Προτ υπου (Minimal Supersymmetric Standard Model, MSSM).

Transcript

1 υνατ οτητα αν ιχνευσης σωµατιδ ιων Higgs και Φυσικ ης π εραν του Καθιερωµ ενου Προτ υπου στον LHC και µελ ετες επ ι του ανιχνευτ η ακτινο ολ ιας µετ α ασης του πειρ αµατος ATLAS CERN-THESIS /2/22 Βασιλικ ηα. Μ ητσου Εθνικ ο και Καποδιστριακ ο Πανεπιστ ηµιο Αθην ων Τµ ηµα Φυσικ ης ιδακτορικ η διατρι η Γενε υη Φε ρου αριος 22

2

3 Abstract ATLAS, a general purpose proton-proton detector for the Large Hadron Collider (LHC), will be capable of exploring the new energy regime of 14 TeV which will become accessible. LHC is designed to bebuilt in theexisting27-km circumference LEP (Large Electron Positron collider) tunnel at CERN. It is expected to start operating in 26. The Transition Radiation Tracker (TRT) is a combined tracking and electron identification device, which will be part of the inner tracking detector of ATLAS. Tracking is carried out by gas-filled flexible straw tubes, while the interleaving radiators produce detectable X-rays when electrons traverse them. In this thesis, the design of the end-cap TRT is finalized and validated through detailed studies performed on a prototype module. These include full-scale measurements of the anode wire tension and determination of the straw straightness, in order to assure a uniform response along the straws during normal operation. In both tests, the performance of the module was found satisfactory and according to predefined specifications. The gas flow u- niformity is also studied for various gas supply configurations, by exploiting the sensitivity of gas gainon gas composition. It leads to a final gas supply/exhaustscheme forthe TRT end-cap wheels. An analysis of the potential of the ATLAS detector to discover a supersymmetric Higgs boson in the theoretical framework of supergravity has been performed. It is shown that in this model, it will be possible to discover the light Higgs particle across a substantial fraction of the parameter space. For the specific channel studied,, the b-tagging capabilities of the ATLAS inner detector are of great importance. A comparison of the potential for detecting a Standard ModelHiggsbetweenATLASand thedetectorsrunningattevatronisdiscussed. The expected performance by Tevatron for Run II in the ÏÀ channel is found to be rather optimistic. The precision of the mass measurement of the Higgs bosons of the Minimal Supersymmetric S- tandard Model (MSSM) is also investigated. By exploiting the variety of signatures accessible at the LHC, a precision of ¼ ½% to % in a large part of the MSSM parameter space can be accomplished. Keywords: LHC, ATLAS, TRT, transition radiation, gaseous detector, straw tube, Higgs boson, simulation, supersymmetry, supergravity, mass measurement. iii

4 Περ ιληψη Ο ανιχνευτ ης ATLAS, ενα γενικ ων κατευθ υνσεων πε ιραµα πρωτον ιων σε πρωτ ονια για το Μεγ αλο Αδρονικ ο Επιταχυντ η (Large Hadron Collider, LHC), θα µπορ εσει να ερευν ησει πλ ηρως τις υψηλ ες εν εργειες των 14 TeV που θα γ ινουν προσιτ ες. Ο LHC θα εγκατασταθε ιστηνυπ αρχουσα σ ηραγγα του Μεγ αλου Επιταχυντ η Ηλεκτρον ιων Ποζιτρον ιων (Large Electron Positron collider, LEP), µ ηκους περιφ ερειας 27 km, στο CERN. Αναµ ενεται να αρχ ισει τη λειτουργ ια του το 26. Ο Ανιχνευτ ης Ακτινο ολ ιας Μετ α ασης (Transition Radiation Tracker, TRT), οοπο ιος αποτελε ι µ ερος του εσωτερικο υ ανιχνευτ η τουatlas, συνδυ αζει την αν ιχνευση τροχι ων και την αναγν ωριση ηλεκτρον ιων. Ηαν ιχνευση τροχι ων πραγµατοποιε ιται απ ο ε υκαµπτους σωλην ισκους γεµ ατους µε α εριο, εν ωοιενδι αµεσοι ακτινο ολητ ες παρ αγουν ανιχνε υσιµες ακτ ινες-x οταν διασχ ιζονται απ οηλεκτρ ονια. Σε αυτ ητηδιατρι η, τελειοποιε ιται και τεκ- µηρι ωνεται ο σχεδιασµ ος του ακρα ιου TRT µ εσω λεπτοµερ ων µελετ ων επ ι µ ιας πρ οτυπης µον αδας. Αυτ ες περιλαµ ανουν µετρ ησεις πλ ηρους κλ ιµακας της τ ασης του σ υρµατος α- ν οδου και προσδιορισµ ο της κυρτ οτητας των σωλην ισκων, ωστε να εξασφαλιστε ιµ ια οµοι- οµορφη απ οκριση κατ αµ ηκος των σωλην ισκων κατ α την κανονικ η λειτουργ ια. Και στους δ υο ελ εγχους, ηαπ οδοση της µον αδας κρ ιθηκε ικανοποιητικ η σ υµφωνα µε καθορισµ ενες προδιαγραφ ες. Μελετ ηθηκε επ ισης η οµοιοµορφ ια της ρο ης για δι αφορες διατ αξεις τροφοδοσ ιας του αερ ιου, εκµεταλλευ οµενοι την ευαισθησ ια της εν ισχυσης αερ ιου στη σ υνθεση του αερ ιου. Καταλ ηγουµε σε ενα τελικ ο σχεδιασµ ο εισαγωγ ης/εξαγωγ ης αερ ιου για τους τροχο υς του ακρα ιου TRT. Πραγµατοποι ηθηκε µ ια αν αλυση της δυνατ οτητας ανακ αλυψης απ ο τον ανιχνευτ η ATLAS εν ος υπερσυµµετρικο υµποζον ιου Higgs στο θεωρητικ οπλα ισιο της υπερ αρ υτητας. Αποδεικν υεται οτι, σε αυτ ο τοπρ οτυπο, ε ιναι δυνατ η η ανακ αλυψη του ελαφρο υ σωµατιδ ιου Higgs σε µεγ αλο µ ερος του χ ωρου παραµ ετρων. Για το συγκεκριµ ενο καν αλι,, ηικαν οτητα b-σ ηµανσης του εσωτερικο υ ανιχνευτ ητουatlas ε ιναι πρωταρχικ ης σηµασ ιας. Παρουσι αζεται µ ια σ υγκριση της δυνατ οτητας αν ιχνευσης του Higgs του Καθιερωµ ενου Προτ υπου µεταξ υτουatlas και των ανιχνευτ ων του Tevatron. Ηαναµεν οµενη απ οδοση απ οτοtevatron για το Run II στο καν αλι ÏÀ κρ ινεται µ αλλον αισι οδοξη. ιερευν αται επ ισης η ακρ ι εια στη µ ετρηση µ αζας των µποζον ιων Higgs του Ελ αχιστου Υπερσυµµετρικο υκαθιερωµ ενου Προτ υπου (Minimal Supersymmetric Standard Model, MSSM). Εκµεταλλευ οµενοι την ποικιλ ια τελικ ων καταστ ασεων οι οπο ιες ε ιναι προσιτ ες στον LHC, µ ια ακρ ι εια µεταξ υ ¼ ½% και % µπορε ι να επιτευχθε ι σεµεγ αλο µ ερος του χ ωρου παραµ ετρων του MSSM. Λ εξεις-κλειδι α: LHC, ATLAS, TRT, ακτινο ολ ια µετ α ασης, ανιχνευτ ης αερ ιων, σωλην ισκος, µποζ ονιο Higgs, προσοµο ιωση, υπερσυµµετρ ια, υπερ αρ υτητα, µ ετρηση µ αζας. iv

5 Περιεχ οµενα Πρ ολογος xix 1 Εισαγωγ η Θεωρητικ ο πλα ισιο Το Καθιερωµ ενο Πρ οτυπο Ο µηχανισµ ος Higgs Π εραν του Καθιερωµ ενου Προτ υπου Ελ αχιστο Υπερσυµµετρικ ο Καθιερωµ ενο Πρ οτυπο Υπερ αρ υτητα Φυσικ ηστονlhc Το µποζ ονιο Higgs του SM Αλλες δυνατ οτητες φυσικ ης Βασικ ες παρ αµετροι του LHC Το πε ιραµα ATLAS Βασικ ες προδιαγραφ ες Περιγραφ η του ανιχνευτ η Οι µαγν ητες Ο Εσωτερικ ος Ανιχνευτ ης Τα Καλορ ιµετρα Το Φασµατ οµετρο Μιον ιων Το σ υστηµα σκανδ αλης και καταγραφ ης δεδοµ ενων Το λογισµικ ο Γενν ητριες γεγον οτων Προσοµο ιωση του ανιχνευτ η Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης και ο TRT του ATLAS Θεωρητικ η περιγραφ η της ακτινο ολ ιας µετ α ασης Μ ια διαχωριστικ ηεπιφ ανεια Περιοδικ ος ακτινο ολητ ης Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης Απορρ οφηση των φωτον ιων-tr Ιονισµ ος v

6 vi ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Αναγν ωριση σωµατιδ ιων Προηγο υµενοι ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης Ο Ανιχνευτ ης Ακτινο ολ ιας Μετ α ασης του ATLAS Σχεδιασµ ος του ανιχνευτ η Τα ηλεκτρονικ αµ ερη του TRT Μ ετρηση του χρ ονου ολ ισθησης Απ οδοση ως προς την αναγν ωριση σωµατιδ ιων Μελ ετη της αντοχ ης του σ υρµατος αν οδου του TRT Κατασκευ η του προτ υπου Η µον αδα 4-επιπ εδων Το πρ οτυπο 8-επιπ εδων Μελ ετη της µακροπρ οθεσµης αντοχ ης του σ υρµατος Οργανα και διαδικασ ια µ ετρησης Πρ ωτη µ ετρηση της τ ασης (Νο εµ ριος 1998) ε υτερη µ ετρηση της τ ασης (Οκτ ω ριος 1999) Σ υγκριση των αποτελεσµ ατων Συµπερ ασµατα Κυρτ οτητα των σωλην ισκων εν ος τροχο υ του TRT Εισαγωγ η Πειραµατικ η δι αταξη και µ εθοδος µ ετρησης Πειραµατικ η δι αταξη Περιγραφ η της µεθ οδου Στατιστικ η και οµοιοµορφ ια των µετρ ησεων Αποτελ εσµατα των µετρ ησεων ευθ υτητας Μετρ ησεις µετα ολ ης εν ισχυσης αερ ιου Μετα ολ ηεν ισχυσης αερ ιου σε συν αρτηση µε την αζιµουθιακ ηγων ια Μετα ολ η εν ισχυσης αερ ιου λ ογω της ρο ης αερ ιου ιορθωµ ενη µετα ολ η εν ισχυσης αερ ιου Μετατ οπιση του σ υρµατος Επ ιδραση της µετατ οπισης σ υρµατος στη διακριτικ η ικαν οτητα ως προς την εν εργεια Συν επειες µιας πλ αγιας παραµ ορφωσης Συµπερ ασµατα Κατανοµ η του αερ ιου σε εναν τροχ ο του TRT Εισαγωγ η Πειραµατικ η δι αταξη και περιγραφ η της µεθ οδου Μον αδα 4-επιπ εδων Τροφοδοσ ια αερ ιου µε π εντε εισ οδους Τροφοδοσ ια αερ ιου µε µ ια ε ισοδο

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ vii Επ ιδραση της δι αχυσης στο πλα ισιο εισαγωγ ης Πρ οτυπο 8-επιπ εδων Αµεση τροφοδοσ ια αερ ιου Εµµεση τροφοδοσ ια αερ ιου Συµπερ ασµατα υνατ οτητα ανακ αλυψης του Higgs σ υγκριση µε το Tevatron υνατ οτητα ανακ αλυψης του µποζον ιου Higgs απ ο τοatlas Μποζ ονιο Higgs στο SM Μποζ ονια Higgs στο MSSM Σ υγκριση µε το Run II του Tevatron Το καν αλι ÏÀ Αλλα καν αλια Συµπερ ασµατα Το καν αλι απ ο διαδοχικ ες διασπ ασεις υπερσυµµετρικ ων σωµατιδ ιων Εισαγωγ η Υπερσυµµετρικ ες διαδικασ ιες Μ αζες των υπερσυµµετρικ ων ετα ιρων και των µποζον ιων Higgs Ενεργ ες διατοµ ες και λ ογοι διακλ αδωσης ιαδικασ ιες υπο αθρου Παρατηρησιµ οτητα του καναλιο υ Αν αλυση Σ αρωση του χ ωρου παραµ ετρων Μ ετρηση της µ αζας του ελαφρο υ Higgs Συµπερ ασµατα Μετρ ησεις ακρι ε ιας στον τοµ εα Higgs του MSSM Καν αλια δι ασπασης Μ ετρηση της µ αζας των µποζον ιων Higgs Προσδιορισµ ος της παραµ ετρου Ø Ò Συµπερ ασµατα Σ υνοψη και προοπτικ ες 159 Α Υπολογισµ ος της επ ιδρασης της προσκ ολλησης ηλεκτρον ιων σε οξυγ ονο στην εν ισχυση αερ ιου 161 Β Μετα ολ η του πλ ατους σ ηµατος κατ α τη µετα ολ η του α εριου µ ιγµατος 165 Β.1 Μον αδα 4-επιπ εδων: π εντε ε ισοδοι αερ ιου Β.2 Μον αδα 4-επιπ εδων: µ ια ε ισοδος αερ ιου Β.3 Πρ οτυπο 8-επιπ εδων: αµεση παροχ η αερ ιου Β.4 Πρ οτυπο 8-επιπ εδων: εµµεση παροχ η αερ ιου

8 viii ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Γ Υπολογισµ ος της εξ αρτησης του πλ ατους σ ηµατος απ ο τησ υνθεση του αερ ιου171 Πυκν οτητα πιθαν οτητας της περιορισµ ενης κατανοµ ης Gauss 175 Ε ιαχωρισµ ος συµπιπτουσ ων κορυφ ων απ ο δ υο µποζ ονια Higgs 177 Ε.1 Αναλυτικ ηµ εθοδος Ε.2 Προσοµο ιωση Monte-Carlo και προσαρµογ η καµπυλ ων Ε.3 Υπολογισµ ος της µ εσης τιµ ης και της διασπορ ας Βι λιογραφ ια 185

9 Κατ αλογος πιν ακων 1.1 Τα στοιχει ωδη φερµι ονια υλης Τα σωµατ ιδια βαθµ ιδας του Καθιερωµ ενου Προτ υπου Πολλαπλ οτητες σωµατιδ ιων του MSSM Χαρακτηριστικ α λειτουργ ιας του LHC Παρ αµετροι του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η Μετα ολ η τηςεν ισχυσης αερ ιου για δι αφορες τιµ ες της µετατ οπισης σ υρ- µατος, µετρηµ ενη µε µ ιγµα % Ö ¾ % Ç ¾ και σ υρµα διαµ ετρου ¼ Ñ [55] Κατανοµ η τωννεκρ ων καναλι ων αν α επ ιπεδο Ηλεκτρονικ ες κ αρτες, α ερια µ ιγµατα, τιµ ες της ρο ης αερ ιου και της υψηλ ης τ ασης που χρησιµοποι ηθηκαν κατ α τις µετρ ησεις ιασπορ ατηςαπ οκλισης απ οτηµ εση τιµ ηγιαδε ιγµατα που ελ ηφθησαν µε την ιδια τιµ η ρο ης αερ ιου και ηλεκτρονικ ες κ αρτες Κατανοµ η των σωλην ισκων ως προς την εκκεντρ οτητα και τη µετατ οπιση σ υρµατος για την πρ ωτη µον αδα 4-επιπ εδων µετ ατηδι ορθωση για την κλ ιση λ ογω της ρο ης αερ ιου Ταξιν οµηση των 32 σωλην ισκων αν αλογα µε το mode παραµ ορφωσης Παρ αµετροι του προτ υπου δι αχυσης οπως εξ ηχθησαν απ οτηρ υθµιση των πειραµατικ ων καµπυλ ων Ενεργ ος και βαθµονοµηµ ενη ρο ηαερ ιου για ενα σωλην ισκο συνδεµ ενο στο πλ εγµα 2D ( Æ ), χρησιµοποι ωντας π εντε στ οµια εισ οδου και για δι αφορες τιµ ες της ολικ ης ρο ης αερ ιου Ενεργ ος και βαθµονοµηµ ενη ρο η αερ ιου για σωλην ισκους σε δι αφορες θ εσεις στον τροχ ο 4-επιπ εδων, χρησιµοποι ωντας π εντε στ οµια εισ οδου και µε ολικ ηρο η αερ ιου ¾¼ Ð Ενεργ ος και βαθµονοµηµ ενη ρο ηαερ ιου για ενα σωλην ισκο συνδεµ ενο στο πλ εγµα 2A ( ½ Æ ), χρησιµοποι ωντας ενα στ οµιο εισ οδου και για δι αφορες τιµ ες της ολικ ης ρο ης αερ ιου Ενεργ ος και βαθµονοµηµ ενη ρο η αερ ιου για σωλην ισκους σε δι αφορες θ εσεις στον τροχ ο 4-επιπ εδων, χρησιµοποι ωντας ενα στ οµιο εισ οδου και µε ολικ ηρο η αερ ιου ¾¼ Ð ix

10 x ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ 6.6 Ενεργ ος και βαθµονοµηµ ενη ρο η αερ ιου για ενα σωλην ισκο αν ηκοντα στο κελ ι 55 ( Æ ) του προτ υπου 8-επιπ εδων, για δι αφορες τιµ ες της ολικ ης ρο ης και για αµεση παροχ η αερ ιου Ενεργ ος και βαθµονοµηµ ενη ρο η αερ ιου για σωλην ισκους σε δι αφορες θ εσεις στον τροχ ο 8-επιπ εδων, εφαρµ οζοντας αµεση ρο η αερ ιου και µε ο- λικ ηρο η αερ ιου ¾ Ð Ενεργ ος και βαθµονοµηµ ενη ρο η αερ ιου για ενα σωλην ισκο αν ηκοντα στο κελ ι 61 ( Æ ) του προτ υπου 8-επιπ εδων, για δι αφορες τιµ ες της ολικ ης ρο ης και για εµµεση παροχ η αερ ιου Ενεργ ος και βαθµονοµηµ ενη ρο η αερ ιου για σωλην ισκους σε δι αφορες θ εσεις στον τροχ ο 8-επιπ εδων, εφαρµ οζοντας εµµεση ρο η αερ ιου και µε ο- λικ ηρο η αερ ιου ¾ Ð Ενεργ ες διατοµ ες παραγωγ ης για το σ ηµα WH και τις διαδικασ ιες υπο αθρου για σκεδ ασεις ÔÔ στα ½ Ì Î και ÔÔ στα ¾Ì Î Αναµεν οµενοι αριθµο ι γεγον οτων σ ηµατος και υπο αθρου για σκεδ ασεις ÔÔ στα ½ Ì Î µετ ααπ ο ολα τα κριτ ηρια επιλογ ης του ATLAS και για ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ¼ ½ Αναµεν οµενοι αριθµο ι γεγον οτων σ ηµατος και υπο αθρου για σκεδ ασεις ÔÔ στα ½ Ì Î και ÔÔ στα ¾Ì Î µετ ααπ ο ολα τα κριτ ηρια επιλογ ης και για ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ¼ ½ Σ υγκριση µεταξ υτηςαν αλυσης (Α), της αν αλυσης (Α ) και των αποτελεσµ ατων του Tevatron (Β). Παρουσι αζονται οι αναµεν οµενοι αριθµο ιγεγον οτων για Ñ À ½½¼ Î και για ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ¼ ½ Ενδεικτικ α πειραµατικ α ορια στις µ αζες του ελαφρο υ Higgs και των υπερσυµµετρικ ων σωµατιδ ιων Ενεργ ες διατοµ ες παραγωγ ης, αριθµ ος γεγον οτων στο δι αστηµα µ αζας που ικανοποιο υν τα κριτ ηρια προεπιλογ ης και αποδοχ ες για τις διαδικασ ιες υ- πο αθρου και για ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ¼ ½ Μ εση τιµ η της Ñ Ì (για Ñ Ì ¾¼¼ Î) και αποδοχ η, για υπερσυµµετρικ αγεγον οτα σε χαµηλ η φωτειν οτητα, για Ø Ò ¾, Ò ½, ¼ ¼ και για δι αφορα σηµε ια Ñ ¼ Ñ ½ ¾ µ Μ αζες υπερσυµµετρικ ων σωµατιδ ιων, ενεργ ες διατοµ ες και αναµεν οµενοι αριθµο ι σ ηµατος και υπο αθρου για τρ ια σηµε ια της SUGRA και για ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ιση µε ¼ ½ Αναµεν οµενος αριθµ ος γεγον οτων σ ηµατος και υπο αθρου (SUSY+SM), σηµαντικ οτητα, µ αζα του Higgs, διακριτικ η ικαν οτητα στη µ αζα και ακρ ι- εια της µ ετρησης του Ñ, για τρ ια σηµε ια της SUGRA και ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ιση µε ¼ ½ Καν αλια δι ασπασης που χρησιµοποιο υνται για τη µ ετρηση των µαζ ων των Higgs και της παραµ ετρου Ø Ò Ποσοστια ιο σφ αλµα Ñ Ñ για την περιοχ ηανακ αλυψης κ αθε καναλιο υ.. 157

11 Κατ αλογος σχηµ ατων 1.1 Η θεωρητικ η α ε αι οτητα στο κ ατω και ανω οριο του Ñ À Αναµεν οµενες ενεργ ες διατοµ ες για δι αφορες διαδικασ ιεςωςσυν αρτηση της εν εργειας στο κ εντρο µ αζας για σκεδ ασεις Ô-Ô και Ô-Ô ιαδικασ ιες παραγωγ ης του Higgs στον LHC Ενεργ ες διατοµ ες παραγωγ ης Higgs στον LHC για δι αφορες διαδικασ ιες συναρτ ησει της µ αζας του Higgs Ολικ οπλ ατος δι ασπασης του Higgs συναρτ ησει της µ αζας του Λ ογοι διακλ αδωσης του Higgs συναρτ ησει της µ αζας του Ο LHC και το σ υστηµα προ-επιταχυντ ων του Σχηµατικ η δι αταξη του LHC, οπου φα ινονταιοιθ εσεις των πειραµ ατων ιατοµ η εν ος υπεραγ ωγιµου διπολικο υµαγν ητη του LHC Συνοπτικ η εικ ονα του ανιχνευτ η ATLAS Τρισδι αστατη εικ ονα του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η τουatlas Τρισδι αστατη εικ ονα του καλοριµ ετρου του ATLAS ιαµ ηκης κ ατοψη του Φασµατοµ ετρου Μιον ιων του ATLAS Λογικ οδι αγραµµα του συστ ηµατος σκανδ αλης και καταγραφ ης δεδοµ ενων Σ υγκριση της παραγωγ ης TR συναρτ ησει της εν εργειας του φωτον ιου χωρ ις απορρ οφηση απ ο τον ακτινο ολητ η Σ υγκριση της παραγωγ ης TR συναρτ ησει της εν εργειας του φωτον ιου µε α- πορρ οφηση απ ο τον ακτινο ολητ η Αναγν ωριση σωµατιδ ιων µε διαφορετικ ες µεθ οδους για συµπαγε ις ανιχνευτ ες Μετρο υµενη ηαναµεν οµενη απ οδοση πιον ιων για δι αφορους TRDs συναρτ ησει του µ ηκους του ακτινο ολητ η Τρισδι αστατη εικ ονα του TRT Σχηµατικ ο δι αγραµµα των ηλεκτρονικ ων µερ ων του TRT Μετρο υµενη σχ εση Ö Ø για διαφορετικο υς ρυθµο υς καταµ ετρησης Ακρ ι εια και απ οδοση της µ ετρησης του χρ ονου ολ ισθησης συναρτ ησει του ρυθµο υ καταµ ετρησης Απ οδοση σε πι ονια εναντι της απ οδοσης σε ηλεκτρ ονια σε εν εργεια 2 GeV, οπως µετρ ηθηκε µε τον πρ οτυπο τοµ εα xi

12 xii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 4.1 Τ εσσερα επ ιπεδα σωλην ισκων συναρµολογηµ ενα στον εξωτερικ οδακτ υλιο του προτ υπου Το ενεργητικ ο πλ εγµα (active web) υψηλ ης τ ασης και σ ηµατος Η µον αδα 4-επιπ εδων Το πρ οτυπο 8-επιπ εδων τοποθετηµ ενο στο Σταθµ ο οκιµ ης Τροχ ων (WTS) Ηλεκτρονικ ες κ αρτες προσαρτηµ ενες στο πρ οτυπο 8-επιπ εδων Τυπικ ηεικ ονα του Προγρ αµµατος Μ ετρησης της Τ ασης του Σ υρµατος Κατανοµ ες της τ ασης του σ υρµατος για κ αθε επ ιπεδο σωλην ισκων κατ ατην πρ ωτη µ ετρηση Κατανοµ ες της τ ασης για ολα τα σ υρµατα κατ α τηνπρ ωτη µ ετρηση Καµπ υλες συντονισµο υ γιατ εσσερα σ υρµατα Κατανοµ ες της τ ασης του σ υρµατος για κ αθε επ ιπεδο σωλην ισκων κατ ατη δε υτερη µ ετρηση Κατανοµ ες της τ ασης για ολα τα σ υρµατα κατ α τηδε υτερη µ ετρηση Κατανοµ ες της διαφορ ας τ ασης του σ υρµατος µεταξ υπρ ωτης και δε υτερης µ ετρησης για κ αθε επ ιπεδο σωλην ισκων Κατανοµ ες της διαφορ ας τ ασης του σ υρµατος µεταξ υπρ ωτης και δε υτερης µ ετρησης για ολα τα σ υρµατα Μ εση τιµ ητηςτ ασης και µ εση τιµ η της διαφορ ας τ ασης µεταξ υ των δ υο µετρ ησεων κατ α τηδε υτερη µ ετρηση για σ υρµατα απ ο τρ ια κελι α Εγκ αρσια κ ατοψη της πειραµατικ ης δι αταξης για τη µ ετρηση της µετατ οπισης του σ υρµατος στην πρ ωτη µον αδα 4-επιπ εδων Σ υστηµα τροφοδοσ ιας του τροχο υ 4-επιπ εδων µε α εριο Φ ασµα µετ ατηναφα ιρεση του pedestal για ενα σηµε ιο κατ αµ ηκος του σωλην ισκου Προσοµοιωµ ενα φ ασµατα χρησιµοποι ωντας αποτελ εσµατα µετρ ησεων: οι θ εσεις, οι διασπορ ες και οι σχετικ ες συχν οτητες των κορυφ ων εξ αγονται απ ο πειραµατικ α δεδοµ ενα Μετρο υµενη µετα ολ η τηςεν ισχυσης αερ ιου συναρτ ησει της µετατ οπισης σ υρµατος για µ ιγµα % Ö ¾ % Ç ¾, σ υρµα διαµ ετρου ¼ Ñ και υψηλ η τ αση ½ Î Μ εσο πλ ατος σ ηµατος ως συν αρτηση της υψηλ ης τ ασης για δι αφορα α ερια µ ιγµατα και ρο ες αερ ιου. Τα περιθ ωρια σφ αλµατος εκφρ αζουν τη διασπορ α των µετρ ησεων Απ οκλιση (σε %) του σ ηµατος κ αθε σωλην ισκου απ οτηµ εση τιµ η του δε ιγ- µατος ως συν αρτηση του α υξοντος αριθµο υ του σωλην ισκου Κατανοµ ητηςαπ οκλισης (σε %) του σ ηµατος κ αθε σωλην ισκου απ οτηµ εση τιµ η του δε ιγµατος για τις περι οδους 1 και Σχετικ ο πλ ατος σ ηµατος και διακριτικ η ικαν οτητα µετρηµ ενα κατ α µ ηκος εν ος κυρτο υσωλην ισκου Μ εγιστη µετα ολ η εν ισχυσης αερ ιου για ολους τους σωλην ισκους Μ εγιστη µετα ολ η εν ισχυσης αερ ιου για κ αθε επ ιπεδο σωλην ισκων

13 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ xiii 5.12 Μετρο υµενη εκκεντρ οτητα Æ ως συν αρτηση της γων ιας για το πρ ωτο τεταρτηµ οριο του τροχο υ Μετρο υµενη εκκεντρ οτητα Æ ως συν αρτηση της γων ιας για το δε υτερο τεταρτηµ οριο του τροχο υ Μετρο υµενη εκκεντρ οτητα Æ ως συν αρτηση της γων ιας για το τρ ιτο τεταρτηµ οριο του τροχο υ Μετρο υµενη εκκεντρ οτητα Æ ως συν αρτηση της γων ιας για το τ εταρτο τεταρτηµ οριο του τροχο υ Μετα ολ η εν ισχυσης αερ ιου, Æ, σε σχ εση µε την κλ ιση ρο ης για ολους τους 2 82 σωλην ισκους ιορθωµ ενη µετα ολ ηεν ισχυσης αερ ιου, Æ, σε σχ εση µε την κλ ιση ρο ης για ολους τους 2 82 σωλην ισκους Κλ ιση ρο ης για ρο ηαερ ιου ιση µε ¾¾ Ð για σωλην ισκους των επιπ εδων 2, 3 και Κλ ιση ρο ης για ρο ηαερ ιου ιση µε ½¼ Ð για σωλην ισκους των επιπ εδων 2, 3 και Κλ ιση ρο ης για ρο η αερ ιου ιση µε ¾¾ Ð για ολους τους σωλην ισκους του πλ εγµατος 11D ( ½ ¼ σωλην ισκοι), και για τις δ υο κατευθ υνσεις ρο ης Μ εγιστη µετα ολ η εν ισχυσης αερ ιου για ολους τους σωλην ισκους µετ α τη δι ορθωση για την κλ ιση ρο ης Μ εγιστη µετα ολ ηεν ισχυσης αερ ιου για κ αθε επ ιπεδο σωλην ισκων µετ ατη δι ορθωση για την κλ ιση ρο ης Μετατ οπιση σ υρµατος για κ αθε επ ιπεδο σωλην ισκων µετ ατηδι ορθωση για την κλ ιση ρο ης Κανονικοποιηµ ενο µ εγιστο ε υρος Ñ Ü Ú συναρτ ησει της παραµ ετρου Æ για ολους τους σωλην ισκους Κανονικοποιηµ ενο µ εγιστο ε υρος Ñ Ü Ú συναρτ ησει της παραµ ετρου Æ για σωλην ισκους µε Ñ Ü και Ñ Ü στο κ εντρο Μετα ολ η τουε υρους Æ συναρτ ησει της παραµ ετρου Æ για ολους τους 1 22 σωλην ισκους Μετα ολ ητουε υρους Æ συναρτ ησει της παραµ ετρου Æ για σωλην ισκους µε Ñ Ü και Ñ Ü στο κ εντρο Πλ ατος σ ηµατος χωρ ις παραµ ορφωση και απ οκλιση του πλ ατους απ ο την αρχικ ητιµ ηγιαδι αφορες τιµ ες της ÆÞ σε κ αθε σηµε ιο για ολους τους 32 σωλην ισκους Πλ αγια δ υναµη επιφερ οµενη στον εσωτερικ ο δακτ υλιο και τα δ υο modes παραµ ορφωσης Καµπ υλη βαθµον οµησης της ενεργο υ σεσχ εση µε την πραγµατικ η ρο η αερ ιου για αµεση παροχ η αερ ιου Καµπ υλη βαθµον οµησης της ενεργο υ σεσχ εση µε την πραγµατικ η ρο η αερ ιου για εµµεση παροχ η αερ ιου

14 xiv ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 6.3 Σχηµατικ η δι αταξη της µον αδας 4-επιπ εδων οπου φα ινονται οι θ εσεις των στοµ ιων εισ οδου και εξ οδου του αερ ιου. Για τις µετρ ησεις µε µ ια ε ισοδο, χρησιµοποι ηθηκε το «στ οµιο αναφορ ας» (reference inlet) Βαθµονοµηµ ενη ρο η,, σε σχ εση µε την ολικ η ρο η αερ ιου,, για ενα σωλην ισκο συνδεµ ενο στο πλ εγµα 2D ( Æ ) και χρησιµοποι ωντας π εντε στ οµια εισ οδου Ενεργ ος ρο η αερ ιου,, σε σχ εση µε την απ οσταση απ ο τηνε ισοδο αναφορ ας,, για δι αφορους σωλην ισκους, χρησιµοποι ωντας π εντε στ οµια εισ οδου και µε ολικ ηρο ηαερ ιου ¾¼ Ð Βαθµονοµηµ ενη ρο η,, σε σχ εση µε την ολικ ηρο ηαερ ιου,, για ενα σωλην ισκο συνδεµ ενο στο πλ εγµα 2A ( ½ Æ ) και χρησιµοποι ωντας ενα στ ο- µιο εισ οδου Ενεργ ος ρο η αερ ιου,, σε σχ εση µε την απ οσταση απ ο τηνε ισοδο αναφορ ας,, για δι αφορους σωλην ισκους, χρησιµοποι ωντας ενα στ οµιο εισ οδου και µε ολικ ηρο η αερ ιου ¾¼ Ð Σχηµατικ ηεικ ονα της παροχ ης αερ ιου στο πρ οτυπο 8-επιπ εδων, οπου η µ ια µον αδα 4-επιπ εδων τροφοδοτε ιται «αµεσα» και η αλλη «εµµεσα» Βαθµονοµηµ ενη ρο η,, σε σχ εση µε την ολικ η ρο η αερ ιου,, για ενα σωλην ισκο αν ηκοντα στο κελ ι 55 ( Æ ) και τροφοδοτο υµενο µε α εριο αµεσα Ενεργ ος ρο ηαερ ιου,, σε σχ εση µε την απ οσταση απ ο το ενα στ οµιο εισ οδου,, για δι αφορους σωλην ισκους, εφαρµ οζοντας αµεση ρο η αερ ιου και µε ολικ ηρο ηαερ ιου ¾ Ð Βαθµονοµηµ ενη ρο η,, σε σχ εση µε την ολικ ηρο ηαερ ιου,, για ενα σωλην ισκο αν ηκοντα στο κελ ι 61 ( Æ ) και τροφοδοτο υµενο µε α εριο εµµεσα Ενεργ ος ρο ηαερ ιου,, σε σχ εση µε την απ οσταση απ ο το ενα στ οµιο εισ οδου,, για δι αφορους σωλην ισκους, εφαρµ οζοντας εµµεση ρο ηαερ ιου και µε ολικ ηρο ηαερ ιου ¾ Ð Ευαισθησ ια του ATLAS στην ανακ αλυψη εν ος µποζον ιου Higgs του SM Ευαισθησ ια του ATLAS στην ανακ αλυψη µποζον ιων Higgs του MSSM Αναµεν οµενες κατανοµ ες Ñ για το σ ηµα WH και το υπ ο αθρο για µ αζες του Higgs 1 GeV και 12 GeV, για σκεδ ασεις ÔÔ στα 14 TeV µε ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ¼ ½ Αναµεν οµενες κατανοµ ες Ñ για το σ ηµα WH και το υπ ο αθρο για µ αζες του Higgs 1 GeV και 12 GeV, για σκεδ ασεις ÔÔ στα 2 TeV µε ολοκληρω- µ ενη φωτειν οτητα ¼ ½ Καµπ υλες σταθερ ης Ñ, Ñ και Ñ Ñ Õ στο επ ιπεδο Ñ ¼ Ñ ½ ¾ µ για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Καµπ υλες σταθερ ης Ñ ¼ ½ και Ñ ¼ ¾, Ñ στο επ ιπεδο Ñ ½ ¼ Ñ ½ ¾ µ για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Καµπ υλες σταθερ ης Ñ και Ñ

