1 ALINEAMIENTO DEL ESPECTRÓMETRO DE MUONES DE CMS. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DEL IMAN DE CMS XXXI Reunión Bienal de Física 10-14 Septiembre 2007, Granada.

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1 1 ALINEAMIENTO DEL ESPECTRÓMETRO DE MUONES DE CMS. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DEL IMAN DE CMS XXXI Reunión Bienal de Física 10-14 Septiembre 2007, Granada Mar Sobrón Sañudo

2 2 Índice Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007  El Detector CMS  El Sistema de Alineamiento Óptico  El Magnet Test & Cosmic Challenge de CMS.  Estudios del Alineamiento en el MTCC  Validación del sistema óptico y resultados  Validación y alineamiento con cósmicos  Conclusiones

3 3 El Detector CMS Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007  100  m  75-100  m  20  m SILICON TRACKER ELECTROMAGNETIC CALORIMETER HADRONIC CALORIMETER RETURN YOKE MUON BARREL MUON ENDCAPS 4T MAGNET Weight: 12.500 t Diameter: 15.0 m Length: 21.6 m B Field: 4 T  Criterios de diseño  Excelente identificación de leptones (electrones y muones)  Un preciso sistema de tracking en Si bajo un campo magnético de 4T para la medida del momento de las trazas  Detectores capaces de operar con niveles altos de radiación (hasta 1MGy en 10 años)  Uso de tecnologías de respuesta rápida (intervalo de cruce de haces de 25 ns)  Muy buena hermeticidad Precisiones Espaciales Requeridas

4 4 El Sistema de Alineamiento de CMS Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 Propósito: Alineamiento interno del tracker y monitoreo de la posición relativa de las cámaras de muones (barrel y endcap) con respecto al tracker. Requerimientos físicos: Error global de alineamiento ~100-200  m Restricciones en el diseño:  Hermeticidad (el sistema debe adaptarse a la geometría del detector y a las restricciones de espacio)  Rango dinámico (varios cm)  Resistencia a la radiación  Inmunidad de los componentes a B y  B Ali. Interno Barrel Ali. Interno EndCap Ali. Interno Tracker Link

5 5 Puntos de Referencia Plano Activo (6) Plano Pasivo (6) MAB (36) Línea Óptica Cámara Muones (8 lineas) Sistema de Alineamiento Barrel Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 La posición relativa de las cámaras es calculada por triangulación. Video-cámaras situadas en estructuras rígidas externas (MABs) observan los puntos de referencia de las cámaras de muones (instrumentados con LEDs) Provee información de la orientación y posición relativa de las cámaras del Barrel

6 6 Sistema de Alineamiento EndCap Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 Orientación y Posición relativa de las cámaras del EndCap y alineamiento relativo de los diferentes discos.  Líneas láser: interceptadas por cámaras CCD (DCOPs).  Seis Transfer Lines miden la posición relativa entre las estaciones de CSCs.  Tres straight lines (SLM) Para el alineamiento interno de las cámaras en cada estación.  Sensores de proximidad: complementan la medida de los laseres.  Distancias radiales entre inner rings y outer rings y entre outer rings y transfer lines.  Medida de distancias azimutales en la primera estación. Transfer Line Straight Line DCOPs

7 7 Beam Laser Distance tube Laser Source ME/1/1 YN1 Zone ME1/1 Transfer  =3 Zone ME1/2 Zone Zona ME1/1 MAB MAB Zone ME/1/3 Link Disk Laser source ME/1/2 Tracker Zone Alignment Ring Sistema de Alineamiento Link Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 Relaciona los subsistemas barrel y endcap con respecto al tracker generando una referencia interna común a todos los sistemas de trazas y se encarga del alineamiento de las cámaras de la primera estación del endcap. Link  Líneas Láser: Líneas laseres interceptadas por sensores semitransparentes (ASPDs)  Sensores de proximidad y de inclinación:  Complementan y añaden redundancia. Estructuras rígidas: Alignment Ring (AR) & Link Disk (LD) son usadas como referencia  Del AR (tracker) al LD (YE+1): Conexión Tracker-Endcap  Del LD a los MABs: Conexión Endcap-Barrel Seis planos activos Laser Source

