{"id":2249,"date":"2022-09-23T13:50:00","date_gmt":"2022-09-23T11:50:00","guid":{"rendered":"https:\/\/web.infn.it\/atlas\/?p=2249"},"modified":"2022-10-13T13:39:16","modified_gmt":"2022-10-13T11:39:16","slug":"il-rivelatore-di-luminosita-lucid","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/web.infn.it\/atlas\/il-rivelatore-di-luminosita-lucid\/","title":{"rendered":"Il rivelatore di luminosit\u00e0 LUCID"},"content":{"rendered":"\n

Dal 2009 LUCID (LUminosity Cherenkov Integrating Detector) \u00e8 il principale rivelatore addetto alla misura della luminosit\u00e0 di ATLAS, passando attraverso aggiornamenti nel design, nella tecnologia di rivelazione, nell\u2019elettronica e nella struttura software. Grazie al suo design semplice, caratterizzato da numerose ridondanze, sistemi di controllo e sostituzione rapida di eventuali componenti problematici, ha ottenuto eccellenti risultati di precisione della misura e stabilit\u00e0.
Sin dalla sua progettazione, la Collaborazione LUCID \u00e8 stata composta principalmente da membri della sezione di Bologna, che tutt’oggi ne contano oltre la met\u00e0, con il contributo estero da parte dei gruppi di Lund e Alberta. La comunit\u00e0 italiana si \u00e8 occupata di tutte le fasi di sviluppo del progetto, che l’hanno portata ad avere ruoli di responsabilit\u00e0 sui sistemi di acquisizione dati, monitoraggio del detector e delle schede di elettronica cos\u00ec come sui futuri upgrade previsti per i prossimi anni.<\/p>\n\n\n\n

Ma cos\u2019\u00e8 la Luminosit\u00e0?<\/p>\n\n\n\n

In breve, la luminosit\u00e0 misura quanto frequentemente e intensamente si scontrano le particelle in un acceleratore. Essa \u00e8, quindi, legata da un lato ai parametri dell\u2019acceleratore nel punto di interazione e dall\u2019altro alla frequenza con cui vengono prodotti i processi fisici nell\u2019esperimento.<\/p>\n\n\n\n

Per esempio, dato un processo come la produzione di bosoni di Higgs, la luminosit\u00e0 \u00e8 definita come L = R\/\u03c3. Dove R \u00e8 la frequenza cui vengono prodotti bosoni di Higgs (H) e \u03c3 \u00e8 la sezione d\u2019urto di produzione di H.<\/p>\n\n\n\n

Nei rivelatori dedicati, la luminosit\u00e0 viene calcolata come L=Rvis\/ \u03c3 vis, dove Rvis \u00e8 la frequenza di interazione con il rivelatore e \u03c3 vis \u00e8 la probabilit\u00e0 di interazione  con il rivelatore. Nei rivelatori, come LUCID, in cui non \u00e8 possibile distinguere ogni singola traccia di particelle che lo attraversano, il calcolo \u00e8 un po\u2019 pi\u00f9 complicato e lo vedremo pi\u00f9 gi\u00f9.<\/p>\n\n\n\n

Il legame con i parametri dell\u2019acceleratore nel punto d\u2019interazione \u00e8 espresso dalla seguente formula:<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/a><\/figure>\n\n\n\n

dove f \u00e8 la frequenza di rivoluzion di LHC, N il numero di particelle all’interno dei pacchetti che collidono e \u03c3x e \u03c3y le distribuzioni spaziali.<\/p>\n\n\n\n

Questo rapporto viene sfruttato per effettuare una calibrazione assoluta dei rivelatori di luminosit\u00e0 tramite i cosiddetti Van der Meer scan, durante i quali i due fasci di protoni vengono allontanati e poi riavvicinati lungo i due assi, determinandone la distribuzione spaziale.<\/p>\n\n\n\n

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LUCID 1<\/strong><\/p>\n\n\n\n

La prima versione di LUCID era composta da una serie di cilindri di alluminio disposti attorno al tubo del fascio a circa 20 metri ai due lati del punto di interazione. I cilindri erano riempiti di gas, nel quale si produceva radiazione Cherenkov, la cui luce veniva poi raccolta e trasformata in un segnale elettrico da dei fotomoltiplicatori (PMT) Hamamatsu R762.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/a>
Figura 1: Struttura del LUCID 1. \u00c8 ben visibile l’anello di PMT, usato nella prima versione del detector, all’interno del cilindro in carbonio, cos\u00ec come il sistema di lettura delle fibre ottiche.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