15 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ xv 8.4 Καµπ υλες σταθερ ης ολικ ης ενεργο υ διατοµ ης, ËÍË, για ολες τις διαδικασ ιες SUSY που περιλαµ ανονται στην È ÌÀÁ για Ø Ò ½¼, Ò ½ και ¼ ¼ Συνεισφορ α της παραγωγ ης ½ ½ στην ολικ ηενεργ οδιατοµ η για υπερσυµ- µετρικ α γεγον οτα, για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Συνεισφορ α της παραγωγ ης ½ ¼ ¾ στην ολικ ηενεργ οδιατοµ η για υπερσυµ- µετρικ α γεγον οτα, για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Συνεισφορ α της παραγωγ ης Õ Õ στην ολικ ηενεργ οδιατοµ η για υπερσυµµετρικ αγεγον οτα, για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Συνεισφορ α της παραγωγ ης Õ στην ολικ ηενεργ οδιατοµ η για υπερσυµµετρικ αγεγον οτα, για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Συνεισφορ α της παραγωγ ης στην ολικ ηενεργ οδιατοµ η για υπερσυµµετρικ αγεγον οτα, για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Καµπ υλες σταθερο υ λ ογου διακλ αδωσης της δι ασπασης Καµπ υλες σταθερο υ λ ογου διακλ αδωσης της δι ασπασης ¼ ¾ ¼ ½h Λ ογος διακλ αδωσης της δι ασπασης Õ Õ στο επ ιπεδο Ñ ¼ Ñ ½ ¾ µ για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Λ ογος διακλ αδωσης της δι ασπασης Õ ½ Õ στο επ ιπεδο Ñ ¼ Ñ ½ ¾ µ για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Λ ογος διακλ αδωσης της δι ασπασης Õ ¼ ¾Õ στο επ ιπεδο Ñ ¼ Ñ ½ ¾ µ για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Λ ογος διακλ αδωσης της δι ασπασης Õ ¼ ½Õ στο επ ιπεδο Ñ ¼ Ñ ½ ¾ µ για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Λ ογος διακλ αδωσης της δι ασπασης ÕÕ στο επ ιπεδο Ñ ¼ Ñ ½ ¾ µ για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Λ ογος διακλ αδωσης της δι ασπασης Ø ½ Ø στο επ ιπεδο Ñ ¼ Ñ ½ ¾ µ για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ ÔÔ µ ØÓØ ËÍË (σε %) για τις σηµαντικ οτερες διαδικασ ιες παραγωγ ης SUSY στο επ ιπεδο Ñ ¼ Ñ ½ ¾ µ Πολλαπλ οτητες και κατανοµ ες της Ô Ì για π ιδακες, b-π ιδακες και λεπτ ονια για γεγον οτα t t µε Ñ Ì ¾¼¼ Î για ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ¼ ½ Κατανοµ ες της ανακατασκευασµ ενης µ αζας Ñ µετ α την επι ολ ητωντο- µ ων επιλογ ης για τρ ια διαφορετικ α σ υνολα παραµ ετρων της SUGRA και για ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ιση µε ¼ ½ Καµπ υλες -παρατηρησιµ οτητας του απ ο διαδοχικ ες διασπ ασεις σωµατιδ ιων SUSY για Ø Ò ¾, Ò ½και ¼ ¼ Καµπ υλες -παρατηρησιµ οτητας του απ ο διαδοχικ ες διασπ ασεις σωµατιδ ιων SUSY για Ø Ò ¾, Ò ½ και ¼ ¼ Καµπ υλες -παρατηρησιµ οτητας του απ ο διαδοχικ ες διασπ ασεις σωµατιδ ιων SUSY για Ø Ò ½¼, Ò ½και ¼ ¼ Καµπ υλες -παρατηρησιµ οτητας του απ ο διαδοχικ ες διασπ ασεις σωµατιδ ιων SUSY για Ø Ò ½¼, Ò ½ και ¼ ¼

16 xvi ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 8.25 Καµπ υλες -παρατηρησιµ οτητας του απ ο διαδοχικ ες διασπ ασεις σωµατιδ ιων SUSY για Ø Ò ¼, Ò ½και ¼ ¼ Καµπ υλες -παρατηρησιµ οτητας του απ ο διαδοχικ ες διασπ ασεις σωµατιδ ιων SUSY για Ø Ò ¼, Ò ½ και ¼ ¼ παρατηρησιµ οτητα του απ ο διασπ ασεις σωµατιδ ιων SUSY στο επ ιπεδο Ñ Ø Ò µ παρατηρησιµ οτητα του απ ο διασπ ασεις σωµατιδ ιων SUSY στο επ ιπεδο Ñ Ø Ò µ Κατανοµ η τηςñ για το ολικ ο υπ ο αθρο και για το αθροισµα του σ η- µατος µε Ñ ¼¼ Î και Ñ ½ Î και του υπο αθρου, για ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ¼ ½ και Ø Ò ½ Κατανοµ η τηςñ για το υπ ο αθρο t t, για το ολικ ο υπ ο αθρο και για το αθροισµα του σ ηµατος À µε Ñ ¼¼ Î και του υπο αθρου, για ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ¼ ½ και Ø Ò ¼ Αναµεν οµενα ποσοστια ια σφ αλµατα στη µ ετρηση της µ αζας του µποζον ιου- ¼ στο επ ιπεδο Ñ Ø Ò µ Αναµεν οµενα ποσοστια ια σφ αλµατα στη µ ετρηση της µ αζας του µποζον ιου- À ¼ στο επ ιπεδο Ñ Ø Ò µ Αναµεν οµενα ποσοστια ια σφ αλµατα στη µ ετρηση της µ αζας του µποζον ιου- ¼ στο επ ιπεδο Ñ Ø Ò µ Περιοχ η δυνητικ ης ανακ αλυψης του καναλιο υ À και καµπ υλες ισου Ñ À Ñ µ Ñ Περιοχ η δυνητικ ης ανακ αλυψης του καναλιο υ À και καµπ υλες ισου Ñ À Ñ µ Ñ Αναµεν οµενα ποσοστια ια σφ αλµατα στη µ ετρηση της µ αζας των µποζον ιων À ¼ και ¼ στο επ ιπεδο Ñ Ø Ò µ Αναµεν οµενα ποσοστια ια σφ αλµατα στη µ ετρηση της µ αζας των µποζον ιων ¼, À ¼, και ¼, στο επ ιπεδο Ñ Ø Ò µ µε συνδυασµ ο ολων των καναλι ων Αναµεν οµενη ακρ ι εια στη µ ετρηση της µ αζας των µποζον ιων Higgs του MSSM για Ø Ò =1.5, 3, 1, και 3 συναρτ ησει της Ñ Αναµεν οµενοι ρυθµο ι παραγωγ ης και ποσοστια ια σφ αλµατα στις µετρο υ- µενες τιµ ες τους για τα καν αλια À, À, και À µ Αναµεν οµενο ποσοστια ιο σφ αλµα στη µ ετρηση της παραµ ετρου Ø Ò στο επ ιπεδο Ñ Ø Ò µ Αναµεν οµενη ακρ ι εια στη µ ετρηση της µ αζας της παραµ ετρου Ø Ò για Ñ =15 GeV και 3 GeV συναρτ ησει της Ø Ò Α.1 Περιεκτικ οτητα σε οξυγ ονο και λ ογος εν ισχυσης αερ ιου για δ υο τιµ ες της ρο ης αερ ιου Β.1 Æ, ¾¼Ð Β.2 Æ, ¼Ð Β.3 Æ, ¼Ð

17 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ xvii Β.4 Æ, ¾¼Ð Β.5 ½ Æ, ¾¼Ð Β.6 ¾¾ Æ, ¾¼Ð Β.7 ¾ Æ, ¾¼Ð Β.8 ¼ Æ, ¾¼Ð Β.9 Æ, ¾¼Ð Β.1 ½ Æ, ½¼Ð Β.11 ½ Æ, ¾¼Ð Β.12 ½ Æ, ¼Ð Β.13 ½½ Æ, ¾¼Ð Β.14 Æ, ¾¼Ð Β.15 Æ, ¾¼Ð Β.16 ½ Æ, ¾¼Ð Β.17 Æ, ½ Ð Β.18 Æ, ¾¼Ð Β.19 Æ, ¾ Ð Β.2 ¼ Æ, ¾ Ð Β.21 ¼ Æ, ¾ Ð Β.22 Æ, ½ Ð Β.23 Æ, ¾¼Ð Β.24 Æ, ¾ Ð Β.25 ¼ Æ, ¾ Ð Β.26 Æ, ¾ Ð Γ.1 Υπολογιζ οµενες συγκεντρ ωσεις για το εισερχ οµενο α εριο ¾ και το εξερχ ο- µενο α εριο ½ για δ υο διαφορετικ ες θ εσεις: Ü ½ ¾Ñκαι Ü ¾ ¾ Ñ Γ.2 Υπολογιζ οµενο σχετικ οπλ ατος σ ηµατος και η πρ ωτη παρ αγωγος ως προς το χρ ονο για δ υο διαφορετικ ες θ εσεις: Ü ½ ¾Ñκαι Ü ¾ ¾ Ñ Ε.1 Κατανοµ η τουσ ηµατος και του υπο αθρου προσαρµοσµ ενη µε την G+B και την G+G+B Ε.2 Τιµ ες της ¾ συναρτ ησει της διαφορ ας µαζ ων των Higgs για τις προσαρµογ ες G+B και G+G+B, καθ ως και η διαφορ α τους Ε.3 Κατανοµ η των µετρο υµενων τιµ ων της Ñ για δι αφορες τιµ ες της Ñ À Ñ. 18 Ε.4 Κατανοµ η των µετρο υµενων τιµ ων της Ñ À για δι αφορες τιµ ες της ποσ οτητας Ñ À Ñ Ε.5 Κατανοµ η των µετρο υµενων τιµ ων της Ñ À Ñ για δι αφορες τιµ ες της Ñ À Ñ Ε.6 Μετρο υµενες τιµ ες της µ εσης τιµ ης των µαζ ων των µποζον ιων Higgs, της µ αζας του ¼, και της µ αζας του À ¼ συναρτ ησει της διαφορ ας µαζ ων Ε.7 Μετρο υµενες τιµ ες της διαφορ ας µαζ ων των µποζον ιων Higgs, Ñ À Ñ, συναρτ ησει της πραγµατικ ης διαφορ ας µαζ ων

18 Ευχαριστ ιες Θα ηθελα να ευχαριστ ησω τους επι λ εποντ ες µου, καθηγητ ες του Τµ ηµατος Φυσικ ης του Πανεπιστηµ ιου Αθην ων, ρ. Π. Ιω αννου, Καθ. Α. Λαχαν ακαι ρ.. Φασουλι ωτη. Οι συµ- ουλ ες και υποδε ιξεις τους καθ ορισαν σηµαντικ α τη µορφ η και το περιεχ οµενο της τελικ ης εργασ ιας. Η παρο υσα µελ ετη δε θα ηταν δυνατ ο να πραγµατοποιηθε ιχωρ ις την αµεση και συνεχ η καθοδ ηγηση του ρ. D. Froidevaux, τον οπο ιο ευγνωµον ω. Σε δι αφορα στ αδια της εργασ ιας, συνεργ αστηκα στεν α µεδι αφορα µ ελη της οµ αδας του TRT του πειρ αµατος ATLAS. Ο ρ. S. Mouraviev µε κατατ οπισε σε θ εµατα λειτουργ ιας των αναλογικ ων θαλ αµων και µε καθοδ ηγησε σε ολες τις σχετικ ες µελ ετες. Με τους ρες E. Barberio, A. Lucotte και M. Capeans ε ιχα πολλ ες και ενδιαφ ερουσες συζητ ησεις π ανω σε προ λ ηµατα του ανιχνευτ η. Ο- φε ιλω επ ισης να ευχαριστ ησω το ρ. F. Dittus για τις κριτικ ες του υποδε ιξεις. Οι ερευνες οι σχετικ ες µε τη δυνατ οτητα ανακ αλυψης του µποζον ιου Higgs εγιναν σε στεν η συνεργασ ια µε τη ρ. E. Richter-Was. Οι ρες K. Jakobs και F. Gianotti προσ εφεραν επ ισης στην ολοκλ ηρωση των µελετ ων αυτ ων µε χρ ησιµες υποδε ιξεις. Η διατρι η αυτ η εκπον ηθηκε κατ α σηµαντικ ο µ ερος στο CERN στα πλα ισια του προγρ αµµατος εν ισχυσης υποψ ηφιων διδακτ ορων (Doctoral Student Programme). Επιπλ εον, οφε ιλω να αναγνωρ ισω την οικονοµικ η συµ ολ η του Ιδρ υµατος Κρατικ ων Υποτροφι ων (ΙΚΥ). Τ ελος, θα ηθελα να ευχαριστ ησω θερµ ατον ικο Μαυρ οµµατο για την αµ εριστη συµπαρ ασταση και βο ηθεια καθ ολη τη δι αρκεια της διαµον ης µου στη Γενε υη. xviii

19 Πρ ολογος Το Καθιερωµ ενο Πρ οτυπο παρ εχει µ ια επιτυχ η περιγραφ η των αλληλεπιδρ ασεων µεταξ υ των στοιχειωδ ων σωµατιδ ιων εως την ενεργειακ η κλ ιµακα που εχει καλυφθε ι µ εχρι τ ωρα απ οταυπ αρχοντα πειρ αµατα υψηλ ων ενεργει ων. Μολατα υτα, δε θεωρε ιται η τελικ ηθεωρ ια της σωµατιδιακ ης φυσικ ης, κυρ ιως επειδ η δεν περιλαµ ανει τη βαρυτικ η αλληλεπ ιδραση και απαιτε ι υψηλ ο αριθµ ο ελε υθερων παραµ ετρων. Επιπλ εον, ο µηχανισµ ος κατ α τον οπο ιον αποκτο υν µ αζα τα συστατικ αστοιχε ια της υλης και τα διανυσµατικ αµποζ ονια που σχετ ιζονται µε τις ηλεκτρασθενε ις αλληλεπιδρ ασεις δεν εχει διερευνηθε ι πειραµατικ α ακ οµη. Το µποζ ονιο Higgs, ειδικ οτερα, το οπο ιο προκ υπτει ε αν αυτ ος ο µηχανισµ ος ισχ υει, δεν εχει ανακαλυφθε ι. ΟΜεγ αλος Αδρονικ ος Επιταχυντ ης (LHC), οοπο ιος κατασκευ αζεται στο CERN, 1 θα προσφ ερει ενα ν εο ε υρος ενεργει ων στην πειραµατικ η σωµατιδιακ η φυσικ ηκαιθαθ εσει σε δοκιµασ ια τα δι αφορα θεωρητικ απρ οτυπα που προτε ινονται ως επεκτ ασεις η αναπληρ ωσεις του Καθιερωµ ενου Προτ υπου. εσµες πρωτον ιων εν εργειας 7 TeV θα συγκρο υονται µετωπικ αµεφωτειν οτητα µ εχρι ½¼ cm ¾ s ½, στο κ εντρο δ υο ανιχνευτ ων γενικ ης χρ ησης του ATLAS και του CMS. Η διατρι ηαυτ ηπεριλαµ ανει θ εµατα σχετικ αµετηφυσικ η του µποζον ιου Higgs στον LHC, καθ ως και µελ ετες επ ι του Ανιχνευτ η Ακτινο ολ ιας Μετ α ασης (TRT) για το πε ιραµα ATLAS. Καλ υπτει την εργασ ια που πραγµατοπο ιησε η συγγραφ εας απ ο τον Ιο υνιο 1998 εως το Νο εµ ριο 21 στο CERN ως µ ελος της συνεργασ ιας ATLAS. Στο Κεφ. 1,µετ α απ ο µ ια παρουσ ιαση των κιν ητρων απ ο θεωρητικ ης πλευρ ας για την εισαγωγ η του µποζον ιου Higgs, γ ινεται µ ια σ υντοµη θε ωρηση των αποτελεσµ ατων για «ν εα φυσικ η» που αναµ ενονται απ ο τονlhc, καθ ως και µ ια περιγραφ η των τεχνικ ων χαρακτηριστικ ων της ιδιας της µηχαν η. Τη γενικ ηπεριγραφ η των ανιχνευτικ ων διατ αξεων του ATLAS του Κεφ. 2,ακολουθε ι στοκεφ.3ηθεωρ ια της παραγωγ ης και αν ιχνευσης της α- κτινο ολ ιας µετ α ασης, καθ ως και µ ια αναλυτικ ηπεριγραφ η τουtrt. Μετ ααπ οµ ια συνοπτικ ηπεριγραφ η των χαρακτηριστικ ων και των διαδικασι ων κατασκευ ης του προτ υπου τροχο υ, στο Κεφ.4µελετ αται η αντοχ ητηςτ ασης του ν ηµατος αν οδου στο χρ ονο. Ητ αση ολων των περ ιπου 3 συρµ ατων του ακρα ιου τροχο υ 4-επιπ εδων, µετρηµ ενη αµ εσως µετ α την κατασκευ ητου, συγκρ ινεται µε την αντ ιστοιχη µετρηµ ενη ενα 1 Το CERN, ο Ευρωπα κ ος Οργανισµ ος Πυρηνικ ων Ερευν ων (European Organization for Nuclear Research), βρ ισκεται στη Γενε υη της Ελ ετ ιας. Χ ωρες-µ ελη ε ιναι η Αυστρ ια, το Β ελγιο, η Βουλγαρ ια, ηγαλλ ια, ηγερ- µαν ια, η αν ια, η Ελ ετ ια, ηελλ αδα, το Ηνωµ ενο Βασ ιλειο, ηιταλ ια, η Ισπαν ια, η Νορ ηγ ια, η Ολλανδ ια, η Ουγγαρ ια, ηπολων ια, η Πορτογαλ ια, η ηµοκρατ ια της Σλο ακ ιας, η Σουηδ ια, η ηµοκρατ ια της Τσεχ ιας και η Φιλανδ ια. xix

20 xx Πρ ολογος χρ ονο αργ οτερα. Στις µετρ ησεις εφαρµ οστηκε η µ εθοδος µηχανικο υ συντονισµο υσεακουστικ ες συχν οτητες απουσ ια µαγνητικο υπεδ ιου. Στο Κεφ.5παρουσι αζονται τα αποτελ εσµατα και η ερµηνε ια των µετρ ησεων κυρτ οτητας που εγιναν σε ολους τους σωλην ισκους του πρ ωτου ακρα ιου τροχο υ 4-επιπ εδων του ATLAS TRT. Η κυρτ οτητα προσδιορ ιζεται µ εσω της µετρο υµενης µετα ολ ης της εν ισχυσης αερ ιου κατ α µ ηκος των σωλην ισκων. Η κατανοµ ητουαερ ιου στην πρ ωτη µον αδα 4-επιπ εδων καθ ως και στον πρ οτυπο τροχ ο 8-επιπ εδων µελετ αται στο Κεφ. 6.Ηρο η τουαερ ιου σε εναν σωλην ισκο εκτιµ αται απ ο τη µετα ολ ητηςεν ισχυσης αερ ιου λ ογω αλλαγ ης της σ υνθεσης του αερ ιου. Μετρ ηθηκε η ρο η σε σωλην ισκους σε δι αφορες θ εσεις ως προς τις εισ οδους του αερ ιου, χρησιµοποι ωντας µ ια, δ υο ητρειςεισ οδους και δι αφορες τιµ ες ολικ ης ρο ης. Την παρουσ ιαση των καναλι ων αν ιχνευσης εν ος µποζον ιου Higgs µε το ATLAS, ακολουθε ιστοκεφ.7µ ια σ υγκριση της δυνατ οτητας αν ιχνευσης του Higgs του Καθιερωµ ενου Προτ υπου µεταξ υ τουatlas και των ανιχνευτ ων του Tevatron. Στο Κεφ. 8µελετ αται η δυνατ οτητα παρατ ηρησης του ελαφρο υ βαθµωτο υ µποζον ιου Higgs µ εσω της δι ασπασης στην περ ιπτωση που αυτ ο ικανοποιε ι τις προ λ εψεις της υπερ αρ υτητας. Οι υπερσυµµετρικ ες διαδικασ ιες παραγωγ ης περιλαµ ανουν µεταξ υ αλλων την παραγωγ η Õ Õ, Õ,. Το µποζ ονιο- ¼ παρ αγεται κυρ ιως µ εσω της δι ασπασης ¼ ¾ ¼ ½ h, οπου το ¼ ¾ προκ υπτει ε ιτε απ ο διαδοχικ ες διασπ ασεις ισχυρ α παραγοµ ενων squarks και gluinos, ε ιτε απ ο αµεση παραγωγ η εν ος ζε υγους charginos η neutralinos. Τα µποζ ονια Higgs του Ελ αχιστου Υπερσυµµετρικο υκαθιερωµ ενου Προτ υπου (MSSM) µπορο υν να ανιχνευθο υν µε το ATLAS µ εσω πολλ ων καναλι ων δι ασπασ ης τους και σε µεγ αλο µ ερος του χ ωρου παραµ ετρων. Ηακρ ι εια µ ετρησης των µαζ ων των µποζον ιων Higgs συζητι εται στο Κεφ. 9,καθ ως και εκε ινη του λ ογου των αναµεν οµενων τιµ ων στο κεν ο των δ υο διπλετ ων Higgs, Ø Ò. Στο τ ελος, συνοψ ιζονται τα συµπερ ασµατα στα οπο ια οδηγε ι ηεργασ ια αυτ η. ινεται επ ισης µ ια προοπτικ η εικ ονα της εργασ ιας στα πλα ισια κατασκευ ης του ATLAS TRT και της προετοιµασ ιας του πειρ αµατος για αν αλυση των δεδοµ ενων. Η διατρι η συµπληρ ωνεται απ ο παραρτ ηµατα, τα περισσ οτερα απ οταοπο ια αποτελο υν υπολογισµο υς απαρα ιτητους για την καταν οηση µετρητικ ων διαδικασι ων. Τα αποτελ εσµατα που παρουσι αζονται σε αυτ η τηνεργασ ια εχουν παρουσιαστε ι ε ιτε σε συναντ ησεις και workshops του ATLAS TRT, ε ιτεσεσυναντ ησεις της οµ αδας εργασ ιας για το Higgs (Higgs working group) του ATLAS. Εχουν τεκµηριωθε ι σε σχετικ ες εσωτερικ ες δηµοσιε υσεις του ATLAS (internal notes) [45, 53, 58, 64, 67, 77]. Τα αποτελ εσµατα των Κεφαλα ιων 8 και 9, ειδικ οτερα, εχουν συµπεριληφθε ιστο"atlas Detector and Physics Performance Technical Design Report" [28].

21 Κεφ αλαιο 1 Εισαγωγ η 1.1 Θεωρητικ ο πλα ισιο Το Καθιερωµ ενο Πρ οτυπο Οι πειραµατικ ες ανακαλ υψεις και οι θεωρητικ ες εξελ ιξεις των τελευτα ιων δεκαετι ων εχουν αναγορε υσει το Καθιερωµ ενο Πρ οτυπο (Standard Model, SM) ως το πιο επιτυχηµ ενο µοντ ελο για την περιγραφ η της φυσικ ης στοιχειωδ ων σωµατιδ ιων. Λεπτοµερε ις περιγραφ ες των αρχ ων και των προ λ εψε ων του ε ιναι διαθ εσιµες σε πολλ α βι λ ια [1]. Μ ια απ ο τις θεµελι ωδεις αρχ ες της σ υγχρονης θεωρητικ ης φυσικ ης ε ιναι η συµµετρ ια. Εκτ ος απ ο τις γνωστ ες χωροχρονικ ες και διακριτ ες συµµετρ ιες, ηφ υση χαρακτηρ ιζεται και απ ο συµµετρ ιες βαθµ ιδας (gauge symmetries). Οταν αυτ ες ε ιναι καθολικ ες (global), δηλ. σταθερ ες σε κ αθε χωρο-χρονικ ο σηµε ιο, συνεπ αγονται τη διατ ηρηση µεγεθ ων. Για παρ αδειγµα, η Lagrangian εν ος ελε υθερου βαθµωτο υ πεδ ιου µε µ αζα Ñ Ä µ ½ ¾ ½ ¾ Ѿ (1.1) ε ιναι αναλλο ιωτη κ ατω απ ο µετασχηµατισµο υς φ ασης ««σταθερ η (1.2) Τ οτε, σ υµφωνα µε το θε ωρηµα της Noether [2], το ρε υµα  µ αποτελε ι διατηρ ησιµη ποσ οτητα, δηλ.  ¼. Οι τοπικ ες (local) συµµετρ ιες βαθµ ιδας, απ οτην αλλη πλευρ α, συσχετ ιζονται αµεσα µε τις φυσικ ες αλληλεπιδρ ασεις προκειµ ενου µ ια θεωρ ια να παραµ ενει αναλλο ιωτη κ ατω απ ο τοπικο υς µετασχηµατισµο υς φ ασης, απαιτε ιται η εισαγωγ η διανυσµατικ ων πεδ ιων, τα ο- πο ια συνιστο υν τους φορε ις µιας αλληλεπ ιδρασης µεταξ υ των σωµατιδ ιων της υλης. Η Lagrangian (1.1), π.χ., ε ιναι αναλλο ιωτη σε τοπικο υς µετασχηµατισµο υς βαθµ ιδας «Üµ (1.3) ε αν εισαχθε ι στηθεωρ ια ενα διανυσµατικ οπεδ ιο, µ εσω της αντικατ αστασης της συν ηθους παραγ ωγου απ ο τοσυναλλο ιωτη παρ αγωγο (covariant derivative). 1

22 2 Εισαγωγ η Το πεδ ιο µετασχηµατ ιζεται ως Εξ. (1.3). Ετσι η Lagrangian γρ αφεται ως Ä µ ½ ¾ ½ ¾ «κ ατω απ ο τηµετα ολ η βαθµ ιδας της ½ ¾ Ѿ ½ ¾ Ѿ ½ ½ ½ ¾  ½ ¾ (1.4) οπου ½ ε ιναι ο τανυστ ης ισχ υος πεδ ιου. Οι οροι ¾  και ½ ¾ εκφρ αζουν την αλληλεπ ιδραση του αρχικο υπεδ ιου µε το διανυσµατικ οπεδ ιο, εν ωο ½ ορος ε ιναι ο ορος κινητικ ης εν εργειας του πεδ ιου. Το SM επιχειρε ι ναπεριγρ αψει µε αυτ ον τον τρ οπο 1 τις αλληλεπιδρ ασεις των τρι ων γενε ων quarks και λεπτον ιων, οι οπο ιες καθορ ιζονται απ οµ ια µη-αβελιαν ηθεωρ ια βαθµ ιδας βασισµ ενη στην οµ αδα συµ- µετρ ιας ËÍ µ Å ËÍ ¾µ Ä Å Í ½µ, οπου οι παρ αγοντες του γινοµ ενου αναφ ερονται στις ισχυρ ες, ασθενε ις και ηλεκτροµαγνητικ ες αλληλεπιδρ ασεις, αντ ιστοιχα. Υπ αρχουν δ υο τ υποι σωµατιδ ιων στο SM: φερµι ονια µε spin ½ (σωµατ ιδια ¾ υλης) και µποζ ονια βαθµ ιδας µε spin 1(φορε ις των αλληλεπιδρ ασεων µεταξ υ των σωµατιδ ιων υλης). Υποθετικ η παραµ ενει η υπαρξη εν ος τουλ αχιστον βαθµωτο υ σωµατιδ ιου Higgs, το οπο ιο σχετ ιζεται µε την αυθ ορµητη παρα ιαση της ËÍ ¾µ Ä, οπως θα δειχθε ι στηνπαρ Το u-quark, το d-quark, το ηλεκτρ ονιο και το ηλεκτρονικ ο νετρ ινο ε ιναι τα δοµικ αστοιχε ια της συνηθισµ ενης υλης. Αυτ οτοσχ ηµα επαναλαµ ανεται τρεις φορ ες («γενε ες»), οπως φα ινεται στον Π ινακα 1.1. I II III Quarks ονοµα σ υµ ολο ηλεκτρικ ο φορτ ιο Λεπτ ονια ονοµα σ υµ ολο ηλεκτρικ ο φορτ ιο up u ¾ ηλεκτρ ονιο ½ ½ down d e-νετρ ινο charm c ¾ µι ονιο ½ ½ strange s -νετρ ινο top t ¾ ταυ ½ ½ bottom b -νετρ ινο Π ινακας 1.1: Τα στοιχει ωδη φερµι ονια υλης. Η ηλεκτροµαγνητικ η αλληλεπ ιδραση περιγρ αφεται σε εξαιρετικ η συµφων ια µε το πε ιραµα απ ο τηνκ αντικ η ηλεκτροδυναµικ η (Quantum Electrodynamics, QED), µ ια θεωρ ια βαθµ ιδας µε τοπικ η αναλλοι ωτητα ως προς την Αβελιαν ηοµ αδα U(1). Περιγρ αφει την αλληλεπ ιδραση µεταξ υ ηλεκτρικ α φορτισµ ενων σωµατιδ ιων, µ εσω της ανταλλαγ ης εν ος µηδενικ ης µ αζας µποζον ιου βαθµ ιδας µε spin 1, του φωτον ιου. 1 Στην περ ιπτωση του SM, η αναλλοι ωτητα ως προς τοπικο υς µετασχηµατισµο υς βαθµ ιδας εφαρµ οζεται σε φερµιονικ α πεδ ια Dirac µε spin ½, καθ ως και σε ενα τουλ αχιστον βαθµωτ οπεδ ιο Higgs. ¾

23 1.1 Θεωρητικ ο πλα ισιο 3 Οι ηλεκτροµαγνητικ εςκαιοιασθενε ις αλληλεπιδρ ασεις ενοποιο υνται στο SM µ εσα στο πλα ισιο του προτ υπου ËÍ ¾µ Ä Å Í ½µ των Glashow-Salam-Weinberg (GSW). Σ υµφωνα µε αυτ ο, οι ασθενε ις αλληλεπιδρ ασεις διαδ ιδονται µ εσω τρι ων διανυσµατικ ων µποζον ιωνφορ εων, των Ï, Ï και ¼. Οι φορε ις των ασθεν ων εχουν µ αζα, γεγον ος που εξηγε ι τη µικρ η εµ ελεια των αλληλεπιδρ ασεων αυτ ων. Τα µποζ ονια αυτ α, τα οπο ια προ ε λεπε το πρ οτυπο GSW, ανακαλ υφθηκαν αµεσα αργ οτερα (1984) σε πειρ αµατα στο CERN µε µ αζες Ñ Ï ³ ¼ Î και Ñ ³ ½ Î. Ηµ αζα των µποζον ιων αυτ ων δε συµ ι αζεται µε την αναλλοι ωτητα κ ατω απ οτοπικο υς µετασχηµατισµο υς της ËÍ ¾µ Ä Å Í ½µ, ηοπο ια εποµ ενως εµφαν ιζεται παρα ιασµ ενη. Η παρα ιαση αυτ η µπορε ι να εξηγηθε ι µ εσω του προτειν οµενου µηχανισµο υ Higgs, οοπο ιος θα αναπτυχθε ι στη συν εχεια. Σ υµφωνα µε αυτ ον, µε την κατ αλληλη εισαγωγ η στοsm εν ος βαθµωτο υ µποζον ιου Higgs, αποκτο υν µ αζα τ οσο τα µποζ ονια βαθµ ιδας Ï και ¼, οσο και τα φερµι ονια της υλης. Το φωτ ονιο, αντ ιθετα, επιλ εγεται να µην εχει µ αζα (οπ οτε η συµµετρ ια U(1) των ηλεκτροµαγνητικ ων παραµ ενει ακρι ης), ωστε να συµφωνε ιµεταπειραµατικ α δεδοµ ενα. Τ οσο οι ασθενε ις οσοκαιοιηλεκτροµαγνητικ ες αλληλεπιδρ ασεις χαρακτηρ ιζονται απ ο µικρ η ισχ υ 2 ηοπο ια επιτρ επει τη χρ ηση της θεωρ ιας διαταραχ ων (perturbation theory) και συνεπ ως καθιστ α τη φαινοµενολογ ια τους προ λ εψιµη µε µεγ αλη ακρ ι εια. Η ισχυρ η αλληλεπ ιδραση αναπαρ ισταται στο SM απ ο τηνκ αντικ η χρωµοδυναµικ η (Quantum Chromodynamics, QCD), µ ια θεωρ ια βαθµ ιδας µε τοπικ η συµµετρ ια ËÍ µ, η οπο ια δεν παρα ι αζεται. Υπ αρχουν οκτ ω διανυσµατικ α µποζ ονια βαθµ ιδας (gluons), τα οπο ια ε ιναι οι φορε ις των ισχυρ ων αλληλεπιδρ ασεων µεταξ υ σωµατιδ ιων (quarks) που φ ερουν εναν κ αντικ ο αριθµ ο γνωστ οως«χρ ωµα». Τα quarks εχουν τρεις δυνατ ες καταστ ασεις χρ ωµατος και τα gluons εχουν οκτ ω. Το γεγον ος οτι τα gluons εχουν χρ ωµα εχει ως αποτ ελεσµα την υπαρξη ορων αλληλεπ ιδρασης µε τρ ια και τ εσσερα gluons. Αυτ ο ε ιναι σηµαντικ ο δι οτι λ ογω αυτο υ, σε υψηλ ες εν εργειες ( η, ισοδ υναµα, σε µικρ ες αποστ ασεις), η ισχυρ η αλληλεπ ιδραση γ ινεται ασθεν εστερη (ασυµπτωτικ η ελευθερ ια). Αντ ιστροφα, σε χαµηλ ες εν εργειες (µεγ αλες αποστ ασεις), ηδ υναµη µεταξ υτωνquarks γ ινεται ισχυρ οτερη, γεγον ος το οπο ιο εξηγε ι γιατ ι δεν εχουν παρατηρηθε ι µεµονωµ ενα σωµατ ιδια µε χρ ωµα. Οι υπολογισµο ι που σχετ ιζονται µε την QCD ε ιναι πολ υπλοκοι λ ογω της µεγ αλης τιµ ης της σταθερ ας ζε υξης («³ ¼ ½½ στην ηλεκτρασθεν η κλ ιµακα), ηοπο ια καθιστ α τηνεφαρ- µογ η της θεωρ ιας διαταραχ ων αδ υνατη σε µεσα ιες η µεγ αλες αποστ ασεις. Τα κυρι οτερα χαρακτηριστικ α των φορ εων των αλληλεπιδρ ασεων συνοψ ιζονται στον Π ινακα Ο µηχανισµ ος Higgs Οπως εχει ηδη αναφερθε ι, οι ηλεκτρασθενε ις αλληλεπιδρ ασεις θα προ εκυπταν αυτοτελ ως απ ο την αναλλοι ωτητα ως προς εναν τοπικ ο µετασχηµατισµ οβαθµ ιδας, ε αν τα πεδ ιαφορε ις της δ υναµης, Ï και ¼, δεν ε ιχαν µ αζα. Το τελευτα ιο οµως, σ υµφωναµεταπειρα- µατικ α δεδοµ ενα, δεν ισχ υει και αναιρε ι, ως εν ος σηµε ιου, τη δυνατ οτητα περιγραφ ης της 2 Οι σταθερ ες ζε υξης των ηλεκτροµαγνητικ ων και ασθεν ων αλληλεπιδρ ασεων ε ιναι σχεδ ον της ιδιας τ αξης µεγ εθους «¾ ½¼ ¾ και ¾ Û ¾ Ò Û ¾ ½¼ ½ αντ ιστοιχα, οπου Û ηγων ια αν αµιξης των ασθεν ων (weak mixing angle) µε Ò ¾ Û ³ ¼ ¾. Οµως η ισχ υς των ασθεν ων εµφαν ιζεται µειωµ ενη λ ογω της µικρ ης πιθαν οτητας εκποµπ ης των βαρ εων µποζον ιων Ï και ¼ ως δυνητικ α (virtual) σωµατ ιδια-φορε ις.