8 8 75º Barrel Link Axial Transfer line 255º 315º Instrumentación del sistema de Alineamiento en el MTCC Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007  Link: Tres líneas láser (75, 255 y 315 o )  Endcap: Parte positiva prácticamente completa.  Barrel: Sectores 10 y 11 implementados en todas las ruedas (255 – 315 o )  Numero de componentes usados en el test ( ~ ¼ del sistema total): - 275 Sensores analógicos (sensores de distancia e inclinómetros) - 125 Foto-sensores (DCOPS + ASPDs) y  100 video cámaras. - 500 + 34 Fuentes de luz (LEDs + laseres semiconductores) - Sondas de Temperatura, humedad y campo magnético  Calibración previa de todos los componentes (estructuras de FC y sensores) en bancos de calibración específicos con precisiones ~  m (  rad)  Survey y Fotogrametría de los componentes durante la instalación (precisiones ~ 50-300  m)

9 9 CMS-MTCC Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 LD y AR SLM en YE+2 TP ASPDs MABs en YB0 Link Line en YE+1

10 10 Objetivos del MTCC Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 Tuvo lugar durante el verano (Fase I) y otoño (Fase II) del 2006 Objetivos del Magnet Test:  Comisioning del imán por primera vez a 4T (19.14 KA) y mapa del campo:  Barrel: 0.62T-1.97T con un campo central de 4.0124 T  EndCap: 1.66T-2.62T. La precisión de la medida se espera del poco por ciento.  Dentro del solenoide se ha medido la densidad de flujo magnético, con un campo central de 4T, con una precisión de 0.7 por mil.  Establecer y entender el procedimiento y tolerancias en el cerrado del detector  Validación del sistema de Alineamiento de Muones. Objetivos del Cosmic Challenge:  Operación por primera vez de toda la cadena de sub-detectores (2 sectores)  Comportamiento de los sub-detectores ante campo magnético y la sincronización entre ellos.  Desarrollo y test de algoritmos para el alineamiento con trazas (cósmicos) Fase II sin Tracker: Mapa del Campo Magnético

11 11 Objetivos de Alineamiento en el MTCC Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 Validación del sistema de alineamiento de muones durante el MTCC:  Funcionalidad del sistema: Hardware & Electrónica de readout, DAQ, y software de reconstrucción.  Primeras pruebas de las tolerancias en el ensamblado y cierre del detector y efectos de campo frente a los rangos dinámicos del sistema.  Deformaciones del hierro de retorno.  Geometría inicial de los detectores a B=0T y B=4T  Test de los algoritmos de alineamiento con trazas de cósmicos  Cross-check y compatibilidad de las diferentes medidas: survey/Fotogrametría inicial (B=0T), medidas ópticas, información de cósmicos

12 12 Primer Cierre de CMS (julio 2006) Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

13 13 Resultados del MTCC Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007  Movimiento de las estructuras debido a las fuerzas magnéticas: Comprensión (en Z) de los discos hacia el IP, dos tipos de movimientos con campo: elásticos y “permanentes”  Movimientos “permanentes”: No recuperación de la posición inicial de las estructuras a 0T tras los primeros ciclos de energización del imán. “Cerrado final” del detector.  Movimientos elásticos: Desplazamientos entre campo magnético on/off. Recuperación de la posición.  Estabilidad (en r  ) de los detectores durante operación  Repetitividad de los efectos de campo, observados entre las dos fases del test.  Primera geometría de CMS con campo magnético:  COCOA: reconstrucción geométrica a partir de la información óptica del sistema de alineamiento.  Algoritmos de Alineamiento con trazas (cósmicos)

14 14 Desplazamientos y deformaciones del Barrel: Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 Compresión de las cámaras del Barrel hacia el IP. Permanente: No recuperación a 0T. Deformación elástica: Con B. Field off Field on 2.7mm time 2.4 mm

15 15 Desplazamientos y deformaciones del EndCap: Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 La mecánica de sujeción (los Z-stop) hace al EndCap curvarse en forma de cono Barrel El fuerte campo magnético cerca del extremo del solenoide atrae la parte central del endcap hacia el. Outer ring se mueven aprox. 6 mm ( top/bottom asimetría) Nariz de YE+1 se mueve 16mm Dependencia cuadrática del movimiento con el campo  16mm Permanente