La carica dei segnali elettrici veniva poi letta attraverso una serie di discriminatori posti a 100 metri dal rivelatore. Questi potevano essere operati in modalit\u00e0 a soglia o a frazione costante: nel primo caso viene fornito un segnale di uscita quando quello di ingresso supera un certo valore stabilito, mentre nel secondo si guarda alla salita del segnale cercando una certa frazione del massimo.<\/p>\n\n\n\n

Durante i primi mesi del Run 1 (2009-2013) in ATLAS si not\u00f2 che il segnale dei PMT era composto in realt\u00e0 da due segnali, uno prodotto nel gas e uno prodotto nella finestra di quarzo del PMT. Con l\u2019aumentare del numero di interazioni all\u2019interno di ogni collisione, il segnale prodotto dal gas presentava crescenti non-linearit\u00e0, per cui dopo un primo periodo il gas fu rimosso e il rivelatore operato solo con il segnale della finestra di quarzo.<\/p>\n\n\n\n

Al rivelatore principale era affiancato un apparato sperimentale composto da fibre ottiche la cui luce veniva letta da un PMT (Fig. 1). Per quanto non utilizzato per la misura della luminosit\u00e0, questo primo prototipo ha permesso di imparare molto sul comportamento delle fibre ottiche come rivelatore di effetto Cherenkov.<\/p>\n\n\n\n

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LUCID 2<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Nonostante LUCID I avesse fornito una ottima misura di luminosit\u00e0 in questo periodo, il Run 1 di ATLAS aveva mostrato alcune sue debolezze. Inoltre, il passaggio a una luminosit\u00e0 pi\u00f9 alta e a una separazione tra i \u201cpacchetti\u201d di protoni (bunch) di 25 nano-secondi (ns) contro i 50 ns del Run 1, richiedevano un significativo miglioramento delle capacit\u00e0 del rivelatore. Part\u00ec cos\u00ec il progetto di LUCID 2 (Fig.2). Il nuovo design prevedeva 16 PMT per lato, modello Hamamatsu R760, una versione pi\u00f9 piccola degli R762 usati in LUCID I. Un\u2019importante novit\u00e0 fu l\u2019introduzione di un sistema di monitor della performance dei PMT. Alcuni di questi erano calibrati con una sottile fibra ottica che portava luce prodotta da un LED davanti alla finestra dei PMT, altri erano equipaggiati con un nuovo sistema basato su una sorgente di isotopi di bismuto (207Bi) depositata sulla superficie. Gli elettroni prodotti per conversione interna dal bismuto generano un segnale Cherenkov simile a quello delle particelle prodotte in ATLAS, che viene usato per mantenere costante il guadagno dei fotomoltiplicatori. Anche il rivelatore a fibre fu trasformato con una topologia pi\u00f9 regolare, implementando inoltre il sistema di controllo dei PMT. Anche l\u2019elettronica di LUCID cambi\u00f2 completamente: una nuova scheda denominata LUCROD fu sviluppata per acquisire e digitalizzare i segnali in modo rapido e preciso a pochi metri dal rivelatore, rispettando quindi i 25 ns di separazione tra i bunch. Nuovi firmware e software furono sviluppati per sfruttare al massimo il nuovo rivelatore e fornire la massima flessibilit\u00e0 in caso di eventuali problemi di elettronica o PMT.<\/p>\n\n\n\n

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Figura 2: Rappresentazione del LUCID 2, posto attorno la beam-pipe. Sul cilindro in carbonio sono posti 4 set da 4 PMT ognuno, visibili all’interno della foto. In viola \u00e8 riportato il percorso delle fibre ottiche che vengono usate per la lettura dei segnali.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Grazie a questi miglioramenti LUCID \u00e8 stato il rivelatore ufficiale di luminosit\u00e0, online e offline, di ATLAS per tutto il Run 2 (2015-2018), fornendo una misura stabile nel tempo con variazioni entro l\u20191% e un\u2019incertezza sulla luminosit\u00e0 totale registrata da ATLAS dello 0.8%. Ovviamente ci sono stati imprevisti, in particolare alcuni PMT hanno smesso di funzionare improvvisamente e senza apparente motivo. Ma grazia alla ridondanza del sistema e a PMT di riserva preinstallati, LUCID \u00e8 riuscito a superare anche queste difficolt\u00e0. Il problema \u00e8 poi stato identificato nel sistema di collegamento tra PMT e alimentazione quando esposto a radiazione e alte correnti.<\/p>\n\n\n\n