24 4 Εισαγωγ η αλληλεπιδρ ασεις φορε ις ονοµα σ υµ ολο µ αζα spin ηλεκτρικ ο φορτ ιο Ισχυρ ες 8 gluons g 1 Ηλεκτροµαγνητικ ες φωτ ονιο 1 Ασθενε ις 3 διανυσµατικ αµποζ ονια ¼ 1 Ï 8 GeV ½ 91 GeV Π ινακας 1.2: Τα σωµατ ιδια βαθµ ιδας του Καθιερωµ ενου Προτ υπου. θεωρ ιαςµεαυτ ον τον κοµψ ο συλλογισµ ο. Ο απλο υστερος τρ οπος µε τον οπο ιον επιτυγχ ανεται να συµ ι αστε ι ηµη-µηδενικ ηµ αζα των διανυσµατικ ων µποζον ιων µε την εννοια της τοπικ ης συµµετρ ιας βαθµ ιδας 3 ε ιναι ο µηχανισµ ος Higgs [3]. Ο µηχανισµ ος αυτ ος εγκειται στην αλλαγ ητηςκατ αστασης ελ αχιστης εν εργειας (ground η vacuum state) εν ος πεδ ιου. Με αυτ ον τον τρ οπο ε ιναι δυνατ η η πραγµατοπο ιηση υπολογισµ ων στη θεωρ ια διαταραχ ων, δηλαδ η η εφαρµογ η των διαγραµµ ατων Feynman. Εστω λοιπ ον η εξ ης Lagrangian για ενα µιγαδικ ο βαθµωτ ο πεδ ιο : οπου Î µ ε ιναι το δυναµικ ο Ä µ ½ ¾ Î µ (1.5) Î µ ¾ ¾ (1.6) Οι σταθερ ες ¾ και ε ιναι θετικ ες, ωστε η συνολικ η εν εργεια του πεδ ιου να εχει πεπερασµ ενο ελ αχιστο. Ηελ αχιστη εν εργεια στη συγκεκριµ ενη περ ιπτωση ε ιναι εκφυλισµ ενη και προκ υπτει για τις εξ ης τιµ ες του πεδ ιου : Ô ¾ ¼ ¾ (1.7) Οεκφυλισµ ος του κενο υ απορρ εει απ ο τη συµµετρ ια στις στροφ ες στο µιγαδικ ο επ ιπεδο, ηοπο ια χαρακτηρ ιζει τη Lagrangian. Προκειµ ενου να εφαρµοστε ι ηθεωρ ια διαταραχ ων, πρ επει το πεδ ιο να αναπτυχθε ι γ υρω απ οµ ια κατ ασταση ελ αχιστης εν εργειας. Επιλ εγουµε, χωρ ις βλ α η της γενικ οτητας, το ελ αχιστο µε αναµεν οµενη τιµ η στοκεν ο ¼ ¼ Ô ¾ δηλ. ¼ (1.8) 3 Ενας σηµαντικ ος λ ογος για τον οπο ιον η συµµετρ ια βαθµ ιδας εχει τ οση σηµασ ια στη Σωµατιδιακ ηφυσικ η π εραν της µαθηµατικ ης της κοµψ οτητας ε ιναι οτι εγγυ αται την επανακανονικοποιησιµ οτητα (renormalizability) της θεωρ ιας. ηλαδ η η θεωρ ια εχει εναν πεπερασµ ενο αριθµ ο αποκλ ισεων, οι οπο ιες µπορο υν να «απορροφηθο υν» µ εσα στις µετρο υµενες ποσ οτητες-παραµ ετρους της θεωρ ιας.

25 1.1 Θεωρητικ ο πλα ισιο 5 Ξαναγρ αφοντας οµως την Lagrangian ως συν αρτηση δ υο πραγµατικ ων βαθµωτ ων πεδ ιων και, ετσι ωστε, 4 η Lagrangian πα ιρνει τη µορφ η Ä ½ ¾ ¾ ¾ ½ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ (1.9) Σε αυτ ητηγραφ η, ηκατ ασταση του κενο υπα υει να ε ιναι συµµετρικ η και συνεπ ως εχει υποστε ι τηλεγ οµενη αυθ ορµητη παρα ιαση συµµετρ ιας (Spontaneous Symmetry Breaking, SSB). Ταυτ οχρονα, το πεδ ιο απ εκτησε µ αζα Ñ ¾ Ô ¾ ¾. Επιπλ εον εµφαν ιστηκε ενα πεδ ιο µηδενικ ης µ αζας, το, το οπο ιο ονοµ αζεται µποζ ονιο Goldstone. Σ υµφωνα µε το θε ωρηµα του Goldstone, ε αν η κρυµµ ενη συµµετρ ια ε ιναι συνεχ ης οπως στην προκει- µ ενη περ ιπτωση, τ οτε κατ α τηνssb εµφαν ιζεται π αντοτε τουλ αχιστον ενα πραγµατικ ο βαθµωτ ο πεδ ιο µε µηδενικ ηµ αζα. Επεκτε ινοντας τ ωρα τη Lagrangian (1.9) ωστε να ε ιναι αναλλο ιωτη ως προς τοπικο υς µετασχηµατισµο υς U(1) µε αν αλογο τρ οπο οπως και στη Lagrangian (1.1), εισ αγεται ενα µηδενικ ης µ αζας διανυσµατικ ο µποζ ονιο βαθµ ιδας. Ενας απ ο τους ορους αλληλεπ ιδρασης του πεδ ιου, ο ορος (βλ. Εξ. (1.4)), µετ α τη«µετατ οπιση» του κατ α, θα δ ωσει εναν ορο της µορφ ης ¾, δηλ. τον ζητο υµενο ορο µ αζας του πεδ ιου. Με την επιλογ η µιας συγκεκριµ ενης βαθµ ιδας, ωστε να εχουµε στη Lagrangian µ ονο πεδ ια µε φυσικ ο ν οηµα, το µποζ ονιο Goldstone απαλε ιφεται, αφ ηνοντας τη Lagrangian µε ενα πραγµατικ ο βαθµωτ ο πεδ ιο µε µ αζα, το οπο ιο δεν ε ιναι αλλο απ ο τοσωµατ ιδιο Higgs. Ο επιπλ εον βαθµ ος ελευθερ ιας του διανυσµατικο υµποζον ιου (λ ογω της µη µηδενικ ης του µ αζας το διανυσµατικ οπεδ ιο εχει και µ ια διαµ ηκη κατ ασταση π εραν των δ υο εγκ αρσιων) προ εκυψε απ ο τηνεξ αλειψη του µποζον ιου Goldstone. Στην περ ιπτωση του Καθιερωµ ενου Προτ υπου, ενδιαφ ερον εχει η εφαρµογ ηαυτο υτου µηχανισµο υ στηθεωρ ια ËÍ ¾µ Ä Å Í ½µ των ηλεκτρασθεν ων αλληλεπιδρ ασεων. Η Lagrangian περιλαµ ανει αρχικ α τα µηδενικ ης µ αζας φερµι ονια των quarks και των λεπτον ιων, τ εσσερα διανυσµατικ α µποζ ονια επ ισης µηδενικ ης µ αζας, καθ ως και µ ια µιγαδικ η βαθµωτ η διπλ ετα. Η τελευτα ια συζε υγνυται µε τα φερµι ονια µε ζε υξεις Yukawa της µορφ ης, οπου ο δε ικτης χαρακτηρ ιζει τα δι αφορα φερµι ονια, u, d,,, κλπ. Περιλαµ ανει επ ισης το δυναµικ ο αλληλεπ ιδρασης των βαθµωτ ων, το οπο ιο ε ιναι της µορφ ης της Εξ. (1.6). Κατ α τηνssb, οι ζε υξεις Yukawa δ ινουν τους ορους µ αζας των φερµιον ιων,. Ο υπολογισµ ος του αριθµο υ των βαθµ ων ελευθερ ιας δ ινει τ εσσερις απ οταβαθ- µωτ απεδ ια και οκτ ωαπ ο τα διανυσµατικ α. Μετ α την εφαρµογ η του µηχανισµο υ Higgs, η Lagrangian αποµ ενει µε ενα πραγµατικ ο βαθµωτ οσωµατ ιδιο (το Higgs), ενα διανυσµατικ ο µποζ ονιο χωρ ις µ αζα (το φωτ ονιο) και τρ ια διανυσµατικ α µποζ ονια µε µ αζα (τα Ï και ¼ ). Ο αριθµ ος των βαθµ ων ελευθερ ιας παραµ ενει ο ιδιος ενας απ ο τοhiggs, δ υο απ ο το φωτ ονιο και ενν εα απ ο ταï και ¼. Ετσι, µε την εισαγωγ η του µποζον ιου Higgs, η αναλλοι ωτητα του Καθιερωµ ενου Προτ υπου κ ατω απ ο τοπικο υς µετασχηµατισµο υς βαθµ ιδας συµ ι αζεται µε τη µη µηδενικ η µ αζα των διανυσµατικ ων µποζον ιων βαθµ ιδας και των φερµιον ιων της υλης. Ο µηχανισµ ος Higgs δεν προσδιορ ιζει τη µ αζα του Higgs, ηοπο ια πρ επει να βρεθε ι πειραµατικ α 4 Με αυτ η τηγραφ η και τα δ υο πεδ ια εχουν µηδενικ η αναµεν οµενη τιµ η στο κεν ο ¼ ¼ ¼ ¼ ¼.

26 6 Εισαγωγ η Σχ ηµα 1.1: Η θεωρητικ η α ε αι οτητα στο κ ατω και ανω οριο του Ñ À, υποθ ετοντας οτι Ñ Ø ½ GeV και «Ñ µ ¼ ½½ [4]. εφ οσον β ε αια παρατηρηθε ι πρ ωτα το ιδιο το Higgs. Η αναγκαι οτητα οµως να παραµ ενει η ζε υξη του Higgs θετικ η και πεπερασµ ενη θ ετει ανω οριο στη µ αζα του Higgs. Το οριο αυτ ο απεικον ιζεται στο Σχ. 1.1( ανω λωρ ιδα) ως συν αρτηση της αν ωτατης εν εργειας (cutoff) µ εχρι την οπο ια δεχ οµαστε οτι ισχ υει το SM. Ηκ ατω λωρ ιδα δε ιχνει το κ ατω οριο στη µ αζα του Higgs, το οπο ιο συσχετ ιζεται µε τη σταθερ οτητα της κατ αστασης του κενο υ [5]. Εφ οσον λοιπ ον η µ αζα εν ος Higgs του SM δεν µπορε ι να υπερ α ινει το 1 TeV, ε αν αυτ ο υπ αρχει, αναµ ενεται να ανακαλυφθε ι οπωσδ ηποτε στα πειρ αµατα του Μεγ αλου Αδρονικο υεπιταχυντ η (Large Hadron Collider, LHC) του CERN Π εραν του Καθιερωµ ενου Προτ υπου Ολα τα πειραµατικ α δεδοµ ενα, τα οπο ια αντιπροσωπε υουν εν εργειες της κλ ιµακας Fermi ( ½¼¼ GeV), βρ ισκονται σε απ ολυτη συµφων ια µε τις προ λ εψεις του Καθιερωµ ενου Προτ υπου. Οµως υπ αρχουν στοιχε ια, που προκ υπτουν απ ο καθαρ α θεωρητικο υς συλλογισµο υς, τα οπο ια δε ιχνουν οτι το SM, ακ οµη και µε την εισαγωγ η του µποζον ιου Higgs, αποτελε ιµ ια ενεργ ο (effective) θεωρ ια σε χαµηλ ες εν εργειες µιας πιο θεµελι ωδους θεωρ ιας. Αυτ η η θεµελι ωδης θεωρ ια οφε ιλει να δ ινει απαντ ησεις στα παρακ ατω σηµε ια. Βαρ υτητα. Η βαρυτικ η αλληλεπ ιδραση δεν περιλαµ ανεται στο Καθιερωµ ενο Πρ οτυπο, οπως θα περ ιµενε κανε ις σε µ ια θεµελι ωδη θεωρ ια. Ως ενεργ ος πλ εον θεωρ ια, το οριο ισχ υος του SM ως προς την ενεργειακ η κλ ιµακα καθορ ιζεται απ ο το σηµε ιο εκε ινο οπου η βαρ υτητα πα υει να ε ιναι αµελητ εα. Ποσοτικ α, το οριο αυτ οεκφρ αζεται απ ο τηνεν εργεια στην οπο ια η σταθερ α ζε υξης της βαρυτικ ης αλληλεπ ιδρασης γ ινεται της ιδιας τ αξης µε τις σταθερ ες ζε υξης των υπολο ιπων αλληλεπιδρ ασεων, και ηοπο ια ονοµ αζεται µ αζα του Planck, Å È ½ ¾ ½¼ ½ Î ¾. Ενοπο ιηση. Π ερα απ ο τηνκοιν ηπεριγραφ η των τρι ων αλληλεπιδρ ασεων µ εσω της αναλλοι ωτητας βαθµ ιδας, δεν ε ιναι ορατ η σταπλα ισια του SM ηενοπο ιηση αυτ ων των αλληλεπιδρ ασεων δηλαδ η η υπαρξη µιας κοιν ης σταθερ ας ζε υξης. Ελε υθερες παρ αµετροι. Στο Καθιερωµ ενο Πρ οτυπο υπ αρχουν 19 ελε υθερες παρ α- µετροι (µ αζες φερµιον ιων, σταθερ ες ζε υξης, στοιχε ια του π ινακα Cabibbo-Kobayashi- Maskawa (CKM), µ αζα του Higgs, κ. α.), δηλαδ η παρουσι αζει µ ια πολυπλοκ οτητα που δε συµ ι αζεται µε το ρ ολο του ως θεµελι ωδης θεωρ ια. Επιπλ εον το SM δε δ ινει

27 1.1 Θεωρητικ ο πλα ισιο 7 ικανοποιητικ η εξ ηγηση για την υπαρξη τρι ων γενε ων φερµιον ιων, οταν µ ια οικογ ενεια θα αρκο υσε για την αυτοτελ η θεµελ ιωση της θεωρ ιας. Πρ ο ληµα της ιεραρχ ιας. Κατ α τον υπολογισµ ο κ αντικ ων διορθ ωσεων στη µ αζα του Higgs ( η οποιουδ ηποτε βαθµωτο υ), εισ αγονται οροι οι οπο ιοι αποκλ ινουν τετραγωνικ αµετηαν ωτατη εν εργεια (cutoff) της θεωρ ιας 5. Προκειµ ενου να διατηρε ιται ηµ αζα του Higgs στην ηλεκτρασθεν η κλ ιµακα σε κ αθε εν εργεια, κατ α την επανακανονικοπο ιηση πρ επει οι παρ αµετροι του δυναµικο υ Higgs να υφ ιστανται ρητ αµ ια εξαιρετικ αλεπτ ηρ υθµιση (fine tuning). Αυτ ηηρ υθµιση πρ επει να γ ινεται ξεχωριστ α για κ αθε κ αντικ ηδι ορθωση, και αυτ ο συνιστ ατολεγ οµενο «πρ ο ληµα της ιεραρχ ιας» (hierarchy problem). Για την επ ιλυση αυτ ων των ζητηµ ατων, εχουν προταθε ι µεταξ υ αλλων Μεγ αλες Θεωρ ιες Ενοπο ιησης (Grand Unified Theories, GUTs)[1]. Σ υµφωνα µε αυτ ες, ηυπ αρχουσα συµ- µετρ ια ËÍ µ Å ËÍ ¾µ Ä Å Í ½µ περιλαµ ανεται σε µια απλο υστερη συµµετρ ια βαθµ ιδας (π.χ. SU(5)) µε µ ια µ ονο σταθερ α ζε υξης. Σε πολ υ υψηλ ες εν εργειες, π ανω απ ο µ ια κλ ι- µακα ενοπο ιησης Å, ολαταφαιν οµενα ικανοποιο υν αυτ η τη συµµετρ ια, εν ω σε χαµηλ οτερες εν εργειες ( Å ) εµφαν ιζεται αυθ ορµητα παρα ιασµ ενη, εχοντας τρεις διαφορετικ ες σταθερ ες ζε υξης και ¼. Αλλες θεωρητικ ες προτ ασεις για ν εα Φυσικ ηπ ερα απ οτο πειραµατικ α επι ε αιωµ ενο µ ερος του SM ε ιναι τα τεχνοχρωµατικ α πρ οτυπα (technicolor models)[6],τα σ υνθετα πρ οτυπα (compositeness models)[7],η υπαρξη των leptoquarks [8] και η υπερσυµµετρ ια [9]. Η υπερσυµµετρ ια ε ιναι η πιο απλ η και κοµψ η απ ο αυτ ες τις θεωρ ιες. Προσφ ερει τη µ εγιστη δυνατ η συµµετρ ια, καθ ως ε ιναι η µ ονη η οπο ια ξεπερν α τους περιορισµο υς του θεωρ ηµατος Coleman-Mandula. Σ υµφωνα µε αυτ ο, κ αθε οµ αδα Lie ηοπο ια περι εχει µ ια οµ αδα Poincaré Pκαι µ ια εσωτερικ η οµ αδα συµµετρ ιας G, ε ιναι απλ ως το εσωτερικ ο γιν οµενο È Å. Με αλλα λ ογια, δεν υπ αρχει µη τετριµµ ενος τρ οπος ο οπο ιος να ενοποιε ι µ ια εσωτερικ η συµµετρ ια µε µ ια σχετικιστικ η χωρο-χρονικ η συµµετρ ια. Η αλγε ρα της υ- περσυµµετρ ιας παρακ αµπτει αυτ ο τοθε ωρηµα, δι οτι εκτ ος απ ο µποζονικο υς βαθµωτο υς γενν ητορες οι οπο ιοι υπακο υουν σε σχ εσεις µετ αθεσης ( οπως κ αθε οµ αδα Lie), περιλαµ ανει και φερµιονικο υς γενν ητορες µε spin ½ που ικανοποιο υν σχ εσεις αντιµετ αθεσης. ¾ Μ ια αλλη ενδιαφ ερουσα πλευρ α της υπερσυµµετρ ιας ε ιναι η εξ ελιξη των σταθερ ων ζε υξης των ηλεκτροµαγνητικ ων, ασθεν ων και ισχυρ ων αλληλεπιδρ ασεων µε τη ενεργειακ ηκλ ι- µακα. Στο SM οι τρεις ζε υξεις, «É, «Û και «, δεν εξισ ωνονται οταν εξελιχθο υν απ ο την ηλεκτρασθεν ηκλ ιµακα οπου µετρ ωνται σε υψηλ οτερες εν εργειες. Αντ ιθετα, στην υπερσυµµετρ ια οι ζε υξεις ενοποιο υνται σε κ αποια ενεργειακ η κλ ιµακα ( ¾ ½¼ ½ GeV), οπως απαιτο υν οι GUTs. Βασικ η προ π οθεση για να επιλ υει η υπερσυµµετρ ια το πρ ο ληµα της ιεραρχ ιας ε ιναι οι κ αντικ ες διορθ ωσεις στη µ αζα του Higgs να ε ιναι της ιδιας τ αξης µεγ εθους µε τη µ αζα του Higgs. Αυτ η η απα ιτηση εχει ως αποτ ελεσµα η υπερσυµµετρ ια να γ ινεται ανιχνε υσιµη 5 Αν αλογες αποκλ ισεις δε συναντ ωνται στους αντ ιστοιχους ορους για τα φερµι ονια και τα διανυσµατικ α µποζ ονια, δι οτι τα προστατε υει η χειραλικ η (chiral) συµµετρ ια και οι συµµετρ ιες βαθµ ιδας, αντ ιστοιχα.

28 8 Εισαγωγ η πειραµατικ ασεµ ια ενεργειακ ηκλ ιµακα Ç ½ Ì Îµ. εδοµ ενου λοιπ ον οτι ο LHC θα καλ υψει πλ ηρως εν εργειες παρτον ιων µ εχρι ½ TeV, αν η υπερσυµµετρ ια περιγρ αφει πρ αγµατι τη Φ υση, τ οτε αναµ ενεται να ανακαλυφθε ι στονlhc Ελ αχιστο Υπερσυµµετρικ ο Καθιερωµ ενο Πρ οτυπο Ηβασικ ηιδ εα στην υπερσυµµετρ ια (supersymmetry, SUSY) ε ιναι η συµµετρ ια µεταξ υµποζονικ ων και φερµιονικ ων βαθµ ων ελευθερ ιας. Ηπρ οσθεση του ελ αχιστου αριθµο υ σωµατιδ ιων στο SM, ωστε να ε ιναι συνεπ ες µε τη φαινοµενολογ ια, οδηγε ι στοελ αχιστο Υπερσυµµετρικ οκαθιερωµ ενο Πρ οτυπο (Minimal Supersymmetric Standard Model, MSSM) [1]. Σε κ αθε χειραλικ η συνιστ ωσα των φερµιον ιων του SM αντιστοιχε ι ενα sfermion, το ο- πο ιο ε ιναι βαθµωτ οπεδ ιο µε spin. Στα πεδ ια βαθµ ιδας του SM τα οπο ια ε ιναι ηλεκτρικ α φορτισµ ενα (Ï ) αντιστοιχο υν υπερσυµµετρικο ι ετα ιροι τ υπου Dirac σπ ινορες, εν ωσταηλεκτρικ α ουδ ετερα (Ï ) αντιστοιχο υν τ υπου Majorana σπ ινορες. Οι υπερσυµµετρικο ι ετα ιροι των πεδ ιων βαθµ ιδας ονοµ αζονται gauginos. Τα σωµατ ιδια προκ υπτουν απ οδ υο τ υπους υπερπεδ ιων, τα χειραλικ α και τα διανυσµατικ α, τα οπο ια περι εχουν τον ιδιο αριθµ ο µποζονικ ων και φερµιονικ ων βαθµ ων ελευθερ ιας, που διαφ ερουν στο spin κατ α ½. Το MSSM περιλαµ ανει τα υπερπεδ ια του Π ινακα 1.3. ¾ Χειραλικ ες πολλαπλ οτητες Πολλαπλ οτητες βαθµ ιδας spin ½ ¾ spin spin 1 spin ½ ¾ quark Õ Ä Õ Ê squark Õ Ä Õ Ê Ï, B Ï lepton Ä Ê slepton Ä Ê Ï Ï higgsino À ½ À ¾ Higgs À ½ À ¾ gluon g gluino Π ινακας 1.3: Πολλαπλ οτητες σωµατιδ ιων του MSSM. Στο MSSM ε ιναι απαρα ιτητη η εισαγωγ η δ υο διπλετ ων Higgs, εναντι µ ιας στο SM. Οι ζε υξεις Yukawa οι οπο ιες ε ιναι υπε υθυνες για τις µ αζες των quarks και των λεπτον ιων προκ υπτουν απ ο τριγραµµικο υς ορους του υπερδυναµικο υ 6, οι οπο ιοι ε ιναι γιν οµενα υπερπεδ ιων καθορισµ ενης χειραλικ οτητας (chirality). Αν η µ ια διπλ ετα Higgs (Η ½ ) συζε υγνυται µε ½ τα φερµι ονια της υλης µε isospin Á, ε ιναι αναγκα ια η εισαγωγ ηµιαςδε υτερης διπλ ετας Higgs (Η ¾ ) για να δ ωσει µ αζα στα φερµι ονια µε Á ½, δεδοµ ενης της απουσ ιας του ¾ ¾ ερµιτιανο υ συζυγο υς της διπλ ετας Higgs απ ο το υπερδυναµικ ο. Ολ ογος των αναµεν οµενων τιµ ων στο κεν ο των δ υο διπλετ ων, Ø Ò ¾ ½, αποτελε ι µ ια σηµαντικ η παρ αµετρο της φαινοµενολογ ιας του προτ υπου. Στο υπερδυναµικ ο ε ιναι δυνατ ο να συµπεριληφθο υν αλληλεπιδρ ασεις που να παρα- ι αζουν τη διατ ηρηση ε ιτε του λεπτονικο υ, Ä, ε ιτε του βαρυονικο υ αριθµο υ,. Η αποδοχ η καιτωνδ υο τ υπων ορων οδηγε ι σεγρ ηγορη δι ασπαση του πρωτον ιου, µη αποδεκτ η απ οταµ εχρι τ ωρα πειραµατικ α δεδοµ ενα. Για να αποφευχθε ιαυτ οτοενδεχ οµενο, µπορε ι 6 Απ ο το υπερδυναµικ ο προκ υπτει εν µ ερει η Lagrangian του MSSM και ε ιναι συν αρτηση των χειραλικ ων υπερπεδ ιων (αλλ α οχι και των ερµιτιαν ων συζυγ ων τους, που δεν αποτελο υν αναπαραστ ασεις της SUSY).

29 1.1 Θεωρητικ ο πλα ισιο 9 κανε ις να δεχτε ι, η µ ονο τους ορους που παρα ι αζουν το λεπτονικ ο, η µ ονο αυτο υς που παρα ι αζουν το βαρυονικ ο αριθµ ο. Επ ισης ε ιναι δυνατ ον εναλλακτικ α, οπως συµ α ινει στο MSSM, να απαγορευθε ιηεισαγωγ ηαυτ ων των ορων λ ογω µιας συµµετρ ιας. Η συµµετρ ια αυτ η ονοµ αζεται Ê-ισοτιµ ια. Η Ê-ισοτιµ ια ε ιναι ενας πολλαπλασιαστικ ος κ αντικ ος αριθµ ος τ ετοιος ωστε ολατασωµατ ιδια του SM εχουν Ê-ισοτιµ ια ½, εν ωοιsusy ετα ιροι τους εχουν ½. Αυτ ο συνεπ αγεται οτι το ελαφρ υτερο υπερσυµµετρικ ο σωµατ ιδιο (Lightest Supersymmetric Particle, LSP) δεν µπορε ι να διασπαστε ισεsm σωµατ ιδιο και εποµ ενως παραµ ενει σταθερ ο. Το σταθερ ο LSP οφε ιλει να ε ιναι αχρωµο και ηλεκτρικ α ουδ ετερο, διαφορετικ α θαµπορο υσε να δηµιουργ ησει δ εσµιες καταστ ασεις σε πυρ ηνες η σε ατοµα, φτι αχνοντας βαρ εα ισ οτοπα η υπαρξη των οπο ιων εχει αποκλειστε ι πειραµατικ α. Οι δ υο διπλ ετες Higgs, À ½ À ¾ µετ α την παρα ιαση της ηλεκτρασθενο υς συµµετρ ιας, δ ινουν π εντε φυσικο υς βαθµο υς ελευθερ ιας: δ υο ουδ ετερα βαθµωτ α, το ελαφρ υ h ¼ και το βαρ υ H ¼, ενα ψευδο αθµωτ ο A ¼, και δ υο φορτισµ ενα H. Οι υπερσυµµετρικο ι ετα ιροι των À ½ À ¾ εµφαν ιζονται ως higgsinos, τα οπο ια ε ιναι δ υο τ υπου Majorana σπ ινορες, À ½ À ¾, και δ υο τ υπου Dirac σπ ινορες À. Μετ α την παρα ιαση της ηλεκτρασθενο υς συµµετρ ιας εµφαν ιζεται αν αµιξη των χειραλικ ων καταστ ασεων των sfermions, ηοπο ια ε ιναι ιδια ιτερα σηµαντικ η γιατα Ø, εν ω ε ιναι αµελητ εα για τα υπ ολοιπα sfermions. Οι αναµιγµ ενες ιδιοκαταστ ασεις µ αζας των s- fermions ονοµ αζονται ½ ¾ Ø ½ Ø ¾ ½ ¾. Επιπλ εον παρουσι αζεται αν αµιξη των gauginos µε τα higgsinos, ετσι ωστε αυτ αναεµφαν ιζονται τα µεν φορτισµ ενα ως charginos,, τα δε ουδ ετερα ως neutralinos, ¼. Ï À µ ½ ¾ Ï À ½ À ¾ µ ¼ ½ ¼ Εκτ ος απ ο την παρα ιαση της ηλεκτρασθενο υς συµµετρ ιας που προ λ επει το MSSM, η ιδια η υπερσυµµετρ ια πρ επει να ε ιναι επ ισης παρα ιασµ ενη. Πρ αγµατι, δεν εχουν ανακαλυφθε ι βαθµωτ ασωµατ ιδια, τα οπο ια να διαθ ετουν τους ιδιους κ αντικο υς αριθµο υς µε τα γνωστ α φερµι ονια, ο υτε και το αντ ιστροφο. Συνεπ ως οι υπερσυµµετρικο ι ετα ιροι πρ επει να εχουν µ αζες διαφορετικ ες και πιο συγκεκριµ ενα µεγαλ υτερες απ ο ½¼¼ Î απ ο αυτ ες των σωµατιδ ιων του SM. Η παρα ιαση της SUSY επιτυγχ ανεται στο MSSM µε τη ρητ η προσθ ηκη στη Lagrangian ορων ηπιας παρα ιασης της υπερσυµµετρ ιας, σε αντιδιαστολ η µετηναυθ ορµητη παρα ιαση της ηλεκτρασθενο υς συµµετρ ιας που προκ υπτει απ ο τη δυναµικ η που υιοθετο υµε (την υπαρξη του Higgs). Η παρα ιαση χαρακτηρ ιζεται ηπια δι οτι επιτρ επονται µ ονον οροι τ ετοιοι ωστε να µην επανεισ αγονται τετραγωνικ ες αποκλ ισεις στη µ αζα του Higgs, οι οπο ιες ε ιναι υπε υθυνες για το πρ ο ληµα της ιεραρχ ιας. Οι µ ονοι οροι που πληρο υν την προηγο υµενη συνθ ηκη και συγχρ ονως σ ε ονται την Ê-ισοτιµ ια και την ËÍ µ ÅËÍ ¾µ Ä ÅÍ ½µ θεωρ ια βαθµ ιδας ε ιναι οροι µε δι ασταση µικρ οτερη του 4, δηλαδ η: (α) οροι µ αζας των gauginos,(β) διγραµµικο ι οροι που περιλαµ ανουν και ορους µ αζας των βαθµωτ ων, και (γ) τριγραµµικο ι οροι των βαθµωτ ων.

30 1 Εισαγωγ η Υπερ αρ υτητα Η ρητ η (explicit) παρα ιαση της υπερσυµµετρ ιας στο MSSM εχει ως αποτ ελεσµα την εισαγωγ ηστηθεωρ ια εν ος µεγ αλου ( ¾¼¼) αριθµο υελε υθερων παραµ ετρων. Αν και το MSSM ε ιναι σε θ εση να δ ωσει κ αποιες συγκεκριµ ενες προ λ εψεις, ε ιναι αναγκα ια µ ια θεωρ ια απ ο την οπο ια να προ ερχονται οι οροι ηπιας παρα ιασης της SUSY, ωστε να µει ωνονταιοιδιαστ ασεις του χ ωρου των παραµ ετρων. Μ ια τ ετοια θεωρ ια αποτελε ι η υπερ αρ υτητα [11] (supergravity, SUGRA), της οπο ιας ενεργ ος θεωρ ια στην ηλεκτρασθεν η κλ ιµακα αποτελε ι το MSSM. Ενα ενδιαφ ερον χαρακτηριστικ ο της υπερ αρ υτητας ε ιναι η δυνατ οτητα παρα ιασης της ηλεκτρασθενο υς συµµετρ ιας µ εσω κ αντικ ων διορθ ωσεων, µε εναν µηχανισµ ο Coleman- Weinberg [12]. Ετσι στα πλα ισια της υπερ αρ υτητας, δ ινεται η δυνατ οτητα να κατανοηθε ι ακ οµη και η παρα ιαση της ηλεκτρασθενο υς συµµετρ ιας, ηοπο ια προκ υπτει φυσιολογικ α απ ο τη δυναµικ η της θεωρ ιας. Επιπλ εον, ο µηχανισµ ος αυτ ος απαιτε ι οτι Ñ ØÓÔ Å ÖÑ, σε συµφων ια µε τα πειραµατικ α ευρ ηµατα του Tevatron. 7 Η SUGRA βασ ιζεται στην αναλλοι ωτητα κ ατω απ ο τοπικο υς υπερσυµµετρικο υς µετασχηµατισµο υς. Αυτ η ηιδι οτητα συνεπ αγεται την αναλλοι ωτητα κ ατω απ ο τοπικο υς µετασχηµατισµο υς των συντεταγµ ενων, π ανω στην οπο ια εδραι ωνεται η Γενικ η Θεωρ ια της Σχετικ οτητας. Ητοπικ η υπερσυµµετρ ια, δηλαδ η, περιλαµ ανει αυτ οµατα τη βαρυτικ ηαλληλεπ ιδραση, και γι αυτ ο ονοµ αζεται υπερ αρ υτητα. Ητοπικ η υπερσυµµετρ ια (Æ ½ SUGRA) ως θεωρ ια ενοπο ιησης δεν ε ιναι µ ια θεµελιακ ηθεωρ ια, αλλ ασ υµφωναµετιςσ υγχρονες αντιλ ηψεις αποτελε ιµ ια ενεργ ο σηµειακ ηθεωρ ια κ αποιων θεµελιωδ ων θεωρι ων πεδ ιου εκτεταµ ενων αντικειµ ενων των θεωρι ων (υπερ)χορδ ων [1]. Στη SUGRA φορ εας της βαρυτικ ης αλληλεπ ιδρασης ε ιναι το διανυσµατικ οπεδ ιο βαθ- µ ιδας βαρυτ ονιο (graviton), το οπο ιο ε ιναι σωµατ ιδιο χωρ ις µ αζα και µε spin 2. Επ ισης εισ αγεται και ο υπερσυµµετρικ ος ετα ιρος του, το gravitino µε spin ¾. Στη SUGRA, η παρα ιαση της τοπικ ης υπερσυµµετρ ιας γ ινεται αυθ ορµητα µε εναν µηχανισµ οαν αλογο µε την παρα ιαση της συµµετρ ιας στις ηλεκτρασθενε ις αλληλεπιδρ ασεις (µηχανισµ ος super-higgs). Το σωµατ ιδιο που αποκτ α µ αζα σε αυτ ην την περ ιπτωση ε ιναι το gravitino, δηλ. ο υπερσυµµετρικ ος ετα ιρος του βαρυτον ιου, µε µ αζα αν αλογη της ενεργειακ ης κλ ιµακας στην οπο ια συµ α ινει η παρα ιαση της SUSY. Το MSSM µε β αση τη SUGRA δ εχεται επιπλ εον την υπ οθεση οτι οι µ αζες των βαθµωτ ων, οι µ αζες των gauginos καιοιζε υξεις των τριγραµµικ ων ορων ενοποιο υνται σε µ ια υψηλ η κλ ιµακα µ αζας Å ½¼ ½ Î. Αυτ ο εχει ως αποτ ελεσµα τον περιορισµ ο των ν εων αυθα ιρετων παραµ ετρων που εισ αγονται στη θεωρ ια σε µ ονο π εντε: (i) την κοιν ηµ αζα των βαθµωτ ων, Ñ ¼ (ii) την κοιν ηµ αζα των gauginos, Ñ ½ ¾ (iii) την κοιν η τριγραµµικ η ζε υξη, ¼ 7 Επιταχυντ ης ο οπο ιος λειτουργε ι στο Fermilab, στο Illinois των ΗΠΑ, µε σκεδ ασεις Ô Ô σε εν εργειες 1.8 TeV ( ) και 2 TeV (2- ). Εκε ιτο1994, ανακαλ υφθηκε το top quark, το οπο ιο σ υµφωνα µε τα σηµεριν α δεδοµ ενα εχει µ αζα Ñ ØÓÔ ½ ½ GeV.

