Misura dell’efficienza e dell’allineamento spaziale del rivelatore di muoni dell’esperimento $LHCb$

Il C.E.R.N. (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) è il più grande laboratorio al mondo per la fisica delle particelle. È situato sul confine tra Svizzera e Francia e nasce nel 1954 da una collaborazione di 12 paesi. Attualmente i paesi che ne fanno parte sono 20. Lo scopo principale del C.E.R.N. è di fornire strumenti per esperimenti di fisica delle alte energie attraverso l’impiego di acceleratori di particelle. Negli acceleratori vengono prodotti ed accelerati fasci di particelle ad elevata energia che possono essere fatti collidere con un bersaglio fisso ($target$) o con un altro fascio in direzione opposta. In entrambi i casi vengono prodotte particelle che vengono studiate per mezzo di apposti rivelatori. Il sistema di acceleratori del C.E.R.N. è un sistema di macchine ad energia crescente. Gli elementi fondamentali di questo sistema di acceleratori sono, com’è possibile vedere dalla figura 2 PS, SPS, LHC. PS ($Proton$ $Synchrotron$) è un acceleratore di protoni, che accelera protoni fino ad un energia di 26$GeV$. SpS ($Super$ $proton$ $Synchrotron$) è un’acceleratore di protoni e antiprotoni che fornisce al fascio un’energia di 450$GeV$. Il Large Hadron Collider ($LHC$) è costruito all’interno di un tunnel sotterraneo la cui circonferenza è di 27 km che in precedenza ospitava il $LEP.$ È situato ad una profondità compresa tra 50$m$ e 175$m$ sotto terra. È progettato per far collidere due fasci di protoni o ioni pesanti circolanti in direzioni opposte. Per quanto riguarda la collisione proton-protone l’energia nominale per fascio sarà di 7$TeV$ (14$TeV$ nel centro di massa). I due fasci vengono fatti collidere frontalmente nelle quattro zone in cui sono collocati i quattro principali esperimenti ATLAS, CMS, ALICE e LHCb (vedi figura 2). I fasci non sono continui ma impulsati ($bunches$) e circolano nell’anello di $LHC$ nel quale è mantenuto il vuoto (10$^{-10}$) e sono guidati da magneti che ne curvano la traiettoria. I magneti sono dipoli superconduttori (mantenuti alla temperatura di 1,9K) che, per deflettere fasci di 7$TeV$, creano un campo magnetico di 8,4$T$. La collisione avviene quando due bunches si sovrappongono (ad intervalli temporali di 25$ns$). Tale periodo determina la frequenza dell’elettronica di acquisizione degli esperimenti cioè 40$MHz$. Com’è possibile vedere dalla figura 2 i quattro esperimenti principali sono: - ALICE (A Large Ion Collider Experiment); - ATLAS (A large Toroidal Lhc ApparatuS); - CMS (Compact Muon Solenoidan experiment); - LHCb (Large Hadron Collider beauty); Ciò che concerne questo lavoro di tesi riguarda l’esperimento $LHCb$, ed in particolare il rivelatore di muoni. Nel capitolo 2 vedremo che tipo di fisica si vuole studiare con $LHCb$. Si vedrà che l’interesse maggiore di questo esperimento è rivolto allo studio dei mesoni $B$ (particelle contenenti almeno un quark $b$ o un $\overline{b}$). In particolare si vuole migliorare la conoscenza delle grandezze osservabili che caratterizzano la cosiddetta violazione di $CP$ nel sistema dei $B$. Lo studio della violazione di questa simmetria è di interesse della comunità scientifica da oltre 40 anni, da quando cioè venne messa in luce per la prima volta nel sistema dei $K$. Nel 2001 la violazione $CP$ è stata scoperta anche nel sistema dei $B$ e studiata negli anni successivi alle cosiddette fabbriche di $B$ ($B-factories$) quali $Babar$ e $Belle$. $LHCb$ si propone di migliorare i resultati fin’ora ottenuti. Inoltre con lo studio di alcuni decadimenti rari si possono avere indicazioni chiare su effetti dovuti e fisica oltre il modello standard. Nel capitolo 3 vedremo i rivelatori che costituiscono $LHCb$. Il rivelatore è stato progettato per avere un’eccellente risoluzione del vertice di interazione e dell’impulso delle particelle degli stati finali. Questo è necessario per avere una buona risoluzione di tempo proprio necessaria nello studio delle asimmetrie di $CP$ dipendenti dal tempo. Inoltre deve avere un ottima efficienza di ricostruzione e un trigger selettivo ed efficiente. Nel capitolo 4 vedremo nel dettaglio il rivelatore di muoni che riveste particolare importanza sia nel trigger dell’esperimento, che nello studio dei decadimenti con stati finali contenenti muoni. Nel capitolo 5 e 6 vedremo l’importanza di cono scere l’allineamento spaziale del rivelatore di muoni. Discuteremo un metodo che permette di determinare le costanti di allineamento utilizzando le tracce di cosmici acquisite da $LHCb$ prima dell’inizio delle interazioni protone-protone. Si vedrà come, utilizzando questo tipo di tracce, si possano determinare i disallineamenti relativi tra le stazioni e con quale precisione. Infine nel capitol 7 descriveremo lo studio dell’efficienza del rivelatore di muoni svolto con l’utilizzo di tracce di cosmici.