16 16  60  m Estabilidades en r  : Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 Efectos de Temperatura:  Los movimientos de las cámaras correlacionan con la diferencia de temperatura día/noche Efecto de campo:  Pequeños movimientos por debajo de 60  m.  Estructura del movimiento correlacionada con B. Noche  20  m  1.5 o

17 17 Repetitividad de las medidas entre Fases y Tolerancias en el Cerrado Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007  Comportamiento similar con el campo en ambas fases  Entre Fases el detector se abrió y cerro de nuevo. Posicionamientos ~ mm rr rr B=0T B=3.8T rr Phase I PhaseII  r ~ 2.6 mm  r ~ 2.7 mm Entre 0T y 3.8T Diferentes pasos entre Fase I y II  r ~3mm B=0T B=3.8T

18 18 Reconstrucción de la Geometría: COCOA (CMS Object-oriented Code for Optical Alignment) Es un sofware de reconstrucción a través de aproximaciones geométricas basado en un ajuste no lineal por mínimos cuadrados. Permite la reconstrucción de la posición y la orientación angular de los objetos del Sistema óptico así como la determinación de los parámetros ópticos internos y la propagación de errores. numero de grados de libertad de todo el sistema  30000 parámetros Input:  Geometría completa (para MTCC) del sistema link en su geometría inicial: Geometría nominal + Survey.  Calibraciones de los sensores y las estructuras + Medidas 2D y 3D.  Medidas ópticas y Medidas de los sensores analógicos Output: Cocoa nos da las coordenadas (6 grados de libertad) de todas las estructuras y los componentes a campo 0T y a diferentes campos magnéticos hasta un campo de 4T. Estas coordenadas se pueden introducir directamente en la DB para la reconstrucción offline de muones Por primera vez:  se ha implementado una descripción realista del sistema link de alineamiento y se ha obtenido una reconstrucción completa del sistema a diferentes valores de campo.  se ha establecido y validado una estrategia de ajuste (grados de libertad / medidas)  una primera estimación de la precisión del sistema (en base al estudio de los residuos del ajuste) es del orden de 200-300  m.

19 19 Alineamiento con Trazas: Alineamiento Interno de Cámaras Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 DT Cámaras: alineamiento Interno de layers Propósito: Geometría interna de las cámaras DT. Cada Cámara tiene tres Superlayers (dos miden  y uno  )  El algoritmo de alineamiento (Método Blobel) usa información de cósmicos junto con medidas de survey y medidas de calidad de fabricación, como información adicional.  Alineamiento de 8  -layers  Se han encontrado desviaciones de 80  m en desplazamientos y 20  rad en ángulos  Gran acuerdo entre medidas (survey, información de fabricación) Before Alignment After Alignment Residual distribution (measured – fitted) Residuos del ajuste de las trazas Desplazamientos en r 

20 20 Residuos del ajuste por trazas de las 4 camaras. Desplazamientos r-  Alineamiento con Trazas: Geometría del Detector (Barrel) de Muones Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007  Partiendo de la geometría “ideal” del detector, medidas de survey y fotogrametría de las cámaras DT permiten definir una primera geometría “real” de detector. (Estas medidas tienen en cuentan principalmente efectos de gravedad de las estructuras de hasta 6 mm).  Con los datos de cósmicos, se aplican los algoritmos de Alineamiento con Trazas (Metodo Blobel) a los diferentes sectores y estructuras hasta obtener la geometría completa del espectrómetro (del barrel).  Desplazamientos r-   Cada sector separadamente.  La geometría del MTCC muestra desplazamientos del orden de 1 mm  Después de las correcciones de survey los desplazamientos llegan al nivel de 250  m.  Finalmente el alineamiento con trazas los reduce a 100  m. Targets de Fotogrametría en Las cámaras de Muones

21 21 Conclusiones: Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007  Se ha completado el desarrollo del sistema óptico de alineamiento: hardware, electrónica, DAQ, reconstrucción e implementado por primera vez en el detector  Se ha validado el sistema de alineamiento, por primera vez con campo magnético (validación dinámica)  Se han desarrollado y validado algoritmos de alineamiento con trazas utilizando datos de cósmicos (commissioning de las cámaras y geometría del MTCC)  Se pudieron medir los efectos de campo magnético en la geometría del detector.  Se ha podido establecer una geometría para las condiciones de operación de CMS. (a distintos valores de campo, donde se observa el comportamiento esperado)  Los datos presentan una buena consistencia entre las diferentes medidas (distintos subsistemas de alineamiento, fases, valores de campo, datos de cósmicos)  En general se ha encontrado un buen acuerdo entre las medidas realizadas y lo esperado por las simulaciones de elementos finitos (FEA)