31 1.2 Φυσικ η στον LHC 11 (iv) το λ ογο των αναµεν οµενων τιµ ων των Higgs στο κεν ο, Ø Ò και (v) το πρ οσηµο της παραµ ετρου αν αµιξης των higgsinos, Ò. Απ οαυτ ες τις π εντε παραµ ετρους, οι οπο ιες ορ ιζονται στην κλ ιµακα ενοπο ιησης Å, οι µ αζεςκαιοιζε υξεις του MSSM στην ηλεκτρασθεν ηκλ ιµακα υπολογ ιζονται επιλ υοντας 26 συζευγµ ενες διαφορικ ες εξισ ωσεις (Εξισ ωσεις της Οµ αδας Επανακανονικοπο ιησης, Renormalization Group Equations, RGEs), µε τις τιµ ες των παραµ ετρων της SUGRA ως συνοριακ ες συνθ ηκες. Η SUGRA λοιπ ον αποτελε ι ενα πρ οτυπο το οπο ιο, µε τον καθορισµ οελ αχιστων επιπρ οσθετων παραµ ετρων (µαζ ιµε18 παραµ ετρους απ οτοsm γνωστ ες απ οτοπε ιραµα), µπορε ιναδ ωσει συγκεκριµ ενες προ λ εψεις. Η δυνατ οτητα ελ εγχου κ αποιων απ οαυτ ες τις προ λ εψεις απ οτοπε ιραµα µελετ αται στα Κεφ αλαια 8 και 9, για την υπερ αρ υτητα και το MSSM, αντ ιστοιχα. Αν και οι θεωρητικ ες υποθ εσεις ε ιναι πολ υτιµες και απαρα ιτητες, δεν εχουν φυσικ ηυπ οσταση αν δεν παρατηρηθο υν πρ ωτα στη Φ υση. Τα αναγκα ια, για να απαντ ησουν σε θεµελι ωδη ερωτ ηµατα, πειραµατικ α αποτελ εσµατα θα προ ελθουν απ οδι αφορες πηγ ες. Η σηµαντικ οτερη απ οαυτ ες αναµ ενεται να ε ιναι ο επ οµενος αδρονικ ος επιταχυντ ης υψηλ ης εν εργειας, ο LHC στο CERN. 1.2 Φυσικ η στονlhc Ο Large Hadron Collider (LHC) του CERN θα αποτελ εσει ενα απ ο τα σηµαντικ οτερα εργαλε ια για τη µελ ετη της φαινοµενολογ ιας της παρα ιασης της ηλεκτρασθενο υς συµµετρ ιας. Θα παρ εχει συγκρο υσεις πρωτον ιων σε πρωτ ονια µε εν εργεια 14 TeV στο σ υστηµα κ εντρου µ αζας, λειτουργ ωντας σε φωτειν οτητα (luminosity) µ εχρι Ä ½¼ cm ¾ s ½. Κατ ατηδι αρκεια των τρι ων πρ ωτων ετ ων, η φωτειν οτητα θα ε ιναι µ ια τ αξη µεγ εθους µικρ οτερη. Οι συγκρο υσεις Ô-Ô θα καλ υψουν πλ ηρως ενα ε υρος εν εργειας παρτον ιων µ εχρι 1 TeV. Αυτ ο ε ιναι απαρα ιτητο β ασει της σηµεριν ης γν ωσης της θεωρ ιας το SM δεν προ λ επει την τιµ η της µ αζας του µποζον ιου Higgs και ε ιναι β ε αιο οτι οτιδ ηποτε παρα ι αζει την ηλεκτρασθεν η συµµετρ ια θα εχει παρατηρ ησιµες επιπτ ωσεις για εν εργειες παρτον ιων χαµηλ οτερες απ ο 1 TeV [14]. Ο LHC αναµ ενεται να δ ωσει τα πρ ωτα αποτελ εσµατα φυσικ ης το φθιν οπωρο του 26. Οι πειραµατικ ες συνθ ηκες στον LHC χαρακτηρ ιζονται κυρ ιως απ ο την υψηλ η φωτειν οτητα και το µικρ ο χρονικ ο δι αστηµα µεταξ υ της διαστα υρωσης των δεσµ ων. Η υψηλ η φωτειν οτητα συνεπ αγεται και υψηλ ο ρυθµ οσκεδ ασεων, οοπο ιος ε ιναι απαρα ιτητος για τη ταχε ια συγκ εντρωση ικανο υ προς αν αλυση στατιστικο υδε ιγµατος γεγον οτων. Στις σκεδ ασεις πρωτον ιων µε πρωτ ονια, τα αλληλεπιδρ ωντα σωµατ ιδια ε ιναι τα παρτ ονια των πρωτον ιων. Ηδιαθ εσιµη εν εργεια της σκ εδασης καθορ ιζεται συνεπ ως απ οτοκλ ασµα της συνολικ ης εν εργειας του πρωτον ιουτοοπο ιο µεταφ ερεται απ οτοσκεδαζ οµενο παρτ ονιο. Ηενεργ ος διατοµ η γιαµη-ελαστικ ες (inelastic) αλληλεπιδρ ασεις σε τ ετοιες σκεδ ασεις ε ιναι πολ υ µεγ αλη, εν ωοιενεργ ες διατοµ ες για ενδιαφ εροντα γεγον οτα, π.χ. για παραγωγ ηεν ος µποζον ιου Higgs, ε ιναι πολλ ες τ αξεις µεγ εθους χαµηλ οτερες απ ο τις διαδικασ ιες υπο αθρου.

32 12 Εισαγωγ η Αυτ ο φα ινεται στο Σχ. 1.2, οπου αναπαρ ιστανται οι ενεργ ες διατοµ ες διαφ ορων διαδικασι ων ως συν αρτηση της εν εργειας στο κ εντρο µ αζας για σκεδ ασεις Ô-Ô και Ô-Ô. Ηολικ η ενεργ ος διατοµ η για proton - (anti)proton cross sections µη-ελαστικ ες αλληλεπιδρ ασεις Ô Ô στην εν εργεια του LHC αναµ ενεται να ε ιναι 7 mb. Αυτ α τα 1 8 σ tot 1 8 γεγον οτα, τα λεγ οµενα «minimum Tevatron 7 bias», προ ερχονται απ ο σ υντηξη LHC (fusion) gluons η quarks, µε µικρ η µεταφορ α εν εργειας, κατ α ταοπο ια παρ αγονται πολλ α αδρ ονια σ b µε µικρ η ορµ η, και συνεπ ως δεν εχουν ενδιαφ ερον απ ο αποψη φυ- 1 2 σ jet (E jet T > s/2) σικ ης. εδοµ ενου οτι περ ιπου 1 2 το 2% των πακ ετων στον LHC 1 1 σ 1 1 W σ Z θα ε ιναι κεν α, για φωτειν οτητα 1 1 σ jet (E jet T > 1 GeV) ½¼ cm ¾ s ½ και µε δι αστηµα µεταξ υ πακ ετων ισο µε 25 ns, υπο λογ ιζεται οτι κατ α µ εσο ορο περ ιπου 23 γεγον οτα minimum bias θα 1-3 σ t 1-3 ανιχνε υονται απ ο τα πειρ αµατα 1-4 σ jet (E jet T > s/4) 1-4 του LHC σε κ αθε διαστα υρωση 1-5 σ 1-5 Higgs (M H = 15 GeV) δεσµ ων. Η αναγν ωριση και καταγραφ η των ενδιαφερ οντων γεγον οτων φυσικ ης θα βασιστε ι στην σ Higgs (M H = 5 GeV) αν ιχνευση χαρακτηριστικ ων, οπως η υπαρξη λεπτον ιων µε υψηλ η ε- s (TeV) γκ αρσια εν εργεια. Αυτ ο τοθ εµα αναπτ υσσεται στην Παρ , οπου περιγρ αφεται ο µηχανισµ ος Σχ ηµα 1.2: Αναµεν οµενες ενεργ ες διατοµ ες για δι αφορες διαδικασ ιεςωςσυν αρτηση της εν εργειας στο κ εντρο µ αζας για σκεδ ασεις Ô-Ô και Ô-Ô [19]. σκανδ αλης (trigger) του πειρ αµατος ATLAS. σ (nb) events/sec for L = 1 33 cm -2 s Το µποζ ονιο Higgs του SM Οι σηµαντικ οτερες φυσικ ες διαδικασ ιες οι οπο ιες καθ ορισαν τ οσο το σχεδιασµ οτουlhc, οσο και αυτ ον των ανιχνευτ ων του ε ιναι τα δι αφορα καν αλια δι ασπασης του µποζον ιου Higgs για µ αζες απ ο 8 GeV µ εχρι 1 TeV (βλ. Παρ. 7.1για το ATLAS). Προς το παρ ον το κ ατω οριο της µ αζας του Higgs βρ ισκεται στα GeV σε 95% C.L. [13], σ υµφωνα µε τα εως τ ωρα πειραµατικ α δεδοµ ενα του LEP 8. Το ανω οριο βρ ισκεται στο 1 TeV, ωστε να 8 ΟΜεγ αλος Επιταχυντ ης Ηλεκτρον ιων Ποζιτρον ιων (Large Electron Positron collider, LEP), εγκατεστηµ ενος στο CERN, παρ ηγαγε σκεδ ασεις ηλεκτρον ιων σε ποζιτρ ονια, µε εν εργειες Ô ³ Ñ ¼, κατ α την πρ ωτη φ αση ( ), και Ô ³ ½ ¼ ¾¼ GeV, κατ α τηδε υτερη (1996-2). Οι µετρ ησεις που εγιναν απ ο τα

33 1.2 Φυσικ η στον LHC 13 παραµ ενει πεπερασµ ενη η ζε υξη του Higgs (βλ. Παρ ). Παραγωγ η του µποζον ιου Higgs Ηενεργ ος διατοµ η παραγωγ ης εν ος µποζον ιου Higgs µ αζας 5 GeV στον LHC ε ιναι τυπικ α 1 pb. Αυτ η αντιστοιχε ι σε½¼ παραγ οµενα Higgs αν α ετος λειτουργ ιας του LHC. Η ενεργ ος διατοµ η αυξ ανεται γρ ηγορα οσο µει ωνεται η µ αζα του Higgs. Οι επικρατ εστεροι µηχανισµο ι παραγωγ ης ε ιναι η σ υντηξη gluons και η σ υντηξη WW η ZZ. Στο Σχ. 1.3φα ινονται τα διαγρ αµµατα Feynman αυτ ων των διαδικασι ων, καθ ως και αυτ α των λιγ οτερο σηµαντικ ων διαδικασι ων W η Z bremsstrahlung και σ υντηξη t t. Οι ενεργ ες διατοµ ες αυτ ων των διαδικασι ων στον LHC απεικον ιζονται στο Σχ.1.4ως συναρτ ησεις της µ αζας του Higgs. Ησ υντηξη gluons À επικρατε ι εναντι των αλλων διαδικασι ων σε ολ οκληρο το δυνατ ο ε υρος µ αζας του µποζον ιου Higgs. g g q q t (α) (γ) W t t H W H (β) q 1 q 3 q 2 g g W/Z (δ) Σχ ηµα 1.3: ιαδικασ ιες παραγωγ ης του Higgs στον LHC: (α) σ υντηξη gluons, (β) σ υντηξη διανυσµατικ ων µποζον ιων, (γ) συνδυασµ ενη παραγωγ η µε W, και (δ) συνδυασµ ενη παραγωγ ηµε ενα ζε υγος top. t H q 4 t H t gg H qq _ HW σ(pp H+X) [pb] s = 14 TeV M t = 175 GeV CTEQ4M qq Hqq gg,qq _ Hbb _ gg,qq _ Htt _ qq _ HZ M H [GeV] Σχ ηµα 1.4: Ενεργ ες διατοµ ες παραγωγ ης Higgs στον LHC για δι αφορες διαδικασ ιες συναρτ ησει της µ αζας του Higgs [2]. ι ασπαση του µποζον ιου Higgs Το Higgs διασπ αται ε ιτε αµεσα σε ζε υγη ολων των σωµατιδ ιων µε µ αζα, ε ιτε µ εσω διαγραµ- µ ατων βρ οχων σε ζε υγη σωµατιδ ιων χωρ ις µ αζα, οπως φωτ ονια και gluons, καθιστ ωντας το πεδ ιο ερευν ας του ευρ υ και ενδιαφ ερον. Μετ α την ενδεχ οµενη ανακ αλυψη εν ος σωµατιδ ιου Higgs, σηµασ ια θα δοθε ι στηναν ιχνευσ η του σε δι αφορα καν αλια δι ασπασης, ωστε να ελεγχθε ιε αν η ζε υξη του µε τα σωµατ ιδια ε ιναι αν αλογη της µ αζας του, οπως προ λ επει το SM. τ εσσερα πειρ αµατα του LEP ALEPH, DELPHI, L3 και OPAL εχουν επαληθε υσει τις προ λ εψεις του SM µε εξαιρετικ η ακρ ι εια. Εχουν επ ισης αποδε ιξει οριστικ α οτι υπ αρχουν ακρι ως τρεις γενε ες σωµατιδ ιων.

34 14 Εισαγωγ η Το ολικ οπλ ατος (total width) και οι λ ογοι διακλ αδωσης (branching ratios) των διασπ ασεων του Higgs φα ινονται στα Σχ ηµατα 1.5 και 1.6, αντ ιστοιχα. Το πλ ατος προσεγγ ιζει την τιµ ητηςµ αζας του Higgs για ενα πολ υβαρ υ Higgs και συνεπ ως δεν ξεχωρ ιζει απ οτουπ ο- αθρο. Απ ο τοσχ.1.6γ ινεται σαφ ες οτι οι λ ογοι διακλ αδωσης µετα αλλονται εντονα µε τη µ αζα του Higgs, καθιστ ωντας αναγκα ια την εφαρµογ η διαφορετικ ων µεθ οδων για την αναγν ωριση του Higgs αν αλογα µε τη µ αζα του. 1 2 Γ(H) [GeV] 1 bb _ BR(H) WW ZZ τ + τ cc _ gg tt M H [GeV] Σχ ηµα 1.5: Ολικ ο πλ ατος δι ασπασης του Higgs συναρτ ησει της µ αζας του [21]. 1-3 γγ Zγ M H [GeV] Σχ ηµα 1.6: Λ ογοι διακλ αδωσης του Higgs συναρτ ησει της µ αζας του [21]. Ελαφρ υ Higgs (Ñ À ½¾¼ Î): Κ ατω απ ο τοκατ ωφλι για παραγωγ η WW η ZZ (Ñ À ¾Ñ ), κυριαρχε ι ηδι ασπαση στο ζε υγος των βαρ υτερων δυν αµει παραγ οµενων quarks (À ), ηοπο ια κατακλ υζεται απ οτουπ ο αθρο (background) της QCD (η ενεργ ος διατοµ η γιαb b ε ιναι πολ υ µεγ αλη, βλ. Σχ. 1.2). Ενα αλλο καν αλι σε αυτ ην την περιοχ η ε ιναι η δι ασπαση ÏÀ, ηοπο ια δεν εχει σχεδ ον καθ ολου υπ ο αθρο, αλλ α ο ρυθµ ος παραγωγ ης του ε ιναι πολ υ χαµηλ ος. Το τρ ιτο καν αλι, µποζ ονιο-h περιεκτικ ης (inclusive) παραγωγ ης µε À, εχει τερ αστιο υπ ο αθρο απ ο τις διαδικασ ιες Õ Õ,, Õ Õ και, οπου ενας π ιδακας (jet) η ενα ηλεκτρ ονιο αναγνωρ ιζεται λανθασµ ενα ως φωτ ονιο. Αυτ α ταυπ ο αθρα µπορο υν να µειωθο υν µε πολ υκαλ η διακριτικ ηικαν οτητα σε φωτ ονια και εξαιρετικ ο διαχωρισµ ο µεταξ υ /πιδ ακων και /e. Συνεπ ως απαιτε ιται ενα ηλεκτροµαγνητικ ο καλορ ιµετρο µε αριστη απ οδοση. Higgs µ εσης µ αζας (½¾¼ Î Ñ À ¼¼ Î): Σε αυτ ην την περιοχ η, ηδι ασπαση À µ προσφ ερει µ ια πολ υ καθαρ η ενδειξη της υπαρξης του µποζον ιου Higgs. Το πλ ατος του Higgs, À, ε ιναι µικρ οσεαυτ η την περιοχ η (βλ. Σχ.1.5) και το υπ ο αθρο προ ερχεται κυρ ιως απ οταχ εα µι ονια, αδρ ονια που διαπ ερασαν τα καλορ ιµετρα, νετρ ονια και δευτερε υοντα σωµατ ιδια επαγ οµενα ηλεκτροµαγνητικ α απ ο µι ονια. Ηαν ιχνευση τ ετοιων γεγον οτων βασ ιζεται στη µεγιστοπο ιηση της γεω- µετρικ ης και κινηµατικ ης αποδοχ ης για λεπτ ονια, οι οπο ιες εξαρτ ωνται απ ο τηδιακριτικ ηικαν οτητα στην αναλλο ιωτη µ αζα των τεσσ αρων λεπτον ιων. Συνεπ ως η πολ υ

35 1.2 Φυσικ η στον LHC 15 καλ η διακριτικ ηικαν οτητα στην εν εργεια/ορµ η τωνλεπτον ιων της τ αξης του 1% ε ιναι απαρα ιτητη. Για µεγ αλες µ αζες, το πλ ατος του Higgs αυξ ανει γρ ηγορα και το σ ηµα περιορ ιζεται απ ο τοχαµηλ ο ρυθµ ο παραγωγ ης, εποµ ενως η φωτειν οτητα του επιταχυντ η γ ινεται σηµαντικ οτερη απ ο τηναπ οδοση του ανιχνευτ η. Βαρ υ Higgs (Ñ À ¼¼ Î): Για ενα βαρ υ Higgs το καν αλι À γ ινεται εξι φορ ες πιο πιθαν ο απ ο τοà µ και µπορε ι να ανιχνευτε ι µ εσω της εξε υρεσης δ υο λεπτον ιων υψηλ ης εγκ αρσιας ορµ ης Ô Ì και της υψηλ ης µηανιχνε υσιµης εν εργειας (missing transverse energy) λ ογω των διαφευγ οντων νετρ ινων. Επ ισης τα καν αλια À ÏÏ 2jets ¾ 2jets προσφ ερουν ενδιαφ ερουσες ενδε ιξεις της υπαρξης εν ος βαρ εος Higgs Αλλες δυνατ οτητες φυσικ ης Σε αυτ ην την παρ αγραφο, περιγρ αφονται αλλες φυσικ ες διαδικασ ιες π εραν της ανακ αλυψης του µποζον ιου Higgs µε γν ωµονα τις οπο ιες σχεδι αστηκε ο LHC και τα πειρ αµατα που θα λειτουργ ησουν σε αυτ ον. Ερευνες για υπερσυµµετρ ια Η απλο υστερη υπερσυµµετρικ ηπρο εκταση του SM, το MSSM, εχει δ υο διπλ ετες Higgs (βλ. Παρ ), καταλ ηγοντας σε π εντε φυσικ ες καταστ ασεις δ υο ουδ ετερα βαθµωτ α Higgs ( ¼, À ¼ ), ενα ουδ ετερο ψευδο αθµωτ ο ( ¼ ) και δ υο φορτισµ ενα βαθµωτ α (À ). Ηµ αζα του ελαφρ υτερου Higgs ( ¼ ) εξαρτ αται σε επ ιπεδο δενδροειδ ων διαγραµµ ατων (tree level) απ ο τηµ αζα του ¼ και απ ο την παρ αµετρο Ø Ò, εν ω σε διορθ ωσεις βρ οχου εξαρτ αται επιπρ οσθετα απ ο τιςµ αζες του top-quark και των υπερσυµµετρικ ων σωµατιδ ιων. Για µεγ αλο Ø Ò υπ αρχει ενα οριο Ñ ½ ¼ GeV. Το οριο αυτ οµει ωνεται οσο µει ωνεται το Ø Ò. Οι ερευνες για υπερσυµµετρικ α Higgs χρει αζονται αποδοτικ η ε υρεση δευτερευ οντων ση- µε ιων δι ασπασης για σ ηµανση και b-πιδ ακων, καθ ως και καλορ ιµετρο υψηλ ης διακριτικ ης ικαν οτητας για π ιδακες και µη-ανιχνε υσιµη εγκ αρσια εν εργεια. Ε αν η υπερσυµµετρ ια υπ αρχει, θα ε ιναι δυνατ ο να παραχθο υν και ανιχνευθο υν στον LHC υπερσυµµετρικ α σωµατ ιδια µε µ αζες µ εχρι 2 TeV. Το ελαφρ υτερο υπερσυµµετρικ ο σωµατ ιδιο, σ υµφωναµεταπερισσ οτερα σεν αρια, θα ε ιναι σταθερ ο, αλλ α θα αλληλεπιδρ α ασθεν ως µε την υλη. Γι αυτ οτολ ογο, η ερευνα για υπερσυµµετρικ ασωµατ ιδια θ ετει ισχυρο υς περιορισµο υς στην ερµητικ οτητα των ανιχνευτ ων και στον προσδιορισµ ο της Ì Ñ απ ο αυτο υς. Μελ ετη του top-quark Ο LHC θα παρ εχει τη δυνατ οτητα διεν εργειας µετρ ησεων µεγ αλης ακρ ι ειας στην φυσικ η του top-quark, καθ ως αναµ ενεται να παρ αγονται ½¼ ζε υγη t t για ολοκληρωµ ενη φωτειν οτητα ½¼ ½. Π εραν της ακρι ο υς µ ετρησης της Ñ Ø (µε ακρ ι εια ¾ GeV), θα επιτρ εψει να µελετηθο υν λεπτοµερ ως οι ιδι οτητες του top-quark. Η παραγωγ η µονο υ (single) top θα ε ιναι παρατηρ ησιµη, εν ωτοµεγ αλο στατιστικ οδε ιγµα θα επιτρ εψει τη µελ ετη σπ ανιων

36 16 Εισαγωγ η διασπ ασεων του top. Οι τελευτα ιες θα µπορ εσουν να µελετηθο υν µε την αναγν ωριση εν ος µοναδικο υµιον ιου ηµεµεγ αλη Ô Ì προερχ οµενο απ ο την ηµιλεπτονικ ηδι ασπαση του εν ος top απ οτοζε υγος t t. Ησ ηµανση του ηλεκτρον ιου απαιτε ιπολ υκαλ η αναγν ωριση ηλεκτρον ιων και απ ορριψη QCD-πιδ ακων που µοι αζουν µε ηλεκτρ ονια. Φυσικ η τωνb-µεσον ιων Ηδη απ ο τηνπρ ωτη φ αση λειτουργ ιας του σε χαµηλ η φωτειν οτητα, ο LHC θα αποτελ εσει µ ια µηχαν ηµεγ αλης παραγωγ ης b-quarks µε περ ιπου ½¼ ½¾ ζε υγη b b το χρ ονο. Η φυσικ η του beauty περιλαµ ανει την ερευνα για την παρα ιαση CP, τη µελ ετη της αν αµιξης στο σ υστηµα του ¼ και την αν ιχνευση σπ ανιων διασπ ασεων. Οακρι ης προσδιορισµ ος δευτερευ οντων σηµε ιων δι ασπασης (για b-σ ηµανση) και πλ ηρης ανακατασκευ η τελικ ων καταστ ασεων µε σωµατ ιδια χαµηλ ης Ô Ì (π.χ. ¼  ü Ë ) ε ιναι σηµαντικ ος για τις ερευνες αυτ ες. Προφαν ως ε ιναι απαρα ιτητη απ οταπειρ αµατα η ικαν οτητα σκανδαλισµο υ σελεπτ ονια µε χαµηλ η Ô Ì. Ερευνες π εραν του Καθιερωµ ενου Προτ υπου ι αφορα υποθετικ α σεν αρια φυσικ ης π εραν του SM θα µπορ εσουν να ερευνηθο υν στον LHC. Τεχνοχρωµατικ α πρ οτυπα: Σε αυτ α, η παρα ιαση της ηλεκτρασθενο υς συµµετρ ιας λαµ ανει χ ωρα δυναµικ α, µ εσω της υπαρξης τεχνο-φερµιον ιων, τα οπο ια διαθ ετουν «τεχνοχρωµατικ ο φορτ ιο». Στον LHC, θα µπορο υν να παρατηρηθο υν συντονισµο ι απ ο τεχνοχρωµατικ α πρ οτυπα µ εχρι ½ TeV. Leptoquarks: Προ λ επονται απ οδι αφορες επεκτ ασεις του SM και απορρ εουν απ οτη συµµετρ ια µεταξ υ λεπτον ιων και quarks. Φ ερουν λεπτονικ ο και βαρυονικ οκ αντικ ο αριθµ ο και συνεπ ως συζε υγνυνται τ οσο µε λεπτ ονια οσο και µε quarks. Μπορο υν να παραχθο υν µ εσω της Õ ÄÉ, ηοπο ια δ ινει ως τελικ ηκατ ασταση σε ποσοστ ο 25% δ υο ηλεκτρ ονια και εναν π ιδακα. Στον LHC θα ε ιναι παρατηρ ησιµα για µ αζες µ εχρι Ñ ÄÉ ½ TeV. Πρ οτυπα σ υνθετης δοµ ης: Προ λ επουν οτι τα quarks και τα λεπτ ονια αποτελο υνται απ ο πιο θεµελι ωδη αντικε ιµενα, τα οπο ια χαρακτηρ ιζονται απ ο µ ια ενεργειακ η κλ ι- µακα. Στην περ ιπτωση που Ô, οι αλληλεπιδρ ασεις επαφ ης που προ λ επονται απ οαυτ αταπρ οτυπα θα εµφανιστο υν στον LHC ως περ ισσεια πιδ ακων υψηλ ης Ô Ì και ως µ ια πιο ισοτροπικ η κατανοµ η στηγων ια µεταξ υ των δ υο υψηλ οτερης-ô Ì πιδ ακων, σε σχ εση µε τις προ λ εψεις της QCD. ιεγερµ ενα quarks: Στα πρ οτυπα σ υνθετης δοµ ης για Ô, αναµ ενεται η υπαρξη διεγερµ ενων (excited) quarks. Στον LHC θα παρ αγονται µε µεγ αλη ενεργ ο διατοµ η µ εσω της σ υντηξης Õ Õ. Θα ε ιναι δυνατ ον να ανιχνευθο υν µ εσω της δι ασπασης Õ Õ, ηοπο ια θα εµφαν ιζεται ως κορυφ η στην κατανοµ η της αναλλο ιωτης µ αζας φωτον ιου-π ιδακα.

37 1.3 Βασικ ες παρ αµετροι του LHC 17 Ν εα διανυσµατικ α µποζ ονια: Βαρ εα διανυσµατικ α µποζ ονια Ï ¼ και ¼ θα ε ιναι α- νιχνε υσιµα στον LHC για µ αζες µ εχρι 5 6 TeV. Συνεπ ως µ ετρηση εν εργειας/ορµ ης λεπτον ιων µε υψηλ η διακριτικ ηικαν οτητα και αναγν ωριση φορτ ιου ε ιναι απαρα ιτητη για τιµ ες της Ô Ì µ εχρι µερικ α TeV. 1.3 Βασικ ες παρ αµετροι του LHC Ο LHC θα εγκατασταθε ι στηνυπ αρχουσα σ ηραγγα του LEP, µ ηκους περιφ ερειας 27 km, ηοπο ια βρ ισκεται στα σ υνορα µεταξ υ Γαλλ ιας-ελ ετ ιας, στην περιοχ η της Γενε υης. Στον Π ινακα 1.4 καταγρ αφονται τα βασικ α τεχνικ α χαρακτηριστικ α του επιταχυντ η, εν ω λεπτο- µ ερειες του σχεδιασµο υ τουlhc δ ινονται στην παραποµπ η [15]. Εν εργεια σ υγκρουσης αν α σωµατ ιδιο Ενταση δ εσµης 7 TeV ½¼ cm ¾ s ½ Αριθµ ος πακ ετων (bunch) αν α δ εσµη 2835 ι αστηµα µεταξ υ πακ ετων Αριθµ ος σωµατιδ ιων αν α πακ ετο Ρυθµ ος µη-ελαστικ ων γεγον οτων αν απε ιραµα Μ ηκος περιφ ερειας Μαγνητικ οπεδ ιο των µαγνητ ων κ αµψης Ρε υµα Εν εργεια κατ α την εγχυση Αποθηκευµ ενη εν εργεια δ εσµης Ακτινο ολ ια synchrotron (αν α δ εσµη) Απ ωλεια εν εργειας αν α περιστροφ η 7.48 m, ns ½ ½ ½¼ ½½ ½¼ ½ km 8.33 T.56 A 45 Gev 35 MJ 3.8 kw 6.7 kev Π ινακας 1.4: Χαρακτηριστικ α λειτουργ ιας του LHC. Ηυπ αρχουσα αλυσ ιδα επιταχυντ ων (Linac Booster PS SPS) θα χρησιµοποιηθε ιγια την εγχυση (injection) πρωτον ιων στον LHC, οπως φα ινεται στο Σχ Τα πρωτ ονια θα παρ αγονται και θα επιταχ υνονται στα 5 MeV απ ο το Γραµµικ ο Επιταχυντ η (Linac), πριν εγχυθο υν στον Προωθητ η (Booster) δ ινοντας τους εν εργεια 1.4 GeV. Το Σ υγχροτρον Πρωτον ιων (Proton Synchtotron, PS) θα επιταχ υνει τα πρωτ ονια στα 26 GeV και, τ ελος, ο SPS (Super Proton Synchrotron) θα παρ εχει πρωτ ονια εν εργειας 45 GeV, τα οπο ια θα προωθο υνται προς τον LHC στο Σηµε ιο 2 για τη δεξι οστροφα κινο υµενη δ εσµη και στο Σηµε ιο 8 για την αντ ιθετη δ εσµη. Ηεπ ιτευξη πολ υκαλ ης εστ ιασης της δ εσµης, υψηλ ης πυκν οτητας σωµατιδ ιων αν α πακ ετο και µικρ ης απ οστασης µεταξ υ πακ ετων απαιτε ι σηµαντικ ες τροποποι ησεις στο PS και τον Προωθητ η. Ηκ ατοψη του LHC µοι αζει µε αυτ η τουlep, αποτελο υµενη απ ο οκτ ω ευθ υγραµµα τ- µ ηµατα, το καθ ενα µ ηκους περ ιπου 5 m, κατ αλληλα για πειραµατικ ες η βοηθητικ ες ε- γκαταστ ασεις (Σχ. 1.8). Τα δ υο πειρ αµατα σκ εδασης πρωτον ιων υψηλ ης εντασης δ εσµης

38 18 Εισαγωγ η Σχ ηµα 1.7: Ο LHC και το σ υστηµα προ-επιταχυντ ων του. θα τοποθετηθο υν σε αντιδιαµετρικ αευθ υγραµµα τµ ηµατα στο Σηµε ιο 1(ATLAS) και στο Σηµε ιο 5(CMS 9 [16]). υο αλλα πειρ αµατα θα εγκατασταθο υν στο Σηµε ιο 2(πε ιραµα ALICE 1 [17]) και στο Σηµε ιο 8(πε ιραµα LHCb 11 [18]). Οι δ εσµες θα διασταυρ ωνονται σε αυτ α τατ εσσερα σηµε ια. Ηαν απτυξη σ υγχρονων τεχνικ ων κατασκευ ης υπεραγ ωγιµων µαγνητ ων απαιτε ιται για την ολοκλ ηρωση του LHC. Για να σκεδαστο υν δ υο δ εσµες σωµατιδ ιων του ιδιου φορτ ιου, πρ επει αυτ ες να κινηθο υν σε δ υο ξεχωριστο υς σωλ ηνες δ εσµης (beam pipes) σε αντ ιθετα µαγνητικ α πεδ ια. Αλλ α δενυπ αρχει αρκετ ος χ ωρος στη σ ηραγγα του LEP για την εγκ αρσια τοποθ ετηση δ υο µαγνητ ων. Προκειµ ενου να λυθε ι αυτ ο τοπρ ο ληµα και παρ αλληλα να µειωθε ιτοκ οστος κατασκευ ης και λειτουργ ιας, προ λ επεται η χρ ηση εν ος ν εου ε ιδους µαγν ητη, οοπο ιος εχει δ υο κυλινδρικ ες κοιλ οτητες και δ υο πην ια, αντ ιθετων µαγνητικ ων πεδ ιων, µ εσα σε εναν κοιν ο κρυοστ ατη. Ηδιατοµ ηεν ος τ ετοιου µαγν ητη φα ινεται στο Σχ.1.9. Οι διπολικο ι και392 τετραπολικο ι υπεραγ ωγιµοι µαγν ητες του LHC κατασκευ αζονται απ ο κρ αµα NbTi. Προκειµ ενου να παρ αγουν µαγνητικ ο πεδ ιο εντασης T, οι µαγν ητες αυτο ι θαψ υχονται σε θερµοκρασ ια κ ατω απ ο 2 K, το οπο ιο επιτυγχ ανεται µε τη χρ ηση υπερρευστο υ He (superfluid He) ως ψυκτικο υµ εσου. Στα σηµε ια σκ εδασης των δεσµ ων, τα πακ ετα θα εχουν εγκ αρσια ακτ ινα ιση µε ½ m και µ ηκος περ ιπου 3 cm. Αυτ ο σηµα ινει οτι η θ εση του σηµε ιου αλληλεπ ιδρασης θα εκτε ινεται σε µεγ αλη απ οσταση κατ αµ ηκος της δ εσµης, εχοντας πρακτικ α εκταση ιση µε 5.5 cm (r.m.s.). 9 Μοιρ αζεται τους ιδιους στ οχους ανακ αλυψης φυσικ ης µε το ATLAS, αλλ αδιαφ ερει στο σχεδιασµ ο των ανιχνευτ ων, ιδια ιτερα στο φασµατ οµετρο µιον ιων. 1 Θα µελετ ησει τη φυσικ ηβαρ εων ι οντων µε σκεδ ασεις Pb-Pb σε εν εργεια Ô ½½ TeV και φωτειν οτητα Ä ½¼ ¾ cm ¾ s ½. 11 Θα ερευν ησει την παρα ιαση της CP συµµετρ ιας στις διασπ ασεις των Β-µεσον ιων.