Per il Run 3 (2022-2025) di ATLAS il rivelatore principale \u00e8 rimasto praticamente lo stesso. Le principali differenze consistono nell\u2019utilizzo della sorgente di 207Bi per il monitoraggio di tutti i PMT, nell\u2019utilizzo di un sistema di connessione all\u2019alimentazione e piccole migliorie dal Software e al Firmware. In aggiunta al rivelatore principale, sono stati installati nuovi rivelatori sperimentali in vista del nuovo progetto High-Luminosity LHC (HL-LHC).<\/p>\n\n\n\n

LUCID 3 per HL-LHC<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Nel 2029 LHC entrer\u00e0 in una fase ad alta luminosit\u00e0, con un numero di interazioni per ogni collisione fino a 5 volte superiore a quello corrente. Il rivelatore attuale non sar\u00e0 in grado di fornire una misura precisa in queste condizioni estreme. Inoltre il rischio di avere un grande numero di PMT non funzionanti nell\u2019arco di un anno sar\u00e0 rilevante. Per superare il problema sono state ideate diverse soluzioni: usare PMT pi\u00f9 piccoli, posti in una posizione pi\u00f9 lontana dal fascio e utilizzare nuove strategie per la misura della luminosit\u00e0. Il progetto del LUCID 3 \u00e8 gi\u00e0 stato approvato da ATLAS e dall\u2019INFN ed \u00e8 in corso di sviluppo. In particolare, diversi prototipi sono stati costruiti e installati in ATLAS per valutare le performance delle diverse soluzioni in esame.<\/p>\n\n\n\n

La principale modifica per HL-LHC consiste in piccoli PMT (8 mm di diametro, contro i 10 mm precedenti) attaccati all\u2019interno di una cavit\u00e0 nello scudo che circonda la beam-pipe. In questa posizione i PMT vengono attraversati da un flusso del 25% inferiore a quello che attraversa il rivelatore attuale. Grazie al prototipo installato, questo valore \u00e8 gi\u00e0 stato confermato da misure reali. La riduzione della dimensione del PMT porta a una conseguente riduzione delle correnti e del rate del 65%. In alternativa, un altro rivelatore prototipo installato dietro lo scudo riduce in modo ancora pi\u00f9 marcato il flusso di particelle. Per quest\u2019ultimo si stanno svolgendo misure per valutarne le capacit\u00e0.<\/p>\n\n\n\n

Infine, \u00e8 in corso di valutazione un nuovo prototipo di rivelatore a fibre ottiche, che utilizza un doppio sistema di calibrazione per controllare sia il guadagno dei PMT sia l\u2019opacizzazione delle fibre causata delle radiazioni. Nel futuro, questo potrebbe essere uno strumento per misurare la luminosit\u00e0 tramite la carica totale acquisita in un bunch crossing senza avere i PMT in zone intensamente irradiate.<\/p>\n\n\n\n

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Figura 3: Prototipo del nuovo rivelatore a PMT installato all’interno della cavit\u00e0 nello scudo<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Figura 4: Supporto del LUCID 2 con i nuovi PMT che saranno usati durante il Run 3. <\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Conclusioni<\/strong><\/p>\n\n\n\n

LUCID \u00e8 stato un rivelatore estremamente efficace, soprattutto durante il Run 2, e ci aspettiamo che continui a esserlo nel Run 3 e durante HL-LHC. Ci ha insegnato che per certi tipi di rivelatore la semplicit\u00e0 e la ridondanza possono dare risultati stabili e precisi, con i giusti accorgimenti. Inoltre ha portato allo sviluppo di metodi di calibrazione innovativi che potrebbero essere utilizzati anche in futuro in altri rivelatori.<\/p>\n\n\n\n

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Testo a cura di Federico Lasagni Manghi.
Revisione di Giuseppe Carratta.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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