L’esperimento ALICE e il suo programma di fisica protone-protone

1. L’esperimento ALICE e il suo programma di fisicaprotone-protone Marco Monteno INFN Torino Workshop sui Montecarlo, la Fisica e le simulazioni a LHC Lab.Naz. Frascati, 24 Ottobre 2006

2. Motivazioni per un programma di fisica protone-protone in ALICE • ALICE è nato come un esperimento dedicato per lo studio di collisioni di ioni pesanti • Lo studio delle collisioni pp è necessario per stabilire un confronto con misure AA e pA • per definire una baseline di riferimento nello stesso rivelatore, in modo da poter minimizzare gli effetti sistematici nelle analisi • Nuovo regime di energia delle collisioni pp a LHC • Studio della fisica ‘soffice’ protone-protone (interazioni forti, non solo nel limite di pQCD), con possibili sorprese! • Possibilità di capire meglio il background di UE per gli altri processi rari studiati a LHC (top, Higgs, SUSY)  tuning dei Monte Carlo

3. L3 Magnet 0.5 T TOF PID HMPID PID (RICH) @ high pT TRD Electron ID (TR) TPC Tracking, PID (dE/dx) ITS Low pT tracking Vertexing MUON μ-pairs PHOS γ, π0 FMD Charged multiplicity L’esperimento ALICE Not shown: T0, V0, ZDC

4. Upgrade per ALICE: EMCAL • Calorimetro EM a sampling (design di STAR) • Pb-scintillatore con risposta lineare • -0.7 < h < 0.7 • 60 < F < 180 • Risoluzione energetica ~15%/√E • Primo supermodulo installato per il run 2008 • Accettanza ~ 50% per run 2009 • Rivelatore completato per il run 2010

5. V0 V0 Accettanza di ALICE TPC Molteplicità: -3.7<η<5 Ricostr. di tracce (|η|<0.9): pT>0.1 GeV/c (pions) pT>0.3 GeV/c (protons) ITS (6 strati di Si) SPD Pixel di Si V0 (e rivelatori ‘in avanti’)

6. Identificazione di particelle • Eccellente su un ampio intervallo di momento p separazione @ 3s separazione @ 2s

7. Caratteristiche generali di ALICE • Con il suo sistema di rivelatori ALICE potrà misurare evento-per-evento il contenuto in sapore e la distribuzione nello spazio delle fasi degli eventi di alta molteplicità prodotti da collisioni di ioni pesanti ultra-relativistici a LHC: • Misura su (2 * 1.8 unità di η) di: adroni (dE/dx + TOF), leptoni (dE/dx, radiazione di transizione) e fotoni (calorimetria EM ad alta risoluzione). • Traccia e identifica particelle da pt molto bassi (~ 100 MeV/c; processi soft) fino a pt molto alti (~ 100 GeV/c; processi hard). • Ricostruisce particelle short-lived (iperoni, mesoni D/B) tramite la rivelazione del vertice secondario (risoluzione sul parametro d’impatto è inferiore a 100 µm) • Identifica jet

8. Peculiarità di un programma pp per ALICE • ATLAS e CMS sono esperimenti dedicati • ALICE può effettuare misure di collisioni pp? • In pp basse molteplicità: il tracciamento offre prestazioni migliori (in termini di efficienza e risoluzione) che con ioni pesanti • Previsto un trigger Minimum Bias e un altro per eventi di alte molteplicità • Che cosa rende ALICE speciale per pp? • Il basso pT cut off (~ 0.1 GeV/c) • Basso campo magnetico (max. 0.5 T) • Basso spessore di materiale del tracciatore (X/X0 ~ 10%) • Eccellenti capacità di identificazione di particelle • Quali svantaggi per essere un esperimento dedicato a misure con ioni pesanti? • Concepito per basse luminosità (TPC è un rivelatore lento, max tempo di deriva = 88 µs)