39 1.3 Βασικ ες παρ αµετροι του LHC 19 Σχ ηµα 1.8: Σχηµατικ η δι αταξη του LHC, οπου φα ινονται οι θ εσεις των πειραµ ατων. Σχ ηµα 1.9: ιατοµ ηεν ος υπεραγ ωγιµου διπολικο υ µαγν ητη του LHC. Απ ο τηνπλευρ α τηςαν ιχνευσης των παραγ οµενων σωµατιδ ιων, η υψηλ η συχν οτητα σκεδ ασεων µεταξ υ των πρωτον ιων απαρα ιτητη για τη συγκ εντρωση µεγ αλου στατιστικο υ δε ιγµατος γεγον οτων σε µικρ ο χρονικ οδι αστηµα προκαλε ι προ λ ηµατα στην αν αγνωση (read-out) των ηλεκτρονικ ων καρτ ων και στο σ υστηµα καταγραφ ης δεδοµ ενων. Επιπλ εον απαιτε ιται απ ο τους ανιχνευτ ες και τον ηλεκτρονικ οεξοπλισµ ο τους µεγ αλη αντοχ η σε υψηλ ες δ οσεις ακτινο ολ ιας. Με γν ωµονα την οσο το δυνατ ον καλ υτερη εκµετ αλλευση των δυνατοτ ητων που παρ εχει ο LHC ως προς την ανακ αλυψη φυσικ ης, και ταυτ οχρονα λαµ ανοντας υπ οψιν αυτο υς τους περιορισµο υς, σχεδι αστηκε ο ανιχνευτ ης ATLAS.

40 2 Εισαγωγ η

41 Κεφ αλαιο 2 Το πε ιραµα ATLAS Ο ανιχνευτ ης ATLAS 1 ε ιναι ενα γενικ ων κατευθ υνσεων πε ιραµα πρωτον ιων σε πρωτ ονια, σχεδιασµ ενο για να εκµεταλλευτε ι πλ ηρως τις δυνατ οτητες του LHC. Σχεδι αζεται απ ο µ ια συνεργασ ια π ανω απ ο 185 φυσικ ων, εργαζoµ ενων σε περ ιπου 15 ινστιτο υτα απ ο 35 χ ωρες. Μ ια γενικ η µελ ετη του ανιχνευτ η παρουσι- αζεται στο ATLAS Technical Proposal [22], το οπο ιο εκδ οθηκε το εκ εµ ριο του Οσχεδιασµ ος του ATLAS εγκρ ιθηκε επ ισηµα απ οτοcern τον Ιανου αριο του 1996, εν ω µ εχρι τα µ εσα του 1997 ε ιχαν εκδοθε ι ταtechnical Design Reports (TDRs) [23, 24, 25, 26, 27] που αφορο υν τις λεπτοµερε ις µελ ετες που εχουν γ ινει για κ αθε τµ ηµα του ανιχνευτ η. Ηαναµεν οµενη απ οδοση του ανιχνευτ η ως προς τη δυνατ οτητα ανακ αλυψης φυσικ ης παρουσι αζεται αναλυτικ α στην παραποµπ η [28]. 2.1 Βασικ ες προδιαγραφ ες Ο LHC προσφ ερει ενα πλ ηθος απ ο δυνατ οτητες εξερε υνησης στο πεδ ιο της σωµατιδιακ ης φυσικ ης, αν αµεσα στις οπο ιες η προ ελευση της αυθ ορµητης παρα ιασης συµµετρ ιας στις η- λεκτρασθενε ις αλληλεπιδρ ασεις αποτελε ιενδιαφ ερον ζ ητηµα για το ATLAS. Ηαναζ ητηση του Higgs ε ιναι λοιπ ον ενας καθοριστικ ος παρ αγοντας για τη βελτιστοπο ιηση του ανιχνευτ η. Αλλοι στ οχοι ε ιναι η ανακ αλυψη υπερσυµµετρικ ων σωµατιδ ιων, σ υνθετης δοµ ης (compositeness) στα θεωρο υµενα ως στοιχει ωδη φερµι ονια, ν εα βαρ εα µποζ ονια βαθµ ιδας, καθ ως και η ερευνα της παρα ιασης CP στις διασπ ασεις των B-µεσον ιων και η µελ ετη του top-quark [28]. Με σκοπ ο τηµεγιστοπο ιηση της πιθαν οτητας παρατ ηρησης ν εας φυσικ ης, το ATLAS πρ οκειται να λειτουργ ησει στην υψηλ οτερη παρεχ οµενη φωτειν οτητα (Ä ½¼ Ñ ¾ ½ ) µε τη συλλογ η οσο το δυνατ ον περισσ οτερης πληροφορ ιας, οπως η αναγν ωριση,,, ηαν ιχνευση πιδ ακων, ηµ ετρηση της µη-ανιχνε υσιµης εγκ αρσιας εν εργειας, Ñ Ì ), και η σ ηµανση (tagging) πιδ ακων προερχ οµενων απ ο b-quarks. Εµφαση εχει επ ισης δοθε ι στην αναγκα ια απ οδοση για τη φυσικ η που θα δ ωσει ο LHC κατ ατηνπερ ιοδο λειτουργ ιας του 1 ØØÔ ØÐ Ò Ó ÖÒ ØÐ Ï ÐÓÑ ØÑÐ 21

42 22 Το πε ιραµα ATLAS σε χαµηλ η φωτειν οτητα (Ä ½¼ Ñ ¾ ½ ), χρησιµοποι ωντας επιπρ οσθετα πιο σ υνθετες πληροφορ ιες, οπως η αναγν ωριση -πιδ ακων και πιδ ακων βαρ εων quarks απ ο δευτερε υοντα σηµε ια δι ασπασης (secondary vertices). Το πε ιραµα ATLAS σχεδι αστηκε µε γν ωµονα τις εξ ης απαιτ ησεις: Æ Υπαρξη ηλεκτροµαγνητικο υ καλοριµ ετρου υψηλ ης απ οδοσης για την αν ιχνευση και αναγν ωριση ηλεκτρον ιων Ô και φωτον ιων (µε διακριτικ ηικαν οτητα ως προς την εν εργεια ½¼% ε ½%), σε συνδυασµ οµεαν ιχνευση πιδ ακων και µ ετρηση Ì Ñ. Æ Επαρκ ης προσδιορισµ ος τροχι ων σε υψηλ η φωτειν οτητα για µ ετρηση της ορµ ης των λεπτον ιων, σ ηµανση b-πιδ ακων και αναγν ωριση και, οπως και για προσδιορισµ ο σηµε ιων δι ασπασης και πιδ ακων βαρ εων γε υσεων και για καλ η ανακατασκευ η τελικ ων καταστ ασεων διασπ ασεων B-µεσον ιων σε χαµηλ η φωτειν οτητα. Æ Αυτ ονοµη µ ετρηση υψηλ ης ακρ ι ειας της ορµ ης των µιον ιων σε υψηλ η φωτειν οτητα, και σκανδαλισµ οσεπολ υ χαµηλ ηεγκ αρσια ορµ η Ô Ì σε χαµηλ η φωτειν οτητα. Æ Ερµητικ η κ αλυψη ως προς την ψευδωκ υτητα 2 (pseudorapidity),, και την αζιµουθιακ ηγων ια,. Æ Μηχανισµ ος σκανδ αλης και µετρ ησεις σωµατιδ ιων µε χαµηλ η Ô Ì, παρ εχοντας υψηλ η απ οδοση σε ενδιαφ ερουσες διαδικασ ιες φυσικ ης στον LHC. Ηικαν οτητα ανακ αλυψης ν εας φυσικ ης θα µεγιστοποιηθε ι µε την κατασκευ η εν ος α- νιχνευτ η µεκαλ η ερµητικ οτητα και µε χαµηλ ο κατ ωφλι σε Ô Ì για τη σκανδ αλη και για τη µ ετρηση της ορµ ης των σωµατιδ ιων. 2.2 Περιγραφ η του ανιχνευτ η Η γεωµετρ ια του ATLAS ακολουθε ι τη, γνωστ η απ ο ταπειρ αµατα του LEP, δι αταξη ανιχνευτ ης τροχι ων καλορ ιµετρα ανιχνευτ ης µιον ιων, οπως φα ινεται στο Σχ Τα κυρι οτερα µ ερη του περιγρ αφονται συνοπτικ α παρακ ατω Οι µαγν ητες Η συνολικ ηδι αταξη καθορ ιζεται κατ α µεγ αλο µ ερος απ ο τηθ εση και την εκταση των µαγνητικ ων πεδ ιων. Ενας υπεραγ ωγιµος σωληνοειδ ης µαγν ητης, οοπο ιος λειτουργε ισεθερ- µοκρασ ια 4.5 K, περι αλλει την κοιλ οτητα του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η. Η ενταση της συνιστ ωσας του µαγνητικο υπεδ ιου του κατ αµ ηκος του αξονα της δ εσµης κυµα ινεται απ ο 2 T στο σηµε ιο αλληλεπ ιδρασης εως.5 T στα ακρα του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η. Στο εξωτερικ ο του σωληνοειδο υς µαγν ητη βρ ισκεται το ηλεκτροµαγνητικ οκαλορ ιµετρο, µε το οπο ιο µοιρ αζεται τον κρυοστ ατη. 2 Η ψευδωκ υτητα εν ος σκεδαζοµ ενου σωµατιδ ιου ορ ιζεται ως ÐÒ Ø Ò ¾, οπου (σε µο ιρες) ε ιναι η γων ια µεταξ υ της κατε υθυνσης κ ινησης του σωµατιδ ιου και του αξονα της δ εσµης.

43 2.2 Περιγραφ η του ανιχνευτ η 23 Σχ ηµα 2.1: Συνοπτικ η εικ ονα του ανιχνευτ η ATLAS [28]. Τα καλορ ιµετρα, απ οτην αλλη πλευρ α, περι αλλονται απ ουπεραγ ωγιµους τοροειδε ις µαγν ητες. Αυτο ι συν ιστανται απ ο ανεξ αρτητα πην ια διατεταγµ ενα µε οκταπλ η αζιµουθιακ η συµµετρ ια, παρ εχοντας µαγνητικ οπεδ ιο µε ενταση που µετα αλλεται σηµαντικ ακατ α τη διε υθυνση της γων ιας. Το ολοκλ ηρωµα του πεδ ιου, À Ð, κυµα ινεται απ ο 2 6 Tm στο κεντρικ οτµ ηµα (barrel) µ εχρι 4 8 Tm στα ακρα ια τµ ηµατα (end-cap). Αυτ η ηδι αταξη των µαγνητ ων καθιστ α δυνατ η την κατασκευ η εν ος υψηλ ης διακριτικ ης ικαν οτητας, ευρε ιας κ αλυψης ως προς την ψευδωκ υτητα και αυτ ονοµου Φασµατοµ ετρου Μιον ιων, το οπο ιο ε- πι αλλει ελ αχιστους περιορισµο υς στη λειτουργ ια του καλοριµ ετρου και του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η. Οι συνολικ ες διαστ ασεις του ανιχνευτ η ATLAS καθορ ιζονται απ ο το Φασµατ οµετρο Μιον ιων. Οι πλ εον εξωτερικο ι θ αλαµοι του κεντρικο υτµ ηµατος βρ ισκονται σε µ ια ακτ ινα περ ιπου 11 m. Το µ ηκος των τοροειδ ων πην ιων του κεντρικο υ τµ ηµατος ε ιναι 13 m και το τρ ιτο στρ ωµα των εµπρ οσθιων θαλ αµων µιον ιων βρ ισκεται 21 m µακρι ααπ ο το σηµε ιο αλληλεπ ιδρασης. Ο ανιχνευτ ης ATLAS ζυγ ιζει συνολικ απερ ιπου 7 τ ονους Ο Εσωτερικ ος Ανιχνευτ ης Στο πλ εον εσωτερικ ο µ ερος του ATLAS βρ ισκεται ο ανιχνευτ ης τροχι ων (tracker). Με υ- ψηλ ης διακριτικ ης ικαν οτητας ανιχνευτ ες θα µπορο υν να ανακατασκευ αζονται οι τροχι ες των φορτισµ ενων σωµατιδ ιων µ εσα στο µαγνητικ οπεδ ιο του σωληνοειδο υς µαγν ητη. Σχη- µατικ ηεικ ονα του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η (Inner Detector, ID) δ ινεται στο Σχ. 2.2.

44 24 Το πε ιραµα ATLAS Forward SCT Barrel SCT Pixel Detectors TRT Σχ ηµα 2.2: Τρισδι αστατη εικ ονα του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η τουatlas (σχεδιασµ ενη µε το πρ ογραµµα ÆÌ) [23]. O Εσωτερικ ος Ανιχνευτ ης [23] περι εχεται σε εναν κ υλινδρο µ ηκους 6.8 m και ακτ ινας 1.15 m, και περι αλλεται απ ο ενα σωληνοειδ ες που παρ εχει µαγνητικ ο πεδ ιο εντασης 2 T παρ αλληλα στον αξονα της δ εσµης. Ο ID προσφ ερει υψηλ ης απ οδοσης αναγν ωριση τροχι ας, µετρ ησεις ορµ ης, προσδιορισµ ος σηµε ιων δι ασπασης και αναγν ωριση ηλεκτρον ιων. Στο εσωτερικ ο του, υψηλ ης διακριτικ ης ικαν οτητας αν ιχνευση θα προ ερχεται αφεν ος µεν απ ο ηµιαγ ωγιµους ανιχνευτ ες πυριτ ιου σε µορφ ηκ οκκων (pixels), αφετ ερου δε απ ο τον ανιχνευτ η ηµιαγωγ ων (Semiconductor Tracker, SCT) συνιστ ωµενος απ ολεπτ ες λωρ ιδες (strips) πυριτ ιου. Στο εξωτερικ οε ιναι εγκατεστηµ ενος ο ανιχνευτ ης ακτινο ολ ιας µετ α ασης (Transition Radiation Tracker, TRT), οοπο ιος αποτελε ιται απ ο κυλινδρικο υς ανιχνευτ ες σ υρµατος. Τα κυρι οτερα χαρακτηριστικ α τουid συνοψ ιζονται στον Π ινακα 2.1. Σ υστηµα Θ εση ιακριτικ η ικαν οτητα ( m) Κ αλυψη ως προς Κ οκκοι 3 κεντρικο ικ υλινδροι Ê ½¾ Þ ¾ πυριτ ιου 4 δ ισκοι αν α πλευρ α Ê ½¾ Ê ½ ¾ Λωρ ιδες 4 κεντρικο ικ υλινδροι Ê ½ Þ ¼ ½ πυριτ ιου 9 δ ισκοι αν α πλευρ α Ê ½ Ê ¼ ½ ¾ TRT Αξονικο ισωλην ισκοι (κ εντρο) 17 (αν α σωλην ισκο) ¼ Ακτινικο ισωλην ισκοι ( ακρα) 17 (αν α σωλην ισκο) ¼ ¾ Π ινακας 2.1: Παρ αµετροι του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η. Οι αναφερ οµενες διακριτικ ες ικαν οτητες αντιπροσωπε υουν τυπικ ες τιµ ες. Ηπραγµατικ ητιµ ηγιακ αθε ανιχνευτ ηεξαρτ αται απ ο το.

45 2.2 Περιγραφ η του ανιχνευτ η 25 Ο ανιχνευτ ης κ οκκων Ο ανιχνευτ ης πυριτ ιου σε µορφ η κ οκκων βρ ισκεται στην ενδ οτερη περιοχ η τουid. Εχει πυκν η διαµ εριση (granularity) αποτελο υµενος απ ο π ανω απ ο 14 εκατοµµ υρια κ οκκους/καν αλια. Ε ιναι σχεδιασµ ενος να παρ εχει αριστη αναγν ωριση µορφ ης (pattern recognition) να καθορ ιζει τη διακριτικ ηικαν οτητα της παραµ ετρου κρο υσης (impact parameter) και να προσφ ερει τη δυνατ οτητα αν ιχνευσης ταχ εως διασπ ωµενων σωµατιδ ιων οπως B- αδρ ονια και -λεπτ ονια. Κ αθε τροχι α θαδιασχ ιζει τουλ αχιστον τρεις κ οκκους, διαστ ασεων ¼ ¼¼ Ñ, οι ο- πο ιοι αποτελο υν τρ ια χωρικ α σηµε ια υψηλ ης ακρι ε ιας. Ηκατ αληψη (occupancy) ε ιναι ε- ξαιρετικ α χαµηλ η, λ ογω της πυκν ης διαµ ερισης µ ονο ενας κ οκκος στους δ εκα χιλι αδες δ ινει σ ηµα στην κανονικ η φωτειν οτητα του LHC. Για εναν κ οκκο, ηχωρικ η διακριτικ ηικαν οτητα ε ιναι κατ α µ εσο ορο Ö ³ ½ Ñ και Þ ³ Ñ, οµως µπορε ι να βελτιωθε ι λαµ- ανοντας υπ οψιν την κατανοµ η φορτ ιου στους γειτονικο υς κ οκκους. Οι κ οκκοι ε ιναι οργανωµ ενοι σε µον αδες (modules), οι οπο ιες ε ιναι πανοµοι οτυπες στο κεντρικ οκαισταακρα ια τµ ηµατα. Κ αθε µον αδα εχει µ ηκος 62.4 mm και πλ ατος 21.4 mm, αποτελο υµενη απ ο κ οκκους και δια αζεται απ ο 16 chips. Τα chips αν αγνωσης περι- εχουν κυκλ ωµατα ξεχωριστ αγιακ αθε κ οκκο, περιλαµ ανοντας προσωριν ες µν ηµες για α- ποθ ηκευση δεδοµ ενων κατ ατολανθ ανων χρ ονο της σκανδ αλης LVL1(βλ. Παρ ). Το κεντρικ οτµ ηµα αποτελε ιται απ ο τρεις κυλινδρικ ες µον αδες µ ηκους 77 cm, τοποθετηµ ενες σε ακτ ινες 4.7, 1.5 και 13.7 cm. Τα ακρα ια τµ ηµατα συν ιστανται απ ο τ εσσερις µον αδεςδ ισκους σε κ αθε πλευρ α, εκτειν οµενες µεταξ υ ακτ ινων 1.7 και 19.6 cm, και ευρισκ οµενες σε Þ ½ ½¼ cm. Ο ανιχνευτ ης ηµιαγωγ ων Ο SCT καλ υπτει τη µεσα ιας ακτ ινας περιοχ η του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η. Παρ εχει οκτ ω ακρι ε ις µετρ ησεις (τ εσσερα χωρικ α σηµε ια) αν α τροχι α σε ολο το ε υρος ψευδωκ υτητας, συνεισφ εροντας στον προσδιορισµ ο της ορµ ης, της παραµ ετρου κρο υσης και του σηµε ιου δι ασπασης (vertex). Το βασικ ο στοιχε ιο ε ιναι ενας µον ης-πλευρ ας ανιχνευτ ης πυριτ ιου p-σε-n, επιφ ανειας ¼ Ñ ¾, µε 768 λωρ ιδες αν αγνωσης. Ηχωρικ η διακριτικ η ικαν οτητα ε ιναι κατ α µ εσο ορο Ö ³ ½ Ñ και Þ ³ ¼ Ñ, µε κατ αληψη περ ιπου 1%. Κ αθε κεντρικ η µον αδα αποτελε ιται απ ο τ εσσερα στοιχε ια. Σε κ αθε πλευρ α της µον αδας, δ υο ανιχνευτ ες εν ωνονται µε σ υρµα για να αποτελ εσουν λωρ ιδες µ ηκους 12.8 cm. υο τ ετοια ζε υγη συγκολλο υνται µαζ ι σεγων ια 4 mrad, χωριζ οµενα απ ο µ ια πλ ακα µεταφορ ας θερµ οτητας. Ηαλυσ ιδα αν αγνωσης αποτελε ιται απ ο εναν εµπρ οσθιο (front-end) ενισχυτ η και διευκρινιστ η, ακολουθο υµενο απ ο εναν διπλ οαγωγ οµν ηµης (pipeline), οοπο ιος αποθηκε υει τα ιχνη (hits) κατ ατολανθ ανων χρ ονο της σκανδ αλης LVL1. Οι ακρα ιες µον αδες αποτελο υνται απ ο κωνικ ες λωρ ιδες διατεταγµ ενες ακτινικ α, µετα αλλ οµενου µ ηκους 6 12 cm, ωστε να παρ εχει β ελτιστη κ αλυψη ως προς. Οι τ εσσερις κεντρικ ες µον αδες, ε- νωµ ενες µεταξ υ τους, κε ινται σε ακτ ινες 3. εως 52. cm, εν ωταακρα ια µ ερη συν ιστανται απ ο ενν εα δ ισκους αν α πλευρ α.

46 26 Το πε ιραµα ATLAS Ο ανιχνευτ ης TRT Ο ανιχνευτ ης ακτινο ολ ιας µετ α ασης παρ εχει χωρικ απυκν ο προσδιορισµ ο τροχι ας χρησιµοποι ωντας ε υκαµπτους σωλην ισκους (straw tubes) διαµ ετρου 4 mm, διατεταγµ ενους ετσι ωστε κ αθε τροχι α θαπερ ασει κατ α µ εσο ορο απ ο 36 σωλην ισκους. Λεπτοµερ ης περιγραφ η τουtrt ακολουθε ι στοκεφ Τα Καλορ ιµετρα Το καλορ ιµετρο του ATLAS αποτελε ιται απ ο το ηλεκτροµαγνητικ ο και το αδρονικ οκαλορ ιµετρο. Ο διαχωρισµ ος γ ινεται λ ογω των διαφορετικ ων αλληλεπιδρ ασεων µεταξ υ τουενεργο υυλικο υ και των ηλεκτρον ιων/φωτον ιων, απ οτηµιαπλευρ α, και των αδρον ιων, απ ο την αλλη. Μ ια συνοπτικ ηεικ ονα των καλοριµ ετρων του ATLAS δ ινεται στο Σχ Hadronic Tile Calorimeters EM Accordion Calorimeters Hadronic LAr End Cap Calorimeters Forward LAr Calorimeters Σχ ηµα 2.3: Τρισδι αστατη εικ ονα του καλοριµ ετρου του ATLAS, το οπο ιο περι αλλει τον Εσωτερικ ο Ανιχνευτ η [24]. Τα καλορ ιµετρα παρ εχουν πληροφορ ια και για σωµατ ιδια τα οπο ια δεν απορροφο υνται απ ο αυτ α, οπως µι ονια και νετρ ινα. Τα µι ονια δεν προκαλο υν καταιονισµο υς (showers) αλλ α αφ ηνουν σ ηµα ιονισµο υ. Τα νετρ ινα, απ ο την αλλη πλευρ α, δεν αφ ηνουν σ ηµα, αλλ α η παρουσ ια τους µπορε ι να ανιχνευτε ιµ εσω της διατ ηρησης της εν εργειας: σε ενα ερ- µητικ α κλειστ ο καλορ ιµετρο, το π ερασµα εν ος νετρ ινο µπορε ι να«παρατηρηθε ι» απ ο τον υπολογισµ ο της µη-ανιχνε υσιµης εν εργειας. Η διακριτικ ηικαν οτητα στη µ ετρηση της Ñ Ì

47 2.2 Περιγραφ η του ανιχνευτ η 27 σε χαµηλ η φωτειν οτητα ακολουθε ιτησχ εση Ñ ¼ Ô Ì ( Ñ, Ì σε GeV), οπου Ì ε ιναι η ολικ ηεγκ αρσια εν εργεια που µετρι εται απ ο τακαλορ ιµετρα [29]. Το καλορ ιµετρο υγρο υ Αργο υ ειγµατοληπτικ ο (sampling) καλορ ιµετρο υγρο υ Αργο υ (liquid Argon, LArg) [24], πυκν ης διαµ ερισης καλ υπτει την περιοχ η ψευδωκ υτητας. Το κεντρικ ο ( ½ ) και τα ακρα ια τµ ηµατα (½ ¾), τα οπο ια συνιστο υν το Ηλεκτροµαγνητικ οκαλορ ιµετρο (Electromagnetic Calorimeter, ECAL) αποτελο υνται απ ο ηλεκτρ οδια σχ ηµατος ακορντε ον µε απορροφητ η µ ολυ δο και αναµ ενεται να εχουν αριστη απ οδοση ως προς τη διακριτικ η ικαν οτητα σε µετρ ησεις εν εργειας και θ εσης. Ενδεικτικ α, για φωτ ονια µε Ì ¼ Î, ηολικ η διακριτικ ηικαν οτητα της εν εργειας κυµα ινεται συναρτ ησει της ψευδωκ υτητας µεταξ υ 1.3% και 1.5% σε υψηλ η φωτειν οτητα, και µεταξ υ 1.1% και 1.4% σε χαµηλ η φωτειν οτητα [25]. Με στ οχο την αντοχ η στα υψηλ αεπ ιπεδα ακτινο ολ ιας που υπο αλλεται η εµπρ οσθια περιοχ η, στο αδρονικ οκαλορ ιµετρο χρησιµοποιε ιται επ ισης η τεχνολογ ια υγρο υαργο υγια τα ακρα ια τµ ηµατ ατου. Για ½ ¾, οσχεδιασµ ος του Ακρα ιου Αδρονικο υκαλοριµ ετρου (Hadronic End-cap Calorimeter, HEC) ε ιναι απλο υστερος απ ο εκε ινον του ECAL και εχει ως απορροφητ η παρ αλληλες πλ ακες χαλκο υ τοποθετηµ ενες κ αθετα στη δ εσµη. Σε ακ οµα µεγαλ υτερη ψευδωκ υτητα ( ¾ ), βρ ισκεται το εµπρ οσθιο καλορ ιµετρο (Forward Calorimeter, FCAL). Αποτελε ιται απ ο µεταλλικ ο πλα ισιο µε κυλινδρικ ες οπ ες, στις οπο ιες τοποθετο υνται ρ α δοι αφ ηνοντας ενα κεν ο 25 4 Ñ, το οπο ιο πληρ ωνεται µε υγρ ο Αργ ο. Ο απορροφητ ης ε ιναι απ ο χαλκ ο για το ηλεκτροµαγνητικ ο FCAL και απ ο βολφρ αµιο για το αδρονικ ο FCAL. Το καλορ ιµετρο πλακιδ ιων Το καλορ ιµετρο πλακιδ ιων (Tile Calorimeter, TileCal) [26] συνιστ α το κεντρικ ο τµ ηµα του αδρονικο υ καλοριµ ετρου στην περιοχ η ½. Καταλαµ ανει εναν κ υλινδρο, εξω απ ο τους κρυοστ ατες του LArg, εξωτερικ ης ακτ ινας 4.25 m και µ ηκους µ εχρι ½¼ Ñ. ιαιρε ιται σε τρ ια µ ερη: τον κεντρικ οκ υλινδρο και δ υο κυλινδρικ ες επεκτ ασεις. Αποτελε ιται απ ο πλαστικ απλακ ιδια (tiles) σπινθηριστ η, διατεταγµ ενα κ αθετα στη δ εσµη, τα οπο ια ενσωµατ ωνονται σε απορροφητ ηαπ οσ ιδηρο. Το πλ ατος του TileCal κατ αµ ηκος της ακτινικ ης διε υθυνσης για ¼ε ιναι περ ιπου ενν εα µ ηκη αλληλεπ ιδρασης (interaction lengths), Á. Η συλλογ ητουφωτ ος των σπινθηριστ ων γ ινεται απ ο φωτοπολλαπλασιαστ ες ευρισκ οµενους εκτ ος του καλοριµ ετρου, µ εσω ιν ων µετατ οπισης µ ηκους κ υµατος. Συνολικ α το αδρονικ οκαλορ ιµετρο συνεισφ ερει στην πολ υκαλ η ως προς τους π ιδακες και την Ì Ñ απ οδοση του ανιχνευτ η [25] µε διακριτικ ηικαν οτητα στη µ ετρηση της εν εργειας Ì ¼% Ô Îµ %, για και ½¼¼% Ô Îµ ½¼%, για

48 28 Το πε ιραµα ATLAS Οσταθερ ος ορος οφε ιλεται κυρ ιως στη διαφορετικ ηαπ οκριση του αδρονικο υκαιτουηλεκτροµαγνητικο υ µ ερους του καταιονισµο υ, καθ ως µεγ αλο µ ερος της ολικ ης εν εργειας καταλ ηγει σε ηλεκτροµαγνητικ ο καταιονισµ ο σε υψηλ ες εν εργειες Το Φασµατ οµετρο Μιον ιων Η αναγν ωριση των λεπτον ιων αποτελε ι καθοριστικ ο παρ αγοντα της απ οδοσης εν ος πειρ α- µατος το οπο ιο λειτουργε ι µεσκεδ ασεις πρωτον ιων σε πρωτ ονια σε υψηλ ες εν εργειες. Το σ υστηµα αν ιχνευσης µιον ιων του ATLAS εξυπηρετε ιδ υο στ οχους ως µηχανισµ ος σκανδ αλης για την επιλογ ηγεγον οτων µε µι ονια υψηλ ης εν εργειας και ως φασµατ οµετρο µιον ιων µεγ αλης ακρ ι ειας. Ηγενικ η δι αταξη του συστ ηµατος µιον ιων φα ινεται στο Σχ. 2.4,εν ω µ ια τρισδι αστατη εικ ονα δ ινεται στο Σχ. 2.1, οπου περι αλλει τα υπ ολοιπα συστ ηµατα α- νιχνευτ ων του ATLAS. MDT chambers Resistive plate chambers 12 m 1 Barrel toroid coil 8 Thin gap chambers 6 Radiation shield End-cap toroid Cathode strip chambers m 4 2 Σχ ηµα 2.4: ιαµ ηκης κ ατοψη εν ος τετ αρτου του Φασµατοµ ετρου Μιον ιων του ATLAS [27]. Το Φασµατ οµετρο Μιον ιων (Muon Spectrometer) [27] περι αλλει τα καλορ ιµετρα. Το τοροειδ ες σ υστηµα, µε εναν µακρ υ κεντρικ οκαιδ υο µικρ οτερους ακρα ιους µαγν ητες τοποθετηµ ενους µ εσα στον κεντρικ ο, παρ αγει πεδ ιο µεγ αλης εκτασης και ισχυρ ης ικαν οτητας κ αµψης. Λ ογω του πυρ ηνα απ ο α ερα που διαθ ετει, τα φαιν οµενα πολλαπλ ης σκ εδασης ε ιναι περιορισµ ενα και µ ια αριστη διακριτικ ηικαν οτητα στην ορµ η των µιον ιων επιτυγχ ανεται οταν χρησιµοποιηθε ικαιηαπ οδοση του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η. Τυπικ α, η ορµ ητων µιον ιων µετρι εται µε διακριτικ η ικαν οτητα ¾% στην ευρ υτερη κινηµατικ η περιοχ η, εν ω αυξ ανεται στις πολ υ υψηλ ες ορµ ες, φτ ανοντας µ εχρι 8 9% για Ô Ì ½Ì Î. Θ αλαµοι µ ετρησης ακρι ε ιας Στην κεντρικ ηπεριοχ η, οι τροχι ες των µιον ιων ανιχνε υονται µε θαλ αµους διατεταγµ ενους σε τρ ια κυλινδρικ αστρ ωµατα («σταθµο υς») γ υρω απ ο τον αξονα της δ εσµης. Στην µετα- ατικ η και ακρα ια περιοχ η, οι θ αλαµοι ε ιναι εγκατεστηµ ενοι σε επ ιπεδα κ αθετα στη δ εσµη, επ ισης σε τρεις σταθµο υς.

49 2.2 Περιγραφ η του ανιχνευτ η 29 Στο µεγαλ υτερο ε υρος της ψευδωκ υτητας ( ¾ ), ακρι ε ις µετρ ησεις των συντεταγµ ενων της τροχι ας κατ α τηδιε υθυνση κ αµψης του µαγνητικο υ πεδ ιου επιτυγχ ανεται απ ο τους Ελεγχ οµενους Θαλ αµους Ολ ισθησης (Monitored Drift Tubes, MDTs). Οι MDTs ε ιναι αναλογικο ι θ αλαµοι ολ ισθησης απ ο αλουµ ινιο, διαµ ετρου 3 mm και µε µ ηκος που κυµα ινεται απ ο 7 cm ως 63 cm. Προκειµ ενου να µετρηθε ι η συντεταγµ ενη επ ιτουεπιπ εδου κ αµψης του µαγν ητη, οι θ αλαµοι τοποθετο υνται κ αθετα στον αξονα της δ εσµης. Κ αθε σταθµ ος MDT αποτελε ιται απ οδ υο πολυ-επ ιπεδα, το καθ εναµεδ υο ητρ ια επ ιπεδα θαλ α- µων. Σε µεγ αλο και κοντ α στο σηµε ιο αλληλεπ ιδρασης, οι Θ αλαµοι Λωρ ιδας Καθ οδου (Cathode Strip Chambers, CSCs) χρησιµοποιο υνται για να αντ εξουν στις απαιτητικ ες, απ ο αποψη ρο ης σωµατιδ ιων και υπο αθρου, συνθ ηκες. Οι CSCs ε ιναι πολυσυρµατικο ι αναλογικο ι θ αλαµοι µε απ οσταση µεταξ υ συρµ ατων 2.5 cm. Οι λωρ ιδες καθ οδου, οι οπο ιες διατ ασσονται κ αθετα στα σ υρµατα αν οδου, παρ εχουν µ ια δε υτερη συντεταγµ ενη η οπο ια, σε συνδυασµ οµετηνλεπτ οτερη διαµ εριση σε σχ εση µε τους MDTs, καθιστ α δυνατ ητηε υρεση τροχι ων στην εµπρ οσθια περιοχ η. Θ αλαµοι σκανδαλισµο υ Για τη σκανδ αλη, το σ υστηµα των µιον ιων ε ιναι εξοπλισµ ενο µε γρ ηγορους Θαλ αµους Αγ ωγιµου Ελ ασµατος (Resistive Plate Chambers, RPCs) στην περιοχ η ¾, και µε Θαλ αµους Λεπτο υ ι ακενου (Thin Gap Chambers, TGCs) στην ακρα ια περιοχ η. Οι ανιχνευτ ες αυτο ι χρησιµοποιο υνται επ ισης για τη µ ετρηση της δε υτερης συντεταγµ ενης µε τυπικ η διακριτικ η ικαν οτητα 5 1 mm. Οι RPCs ε ιναι ανιχνευτ ες αερ ιου, οι οπο ιοι προσφ ερουν διακριτικ ηικαν οτητα σε χ ωρο και χρ ονο της τ αξης του ½Ñ ½Ò. Ηβασικ η µον αδα ε ιναι ενα στεν ο (2 mm) χ ασµα αερ ιου µεταξ υδ υο παρ αλληλων αγ ωγιµων ελασµ ατων βακελ ιτη, που χωρ ιζονται απ ο µονωτικ ουλικ ο. Το σ υστηµα σκανδαλισµο υ αποτελε ιται στην κεντρικ ηπεριοχ ηαπ ο τρεις σταθ- µο υς, µε δ υο στρ ωσεις ανιχνευτ η οκαθ ενας. Οι TGCs ε ιναι παρ οµοιοι µε τους CSCs, αλλ α µεµεγαλ υτερη απ οσταση µεταξ υ συρ- µ ατων σε σχ εση µε την απ οσταση µεταξ υ αν οδου και καθ οδου. Το σ ηµα των συρµ ατων αν οδου, τα οπο ια ε ιναι παρ αλληλα στους MDTs, µαζ ι µετοσ ηµα των λωρ ιδων, οι οπο ιες ε ιναι κ αθετες στα σ υρµατα, παρ εχουν τη σκανδ αλη καθ ως και προσδιορισµ ο της δε υτερης συντεταγµ ενης Το σ υστηµα σκανδ αλης και καταγραφ ης δεδοµ ενων Ο µηχανισµ ος σκανδ αλης (trigger) και η καταγραφ η των δεδοµ ενων (Data Acquisition, DAQ) εν ος πειρ αµατος του LHC αποτελε ι τεχνολογικ η πρ οκληση. Η συχν οτητα διαστα υρωσης δεσµ ων στον LHC ε ιναι 4 MHz, και ο αναµεν οµενος ρυθµ ος αλληλεπιδρ ασεων στην κανονικ η φωτειν οτητα ε ιναι 1 GHz. Το σ υστηµα σκανδ αλης πρ επει να µει ωνει αυτ ο το ρυθµ ο κατ α εναν παρ αγοντα ½¼, µ εχρι τα 1 Hz, δηλ. 1 MBytes/s, ηοπο ια ε ιναι η µ εγιστη ταχ υτητα καταγραφ ης των δεδοµ ενων.

