor que el error en la energía de los calorímetros  Sustituyo las fluctuaciones de E en el calorímetro por medidas mejores del PT Primero debo localizar la energía depositada por los had cargados para suprimirla y sustituirla por la medida del momento. Clasifico las CELDAS del calorímetro en función de las partículas que caen: CELDAS CARGADAS : caen hadrones cargados CELDAS NEUTRAS : caen fotones CELDAS MIXTAS : caen a la vez hadrones cargados y fotones Aplico Energy Flow a los hadrones cargados, PERO no a todos: Solo a los had cargados que cayeron en CELDAS CARGADAS

Becas INTERNACIONALES: NACIONALES: REGIONALES: PRIVADAS: CERN: Summer Student Doctoral Student Technical Student Max-Planck Institute (Alemania), Clermont-Ferrand (Francia), Fermilab (USA)… NACIONALES: FPI = (Ministerio de Ciencia y Tecnología) asignadas a proyecto FPU = (Ministerio de Educación y Cultura) asignadas a personas CSIC REGIONALES: Junta de Castilla-León, Generalitat … Universidad de Salamanca, Universidad Autónoma Institutos de Investigación : IFIC, CIEMAT, IFAE … PRIVADAS: Becas BanCaja, La caixa …