9. nFO > 100 nFO > 150 nFO > 200 Trigger Trigger Minimum bias • Richieste: • Selezione di collisioni pp • Rejezione di collisioni beam-gas • Def. logica del Trigger MB: SPD.FastOR & V0.OR & not V0.BG • SPD.FastOR = OR globale tra tutti i segnali sui Pixel di SPD • V0.OR richiede un segnale su uno dei due lati del V0 • V0.BG identifica collisioni beam-gas • More details: ALICE-INT-2005-025 (J.Conrad, J.G.Contreras, C.E.Jorgensen) Trigger di alta molteplicità Soglia sul numero di canali accesi nel SPD  si arricchisce il campione di eventi di alta molteplicità

10. Condizioni di luminosità per ALICE • Limiti alla luminosità per ALICE • Fino a L = 2 · 1029 cm-2 s-1 1 collisione / tempo di deriva nella TPC Condizioni ideali !! Per Lmaggiori inizia pile-up di eventi nella TPC • A L = 3 · 1030 cm-2 s-1 1 collisione / tempo di deriva nella Si-drift dell’ITS. In corrispondenza vi è un pile-up di 20 collisioni nella TPC.  tracciamento ancora fattibile (la TPC riesce a separare tracce di eventi diversi impilati), anche se il volume di dati è molto maggiore. Si può considerare la condizione di massima luminosità per ALICE. • Luminosità nominale :L = 1034 cm-2 s-1 Non sarà alla portata di ALICE.  Necessarie delle strategie per ridurre la luminosità. Per es. con defocalizzazione dei fasci nel Punto 2, oppure con un loro spostamento (collisioni tra le code dei fasci) L(D) = L0 exp(–D2/4s2)

11. ALICE: piano delle installazioni fino al Day-1 (… as it looks now) TPC installation - in L3 magnet Installation of forward detectors • One beam • -injection energy 450GeV • beam-gas events • -alignment & calibration • First collisions • √s=900GeV • extend SPS results ITS installation • TPC sector test • two sectors tested • at point 2 • Higher energy • new physics? 8-2006 12-2006 9-2007 LHC closure 1-2008 Shutdown Allo start-up: bassa luminosità (< 6 · 1028 cm-2 s-1) Conditioni ideali per ALICE !!!

12. La fisica dei primi giorni di LHC • Configurazione di ALICE al Giorno-1 • Barile centrale: ITS, TPC (completi) e TRD, TOF e PHOS (parziali) • Trigger minimum bias • Rivelatori in fase di calibrazione ed allineamento • Energia delle collisioni • 0.9 TeV • Con un rate del DAQ di 100 Hz : • 3.6 M di eventi al giorno, assumendo 10 h al giorno effettive di run

13. Pseudorapidity density dN/dη pT spectrum of charged particles CDF: Phys. Rev. D41, 2330 (1990) 30000 events at √s=1.8TeV 9400 events at √s=640TeV CDF: Phys. Rev. Lett. 61, 1819 (1988) 55700 events at √s=1.8TeV Multiplicity distribution Mean pT vs multiplicity UA5: Z. Phys 43, 357 (1989) 6839 events at √s=900GeV 4256 events at √s=200GeV CDF: Phys. Rev. D65,72005(2002) 3.3M events at 1.8TeV 2.6M events at 630GeV Prime misure: proprietà globali degli eventi pp • Dopo l’accensione di LHC, con poche decine di migliaia di eventi sarà già possibile determinare importanti distribuzioni: dN/dh, ds/dpT, etc. (prima a 900 GeV, poi a 14 TeV). Claus Jorgensen

14. dN/dη|η=0=a+b×log(s) - Feynman: PRL23,1415(1969) • dN/dη|η=0=a+b×log(s)+c×log2(s) • Termine log2 dovuto a processi hard • (Phys Lett B121,209(1983)) Densità di particelle in pseudorapidità Produzione di particelle cariche primarie a η=0:

15. Domande aperte in fisica pp • Come evolvono con l’energia i meccanismi di produzione di particelle? (% di processi soft o hard) • Come funzionano i processi di adronizzazione? Produzione di mesoni/ barioni, risonanze… • Quanto conosciamo la frammentazione di partoni? E’ universale? Quanto è cruciale tener conto della flavor dependence quando si fanno calcoli nel framework del teorema di fattorizzazione? • Quali potenzialità da ALICE nello studio di jet, non solo in PbPb (jet quenching), ma anche in pp, in virtù delle caratteristiche dei suoi rivelatori? • Quali potenzialità nello studio della produzione di heavy quark a basso pT, e di heavy quarkonia? • Fisica diffrattiva; ricerca di particelle esotiche, etc… Per continuare le ricerche avviate alle precedenti generazioni di collider adronici (da ISR, a SppbarS, fino al Tevatron). E più recentemente a RHIC (rivelatori per Heavy Ions, con analogie di design con ALICE) su collisioni pp a

16. Altre misure possibili con ALICE • Un ricco programma di fisica dei processi soffici • (produzione di particelle) e fisica del flavour: • Spettri in pt: π,π0, K, KS0,p , Λ, Ξ, Ω, μ… • Asimmetrie barioni/anti-barioni • Risonanze (per es. K*(892) e Λ(1520) ) • Produzione di  prompt • Produzione di Heavy Flavours (mesoni D, B...) • J/Ψ and Υ (nei canali di decad. in e+e- o μ+μ-) • Fisica diffrattiva (rapidity gaps) • Correlazioni HBT • Produzione di mini-Buchi Neri da Large Extra Dimensions Talk di A. Dainese Talk di D. Stocco • Analisi di jet e underlying event • Come in CDF: PRD65, 092002(2002), PRD70,072002 • Analizzando molteplicità e pT di adroni carichi in regioni intorno al jet (a seguire: utilizzando ET di EMCal). • Tuning dei MC (multiple parton collisions) Proprietà di jet da correlazioni tra coppie di adroni Come in PHENIX: hep-ex/0605039  estrazione del momento trasverso jT della frammentazione del jet e del momento trasverso partonico kT

17. Range di identificazione di particelle in ALICE (in un anno) pT range (PID o limite stat) per 1 anno: 107 ev. centrali Pb-Pb (o 109 ev. pp min. bias) p, K, p: 0.1- 0.15 50 GeV (usando la relativ.rise di dE/dx nellaTPC) Particelle instabili (decad. forti o deboli) : fino a 10-15 GeV Mid-rapidity

18. Produzione di stranezza in pp a RHIC STAR, nucl-ex/0607033 Dati pp a La produzione di stranezza non viene riprodotta da calcoli LO (contrariamente alla produzione di pioni). Necessarie correzioni NLO.

19. Calcoli NLO di spettri di barioni strani Il calcolo NLO di AKK (Albino-Kniehl-Kramer) include FF ricavate da dati di OPAL ‘light quark flavor-tagged’ AKK, hep-ph/0502188, Nucl.Phys.B734 (2006) G. Abbiendi et al. (OPAL Coll.) Eur. Phys. J. C16, 407 (2000)

20. Ricostruzione di L in pp con ALICE Statistica 1 anno = 109 MB events > 106Λ ricostruite

21. Spettri di adroni non strani Gli spettri di pioni sono in accordo con LO pQCD (PYTHIA, e modello EPOS con multiple parton scattering). Gli spettri di protoni invece richiedono calcoli NLO à la AKK (parametrizzazione ‘flavor-specific’ delle FF dei barioni). STAR Coll, PLB 637 (2006) 161

22. Spettri in pT di π0: da RHIC a LHC ALICE Start up scenario: 2 moduli PHOS (Df=40, Dy=0.25) -- p+p run @ L=1030 cm-2s-1, T=10 gg=8.6105 s  LT= 8.6 108 mb-1 3 108 counts 75 counts 50

23. Spettri in pT di : da RHIC a LHC ALICE Start up scenario: 2 moduli PHOS (Df=40, Dy=0.25) -- p+p run @ L=1030 cm-2s-1, T=10 gg=8.6105 s  LT= 8.6 108 mb-1 3 106 counts 15 counts 35