50 3 Το πε ιραµα ATLAS Ο ανιχνευτ ης ATLAS εχει περ ιπου ½¼ ηλεκτρονικ ακαν αλια και η συχν οτητα διαστα υρωσης δεσµ ων ε ιναι 4 MHz, αλλ α ηµ εγιστη ταχ υτητα καταγραφ ης των δεδοµ ενων ε ιναι µ ονο της τ αξης των 1 Hz. Εποµ ενως χρει αζεται ενα πολ υ γρ ηγορο και επιλεκτικ ο σ υστηµα σκανδ αλης. Το σ υστηµα σκανδ αλης του ATLAS βασ ιζεται σε τρ ια επ ιπεδα, Interaction rate χρησιµοποι ωντας ~1 GHz Bunch crossing rate 4 MHz LEVEL 1 TRIGGER < 75 (1) khz Regions of Interest LEVEL 2 TRIGGER ~ 1 khz EVENT FILTER ~ 1 Hz CALO MUON TRACKING Event builder Data recording Pipeline memories Derandomizers Readout drivers (RODs) Readout buffers (ROBs) Full-event buffers and processor sub-farms Σχ ηµα 2.5: Λογικ οδι αγραµµα του συστ ηµατος σκανδ αλης και καταγραφ ης δεδοµ ενων. µεθ οδους επιλογ ης αυξαν οµενης πολυπλοκ οτητας και χρονικ ης δι αρκειας. Περισσ οτερες λεπτοµ ερειες για τη σκανδ αλη του ATLAS βρ ισκονται στην παραποµπ η [3]. Ο µηχανισµ ος σκανδ αλης και καταγραφ ης δεδοµ ενων φα ινεται στο Σχ Στο πρ ωτο επ ιπεδο (σκανδ αλη LVL1) χρησιµοποιο υνται ειδικ ασχεδιασµ ενοι επεξεργαστ ες, οι οπο ιοι δρουν σε δεδοµ ενα α- ραι ης διαµ ερισης απ ο εναν περιορισµ ενο α- ριθµ ο ανιχνευτ ων. Λειτουργε ι στο ρυθµ ο διαστα υρωσης δεσµ ων του LHC (4 MHz), λαµ ανοντας δεδοµ ενα κ αθε 25 ns, και παρ εχει µ ια απ οφαση για κ αθε µ ια διαστα υρωση δεσµ ων. Το απαιτο υµενο χρονικ ο δι αστηµα για τη συλλογ η των δεδοµ ενων, τη λ ηψη της LVL1 απ οφασης και της διανο- µ ης της ολανθ ανων χρ ονος LVL1(LVL1 latency) ε ιναι περ ιπου 2. Καθ ως αυτ ο το δι αστηµα ε ιναι µεγαλ υτερο απ οτοχρ ονο µεταξ υδ υο διαδοχικ ων διασταυρ ωσεων δεσµ ων των 25 ns, τα γεγον οτα απ ο πολλαπλ ες διασταυρ ωσεις δεσµ ων αποθηκε υονται σε αγωγο υς µν ηµης (pipelined memories). Ο ρυθµ ος των αποδεκτ ων απ οτησκανδ αλη LVL1 γεγον οτων (ρυθµ ος αποδοχ ης, acceptance rate) ε ιναι khz µε ενα µ εγιστο στα 1 khz. Το δε υτερο επ ιπεδο σκανδ αλης (σκανδ αλη LVL2) εκµεταλλε υεται δεδοµ ενα πυκν ης διαµ ερισης απ ο σχεδ ον ολους τους ανιχνευτ ες. Οµως εξετ αζει µ ονο περιοχ ες οι οπο ιες κρ ιθηκαν απ ο τησκανδ αλη LVL1 ως ενδιαφ ερουσες (Regions of Interest, RoIs). Οταν η LVL1 trigger αποδ εχεται ενα γεγον ος, τα δεδοµ ενα µεταφ ερονται απ ο τους αγωγο υς µν η- µης και αποθηκε υονται σε προσωριν ες µν ηµες αν αγνωσης (Read-Out Buffers, ROBs) κατ α τη δι αρκεια της επεξεργασ ιας του LVL2. Οι επεξεργαστ ες της σκανδ αλης LVL1 διοχετε υουν την πληροφορ ια σχετικ αµετιςrois στη σκανδ αλη LVL2. Η τελευτα ια εξετ αζει κατ οπιν µ ονο αυτ ες τις µικρ ες περιοχ ες χρησιµοποι ωντας δεδοµ ενα πυκν ης διαµ ερισης απ ο τον Εσωτερικ ο Ανιχνευτ η τροχι ων και αλλους ανιχνευτ ες. Ηχρ ηση των RoIs υπονοε ι οτι µ ονο ενα µ ερος απ οταπλ ηρη δεδοµ ενα του γεγον οτος µεταφ ερεται απ ο τους ROBs στους επεξεργαστ ες του LVL2. Αυτ ο µει ωνει το λανθ ανοντα χρ ονο του LVL2. Ο απαιτο υµενος ρυθµ ος αποδοχ ης της LVL2 ε ιναι ½ khz. Για να επιτευχθε ιαυτ ο, φυσικ ες ποσ οτητες οι οπο ιες ονοµ αζονται χαρακτηριστικ α (features) οπως τµ ηµατα της τροχι ας και η εγκ αρσια ορµ η (Ô Ì ), εξ αγονται απ ο τα δεδοµ ενα των RoIs. Ολα τα χαρακτηριστικ α συνδυ αζονται στην «υπογραφ η» του γεγον οτος (event signature). Εν συνεχε ια συγκρ ινονται µε τη συλ-

51 2.3 Το λογισµικ ο 31 λογ ηαπ οκριτ ηρια σκανδ αλης που εχουν επιλεγε ιαν αλογα µε τη φυσικ ηπουπρ οκειται να µελετηθε ι. Ολανθ ανων χρ ονος απ οφασης ε ιναι κατ α µ εσο ορο 1 1 ms. Το τρ ιτο επ ιπεδο, η φ ιλτρο γεγον οτων (Event Filter, EF), χρησιµοποιε ι ταπλ ηρη δεδο- µ ενα του γεγον οτος (περιλαµ ανοντας δεδοµ ενα βαθµον οµησης και ευθυγρ αµµισης) προκειµ ενου να ληφθε ι η τελικ η απ οφαση σχετικ α µε την εγγραφ η η µη των γεγον οτων για ασ υγχρονη (off-line) αν αλυση. Αφ οτου ενα γεγον ος περ ασει τη σκανδ αλη LVL2, ολα τα δεδοµ ενα του µεταφ ερονται σε εναν επεξεργαστ η τουφ ιλτρου γεγον οτων µ εσω εν ος κατασκευαστ η γεγον οτων (event builder). Σε αυτ ο τοεπ ιπεδο, ε ιναι δυνατ η ηπλ ηρης ανακατασκευ η του γεγον οτος µε τυπικ ο χρονικ ο δι αστηµα απ οφασης τα 1 1 s. Το φ ιλτρο γεγον οτων εχει ρυθµ ο αποδοχ ης ½¼¼ Hz αν αλογα µε το µ εγεθος του γεγον οτος. Τα α- ποδεκτ α γεγον οτα καταγρ αφονται µ ονιµα σε µ εσα αποθ ηκευσης µε ρυθµ ο 1 Mbytes/s για ασ υγχρονη αν αλυση. Στο φ ιλτρο γεγον οτων θα χρησιµοποιηθο υν ως επ ι τωπλε ιστον οι αλγ οριθµοι ανακατασκευ ης της ασ υγχρονης επεξεργασ ιας, ωστε να διευκολυνθε ιηεπεξεργασ ια και η σ υγκριση µεταξ υ σ υγχρονης (on-line) και ασ υγχρονης αν αλυσης. 2.3 Το λογισµικ ο Μεγ αλο µ ερος απ ο την παρο υσα διατρι ηαφορ αστηνmonte-carlo προσοµο ιωση γεγον οτων του LHC η/και στην απ οκριση του ανιχνευτ η. Τα δι αφορα πακ ετα λογισµικο υ (software) που χρησιµοποι ηθηκαν περιγρ αφονται συνοπτικ α παρακ ατω Γενν ητριες γεγον οτων Τα γεγον οτα για τις µελ ετες φυσικ ης των Κεφ.8και 9 εχουν παραχθε ι χρησιµοποι ωντας τις γενν ητριες γεγον οτων (event generators) È ÌÀÁ [31] και ÁË Â Ì [32]. υο εκδ οσεις της È ÌÀÁ χρησιµοποι ηθηκαν η È ÌÀÁ για τη µελ ετη του Κεφ. 9και η È ÌÀÁ ½ µε την ÁË Â Ì ¾ για το Κεφ. 8. Τα γεγον οτα παρ αγονται στην È ÌÀÁ χρησιµοποι ωντας υπολογισµο υς στοιχε ιων π ινακα για συγκεκριµ ενες διαδικασ ιες ισχυρ ης (hard) σκ εδασης, συνδυασµ ενες µε συναρτ ησεις κατανοµ ων παρτον ιων (parton distribution functions) εξαγ ο- µενες αµεσα η εµµεσα, δηλ. µε προ εκταση σε υψηλ οτερες εν εργειες, απ οτοπε ιραµα. Ηακτινο ολ ια αρχικ ης κατ αστασης (Initial State Radiation, ISR) παρ αγεται µε εναν αλγ οριθµο εξ ελιξης, εν ω η ακτινο ολ ια τελικ ης κατ αστασης (Final State Radiation, FSR) προστ ιθεται χρησιµοποι ωντας καταιονισµο υς παρτον ιων. Τα παρτ ονια που προκ υπτουν αδρονοποιο υνται στη συν εχεια µε χρ ηση του προτ υπου χορδ ων του Lund. Το υπολειπ οµενο γεγον ος, οπως τα υπολε ιµµατα της δ εσµης, ε ιναι δυνατ ον να συµπεριληφθε ι επ ισης στην προσοµο ιωση. Στο Κεφ.8για τις κατανοµ ες παρτον ιων, χρησιµοποι ηθηκε η παραµετροπο ιηση CTEQ 3L. Η σηµαντικ οτερη α ε αι οτητα κατ ατηχρ ηση τ ετοιων προγραµµ ατων για µελ ετες στον LHC προ ερχεται απ ο την ελλιπ ηγν ωση των συναρτ ησεων κατανοµ ης παρτον ιων των πρωτον ιων σε χαµηλ ο Ü. Απ ο τηνáë Â Ì χρησιµοποι ηθηκε µ ονο η υπορουτ ινα ËÍ Ê απ ο τουποπρ ογραµµα ÁË ËÍË, ηοπο ια προσδιορ ιζει τις παραµ ετρους του MSSM που αντιστοιχο υν στις παραµ ετρους της SUGRA. Ουσιαστικ αξεκιν αει µε οριακ ες συνθ ηκες στην κλ ιµακα της Å ÍÌ και

52 32 Το πε ιραµα ATLAS εξελ ισσει τις µ αζες των υπερσυµµετρικ ων σωµατιδ ιων στην ηλεκτρασθεν η κλ ιµακα µ εσω των 26 εξισ ωσεων της οµ αδας επανακανονικοπο ιησης. Οι παρ αµετροι του MSSM εισ αγονται κατ οπιν στην È ÌÀÁ, οπου γ ινεται ο υπολογισµ ος των µαζ ων των υπερσυµµετρικ ων σωµατιδ ιων, των λ ογων διακλ αδωσης και των ενεργ ων διατοµ ων, και εν τ ελει η παραγωγ η των γεγον οτων. Αυτ ος ο συνδυασµ ος παρ εχει την πλ ηρη αξιοπο ιηση της κωδικοπο ιησης των RGEs στην ÁË Â Ì (η È ÌÀÁ χρησιµοποιε ι προσεγγιστικ ες λ υσεις), εν ω ταυτ οχρονα οι διορθ ωσεις δ υο βρ οχων, που παρ εχονται απ οτηνè ÌÀÁ, περιλαµ ανονται στον υπολογισµ ο των µαζ ων των µποζον ιων Higgs. Ολες οι υπερσυµµετρικ ες διαδικασ ιες που περιλαµ ανονται στην È ÌÀÁ ενεργοποι ηθηκαν, δηλ. η παραγωγ η, Õ Õ, Õ,,,,, Õ,, και Ø Ø (ÁËÍ ¾¼½ ¾ ¼), εν ωηµ αζα του top-quark θεωρ ηθηκε ιση προς 175 GeV Προσοµο ιωση του ανιχνευτ η Ηαπ οκριση του ανιχνευτ η προσοµοι ωθηκε απ οµ ια γρ ηγορη προσοµο ιωση του ATLAS σε επ ιπεδο σωµατιδ ιων το πρ ογραµµα ÌÄ ËÌ [33]. Το ÌÄ ËÌ αποτελε ι ενα ενδι αµεσο στ αδιο µεταξ υ της απλ ης σε επ ιπεδο παρτον ιων αν αλυσης της τοπολογ ιας των γεγον οτων ηοπο ια οµως οδηγε ισεπολ υαισι οδοξα αποτελ εσµατα για µελ ετες σε αδρονικο υς επιταχυντ ες και της λεπτοµερο υς και χρονο ορας πλ ηρους προσοµο ιωσης του ανιχνευτ ηκαι ανακατασκευ ης γεγον οτων. Αυτ ηηµ εθοδος ε ιναι απαρα ιτητη για γρ ηγορη και προσεγγιστικ ηεκτ ιµηση των ρυθµ ων παραγωγ ης του σ ηµατος και του υπο αθρου για κ αθε καν αλι. Το ÌÄ ËÌ περιλαµ ανει τις πιο κρ ισιµες πλευρ ες του ανιχνευτ η: ανακατασκευ η πιδ ακων στα καλορ ιµετρα, αλλο ιωση (smearing) της εν εργειας/ορµ ης των λεπτον ιων και φωτον ιων, επ ιδραση του µαγνητικο υ πεδ ιου και µη-ανιχνε υσιµη εγκ αρσια εν εργεια. Παρ εχει εναν κατ αλογο των ανακατασκευασµ ενων πιδ ακων, των αποµονωµ ενων λεπτον ιων και φωτον ιων, την αναµεν οµενη µη-ανιχνε υσιµη εγκ αρσια εν εργεια και ανακατασκευασµ ενες τροχι ες φορτισµ ενων σωµατιδ ιων. Το υποπρ ογραµµα ÌÄ ËÌ- περιλαµ ανει ενα σ υνολο υπορουτιν ων που παραµετροποιο υν, µεταξ υ αλλων, τις αποδ οσεις της σ ηµανσης των b- και των -πιδ ακων, τους παρ αγοντες απ ορριψης c- και ελαφρ ων πιδ ακων. Πιο συγκεκριµ ενα, επι αλλεται µ ια τυχα ια αλλαγ η τηςγε υσης σ υµφωνα µε τις τιµ ες των παραπ ανω παραµ ετρων. Επιπλ εον, προσο- µοι ωνεται η επ ιδραση της συσσ ωρευσης (pile-up) των γεγον οτων minimum bias σε υψηλ η φωτειν οτητα, µ εσω της επιπρ οσθετης αλλο ιωσης της ορµ ης των ανακατασκευασµ ενων πιδ ακων. Το πρ ογραµµα αυτ ο αποσκοπε ι στην οσο το δυνατ ον καλ υτερη προσοµο ιωση της α- ναµεν οµενης απ οδοσης του ανιχνευτ η ως προς την διακριτικ ηικαν οτητα και αναγν ωριση σωµατιδ ιων για σηµαντικ ασ ηµατα φυσικ ης. εν περιλαµ ανει, προς το παρ ον, την ακρι η αναπαραγωγ η τηςαπ οδοσης για αποµ ονωση λεπτον ιων και φωτον ιων. Στην περ ιπτωση των αδρονικ ων πιδ ακων, ηαπ οδοση της ανακατασκευ ης (και veto) πιδ ακων εξαρτ αται ι- σχυρ α απ ο φυσικ α φαιν οµενα τα οπο ια αναπαρ αγονται ευθ εως στη γρ ηγορη προσοµο ιωση. Για κ αθε καν αλι, οι προ λ εψεις του ÌÄ ËÌ ως προς τη διακριτικ ηικαν οτητα και την απ οδοση ανακατασκευ ης οφε ιλουν να συµφωνο υν µε τα αποτελ εσµατα της πλ ηρους προσοµο ιωσης. Τ ετοιες συγκρ ισεις εχουν γ ινει σε πολλ ες περιπτ ωσεις, π.χ. για τα καν αλια ÏÀ À [34], À [34] και À ÏÏ [35], καθ ως και για κ αποια κα-

53 2.3 Το λογισµικ ο 33 ν αλια δι ασπασης του µποζον ιου Higgs µε τελικ ες καταστ ασεις µε πολλο υς b-π ιδακες [36]. Οι αποδοχ ες, οι αποδ οσεις ανακατασκευ ης και veto πιδ ακων και οι διακριτικ ες ικαν οτητες µ αζας δε ιχνουν να βρ ισκονται σε καλ η συµφων ια µεταξ υγρ ηγορης και πλ ηρους προσοµο ιωσης. Στη γρ ηγορη προσοµο ιωση δεν ε ιναι δυνατ η η παραµετροπο ιηση ολων των χαρακτηριστικ ων του ανιχνευτ ηκαιµ ονο τα βασικ αστοιχε ια της γεωµετρ ιας του ανιχνευτ η χρησι- µοποιο υνται στο πακ ετο. Βασικ αστοιχε ια ε ιναι για παρ αδειγµα: ηκ αλυψη ως προς για µετρ ησεις ακρι ε ιαςκαιγιατακαλορ ιµετρα, το µ εγεθος της µετα ατικ ης περιοχ ης µεταξ υ κεντρικο υ και ακρα ιου ηλεκτροµαγνητικο υ καλοριµ ετρου και η διαµ εριση του αδρονικο υ καλοριµ ετρου. εν εχουν ληφθε ι υπ οψιν το ακρι ες σχ ηµα των καταιονισµ ων των σωµατιδ ιων στα καλορ ιµετρα, το πλ ηθος των τροχι ων φορτισµ ενων σωµατιδ ιων στους π ιδακες, κ. α. Η αποµ ονωση, ιδια ιτερα, των λεπτον ιων προσοµοι ωνεται µε εναν απλο κ οτρ οπο.

54 34 Το πε ιραµα ATLAS

55 Κεφ αλαιο 3 Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης και ο TRT του ATLAS Τα φωτ ονια ακτινο ολ ιας µετ α ασης (Transition Radiation, TR) εκπ εµπονται οταν φορτισµ ενα σωµατ ιδια διασχ ιζουν τη διαχωριστικ η επιφ ανεια µεταξ υ δ υο µ εσων µε διαφορετικ ες διηλεκτρικ ες σταθερ ες. Το φαιν οµενο προ λ εφθηκε για πρ ωτη φορ α απ ο τους Ginzburg και Frank [37]. Εφ οσον η συνολικ η εν εργεια (και ο αριθµ ος των φωτον ιων-tr) ε ιναι αν αλογος του συντελεστ η Lorentz,, του σωµατιδ ιου, τον ιστηκε η εφαρµογ η τηςtr ως µ εσου αναγν ωρισης σωµατιδ ιων σε πειρ αµατα υψηλ ων ενεργει ων. Η ακτινο ολ ια µετ α ασης γ ινεται χρ ησιµη σε ανιχνευτ ες σωµατιδ ιων για ½¼¼¼, οταν το σ ηµα µπορε ι να παρατηρηθε ι ωςακτ ινες-x εκπεµπ οµενες κατ ατηδιε υθυνση κ ινησης του σωµατιδ ιου. 3.1 Θεωρητικ η περιγραφ η της ακτινο ολ ιας µετ α ασης Στη συν εχεια δ ινεται µ ια σ υντοµη αναφορ α στις θεωρητικ ες προ λ εψεις της TR οι οπο ιες εφαρµ οζονται στη λειτουργ ια ανιχνευτ ων. Πρ ωτα εξετ αζονται οι τ υποι για µ ια διαχωριστικ ηεπιφ ανεια (interface) και ακολουθε ιηπερ ιπτωση οπου η TR παρ αγεται απ ο εναν περιοδικ ο ακτινο ολητ η (radiator) αποτελο υµενο απ ο πολλ ες διαχωριστικ ες επιφ ανειες. Η συζ ητηση περιορ ιζεται στην περ ιπτωση των σχετικιστικ ων σωµατιδ ιων ( Ñ ½) Μ ια διαχωριστικ η επιφ ανεια Το φ ασµα συχνοτ ητων της ακτινο ολ ιας µετ α ασης που εκπ εµπεται απ ο ενα σωµατ ιδιο µε φορτ ιο οταν διασχ ιζει κ αθετα τη διαχωριστικ η επιφ ανεια µεταξ υ δ υο µ εσων (απ ο το 1 στο 2 ) µε διηλεκτρικ ες σταθερ ες ½ ¾, δε ιχνει οτι για σχετικιστικ α σωµατ ιδια το µεγαλ υτερο µ ερος της ακτινο ολ ιας εκπ εµπεται στην περιοχ η των ακτ ινων-x. Θ ετοντας ½ ¾ ¾ ( οπου ε ιναι οι συχν οτητες πλ ασµατος των δ υο µ εσων µε ½ ¾ ), οι εκφρ ασεις που ισχ υουν για τις διαφορικ ες και τις ολικ ες εντ ασεις ακτινο ολ ιας ε ιναι οι εξ ης: ¾ ½ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ½ ¾ ½ ¾ ¾ Ë ¼ «¾ ½ ¾ ¾ 35 ÐÒ ½ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ (3.1)

56 36 Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης και ο TRT του ATLAS Ë ¼ ˼ «½ ¾ µ ¾ (3.2) ½ ¾ οπου ε ιναι η συχν οτητα του φωτον ιου και «¾ ε ιναι η σταθερ α λεπτ ης υφ ης. Η ακτινο ολ ια µεγιστοποιε ιται στην εµπρ οσθια περιοχ η, σε γων ια ³ Ô ½ ¾ ¾ ¾ ¾ ως προς την τροχι α του σωµατιδ ιου. ΗΕξ. (3.1) µπορε ι ναχωριστε ι ουσιαστικ α σετρεις περιοχ ες, µε σταθερ η, λογαριθµικ ηκαι υψωση-σε-δ υναµη εξ αρτηση απ ο το και το : Ë ¼ ³ ¾«¾««ÐÒ ½ ¾ ÐÒ ½ ½ ½ για ¾ για ¾ ½ για ½ (3.3) Σχ ηµα 3.1: Σ υγκριση της παραγωγ ης TR αν α διαχωριστικ η επιφ ανεια συναρτ ησει της εν εργειας του φωτον ιου: µ ια διαχωριστικ η επιφ ανεια (λεπτ η γραµµ η), ενα φ υλλο (διακεκοµµ ενη γραµµ η) και πολλ αφ υλλα (αδρ η γραµµ η) [38]. Σε συχν οτητες π ανω απ ο µ ια συχν οτητα κατωφλ ιου ½, η ενταση της ακτινο ολ ιας µει ωνεται γρ ηγορα. Ενα παρ αδειγµα του φ ασµατος της Εξ. (3.1) απεικον ιζεται στο Σχ.3.1(λεπτ η γραµµ η). Το πιο ενδιαφ ερον χαρακτηριστικ ο της ακτινο ολ ιας µετ α ασης ε ιναι η ε- ξ αρτησ η τηςαπ ο τον παρ αγοντα Lorentz εν ος φορτισµ ενου σωµατιδ ιου. Ηολικ η ενταση (Εξ. (3.2)) αυξ ανεται γραµµικ α µε το, ουσιαστικ α λ ογω της µετατ οπισης προς υψηλ οτερες συχν οτητες του φ ασµατος των φωτον ιων καθ ως αυξ ανεται το. Οµως οι µετρ ησεις µε ανιχνευτ ες ευα ισθητους σε ενα περιορισµ ενο δι αστηµα συχνοτ ητων δεν ακολουθο υν µ ια γραµ- µικ η εξ αρτηση απ ο το, αλλ α αναπτ υσσουν µ ια λογαριθµικ η συµπεριφορ α και καταλ ηγουν τελικ α σεµ ια σταθερ η τιµ η ( οταν ¾ ). Η λογαριθµικ η εξ αρτηση θα ισχ υει σε µεγ αλες τιµ ες του, µ ονο αν ενα απ ο ταδ υο µ εσα ε ιναι το κεν ο ( ¾ ¼). Η ακτινο ολ ια µετ α ασης που παρ αγεται απ ο ενα φ υλλο δεν µπορε ι γενικ α να παρατηρηθε ι (Ë ¼ ³ ½¼ ¾ Î). Οµως η συµ- ολ ηαπ οπολλ αφ υλλα διατεταγµ ενα σε µικρ ες αποστ ασεις επιτρ επει την κατασκευ ηεν ος ανιχνευτ η κατωφλ ιου.

57 3.1 Θεωρητικ η περιγραφ η της ακτινο ολ ιας µετ α ασης Περιοδικ ος ακτινο ολητ ης Ενας ακτινο ολητ ης, µ ια µον αδα µε πολλ ες διαχωριστικ ες επιφ ανειες, µπορε ι να αποτελε ιται απ ο, π.χ., λεπτ αφ υλλα υλικο υµεµικρ ο, τοποθετηµ ενα παρ αλληλα σε ισα διαστ η- µατα µεταξ υ τους. Σε αυτ ην την περ ιπτωση, τα φαιν οµενα συµ ολ ης µεταξ υ των διαχωριστικ ων επιφανει ων οδηγο υν σε διαµ ορφωση (modulation) της κατανοµ ης συχνοτ ητων. Το φ ασµα συχνοτ ητων της ακτινο ολ ιας µετ α ασης ακτ ινων-x για εναν περιοδικ ο ακτινο ολητ η Æ φ υλλων π αχους Ð ½ και διαστ ηµατος Ð ¾ δ ινεται απ ο τησχ εση ¾ Ë Æ ¾ Ë ¼ н Ò¾ ½ Ò Æ ¾ Ò ¾ Ð ½ ½ Ð ½ ½ о ¾ о ¾ (3.4) οπου ½ ¾ ε ιναι οι ζ ωνες σχηµατισµο υ (formation zones) για τα δ υο µ εσα ½ ¾ ½ ¾ ¾ ¾ ½ ¾ ¾ ½ (3.5) Ηζ ωνη σχηµατισµο υ εκφρ αζει το δι αστηµα που πρ επει να διαν υσει το σωµατ ιδιο µ εσα σε ενα µ εσο ωστε να απ εχει απ ο το παραγ οµενο φωτ ονιο απ οσταση ιση µε το µ ηκος κ υµατος του φωτον ιου. Για σ υγκριση, στο Σχ.3.1 εχει σχεδιαστε ι η παραγωγ η ακτινο ολ ιας αν α διαχωριστικ η επιφ ανεια οπως αυτ η προ λ επεται απ ο τηνεξ. (3.1) και απ ο τηνολοκλ ηρωση ως προς της Εξ. (3.4). Ε ιναι σαφ ες οτι το ενεργειακ ο φ ασµα της ακτινο ολ ιας µετ α ασης για εναν περιοδικ ο ακτινο ολητ η χαρακτηρ ιζεται απ ο ταλαντ ωσεις σηµαντικο υ πλ ατους γ υρω απ ο τοφ ασµα για µ ια διαχωριστικ η επιφ ανεια. Το φ ασµα συχνοτ ητων της TR, οπως εξετ αστηκε µ εχρι τ ωρα, αναφ ερεται στην παραγωγ η ακτ ινων-x απ ο εναν ακτινο- ολητ η χωρ ις να λαµ ανεται υπ οψιν η ε- παναπορρ οφηση τους. Η απορρ οφηση Σχ ηµα 3.2: Σ υγκριση της παραγωγ ης TR αν α διαχωριστικ η επιφ ανεια συναρτ ησει της εν εργειας του φωτον ιου: πολλ α φ υλλα (συνεχε ις γραµµ ες) και µ ια διαχωριστικ ηεπιφ ανεια (διακεκοµµ ενες γραµµ ες) χωρ ις (λεπτ ες γραµµ ες) και µε (αδρ ες γραµµ ες) απορρ οφηση απ ο τον ακτινο ολητ η [39]. απ ο τον ακτινο ολητ η µει ωνει την ενταση της ακτινο ολ ιαςσεµικρ ες εν εργειες των

58 38 Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης και ο TRT του ATLAS ακτ ινων-x. Αυτ ο γ ινεται σαφ ες απ ο τοσχ.3.2, οπου φα ινεται (αδρ η, συνεχ ης γραµµ η) το φ ασµα για εναν τυπικ ο ακτινο ολητ η, λαµ ανοντας υπ οψιν την ενεργ ο διατοµ η απορρ οφησης και υποθ ετοντας οτιοιακτ ινες-x παρ αγονται σ υµφωνα µε το ολοκλ ηρωµα ως προς της Εξ. (3.4) µε τη ιδια πιθαν οτητα παντο υ µ εσα στον ακτινο ολητ η. 3.2 Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης Οι συσκευ ες που χρησιµοποιο υν την ακτινο ολ ια µετ α ασης (Transition Radiation Detectors, TRDs) εχουν αποδειχτε ιχρ ησιµες για την αν ιχνευση ηλεκτρον ιων και την αναγν ωριση σωµατιδ ιων (particle identification) σε υψηλ ες εν εργειες ² ¾¼¼¼µ [4]. Μ ονο η εκποµπ η ακτ ινων-x χρησιµοποιε ιται, εκτ ος απ ο µετρ ησεις της φωτειν οτητας δεσµ ων σωµατιδ ιων υ- ψηλ ης εντασης. Πρακτικ α, οι ανιχνευτ ες κατασκευ αζονται απ ο στο ι ες λεπτ ων φ υλλων, παρ εχοντας ετσι πολλ ες διαχωριστικ ες επιφ ανειες. Τα φ υλλα (τυπικ απ ανω απ ο ½¼ ) πρ επει να εχουν ενα ελ αχιστο π αχος, τη ζ ωνη σχηµατισµο υ, ωστε το ηλεκτροµαγνητικ ο πεδ ιο του σωµατιδ ιου να µπορε ι να αναπτυχθε ι πλ ηρως στο µ εσο. Η παραγωγ η φωτον ιων µει ωνεται απ οτοµα σε φ υλλα λεπτ οτερα της ζ ωνης σχηµατισµο υ. Η συµ ολ η προκαλε ιταλαντ ωσεις στην ενταση συναρτ ησει της συχν οτητας των φωτον ιων, οπως αναφ ερθηκε στην προηγο υµενη παρ αγραφο, και δηµιουργε ι -κατ ωφλια οπου η ενταση αυξ ανεται απ οτοµα. Ενας ολοκληρωµ ενος TRD αποτελε ιται απ ο εναν ακτινο ολητ η ακολουθο υµενο απ ο ενα σ υστηµα για την αν ιχνευση των εµπρ οσθια εκπεµπ οµενων ακτ ινων-x, οοπο ιος ε ιναι συν ηθως ενας θ αλαµος σ υρµατος (wire chamber) που λειτουργε ι µε εναν α εριο βασισµ ενο στο ξ ενον (Xe) για την αποδοτικ η απορρ οφηση των ακτ ινων-x. Καθ ως η απορρ οφηση των ακτ ινων-x στον ακτινο ολητ η αυξ ανεται µε το, ο ατοµικ ος αριθµ ος του υλικο υ των φ υλλων η του αφρο υ που χρησιµοποιε ιται ως ακτινο ολητ ης πρ επει να ε ιναι οσο το δυνατ ον µικρ οτερος. Εποµ ενως, οι ακτινο ολητ ες κατασκευ αζονται συν ηθως απ ο λ ιθιο µ, ανθρακα µ η πολυαιθυλ ενιο À ¾ µ. Απ ο την αλλη πλευρ α, ως ανιχνευτ ες χρησιµοποιο υνται αναλογικο ι (proportional) ηθ αλαµοι ολ ισθησης (drift tubes) µε α εριο µ ιγµα απ ο βαρ υ, κυρ ιως απ ο Xe ( ), για καλ η απορρ οφηση ακτ ινων-x. Η αναγν ωριση σωµατιδ ιων βασ ιζεται στη διαφορ α µεταξ υ του ιονισµο υαπ ο ενα πρωτογεν ες αδρ ονιο (π.χ. πι ονιο, κα ονιο) και το αθροισµα της απορρ οφησης των φωτον ιων- TR και του ιονισµο υαπ ο ενα πρωτογεν ες ηλεκτρ ονιο. Η καταν οηση των δ υο διαδικασι ων απορρ οφηση φωτον ιων και ιονισµ ος φορτισµ ενων σωµατιδ ιων ε ιναι απαρα ιτητη για την καταν οηση της λειτουργ ιας και εκτ ιµηση της απ οδοσης εν ος TRD Απορρ οφηση των φωτον ιων-tr Οι αλληλεπιδρ ασεις των φωτον ιων µε την υλη, οταν αυτ α διαπερνο υν ενα µ εσο, χαρακτηρ ιζονται γενικ α απ ο µεγ αλη πιθαν οτητα απορρ οφησης η σκ εδασης σε ενα µοναδικ ο γεγον ος. Στις εν εργειες των εκπεµπ οµενων φωτον ιων-tr (2 2 kev), η επικρατο υσα διαδικασ ια απορρ οφησης ε ιναι το φωτοηλεκτρικ ο φαιν οµενο. Ηενεργ ος διατοµ η γιααυτ η τη διαδικασ ια µει ωνεται ταχ εως µε την εν εργεια του φωτον ιου, αλλ α χαρακτηρ ιζεται απ ο α- συν εχειες καθ ως συναντ ωνται τα κατ ωφλια ιονισµο υ τωνδιαφ ορων ατοµικ ων σταθµ ων.