22 22 Backup

23 23 CMS Muon system layout Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 MB3 MB2 MB1 MB4 ME1ME2ME3ME4 Barrel: 0 < |  | < 1.2 5 wheels / 4 stations instrumented with DTs and RPCs Endcap: 0.9 < |  | < 2.4 3 disc/4 stations instrumented with CSCs and RPCs Task: - Muon identification - Muon momentum and charge measurement - Muon trigger (fast response RPCs with more precise position resolution DTs and CSCs). Spatial precision of  100  m Up to  = 2.4

24 24 Geometría del sistema de Muones Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 Estructura soporte Barrel (~12 m  15 m) Estructura Soporte EndCap Endcap Disc Alineamiento Preciso!  Estructuras mecánicas grandes, no son suficientemente rígidas para los requerimientos. Deformaciones máximas esperadas (confirmadas por survey y MTCC)  ~1-3 cm B on/off  5-15 mm gravedad  < 500 μ m operación (Temp. y humedad)  misalignment máximo permitido (no degradación de la medida de momento)   R  200  m Para Barrel y EndCap  ~ mm en Z

25 25 Reconstrucción de la Geometría: COCOA Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 Estrategia en la reconstrucción:  Ajuste a 0T: Ajuste de las diferentes estructuras a 0T utilizando las medidas dadas por fotogrametría y las medidas del sistema link (sensores analógicos y ópticos)  Ajuste a diferentes valores de Campo Magnético: Partiendo de la geometría reconstruida a campo 0T y las medidas del sistema, se reconstruye la geometría a diferentes valores de campo.

26 26 Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

27 27 Alineamiento con Trazas (I) Los Residuos son la diferencia entre la posición medida (real) y la extrapolada o esperada (nominal, survey, alineamiento) La traza de un muon ( r) se puede definir como: r=f (parámetros de trazas, parámetros de alineamiento) pdelta r (s) = r (s, p, delta) s es la distancia recorrida (el tiempo), p son los parámetros de trazas y delta los parámetros de desalineamiento Puesto que se esperan pequeños desalineamientos la expresión se puede desarrollar en serie Construimos el  2 para una proyección como: pdeltap0pdeltadelta  2 =  i  j [ (Rx ij (p, delta)-Jx j (p0)*Δp j -Jx j (delta i )*delta i ) 2 /  ij 2 ] Donde i es la suma a las cámaras y j la suma a las trazas. Este  2 contiene las variables siguientes: delta i : (numero de grados de libertad que queremos medir) x (numero de cámaras diferentes) p Δp j : (numero de parámetros de una traza) x (numero de trazas)

28 28 Alineamiento con Trazas (II) MBs Para encontrar el minimo del  2 hay que resolver el sistema: M*B=s Siendo M una matriz nxn donde n es el numero de variables del  2 deltap B es un vector de los delta i y Δp j y s es un vector de estas dimensiones y es una combinación de residuos. MBs M*B=s deltap) B=( delta, Δp) Ponemos primero las variables de Ali. y luego las de trazas. b  s= (b,  ) M se puede dividir en cuatro matrices, una con los elementos del desalineamiento y otra con los de las trazas. Queda al final un sistema por partes que se reduce a invertir N (numero de trazas) matrices 5x5 y una matriz (n_Ali.)x(n_Ali). Esta ultima no es invertible, pero introduciendo datos de survey en el chi2 se puede hacer invertible y el sistema se puede resolver. Original chi2 Survey:j is running over degrees of freedom.SLj means the mean value of that degree of freedom of the layers in superlayer j QC measurements: k runs over layers. i runs over superlayers (1 and 2) Lagrange constrains to fix floating degrees of freedom in the mean value of the layers

29 29 Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007

30 30 Mar Sobrón Sañudo RSEF- XXXI Reunión Bienal de Física 13 Septiembre 2007 Before Alignment After Alignment Residual distribution (measured – fitted)