24. Identificazione di jet in ALICE • Misura dell’Energia del Jet • Nel suo design originale, ALICE misura solamente le particelle cariche con i suoi rivelatori centrali di tracciamento (e energia elettromagnetica nel PHOS) • Il Calorimetro EM (EMCal) proposto per ALICE ne migliora in modo significativo le performance: • Fornisce un efficiente trigger per jet di alta ET su di un ampio intervallo di ET • ET viene misurata con minore bias e migliore risoluzione • Migliore definizione della funz. di frammentazione: pt/ET • Esteso il pt reach per lo studio della frammentazione del jet che rincula da un fotone e per le correlazioni fotone-fotone • Eccellente identificazione di elettroni di alto pt per lo studio di jet di heavy quark • La misura della Struttura del Jet è molto importante • Richiede buona analisi in momento da ~ 1 GeV/c a ~ 100 GeV/c • E quindi ALICE può offrire eccellenti prestazioni • Le misure in pp e pA sono essenziali come baseline di riferimento!

25. Produzione annua di jet in ALICE e ET reach EMCAL estende significativamente il range cinematico delle misure di jet, oltre i 100 GeV. Misura inclusiva di jet e dijet: Misure robuste delle funzioni di frammentazione (~104 eventi) fino a PT ~ 200 GeV/c con un trigger nell’accettanza dell’ EMCal

26. Effetto del trigger di jet con EMCAL Jet yield in bin di 20 GeV Jet trigger Grande guadagno in statistica a causa del trigger di jet Estensione del reach statistico per tutti i sistemi

27. STAR EMCal+TPC Jet Cross section measurement at 200 GeV hep-ex/0604001 In ALICE si può usare lo stesso algoritmo di analisi

28. Processi dominanti: g + q → γ+ q (Compton) q + q → γ + g (Annichilazione) pT > 10 GeV/c max min R EMCal TPC IP g PHOS Tagging di jet con fotoniALICE-INT-2005-014, HCP 2005 proceedings • Correlazione -jet • E = Ejet • Direzioni opposte • Energia del  fornisce una misura indipendente dell’energia del jet • Svantaggio: basso rate !! • Ma... È specialmente interessante nel range intermedio (decine di GeV) dove i jet non sono identificati • In AA i fotoni diretti non sono perturbati dal mezzo nucleare

29. Ricerca di mini-Buchi Neri in ALICE Humanic, Koch, Stoecker, hep-ph/0607074 Non è fisica del primo anno…

30. Sommario • Lo studio dei fenomeni di basso pT a LHC è necessario per • comprendere i meccanismi di produzione di particelle, che non sono • tuttora bene compresi. • ALICE risulta complementare agli altri rivelatori di LHC in quanto è ottimizzato per misure con Ioni Pesanti, e quindi per lo studio di processi soffici (ma può effettuare interessanti misure anche di particelle di alto pT e jet) • ALICE giocherà un ruolo importante a LHC per la fisica pp: • aprendo una finestra unica sulla fisica soft (bassi pT) • offrendo eccellente identificazione di particelle nella regione centrale • Durante il primo run a 900 GeV verranno raccolti circa 107 eventi Minimum Bias , superando i limiti (in statistica, molteplicità massima e pT reach) degli esperimenti al collider SppbarS.

31. Backup slides

32. PHENIX Campo magnetico assiale Alta risoluzione & Rates 2 bracci centrali, 2 in avanti TEC, RICH, EM Cal, Si, TOF, -ID STAR Campo magnetico solenoidale Tracciamento su grande  con TPC e Si-vertex; RICH, EM Cal, TOF • Leptoni, fotoni & adroni • Rivelazione simultanea di vari • fenomeni di transizione • Osservabili adroniche • Larga Accettanza, Jet • Analisi Evento-per-Evento STAR e PHENIX al RHIC

33. Baryon/Meson ratio @ 630 and 1800 GeV(Boris Hippolyte, Hot Quarks 2006) Extracting mixed ratio from UA1 spectra (1996) and from CDF spectra (2005) Ratio vs pT seems very energy dependent (RHIC < SPS > FNAL ?)

34. Where resolution also matters

35. Full simulation of Jet Resolution versus Jet Energy pp jet resolution study pp (R=1 PTcut = 0) => 15%