59 3.2 Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης 39 Το πρωτε υον φωτοηλεκτρ ονιο εκπ εµπεται σε µ ια προτιµητ εα κατε υθυνση για µ εχρι µερικ ες δεκ αδες kev, ηδιε υθυνση εκποµπ ης ε ιναι σχεδ ον κ αθετη στην τροχι α του εισερχ οµενου φωτον ιου. Η απορρ οφηση των ακτ ινων-x λ ογω TR απ ο εναν ανιχνευτ ηαερ ιου γ ινεται αποδοτικ η µε τη χρ ηση εν ος ευγενο υς αερ ιου µε υψηλ ο. Το ξ ενον προσφ ερει τη χρυσ η τοµ η µεταξ υ υψηλ ης απ οδοσης και σχετικ α χαµηλο υκ οστους. Το µ ηκος απορρ οφησης (absorption length) για φωτ ονια στο ξ ενον ε ιναι σχεδ ον αν αλογο της για ½ MeV, καθιστ ωντας αδ υνατητηχρ ηση εν ος τυπικο υ ανιχνευτ ηαερ ιου για την αν ιχνευση ακτ ινων-x εν εργειας π ανω απ ο 2 kev Ιονισµ ος Καθ ως ενα φορτισµ ενο σωµατ ιδιο διαπερν α την υλη, χ ανει εν εργεια συνεχ ως λ ογω ηλεκτροµαγνητικ ων αλληλεπιδρ ασεων πρωτ ιστως µ εσω µη-ελαστικ ων σκεδ ασεωνµεταατο- µικ αηλεκτρ ονια και, δευτερευ οντως, µ εσω ελαστικ ης σκ εδασης απ οτονπυρ ηνα. Στην περ ιπτωση των ελαφρ ων σωµατιδ ιων, οπως τα ηλεκτρ ονια και τα ποζιτρ ονια, η ακτινο ολ ια π εδης (bremsstrahlung) γ ινεται η επικρατο υσα διαδικασ ια απ ωλειας εν εργειας π ανω απ ο µ ια εν εργεια κατωφλ ιου. Στις µη-ελαστικ ες συγκρο υσεις, ηεν εργεια µεταφ ερεται απ ο τοσωµατ ιδιο στο ατοµο προκαλ ωντας του δι εγερση η ιονισµ ο. Οταν συµ α ινει ιονισµ ος, ε ιναι δυνατ ον το εκπε- µπ οµενο ηλεκτρ ονιο να εχει αρκετ ηεν εργεια για να προκαλ εσει δευτερε υοντα ιονισµ ο (παραγωγ ηακτ ινων-æ). Αυτ οτοφαιν οµενο ευθ υνεται για την µακρι α «ουρ α» στην κατανοµ η της απ ωλειας εν εργειας για λεπτο υς απορροφητ ες, της λεγ οµενης κατανοµ ης Landau. Η µ εση απ ωλεια εν εργειας αν α µον αδα µ ηκους για ενα φορτισµ ενο σωµατ ιδιο, Ü, δ ινεται απ ο τη γνωστ ησχ εση των Bethe-Bloch. Αυτ η χαρακτηρ ιζεται απ οµ ια απ οτοµη µε ιωση κατ α το½ ¾ µε την α υξηση της ορµ ης για µικρ ες ορµ ες, φτ ανοντας σε ενα ελ αχιστο για (ελ αχιστα ιον ιζον σωµατ ιδιο, minimum ionizing particle). Π ανω απ ο αυτ ο τοελ αχιστο η απ ωλεια εν εργειας αυξ ανεται λογαριθµικ α (σχετικιστικ η ανοδος, relativistic rise), µ εχρι να φτ ασει σε µ ια σταθερ η τιµ η (Fermi plateau). Οι διαδικασ ιες οι οπο ιες συνεισφ ερουν στην απ ωλεια εν εργειας των ηλεκτρον ιων και ποζιτρον ιων ε ιναι η σκ εδαση Moller, ησκ εδαση Bhabha και η εξα λωση ποζιτρον ιων (για χαµηλ ες εν εργειες º ½¼ MeV), καθ ως και η ακτινο ολ ια π εδης (για υψηλ ες εν εργειες, ² ½ MeV για το ξ ενον) Αναγν ωριση σωµατιδ ιων Μ ια απ ο τις πιο σηµαντικ ες λειτουργ ιες των TRDs ε ιναι η αναγν ωριση σωµατιδ ιων. Εφ οσον η ενταση της TR ε ιναι αν αλογη του παρ αγοντα Lorentz Ñ, σωµατ ιδια µε διαφορετικ ες µ αζες κινο υµενα µε την ιδια εν εργεια δ ινουν διαφορετικ α φ ασµατα TR. Συνεπ ως ε ιναι δυνατ ον να προσδιοριστε ι ηταυτ οτητα των σωµατιδ ιων µ εσω της αν ιχνευσης της α- κτινο ολ ιας µετ α ασης. Μολατα υτα, η αναγν ωριση αδρον ιων (πι ονια εναντι καον ιων και πρωτον ιων) απ ο τους TRDs ε ιναι περιορισµ ενη, οπως θα φανε ι παρακ ατω. Απ οτην αλλη πλευρ α, η αναγν ωριση

60 4 Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης και ο TRT του ATLAS ηλεκτρον ιων σε αδρονικ ουπ ο αθρο αποτελε ι τηνπιοενδιαφ ερουσα εφαρµογ ητωνtrds σε πειρ αµατα επιταχυντ ων. Στο Σχ.3.3φα ινεται η θ εση που κατ εχουν οι TRDs στην ενεργειακ η κλ ιµακα µεταξ υ αλλων ανιχνευτ ων για αναγν ωριση σωµατιδ ιων [4]. Ο παρ αγοντας απ ορριψης ορ ιζεται ως ο λ ογος, οπου συµ ολ ιζουν τις αποδ οσεις αν ιχνευσης για πι ονια και ηλεκτρ ονια, αντ ιστοιχα. Σχ ηµα 3.3: Αναγν ωριση σωµατιδ ιων µε διαφορετικ ες µεθ οδους για συµπαγε ις ανιχνευτ ες. Ανω : µ ηκος διαφ ορων ανιχνευτ ων α- παρα ιτητο για απ ορριψη της τ αξης του ½¼ ¾. Κ ατω: ενταση ακτινο ολ ιας µετ α ασης συναρτ ησει της εν εργειας των σωµατιδ ιων [4]. Το χαµηλ οτερο µ ερος του Σχ. 3.3καταδεικν υει το χαρακτ ηρα κατωφλιο υ της ακτινο ολ ιας µετ α ασης, ηοπο ια φτ ανει σε ενα σταθερ ο µ εγιστο για παρ αγοντες Lorentz Ñ ½¼. Αυτ ος ο «κορεσµ ος» (saturation) ε ιναι τυπικ ος για TRDs µε σχετικ αµικρ οµ ηκος («συµπαγε ις») λ ογω του περιορισµο υ στις αποστ ασεις µεταξ υ των φ υλλων (β ελτιστο δι αστηµα ¾¼¼ Ñ). Για αναγν ωριση σωµατιδ ιων σε υψηλ οτερες εν εργειες, το απαιτο υµενο δι αστηµα αυξ ανεται µε το ¾ και οδηγε ι σεtrds πολ υ µεγ αλου µ ηκους. Το Σχ. 3.3δε ιχνει το µεγ αλο δι αστηµα ενεργει ων µε αναγν ωριση /e, το οπο ιο αντιστοιχε ι στοδι αστηµα µεταξ υ τωνκατωφλ ιων παραγωγ ης φωτον ιων TR απ ο ηλεκτρ ονια και πι ονια (1 1 GeV). Το αντ ιστοιχο δι αστηµα για αναγν ωριση /à ε ιναι πολ υ µικρ ο και αυτ ος ε ιναι ο λ ογος για την περιορισµ ενη αναγν ωριση πιον ιων εναντι καον ιων ( ηπρωτον ιων) απ ο τους συµπαγε ις (µ ηκους ½Ñ) TRDs. Προτε ινονται δι αφορες µ εθοδοι για την επεξεργασ ια του σ ηµατος απ ο την ακτινο ολ ια µετ α ασης, µε σκοπ ο την αναγν ωριση σω- µατιδ ιων, οπως οι εξ ης: 1. Ολικ ηεναπ οθεση εν εργειας η «µ εθοδος-é»: Σε αυτ ην την περ ιπτωση, µετρι εται η ε- ν εργεια που εναποτ ιθεται απ ο τοιον ιζον σωµατ ιδιο και απ ο ταφωτ ονια-tr. Καθ ως η εν εργεια που εκπ εµπεται απ ο ενα ακτινο ολο υν σωµατ ιδιο (µε µεγ αλο ) ε ιναι κατ α µ εσο ορο µεγαλ υτερη απ ο εκε ινη προερχ οµενη απ ο ενα µη-ακτινο ολο υν (µε µικρ ο ), ο διαχωρισµ ος βασ ιζεται σε µ ια τοµ η στηνεν εργεια. Ηαπ ορριψη των µη-ακτινο ολο υντων σωµατιδ ιων περιορ ιζεται απ οτην«ουρ α» Landau της απ ωλειας λ ογω ιονισµο υ. 2. Απαρ ιθµηση συµπλεγµ ατων η «µ εθοδος-æ»: Κατ α τηµ εθοδο αυτ η, οι παραγ οµενοι απ ο τα φωτοηλεκτρ ονια καταιγισµο ι (avalanches) καταγρ αφονται και απαριθ- µο υνται οταν υπερ α ινουν ενα δεδοµ ενο κατ ωφλι (τυπικ α 5 7 kev). Η απαρ ιθµηση

61 3.2 Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης 41 αυτ ων των καταιγισµ ων, οι οπο ιοι οφε ιλονται σε συµπλ εγµατα (clusters) ιονισµο υ απ ο ηλεκτρ ονια εν εργειας µερικ ων kev, δ ινει την πιθαν οτητα επιλογ ης σωµατιδ ιων υψηλο υ. Τα µη-ακτινο ολο υντα σωµατ ιδια παρ εχουν λιγ οτερα ανιχνε υσιµα συ- µπλ εγµατα λ ογω σποραδικ ων ακτ ινων-æ παραγ οµενων στην ιδια εν εργεια αυτ ες οι ακτ ινες-æ καταν εµονται κατ α Poisson. 3. Μ εθοδος χρ ονου-υπ ερ-κατωφλ ιου: Οχρ ονος-υπ ερ-κατωφλ ιου (time-over-threshold) ορ ιζεται ως η δι αρκεια του σ ηµατος οπως αυτ η µετρι εται απ ο τον διευκρινιστ η (discriminator) χαµηλο υ κατωφλ ιου. Οσο υψηλ οτερο ε ιναι το πλ ατος του σ ηµατος, το ο- πο ιο σχετ ιζεται µε την ολικ ηεναπ οθεση εν εργειας, τ οσο µεγαλ υτερη ε ιναι η δι αρκεια του σ ηµατος στο χαµηλ οκατ ωφλι. Εποµ ενως η µ ετρηση του χρ ονου-υπ ερ-κατωφλ ιου προσφ ερει ενα µ εσο διαχωρισµο υ µεταξ υ ακτινο ολο υντων και µη- σωµατιδ ιων. Η βελτιστοπο ιηση εν ος συστ ηµατος TRD ε ιναι ελαφρ ως διαφορετικ η γιακαθεµ ια µ εθοδο. Ηαν ιχνευση φωτον ιων-tr υψηλ ης εν εργειας ε ιναι σηµαντικ οτερη στη µ εθοδο-é, καθ ως συνεισφ ερουν περισσ οτερο στην ολικ η εναπ οθεση εν εργειας. Στη µ εθοδο-æ, απ ο την αλλη πλευρ α, ο αριθµ ος των σχετικ α χαµηλ ης εν εργειας φωτον ιων-tr καθορ ιζει την στατιστικ η Poisson. Ο συνδυασµ ος αυτ ων των µεθ οδων µπορε ι να βελτι ωσει την ικαν οτητα αναγν ωρισης σωµατιδ ιων εν ος TRD Προηγο υµενοι ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης Οσκοπ ος της χρ ησης εν ος TRD ε ιναι να ενισχ υσει την ικαν οτητα αναγν ωρισης σωµατιδ ιων του καλοριµ ετρου, ουσιαστικ ασεγεγον οταµεπολλ ασωµατ ιδια που δ ινουν π ιδακες. Ηαναγν ωριση αδρον ιων (πι ονια εναντι καον ιων και πρωτον ιων) απ ο εναν TRD ε ιναι περιορισµ ενη, οπως εξ αγεται απ ο τοσχ.3.3. Η αναγν ωριση ηλεκτρον ιων, απ ο την αλλη πλευρ α, αποτελε ιµ ια πολλ α υποσχ οµενη εφαρµογ ητωνtrds σε πειρ αµατα σταθερο υστ οχου ησυγκρου οµενων δεσµ ων. Μερικ ες τυπικ ες εφαρµογ ες των TRDs φα ινονται στο Σχ.3.4, οπου απεικον ιζεται η απ ορριψη πιον ιων ως συν αρτηση του µ ηκους του ανιχνευτ η. Το συνολικ ο µ ηκος του ανιχνευτ η αποτελε ι εναν κρ ισιµο παρ αγοντα για την απ οδοσ ητου. Μ ια α υξηση κατ α ¾¼ cm στο µ ηκος του ανιχνευτ η οδηγε ι σεµ ια εν ισχυση κατ α µ ια τ αξη µεγ εθους στην απ ορριψη εναντι των πιον ιων. Ο TRD του πειρ αµατος ISR ηταν ο πρ ωτος TRD που παρε ιχε και αυτ ονοµο καθορισµ ο τροχι ων (tracking) του διερχ οµενου φορτισµ ενου σωµατιδ ιου. Ηαν ιχνευση της TR και ο καθορισµ ος τροχι ων επιτυγχαν οταν µε τη χρ ηση οκτ ω µον αδων ακτινο ολητ ων/θαλ αµων ολ ισθησης. Σε ενα αλλο πε ιραµα, το UA2, ενας TRD χρησιµοποι ηθηκε για τη βελτ ιωση της ικαν οτητας αναγν ωρισης ηλεκτρον ιων του ηλεκτροµαγνητικο υ καλοριµ ετρου, µε την α υξηση κατ α τουλ αχιστον µ ια τ αξη µεγ εθους στη δυνατ οτητα απ ορριψης. Τα περισσ οτερα απ οτα αλλα πειρ αµατα χρησιµοποιο υν εναν ακτινο ολητ ηαπ οφ υλλα προπυλεν ιου η ινες µπροστ α απ ο εναν πολυσυρµατικ ο (multiwire) θ αλαµο ολ ισθησης που λειτουργε ι µεα εριο µ ιγµα βασισµ ενο στο Xe. Ο καθορισµ ος τροχι ων φορτισµ ενων σωµατιδ ιων πραγµατοποιε ιται ε ιτε απ ο τον ιδιο τον TRD, ε ιτε συµπληρ ωνεται απ ο ενα αλλο ανιχνευτικ ο σ υστηµα. Στο πε ιραµα NOMAD, ε υκαµπτοι σωλην ισκοι διαµ ετρου 16 mm λειτουργο υντες µε α εριο µ ιγµα Xe-CH χρησιµοποι ηθηκαν ως ανιχνευτ ες των ακτ ινων-x απ ο TR, οπως συµ α ινει

62 42 Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης και ο TRT του ATLAS Pion efficiency Electron efficiency = 9% NA34 (HELIOS) C. Fabjan et al. R 86 (ISR) A. Büngener et al. ZEUS VENUS UA2 H. Butt et al. D M. Holder et al. H. Weidkamp H1 ATLAS Total detector length (cm) Σχ ηµα 3.4: Μετρο υµενη ηαναµεν οµενη απ οδοση πιον ιων για δι αφορους TRDs συναρτ ησει του µ ηκους του ακτινο ολητ η για σταθερ η απ οδοση ηλεκτρον ιων ιση µε 9% [41]. και στο σχεδιασµ οτουatlas TRT. Αλλες πειραµατικ ες µον αδες στις οπο ιες προγραµµατ ιζεται η χρ ηση εν ος TRD ε ιναι η ALICE/LHC και η HERA-B/HERA. 3.3 Ο Ανιχνευτ ης Ακτινο ολ ιας Μετ α ασης του ATLAS Ο Ανιχνευτ ης Ακτινο ολ ιας Μετ α ασης (Transition Radiation Tracker, TRT) ε ιναι ενα σ υστηµα θαλ αµων ολ ισθησης το οπο ιο µαζ ι µε τους ανιχνευτ ες λωρ ιδων και κ οκκων πυριτ ιου σε µικρ οτερη ακτ ινα αποτελε ι τοσ υστηµα αναγν ωρισης τροχι ων του ATLAS, τον Ε- σωτερικ ο Ανιχνευτ η [23]. Αναµ ενεται να προσφ ερει αξι ολογη πληροφορ ια για τις τροχι ες προκειµ ενου να διευκολ υνει την αναγν ωριση της µορφ ης τους (pattern recognition) στο περι αλλον του LHC, να βελτι ωσει τη διακριτικ ηικαν οτητα στην ορµ η παρ εχοντας ιχνη της τροχι ας εως την ακτ ινα του σωληνοειδο υς µαγν ητη και να προσφ ερει σκανδ αλη LVL2. Επιπρ οσθετα, ενσωµατ ωνοντας τη λειτουργ ια εν ος TRD, ο TRT παρ εχει επ ισης αυτοτελ ηδιαχωρισµ ο ηλεκτρον ιων εναντι πιον ιων Σχεδιασµ ος του ανιχνευτ η Ο TRT αποτελε ιται απ ο 37 ε υκαµπτους αναλογικο υς θαλ αµους (σωλην ισκους, straws). Οσωλην ισκος ε ιναι ενας κυλινδρικ ος σωλ ηνας απ ο Kapton διαµ ετρου 4 mm. Το το ιχωµα του κατασκευ αζεται απ ο δ υο πανοµοι οτυπες ταιν ιες συντιθ εµενες απ ο: µ ια ταιν ια απ ο Kapton π αχους 6 m, ενα στρ ωµα αλουµιν ιου π αχους.2 m (για α υξηση της αγωγιµ οτητας) και ενα µ ιγµα ανθρακα-polyimide π αχους 6 m (για προστασ ια απ οπιθαν ηχ αραξη). Οσωλην ισκος πα ιζει το ρ ολο καθ οδου και διατηρε ιται σε υψηλ ητ αση αρνητικ ης πολικ οτητας. Στο κ εντρο του, υπ αρχει το σ υρµα αν οδου απ οεπ ιχρυσο βολφρ αµιο διαµ ετρου 3 m απ οτοοπο ιο δια αζεται το σ ηµα. Οι σωλην ισκοι γεµ ιζονται µε α εριο µ ιγµα σε π ιεση 1 atm,

63 3.3 Ο Ανιχνευτ ης Ακτινο ολ ιας Μετ α ασης του ATLAS 43 βασισµ ενο στο Xe (7%) µε την προσθ ηκη CF (2%) και CO ¾ (1%). Ηβ ελτιστη εν ισχυση αερ ιου (gas gain) για τους σωλην ισκους του TRT ε ιναι ¾ ½¼ ½¼, εν ωοολικ ος χρ ονος ολ ισθησης (drift time) των ηλεκτρον ιων στο α εριο ε ιναι περ ιπου 4 ns. Ηχρ ηση του ξ ενου δικαιολογε ιται, οπως συζητ ηθηκε στην προηγο υµενη παρ αγραφο, απ ο τηδιττ η λειτουργ ια του TRT ως ανιχνευτ ης τροχι ων και ακτινο- ολ ιας µετ α ασης, στον οπο ιο στρ ωµατα σωλην ισκων εναλλ ασσονται µε ακτινο ολητ ες. Τα φορτισµ ενα σωµατ ιδια µε παρ αγοντα Lorentz µεγαλ υτερο του ½¼¼¼ θα παρ αγουν φωτ ονια-tr στον ακτινο- ολητ η, τα οπο ια µετ α θα µπορο υν να ανιχνευθο υν µε υψηλ η απ οδοση στο α εριο µ ιγµα. Ενα φωτ ονιο-tr θα εναποθ ετει περ ιπου 8 1 kev στο σωλην ισκο, εν ω ενα ελ αχιστα ιον ιζον σωµατ ιδιο χαρακτηρ ιζεται απ ο µ ια µ εση εναπ οθεση ε- Σχ ηµα 3.5: Τρισδι αστατη εικ ονα του TRT. ν εργειας περ ιπου 2 kev. Στην κεντρικ η περιοχ η, οι σωλην ισκοι εχουν µ ηκος 15 cm και ε ιναι παρ αλληλοι στη δ εσµη (βλ. Σχ.3.5).Υπ αρχουν 73 στρ ωσεις σωλην ισκων οι οπο ιοι καταλαµ ανουν την κεντρικ ηπεριοχ η µεταξ υ Ö cm και Ö ½¼ cm. Οι σωλην ισκοι διατ ασσονται σε µον αδες (modules) ροµ οειδο υς διατοµ ης στο επ ιπεδο-ö, οι οπο ιες τοποθετο υνται σε τρεις οµ οκεντρους δακτυλ ιους των 32 µον αδων ο καθ ενας. Τα σ υρµατα διαιρο υνται σε δ υο µ ερη στο κ εντρο και δια αζονται απ ο ταδ υο ακρα, µει ωνοντας µε αυτ ον τον τρ οπο την κατ αληψη (occupancy) και διπλασι αζοντας τον αριθµ ο των ηλεκτρονικ ων καναλι ων. Οι πλ εον εσωτερικ ες εξι στρ ωσεις ε ιναι ενεργ ες µ ονο στα τελευτα ια 36 cm κατ ατηδιε υθυνση του Þ, µε σκοπ ο την περαιτ ερω µε ιωση της κατ αληψης. Συνολικ α, υπ αρχουν σωλην ισκοι στην κεντρικ ηπεριοχ η, οι οπο ιοι αντιστοιχο υν σε καν αλια αν αγνωσης. Στα ακρα ια µ ερη, οι σωλην ισκοι ε ιναι διατεταγµ ενοι ακτινικ ασε18 µον αδες («τροχο ι») αν απλευρ α, συνιστ ωντας συνολικ α 224 επ ιπεδα σωλην ισκων αν απλευρ α. Οι σωλην ισκοι εκτε ινονται µεταξ υακτ ινων 64 cm και 13 cm, εκτ ος απ ο τους τελευτα ιους 6 τροχο υς (64 ε- π ιπεδα), στους οπο ιους εκτε ινονται µεταξ υ 48 cm και 13 cm. ιαδοχικ α επ ιπεδα σωλην ισκων εχουν περιστραφε ι το ενα σε σχ εση µε το αλλο, ωστε να αποδ ιδουν οµοι οµορφη και συνεχ ηκ αλυψη στην αν ιχνευση τροχι ων. Οολικ ος αριθµ ος ακρα ιων σωλην ισκων (και καναλι ων αν αγνωσης) ε ιναι Οι ακτινο ολητ ες, οι οπο ιοι αποτελο υνται απ οφ υλλα πολυπροπυλεν ιου (π αχους περ ιπου ½ ¾¼ m) µε σταθερ οδι αστηµα µεταξ υ τους ( ¾¼¼ ¼¼ m), προσφ ερουν πολ υκαλ η παραγωγ η TR, καθ ως οι παρ αµετρο ι τους µπορο υν ε υκολα να βελτιστοποιηθο υν για τον συγκεκριµ ενο ανιχνευτ η. Αυτο ι οι ακτινο ολητ ες «φ υλλου» χρησιµοποιο υνται µ ονο για τα ακρα ια τµ ηµατα του TRT. Στην κεντρικ ηπεριοχ η, η γεωµετρ ια των µον αδων αποκλε ιει τη χρ ηση τ ετοιων ακτινο ολητ ων. Μολατα υτα, ακτινο ολητ ες κατασκευασµ ενοι απ ο ινες πολυαιθυλεν ιου η πολυπροπυλεν ιου, διευθετηµ ενοι κ αθετα στην τροχι αεν ος φορτισµ ενου

64 44 Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης και ο TRT του ATLAS σωµατιδ ιου, ε ιναι σχεδ ον το ιδιο αποδοτικο ι µε τους ακτινο ολητ ες φ υλλου. Συνεπ ως, δ υο τ υποι ακτινο ολητ ων επελ εγησαν για τον TRT: φ υλλα για τα ακρα και ινες για το κ εντρο. Κατ αµ εσο ορο, ενα φορτισµ ενο σωµατ ιδιο που θα παραχθε ι στο σηµε ιο αλληλεπ ιδρασης θα δ ωσει 36 ιχνη (hits) χαµηλ ης εν εργειας αν α τροχι α σε ολοτοε υρος ψευδωκ υτητας (αυτ ος ο αριθµ ος ε ιναι 3% µικρ οτερος στις µετα ατικ ες περιοχ ες µεταξ υ κεντρικο υ και ακρα ιων τµηµ ατων), εν ω ενα ηλεκτρ ονιο υψηλ ης Ô Ì θα δ ωσει επιπλ εον 7 ιχνη υψηλ ης ε- ν εργειας. Κατ α τηµ ετρηση της ορµ ης των φορτισµ ενων σωµατιδ ιων, η πληροφορ ια που παρ εχεται απ οτονtrt στο εγκ αρσιο επ ιπεδο ισοδυναµε ι µε τον προσδιορισµ οεν ος ιχνους ευρισκ οµενο σε ακτ ινα 85 cm µε διακριτικ η ικαν οτητα περ ιπου 3 5 m αν αλογα µε τη φωτειν οτητα. Η διακριτικ η ικαν οτητα στην ορµ η ολ οκληρου του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η εκτιµ αται σε ÔÌ Ô ¾ Ì ¼ Ì Î ½ σε υψηλ η Ô Ì και ÔÌ Ô Ì ¼ ¼½ σε χαµηλ η Ô Ì, οπου οι πολλαπλ ες σκεδ ασεις στο υλικ ο του Εσωτερικο υ Ανιχνευτ η κυριαρχο υν Τα ηλεκτρονικ α µ ερη του TRT Ενα σχηµατικ οδι αγραµµα των ηλεκτρονικ ων του TRT των εµπρ οσθιων (front-end) και των οπ ισθιων (back-end) δ ινεται στο Σχ Το εµπρ οσθιο ηλεκτρονικ ο σ υστηµα αποτελε ιται απ ο δ υο chips: το ASDBLR (Analog Shaper-Discriminator with Baseline Restoration: Αναλογικ ος Μορφοποιητ ης- ιευκρινιστ ης µε Αποκατ ασταση Βασικ ης Γραµµ ης) και το DTMROC (Drift-Time Measurement Read-Out Chip: Chip Αν αγνωσης Μ ετρησης Χρ ονου Ολ ισθησης). Αυτ α ταδ υο chips θα τοποθετηθο υν π ανω στον ανιχνευτ η και συνεπ ως κατασκευ αζονται µε τ ετοιες προδιαγραφ ες ωστε να αντ εχουν τις πολ υ υψηλ ες δ οσεις α- κτινο ολ ιας που θα δεχτε ι ο Εσωτερικ ος Ανιχνευτ ης. ASDBLR x8 Channels DTMROC x16 Channels Test-Pulse Thresholds Control Derandomizer Parameters control link BX, L1A,... Timing & Control Input Amplifier Shaper Discriminators Timing Measurement Pipeline 4 MHz Link ROD 1 Gbits/s Link to ROB 14 Inputs Front-End Electronics Back-End Electronics Σχ ηµα 3.6: Σχηµατικ ο δι αγραµµα των ηλεκτρονικ ων µερ ων του TRT [23]. Το ASDBLR σχεδι αστηκε ωστε να ενισχ υει και να µορφοποιε ι τοσ ηµα που ερχεται απ ο τοσ υρµα αν οδου, αφαιρ ωντας την µακρι α «ουρ α» που προκ υπτει απ ο τηναργ η συνιστ ωσα των ι οντων, και να διευκριν ιζει το σ ηµα µε δ υο διαφορετικ α κατ ωφλια. Το χα- µηλ ο κατ ωφλι (2 ev) χρησιµοποιε ιται στην αν ιχνευση ελ αχιστα ιον ιζοντων σωµατιδ ιων και προσφ ερει καθορισµ ο τροχι ων, εν ω το υψηλ οκατ ωφλι (6 7 kev) χρησιµε υει στη αν ιχνευση ακτινο ολ ιας µετ α ασης.

65 3.3 Ο Ανιχνευτ ης Ακτινο ολ ιας Μετ α ασης του ATLAS 45 Το DTMROC παρ εχει πληροφορ ια σχετικ α µε το χρονισµ οτουσ ηµατος χαµηλο υκατωφλ ιου οοπο ιος βοηθ αει στον προσδιορισµ οτηςθ εσης της τροχι ας µ εσα στο σωλην ισκο και αποθηκε υει σε εναν αγωγ οαυτ ην την πληροφορ ια και την κατ ασταση των δ υο διευκρινιστ ων (υπ ερ ηυπ οτωνκατωφλ ιων) καθ ως περιµ ενει την απ οφαση της σκανδ αλης LVL1. Για κ αθε γεγον ος αποδεκτ ο απ ο τηlvl1, το DTMROC εξ αγει απ ο τοναγωγ ο αυτ ην την πληροφορ ια (για τη διαστα υρωση δεσµ ων που ενεργοπο ιησε τη LVL1 και τις δ υο επ οµενες διασταυρ ωσεις δεσµ ων), και την µετα ι αζει στα οπ ισθια ηλεκτρονικ α. Οι Οδηγο ι Αν αγνωσης (Read-Out Drivers, RODs) λαµ ανουν τα δεδοµ ενα απ ο ταε- µπρ οσθια ηλεκτρονικ α και τα µετα ι αζουν στις προσωριν ες µν ηµες αν αγνωσης, ROBs (βλ. Παρ ). Τα δεδοµ ενα αποθηκε υονται στις ROBs αν αλογα µε τις περιοχ ες ενδιαφ εροντος, RoIs, οι οπο ιες ορ ιζονται απ οτησκανδ αλη πρ ωτου επιπ εδου. Για τον TRT, µ ια RoI ορ ιζεται απ οτο ¾ ¾ και η αν αγνωση ε ιναι οργανωµ ενη σε υποοµ αδες του. Ενας ROD δια αζει το ½ κ αθε ακρα ιου τροχο υ, δηλ σωλην ισκοι αν α ROD. Για το κεντρικ οτµ ηµα, το ½ ¾ της κ αθε πλευρ ας, δηλ σωλην ισκοι, δια αζεται απ ο εναν ROD. Αυτ οδ ινει ενα σ υνολο απ ο 128 RODs αν απλευρ α του ανιχνευτ η ( η 256 για ολον τον TRT) Μ ετρηση του χρ ονου ολ ισθησης Ηακρ ι εια και η απ οδοση της µ ετρησης του χρ ονου ολ ισθησης στον TRT µετρ ηθηκε µε εναν πρ οτυπο σωλην ισκο, εκτιθ εµενο σε µ ια δ εσµη πιον ιων υψηλ ης εν εργειας στον CERN SPS [42]. Η υψηλ η ρο η σωµατιδ ιων που αναµ ενεται στον LHC εξοµοι ωθηκε απ ο ενα δ ικτυο 1 παρ αλληλων σωλην ισκων µε κοιν ο σ υρµα αν οδου, το οπο ιο υπο αλλ οταν σε α- κτινο ολ ια ακτ ινων-x απ ο µ ια πηγ η Fe. Το σ υρµα αν οδου του πρ οτυπου σωλην ισκου συνδ εθηκε µε αυτ ο του δικτ υου και εν συνεχε ια µε την ε ισοδο της κ αρτας ηλεκτρονικ ων. Με αυτ η τηµ εθοδο, εκτιµ ηθηκε η εξ ελιξη της απ οδοσης ως συν αρτηση του ρυθµο υ κατα- µ ετρησης (counting rate). Ηαπ οσταση της τροχι ας της δ εσµης απ οτοσ υρµα αν οδου, Ö, προσδιορ ιζεται µε ακρ ι- εια m χρησιµοποι ωντας ενα τηλεσκ οπιο µικρολωρ ιδων πυριτ ιου (Si-microstrip). Οχρ ονος ολ ισθησης, Ø, απ ο την αλλη πλευρ α, υπολογ ιζεται απ ο τοχρ ονο αφιξης του σ ηµατος του σωλην ισκου σε σχ εση µε το σ ηµα εν ος σπινθηριστ η τοποθετηµ ενου µπροστ α απ ο τη δι αταξη. Στο Σχ.3.7απεικον ιζεται ο µετρο υµενος χρ ονος ολ ισθησης εναντι της απ οστασης της θ εσης της τροχι ας απ οτοσ υρµα, για ρυθµο υς καταµ ετρησης MHz ( ανω) και 18 MHz (κ ατω). Ησχ εση ακτ ινας-χρ ονου ( η Ö Ø) στο σωλην ισκο προσδιορ ιζεται προσαρµ οζοντας κ αθε µισ ο αυτο υ του δισδι αστατου διαγρ αµµατος µε ενα πολυ ωνυµο τρ ιτου βαθµο υ. Οι παρ αµετροι που εξ αγονται απ ο την προσαρµογ η ε ιναι καθολικο ι και σταθερο ι για δεδο- µ ενη εν ισχυση αερ ιου, µορφ η ηλεκτρονικο υσ ηµατος και µ εση εναποτιθ εµενη εν εργεια στο σωλην ισκο. Ε αν αυτ οτοπολυ ωνυµο καθοριστε ι, ηµ ετρηση του χρ ονου ολ ισθησης µπορε ι να µετατραπε ι αµεσα σε απ οσταση απ ο τοσ υρµα αν οδου. Ηακρ ι εια και η απ οδοση στο χρ ονο ολ ισθησης συναρτ ησει του ρυθµο υ καταµ ετρησης φα ινεται στο Σχ.3.8. Για εναν µ εσο ρυθµ ο καταµ ετρησης περ ιπου ισο µε 13 MHz, οοπο ιος αντιστοιχε ιστηνκανονικ η φωτειν οτητα του LHC, η διακριτικ ηικαν οτητα στο χρ ονο ολ ισθησης ε ιναι ½ ¼ m µε απ οδοση 6%. Ηαπ οδοση ορ ιζεται ως το ποσοστ ο τωνπερι-

66 46 Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης και ο TRT του ATLAS Drift time (ns) Drift time (ns) Track. coordinate in Si (mm) Track. coordinate in Si (mm) Σχ ηµα 3.7: Μετρο υµενη σχ εση Ö Ø για διαφορετικο υς ρυθµο υς καταµ ετρησης: MHz ( ανω) και 18 MHz (κ ατω) [42]. Drift time accuracy (µm) Efficiency Drift time accuracy Rate (MHz) Efficiency (%) Σχ ηµα 3.8: Ακρ ι εια και απ οδοση της µ ετρησης του χρ ονου ολ ισθησης συναρτ ησει του ρυθµο υ καταµ ετρησης για το chip ASDBLR [23]. πτ ωσεων στις οπο ιες ο µετρο υµενος χρ ονος ολ ισθησης προσεγγ ιζει καλ υτερα απ ο ¾ την πραγµατικ ητιµ η. Τον ιζεται οτι η βασικ ηαπ οδοση των σωλην ισκων ε ιναι µεγαλ υτερη απ ο 97% Απ οδοση ως προς την αναγν ωριση σωµατιδ ιων Στην αναγν ωριση ηλεκτρον ιων στον TRT, εκµεταλλε υεται κανε ις τη διαφορ α στην εναποτιθ εµενη εν εργεια στους σωλην ισκους απ ο φορτισµ ενα πι ονια (τα οπο ια συνεισφ ερουν το µεγαλ υτερο µ ερος της πολλαπλ οτητας φορτισµ ενων σωµατιδ ιων στον LHC) και απ οηλεκτρ ονια, ειδικ οτερα για µεγ αλες εναποθ εσεις εν εργειας π ανω απ ο 5 7 kev. Στα µεν ηλεκτρ ονια, αυτ η η«ουρ α» οφε ιλεται κυρ ιως σε ιχνη ακτινο ολ ιας µετ α ασης, εν ω σταδεπι ονια, προ ερχεται απ ο ακτ ινες-æ. Ηαπ ορριψη των πιον ιων υπολογ ιζεται µετρ ωντας τον αριθµ ο των συµπλεγµ ατων υψηλ ης εν εργειας, η συµπλεγµ ατων-tr, σε ανακατασκευασµ ενες τροχι ες απ ο σωµατ ιδια της δ εσµης, δηλ. εφαρµ οζεται η µ εθοδος-æ. Τροχι ες µε πολ υ λ ιγα συµπλ εγµατα-tr απορρ ιπτονται, οδηγ ωντας οµως αναπ οφευκτα σε αποδοχ η κ αποιου α- ριθµο υ πιον ιων, οοπο ιος εξαρτ αται απ ο την επιλεγµ ενη απ οδοση σε ηλεκτρ ονια.

67 3.3 Ο Ανιχνευτ ης Ακτινο ολ ιας Μετ α ασης του ATLAS 47 Προκειµ ενου να διερευνηθε ιηαπ οδοση του TRT ως προς την αναγν ωριση σωµατιδ ιων, κατασκευ αστηκε και δοκιµ αστηκε στον CERN SPS ενας πρ οτυπος ανιχνευτ ης (πρ οτυπος τοµ εας, sector prototype), ο οπο ιος αποτελε ι τοµ εα εν ος ακρα ιου τροχο υ TRT. Οι κατανοµ ες του αριθµο υ των συµπλεγµ ατων-tr για ανακατασκευασµ ενες τροχι ες πιον ιων και ηλεκτρον ιων, οπως ανιχνε υτηκαν µε το πρ οτυπο αυτ ο, φα ινονται για ενα κατ ωφλι kev στη γων ια του Σχ Στο ιδιο σχ ηµα, φα ινεται επ ισης η εξαγ οµενη απ οδοση σε πι ονια ως συν αρτηση της επιλεγµ ενης απ οδοσης σε ηλεκτρ ονια. Για απ οδοση σε ηλεκτρ ονια ιση µε 9%, η µετρο υµενη απ οδοση σε πι ονια ε ιναι περ ιπου 1.2%, δηλ. επιτυγχ ανεται ενας παρ αγοντας απ ορριψης 7 εναντι πιον ιων εν εργειας 2 GeV σε µαγνητικ ο πεδ ιο.8 T. Περισσ οτερες λεπτοµ ερειες σχετικ αµετηνικαν οτητα αναγν ωρισης σωµατιδ ιων του TRT παρατ ιθενται στην παραποµπ η [43]. Pion efficiency pions electrons Electron efficiency Σχ ηµα 3.9: Απ οδοση σε πι ονια εναντι της α- π οδοσης σε ηλεκτρ ονια σε εν εργεια 2 GeV, οπως µετρ ηθηκε µε τον πρ οτυπο τοµ εα. Οι πιθαν οτητες παρατ ηρησης δεδοµ ενου αριθµο υ συµπλεγµ ατων φα ινονται επ ισης [23]. Εκτ ος απ ο τηµ εθοδο-æ, επ ισης εξεταστε ι πρ οσφατα [44] και η χρ ηση της µεθ οδου χρ ονου-υπ ερ-κατωφλ ιου στον ATLAS TRT. Ο διαχωρισµ ος ηλεκτρον ιων-πιον ιων σε εν εργειες χαµηλ οτερες των 1 GeV µπορε ι να βελτιωθε ι σηµαντικ α συνδυ αζοντας την καθιερωµ ενη τεχνικ ηµ ετρησης συµπλεγµ ατων µε την πληροφορ ια του χρ ονου-υπ ερ-κατωφλ ιου. Πιο συγκεκριµ ενα, πιθαν οτητες λανθασµ ενης αναγν ωρισης (misidentification) πιον ιων χα- µηλ οτερες απ ο ½¼ µπορο υν να επιτευχθο υν µε απ οδοση σε ηλεκτρ ονια 9% για εν εργειες 1 5 GeV, εν ω ηαντ ιστοιχη τιµ ηµ ονο µε χρ ηση της µεθ οδου-æ ε ιναι ½¼. Η αναγν ωριση ηλεκτρον ιων απ οτοtrt µπορε ι να χρησιµοποιηθε ι για να αυξηθε ιηαπ ορριψη αδρον ιων, ωστε να επιτευχθε ικαλ η καθαρ οτητα στο περιεκτικ οδε ιγµα ηλεκτρον ιων υψηλ ης Ô Ì και να αυξηθε ιηαπ οδοση ανακατασκευ ης των µετατροπ ων φωτον ιων. Ε- πιτρ επει επ ισης την εξαγωγ ηεν ος δε ιγµατος  µε σχετικ α χαµηλ οκατ ωφλι στην εν εργεια των ηλεκτρον ιων µ εχρι.5 GeV, προκειµ ενου να χρησιµοποιηθε ι σεµελ ετες φυσικ ης των B-µεσον ιων. Για παρ αδειγµα, επιτρ επει την α υξηση του ανιχνε υσιµου αριθµο υ γεγον οτων απ ο τοκαν αλι ¼  ü Ë, µε αποτ ελεσµα τη µε ιωση της στατιστικ ης α ε- αι οτητας στη µ ετρηση της Ò ¾ σε ¾%. Η αναγν ωριση ηλεκτρον ιων χαµηλ ης Ô Ì εχει αποδειχθε ι επ ισης χρ ησιµη στη b-σ ηµανση για µελ ετες του top-quark και του Higgs, καθ ως και µερικ ων υπερσυµµετρικ ων καναλι ων.

68 48 Ανιχνευτ ες ακτινο ολ ιας µετ α ασης και ο TRT του ATLAS

69 Κεφ αλαιο 4 Μελ ετη της αντοχ ης του σ υρµατος αν οδου του TRT Προκειµ ενου να τελειοποιηθε ι ο σχεδιασµ ος του ακρα ιου TRT, να βελτιστοποιηθο υν οι διαδικασ ιες συναρµολ ογησης και ελ εγχου ποι οτητας και να µελετηθο υν οι µηχανικ ες ιδι οτητες του ανιχνευτ η, κατασκευ αστηκε στο CERN ενας πλ ηρης πρ οτυπος τροχ ος τ υπου-a. Μ ερος των µελετ ων που εγιναν επ ι του προτ υπου αυτο υ περιγρ αφονται στην παρο υσα διατρι η, στα Κεφ αλαια 4, 5 και 6. Μ ια απ ο τιςµελ ετες αυτ ες, ηοπο ια περιγρ αφεται στην παραποµπ η [45] αφορ α στην αντοχ η τηςτ ασης του ν ηµατος στο χρ ονο. Ητ αση περ ιπου 3 συρµ ατων µετρηµ ενη α- µ εσως µετ α την κατασκευ η του προτ υπου συγκρ ινεται µε την αντ ιστοιχη µετρηµ ενη ενα χρ ονο αργ οτερα. Στις µετρ ησεις εφαρµ οστηκε η µ εθοδος µηχανικο υ συντονισµο υ σεακουστικ ες συχν οτητες απουσ ια µαγνητικο υπεδ ιου, ηοπο ια θα περιγραφε ι λεπτοµερ ως στη συν εχεια. Στο κεφ αλαιο αυτ ο, περιγρ αφονται συνοπτικ α τα χαρακτηριστικ α και οι διαδικασ ιες κατασκευ ης του προτ υπου τροχο υ. Ακολουθε ι η περιγραφ η της µεθ οδου µ ετρησης της τ ασης των συρµ ατων και τα αποτελ εσµατα της µελ ετης. Ησ υγκριση εδειξε οτι η τ αση των συρµ ατων διατηρε ιται αναλλο ιωτη στο χρ ονο. 4.1 Κατασκευ η του προτ υπου Το ακρα ιο µ ερος του TRT περι εχει τρεις διαφορετικο υς τ υπους τροχ ων A, B και C. Επειδ η οι τροχο ιτ υπου-a θεωρο υνται οι πλ εον δυσκολ οτεροι να κατασκευαστο υν λ ογω του µεγ αλου αριθµο υ σωλην ισκων που διαθ ετουν, το πρ οτυπο που κατασκευ αστηκε και το οπο ιο περιγρ αφεται στη συν εχεια αν ηκει σε αυτ ον τον τ υπο. Ηβασικ η κατασκευαστικ η µον αδα αποτελε ιται απ οτ εσσερα επ ιπεδα σωλην ισκων («µον αδα 4-επιπ εδων», 4-plane module ), αλλ α ως προς τη σ υνδεση µε τις ηλεκτρονικ ες κ αρτες, το βασικ οστοιχε ιο συν ισταται απ οδ υο µον αδες 4-επιπ εδων (µ ια «µον αδα 8-επιπ εδων», 8-plane module ). Τ ελος, δ υο µον αδες 8-επιπ εδων εν ωνονται για να σχηµατ ισουν µ ια µον αδα 16-επιπ εδων, ηοπο ια ε ιναι ανεξ αρτητη ως προς την κυκλοφορ ια του αερ ιου ψ υξης 49

70 5 Μελ ετη της αντοχ ης του σ υρµατος αν οδου του TRT (CO ¾ ) των σωλην ισκων Ηµον αδα 4-επιπ εδων Σχ ηµα 4.1: Τ εσσερα επ ιπεδα σωλην ισκων συναρµολογηµ ενα στον εξωτερικ ο δακτ υλιο του προτ υπου. Ηβασικ η ανιχνευτικ η µον αδα του προτ υπου ε ιναι ενας σωλην ισκος µ ηκους 39 cm. Κ αθε σωλην ισκος ε ιναι ενισχυµ ενος µε τ εσσερις παρ αλληλες λωρ ιδες απ ο ινες ανθρακα συγκολληµ ενες κατ α µ ηκος του σωλην ισκου [46]. Ηεν ισχυση αυτ η µει ωνει σηµαντικ α την παραµ ορφωση του σωλην ισκου λ ογω µετα ολ ης της θερµοκρασ ιας και της υγρασ ιας. Το µειον εκτηµα της οµως ε ιναι οτι η εξωτερικ η επιφ ανεια του σωλην ισκου πα υει να ε ιναι κυλινδρικ η προκαλ ωντας προ λ ηµατα στη στεγαν οτητα του. Για αυτ ο τολ ογο, στα ακρα των σωλην ισκων ε ιναι κολληµ ενα πλαστικ α β υσµατα (end-plugs), τα οπο ια κολλο υνται στη συν εχεια στον τροχ ο (βλ. Σχ. 4.1). Ηηλεκτρικ η επαφ η µεταξ υ της εσωτερικ ης και εξωτερικ ης επιφ ανειας του σωλην ισκου επιτυγχ ανεται µε την β υθιση του εν ος ακρου του σε αγ ωγιµη κ ολλα. Οσκελετ ος του τροχο υ αποτελε ιται απ ο τρεις δακτυλ ιους απ οπλαστικ ο ενισχυµ ενο µε ινες ανθρακα (CFRP):τον εσωτερικ οπ αχους 1 mm ( ½ ¾ m), τον εξωτερικ οπ αχους 4 mm ( ¾ ¼ m) και το δακτ υλιο σφρ αγισης π αχους επ ισης 4 mm ( ¾ ½¼ m). Οι σωλην ισκοι ε- γκαθ ιστανται µεταξ υ των δ υο πρ ωτων δακτυλ ιων. Κ αθε δακτ υλιος εχει 3 72 οπ ες για να υποδεχτε ιισ αριθµους σωλην ισκους. Οι οπ ες κ αθε επιπ εδου ε ιναι µετατοπισµ ενες σε σχ εση µε τα γειτονικ αεπ ιπεδα κατ ατα3/8 της αζιµουθιακ ης απ οστασης µεταξ υ τωνοπ ων. Το σ υρµα διαµ ετρου 3 m εισ αγεται στους σωλην ισκους αφο υαυτο ι κολληθο υν στους δακτυλ ιους. ιατηρε ιται στη θ εση του µε ακρ ι εια 2 m µε δ υο χ αλκινους σωλ ηνες (crimping tubes) µ ηκους ½ mm και διαµ ετρων.1 mm (εσωτερικ η) και.7 mm (εξωτερικ η). Οι τελευτα ιοι συµπι εζονται µε τη βο ηθεια ειδικο υεργαλε ιου, ωστε να διατηρ ησουν το σ υρµα σε τ αση 6 g. Ηδιανοµ η της υψηλ ης τ ασης στα τοιχ ωµατα των σωλην ισκων και η αν αγνωση του σ η- µατος απ ο τασ υρµατα γ ινεται απ ο τολεγ οµενο «ενεργητικ ο πλ εγµα» ( active web ), το οπο ιο απεικον ιζεται στο Σχ.4.2.Κ αθε µ ια απ οαυτ ες τις κ αρτες τοξοειδο υς σχ ηµατος εχει µ ηκος 4 cm και πλ ατος 4 cm. Αποτελε ιται απ ο πολλαπλ ες στρ ωσεις τυπωµ ενων κυκλω- µ ατων µε δ υο προεξ εχοντα, ε υκαµπτα φ υλλα απ ο Kapton ( ενα για την υψηλ ητ αση και ενα για το σ ηµα), τα οπο ια συνδ εονται αµεσα µε τον ανιχνευτ η. Μ ερος της κ αρτας αυτ ης λυγ ιζει ωστε να µπορε ι να συνδεθε ι µε τις ηλεκτρονικ ες κ αρτες. Ολα τα ε υκαµπτα µ ερη του πλ εγµατος χωρ ιζονται σε εξι κελι α (cells), κ αθε ενα απ οταοπο ια ελ εγχει 32 καν αλια. Κ αθε τροχ ος 4-επιπ εδων εξοπλ ιζεται µε 16 πλ εγµατα, δηλ. χωρ ιζεται σε 96 κελι α.

71 4.1 Κατασκευ η του προτ υπου 51 Σχ ηµα 4.2: Το ενεργητικ ο πλ εγµα (active web) υψηλ ης τ ασης και σ ηµατος. Το α εριο λειτουργ ιας του ανιχνευτ η διαν εµεται παρ αλληλα στους 3 72 σωλην ισκους αφο υπερ ασει απ ο το εξωτερικ ο ητοεσωτερικ οπλα ισιο (manifold). Το µεν εξωτερικ οορ ιζεται κατ α τηνακτινικ ηδιε υθυνση απ ο τον εξωτερικ ο και τον δακτ υλιο σφρ αγισης. Στην Þ-διε υθυνση περιορ ιζεται απ ο 16 ενεργητικ α και16 παθητικ α (passive) πλ εγµατα. Τα τελευτα ια ε ιναι απλο υστερα απ ο τα ενεργητικ α καθ ως δε διαθ ετουν καθ ολου ηλεκτρονικ α κυκλ ωµατα. Το δε εσωτερικ ο πλα ισιο σχηµατ ιζεται απ ο τον εσωτερικ ο δακτ υλιο και ενα ελαφρ υπλα ισιο απ ο επιµεταλλωµ ενο Kapton µε διατοµ ησεσχ ηµα «Π». Το α εριο αν ιχνευσης, αφο υεισαχθε ι στο εξωτερικ ο ητοεσωτερικ οπλα ισιο, διοχετε υεται σε κ αθε σωλην ισκο µ εσω µ ιας στεν ης σχισµ ης ( ¼ mm) στο πλαστικ ο β υσµα που τον σφραγ ιζει. Ηρο η του αερ ιου στο ακρα ιο TRT µελετ αται διεξοδικ αστοκεφ.6. Μεταξ υ των στρ ωσεων απ οσωλην ισκους, τοποθετο υνται κατ α τη συναρµολ ογηση οι α- κτινο ολητ ες. Κ αθε ακτινο ολητ ης αποτελε ιται απ οπερ ιπου 18 φ υλλα πολυπροπυλεν ιου π αχους 15 m, τα οπο ια διατηρο υνται σε απ οσταση περ ιπου 2 m µε τη βο ηθεια πλεγ- µ ατων (spacers) επ ισης απ ο πολυπροπυλ ενιο. Στις εξωτερικ ες επιφ ανειες της µον αδας οι ακτινο ολητ ες εχουν το µισ ο αριθµ οφ υλλων. Η µον αδα 4-επιπ εδων, ηοπο ια κατασκευ αστηκε το Νο εµ ριο 1998, απεικον ιζεται στο Σχ Σχ ηµα 4.3: Η µον αδα 4-επιπ εδων. Η µον αδα υπο λ ηθηκε σε δι αφορους ελ εγχους κατ α τηδι αρκεια και µετ α τηνκατα-

72 52 Μελ ετη της αντοχ ης του σ υρµατος αν οδου του TRT σκευ η της. Ελ εγχθηκε η ποι οτητα των ηλεκτρικ ων επαφ ων τ οσο µεταξ υ των σωλην ισκων και της τροφοδοσ ιας υψηλ ης τ ασης, οσο και µεταξ υ των χ αλκινων σωλ ηνων, που συγκρατο υν το σ υρµα, και των υποδοχ ων για την αν αγνωση του σ ηµατος στο πλ εγµα. Επ ισης ε- λ εγχθηκε δ υο φορ ες η στεγαν οτητα των δι αφορων συγκολλ ησεων (σωλην ισκοι-β υσµατα, β υσµατα-δακτ υλιοι, δακτ υλιοι-πλ εγµατα) και διορθ ωθηκαν κ αποιες πηγ ες διαρρο ης Το πρ οτυπο 8-επιπ εδων Μετ ατηνπρ ωτη µον αδα 4-επιπ εδων, κατασκευ αστηκε µ ια δε υτερη (Απρ ιλιος 2), ωστε η συναρµογ η της µε την πρ ωτη να αποτελ εσει ενα πλ ηρες πρ οτυπο 8-επιπ εδων. Κατ α τη συναρµολ ογηση της δε υτερης µον αδας, τελειοποι ηθηκαν τα εργαλε ια ελ εγχου ποι οτητας και ολα τα δεδοµ ενα απ ο αυτ α εισ αγονταν σε µ ια β αση δεδοµ ενων, ηοπο ια θα χρησιµοποιηθε ι καικατ α τηµαζικ η παραγωγ η των τροχ ων. Τροποποι ηθηκαν επ ισης τα β υσµατα που κλε ινουν τους σωλην ισκους, το µ εγεθος των οπ ων στους δακτυλ ιους, το εσωτερικ ο πλα ισιο καθ ως και τα ενεργητικ α πλ εγµατα. Οσον αφορ α στηνδιαδικασ ια συναρµολ ογησης, αλλαξε η µ εθοδος ευθυγρ αµµισης των δακτυλ ιων και συγκ ολλησης των πλεγµ ατων στους δακτυλ ιους. Το πρ οτυπο 8-επιπ εδων απεικον ιζεται στο Σχ Σχ ηµα 4.4: Το πρ οτυπο 8-επιπ εδων τοποθετηµ ενο στο Σταθµ ο οκιµ ης Τροχ ων (WTS). Αφο υπερατ ωθηκε η κατασκευ η της δε υτερης µον αδας 4-επιπ εδων, οι δ υο µον αδες ευθυγραµµ ιστηκαν και τοποθετ ηθηκαν οδηγο ι επ ανω στα πλ εγµατα. Τα δ υο µ ερη του προ-

73 4.2 Μελ ετη της µακροπρ οθεσµης αντοχ ης του σ υρµατος 53 τ υπου παραµ ενουν ενωµ ενα µε τη βο ηθεια δ υο µεταλλικ ων εξαρτηµ ατων (βλ. Σχ. 4.4)τα οπο ια παρ εχουν και την απαρα ιτητη στ ηριξη για την κατακ ορυφη τοποθ ετηση του προτ υπου. Στο τελικ οπρ οτυπο προστ εθηκαν οι σωλ ηνες διανοµ ης του υγρο υψ υξης ( ½ ) των ηλεκτρονικ ων καρτ ων, κατασκευασµ ενοι απ ο ανοξε ιδωτο ατσ αλι (βλ. Σχ.4.5). Το σ υστηµα ψ υξης [47] δε χρησιµοποιε ιται κατ α τη λειτουργ ια του προτ υπου, αλλ α εγκαθ ισταται για λ ογους µηχανικ ης πληρ οτητας. Στους σωλην ισκους εφαρµ οζεται υψηλ ητ αση µ εσω µιας µον αδας CAMAC, ηοπο ια τη διαν εµει παρ αλληλα σε οµ αδες των 768 καναλι ων (12 κελι ων) κατανεµηµ ενες αζιµουθιακ α. Η συναρµολ ογηση του προτ υπου αυτο υολοκληρ ωνεται µε την σ υνδεση των ηλεκτρονικ ων καρτ ων. Στο Σχ. 4.5φα ινεται το ηµισυ του προτ υπου εξοπλισµ ενο µε τις κ αρτες που σχεδι αστηκαν ειδικ αγιατον ελεγχο του προτ υπου, οι οπο ιες παρ εχουν προεν ισχυση και µορφοπο ιηση του σ ηµατος. Το πρ οτυπο 8-επιπ εδων, αποτελε ιτοντελευτα ιο τροχ ο ( module- ) πριν την εναρξη της παραγωγ ης και οι µετρ ησεις και δοκιµ ες που εγιναν επ ι αυτο υ οδ ηγησαν στην τελειοπο ιηση του σχεδιασµο υ του ακρα ιου τµ ηµατος του TRT. Π εραν αυτο υ, δ οθηκε η ευκαιρ ια αν απτυξης και δοκιµ ης συσκευ ων που θα χρησιµοποιηθο υν κατ α την παραγωγ η. Μ ια απ ο τιςπιοσ υνθετες και σηµαντικ ες ε ιναι ο Σταθµ ος οκιµ ης Τροχ ων (Wheel Test Station, WTS) [48]. Οβασικ ος σκοπ ος της χρ ησης του WTS ε ιναι ο ελεγχος της απ οδοσης ολων των καναλι ων υπ ο πραγµατικ ες συνθ ηκες λειτουργ ιας, και ειδικ οτερα η µ ετρηση της ευθ υτητας των σωλην ισκων και της θ εσης Σχ ηµα 4.5: Ηλεκτρονικ ες κ αρτες προσαρτηµ ενες στο πρ οτυπο 8-επιπ εδων. του σ υρµατος. Για αυτ οτοσκοπ ο θα χρησιµοποιηθο υν ραδιενεργ ες πηγ ες Fe και µικρο υ ε υρους µονοχρωµατικ η πηγ η ακτ ινων-x. Περισσ οτερες λεπτοµ ερειες για τον WTS θα δοθο υν στο Κεφ Μελ ετη της µακροπρ οθεσµης αντοχ ης του σ υρµατος Ηακρι ης τοποθ ετηση του σ υρµατος αν οδου στο κ εντρο του σωλην ισκου ε ιναι κρ ισιµη για την αξι οπιστη λειτουργ ια του, καθ ως καθορ ιζει σε µεγ αλο βαθµ ο την οµοιοµορφ ια του ηλεκτρικο υπεδ ιου µ εσα στο σωλην ισκο και συνεπ ως το ιδιο το πλ ατος του σ ηµατος. Για αυτ ο το λ ογο, εχει δοθε ιιδια ιτερη προσοχ η στη διαδικασ ια τοποθ ετησης του ([23] τ. II, σελ. 714), κατ α την οπο ια τεντ ωνεται σε τ αση 6 g 1. Οι προδιαγραφ ες για την τ αση του σ υρµατος του ATLAS TRT προ λ επουν οτι αυτ η οφε ιλει να παραµ ενει µεγαλ υτερη απ ο 5 g κατ α τα δ εκα χρ ονια λειτουργ ιας του LHC. Το οριο θρα υσης του σ υρµατος ( ½ ¼ ) στην προκειµ ενη περ ιπτωση (επ ιχρυσο βολφρ αµιο διαµ ετρου 3 m) ε ιναι πολ υµεγαλ υτερο απ οτη 1 Ητ αση του σ υρµατος εκφρ αζεται µε την αντ ιστοιχη µ αζα του βαριδιο υµετοοπο ιο τεντ ωνεται το σ υρµα.

74 54 Μελ ετη της αντοχ ης του σ υρµατος αν οδου του TRT συν ηθη τιµ ητηςκαιε ιναι πρακτικ ααδ υνατο να προσεγγιστε ικατ ατηντοποθ ετησ ητου. Οι διαδικασ ιες ελ εγχου ποι οτητας ([23] τ. II, σελ. 733) προ λ επουν τη µ ετρηση της τ ασης του σ υρµατος αµ εσως µετ α τηντοποθ ετησ η τουκαι, σε περ ιπτωση που αυτ η ε ιναι εκτ ος προδιαγραφ ων ( ¼ µ g), την επανατοποθ ετησ η του. Ενας δε υτερος ελεγχος, πριν σφραγισθε ι η µον αδα, θα γ ινειγιαναδιαπιστωθε ι αν ολα τα σ υρµατα εχουν τ αση π ανω απ ο 5 g. Στη συγκεκριµ ενη µελ ετη [45], µετρ ηθηκαν οι 3 72 σωλην ισκοι της πρ ωτης µον αδας 4- επιπ εδων, ηοπο ια ηταν τοποθετηµ ενη οριζ οντια. Η τοποθ ετηση του σ υρµατος εγινε χρησι- µοποι ωντας β αρος 6 g. Οσκοπ ος της µελ ετης ε ιναι διττ ος. Πρ ωτον, ενδιαφερ οµαστε στη σταθερ οτητα της τ ασης µε το χρ ονο, επικυρ ωνοντας ετσι τη χρ ηση των χ αλκινων σωλ ηνων και τη διαδικασ ια τοποθ ετησης του σ υρµατος. ε υτερον, ελ εγχεται και βελτιστοποιε ιται η διαδικασ ια µ ετρησης της τ ασης για ευρε ια χρ ηση κατ α την κατασκευ η τουtrt Οργανα και διαδικασ ια µ ετρησης Υπ αρχουν αρκετ ες µ εθοδοι µ ετρησης της τ ασης του ν ηµατος σε αναλογικο υς θαλ αµους. Ευρ εως διαδεδοµ ενες ε ιναι οι µ εθοδοι µαγνητικο υ [49] και ηλεκτροστατικο υ [5] συντονισµο υ. Αυτ ες οι µ εθοδοι ε ιναι αρκετ α ακρι ε ις, αλλ α απαιτο υν δ υο σηµαντικ α στοιχε ια: ισχυρ ο µαγνητικ ο πεδ ιο (για την πρ ωτη µ εθοδο) και ηλεκτρικ η επαφ η µετοσ υρµα και απ οτιςδ υο ακρες του. Μ ια αλλη µ εθοδος ηµ εθοδος µηχανικο υ συντονισµο υ βασ ιζεται στη µ ετρηση της χωρητικ οτητας µεταξ υτουσ υρµατος και του αλλου ηλεκτροδ ιου του σωλην ισκου. Η χωρητικ οτητα µετα αλλεται κατ α τηνταλ αντωση του σ υρµατος, ηοπο ια προκαλε ιται οταν ο ανιχνευτ ης δονε ιται µηχανικ αµετηβο ηθεια ακουστικ ων κυµ ατων (σε αντ ιθεση µε τις ηλεκτροµαγνητικ ες και ηλεκτροστατικ ες δυν αµεις, αντ ιστοιχα, που χρησι- µοποιο υνται για αυτ ο τοσκοπ ο στις προηγο υµενες µεθ οδους). Τα πλεονεκτ ηµατα αυτ ης της µεθ οδου ε ιναι: δεν απαιτε ιται η χρ ηση ισχυρο υ µαγν ητη ηηλεκτρικ η επαφ η µετοσ υρµα γ ινεται απ ο το ενα ακρο του και ηµ ετρηση γ ινεται µε τον ανιχνευτ η συνδεδεµ ενο σε κανονικ ες συνθ ηκες λειτουργ ιας. Μετ ααπ οαν αλογη διερε υνηση, βρ εθηκε οτι η µ εθοδος µηχανικο υ συντονισµο υε ιναι η καταλληλ οτερη για τις µετρ ησεις τ ασης του σ υρµατος του TRT, και αυτ η εφαρµ οζεται στη συν εχεια. Οι µετρ ησεις εγιναν µε χρ ηση δ υο διαφορετικ ων διατ αξεων τη γενν ητρια συχνοτ ητων της Wavetek Ö («µ εθοδος Wavetek») και τη Συσκευ η Τ ασης Σ υρµατος Σωλην ισκων (Straw Wire Tension Instrument, SWTI) [51]. Και οι δ υο µ εθοδοι βασ ιζονται στην δι εγερση του σ υρ- µατος απ ο ενα µεγ αφωνο, το οπο ιο συνδ εεται µε εναν ταλαντωτ η µετα λητ ης συχν οτητας. Η µον αδα π αλλεται απ οτοµεγ αφωνο, ωστε σε κ αποια συχν οτητα το σ υρµα φτ ανει σε συντονισµ ο. Στο σωλην ισκο εφαρµ οζεται αρνητικ ητ αση ¼¼ V, ωστε η µετα ολ η της χωρητικ οτητας να επ αγει στο σ υρµα ενα σ ηµα πλ ατους αν αλογου του µηχανικο υ πλ ατους του σ υρµατος. Ηπρ ωτη αρµονικ η συχν οτητα του σ υρµατος, ηοπο ια αποτελε ι τη συχν οτητα

75 4.2 Μελ ετη της µακροπρ οθεσµης αντοχ ης του σ υρµατος 55 συντονισµο υ, εξαρτ αται και απ ο τηντ αση του σ υρµατος. Συνεπ ως, ητ αση υπολογ ιζεται ε υκολα, γνωρ ιζοντας τη γραµµικ η πυκν οτητα και το µ ηκος του ν ηµατος, µε ακρ ι εια της τ αξης του 1%. Ηδι αταξη η οπο ια βασ ιζεται στη γενν ητρια συχνοτ ητων Wavetek αποτελε ιται απ ο ενα µεγ αφωνο ισχ υος 1 W, εναν ενισχυτ η εν ος καναλιο υ (µαζ ι µε τη συσκευ η παροχ ης τ ασης) και εναν παλµογρ αφο. Ηγενν ητρια συχνοτ ητων διεγε ιρει το µεγ αφωνο, το οπο ιο βρ ισκεται επ ανω στον εσωτερικ οδακτ υλιο. Το σ ηµα, το οπο ιο λαµ ανεται απ οτοαντ ιστοιχο καν αλι του πλ εγµατος (web), ενισχ υεται και εν συνεχε ια προ αλλεται στον παλµογρ αφο. Το ε υρος συχνοτ ητων ¾ ¼ ¼¼ Hz σαρ ωνεται µε β ηµα 1 Hz και το πλ ατος της ταλ αντωσης παρακολουθε ιται µε τον παλµογρ αφο, επιτρ εποντας τον οπτικ ο προσδιορισµ ο της συχν οτητας συντονισµο υ. Ηχρ ηση της SWTI απαιτε ι επ ισης το µεγ αφωνο και εναν ενισχυτ η 32-καναλι ων. Η SWTI, εξοπλισµ ενη µε εναν µικροεπεξεργαστ η, εχει δ υο λειτουργ ιες: ελ εγχει τη συχν οτητα και την ενταση του ηχου που µετα ι αζεται στο µεγ αφωνο και λαµ ανει απ οτονενισχυτ η το πλ ατος του σ ηµατος. Καιοιδ υο λειτουργ ιες ελ εγχονται απ οτοχρ ηστη µ εσω εν ος υπολογιστ η (συνδεδεµ ενου µε την SWTI µ εσω µ ιας θ υρας RS-232), εκτελ ωντας το «Πρ ογραµµα Μ ετρησης της Τ ασης του Σ υρµατος» ( Wire Tension Measurement Program, ÏÌÅÈ) [52], γραµµ ενο στο λογισµικ ο Ö ÎÁ Ï ÌÅ ¾ ½. Το πρ ογραµµα σαρ ωνει αυτ οµατα συχν οτητες επιλ εξιµου ε υρους και β ηµατος και σχεδι αζει το πλ ατος της ταλ αντωσης του σ υρµατος για ολατασ υρµατα (1 32). Επ ισης προσδιορ ιζει τη συχν οτητα συντονισµο υ, υπολογ ιζει απ ο αυτ ην την τ αση και, τ ελος, αποθηκε υει τα δεδοµ ενα σε αρχε ια. Με αυτ η τηδι αταξη ελ εγχονται ταυτ οχρονα 32 σ υρµατα, τα οπο ια αν ηκουν στο ιδιο κελ ι. Ενα δε ιγµα του περι αλλοντος του προγρ αµµατος φα ινεται στο Σχ Οχρ ηστης µπορε ιναεπιλ εξει το χρ ονο που απαιτε ιται για να προσδιοριστε ι τοπλ ατος της ταλ αντωσης για κ αθε συχν οτητα. Οσο µεγαλ υτερος ε ιναι ο χρ ονος, τ οσο καλ υτερη ε ιναι η ακρ ι εια, αλλ ατ οσο πιο χρονο ορα γ ινεται η διαδικασ ια µ ετρησης. Πιο συγκεκρι- µ ενα, δοκιµ αστηκαν δ υο επιλογ ες.3 s και.6 s για κ αθε συχν οτητα. Επαναλαµ ανοντας 2 φορ ες τη µ ετρηση για ενα σ υρµα, βρ εθηκε οτι η ακρ ι εια της µ ετρησης για.3 s (αντ..6 s) ε ιναι ¼ g (αντ. ¼ ¾ g), δηλ. 1%(αντ..3%). Οι µετρ ησεις που παρουσι αζονται στη συν εχεια εγιναν µε.3 s, καθ ως η ακρ ι εια που επιτυγχ ανεται ετσι ε ιναι ικανοποιητικ η χωρ ις να απαιτε ι ασ υµφορα µεγ αλο χρ ονο µ ετρησης. Ητ αση του σ υρµατος υπολογ ιζεται απ οτηνπρ ωτη αρµονικ η συχν οτητα εφαρµ οζοντας τον τ υπο: Ì Ä ¾ Ö ¾ οπου Ì ητ αση του σ υρµατος σε g, ½ Ñ ¾, ¼ ½ Ñ Ñ η γραµµικ η πυκν οτητα µ αζας του σ υρµατος, Ä ¾ Ñ το µ ηκος του σ υρµατος και Ö ¾ η συχν οτητα συντονισµο υσεhz. Λεπτοµερ ης περιγραφ η των δ υο διατ αξεων και ο υπολογισµ ος της τ ασης απ ο τησυχν οτητα συντονισµο υ, δ ινονται στην παραποµπ η [52]. Ητ αση των συρµ ατων της πρ ωτης µον αδας 4-επιπ εδων µετρ ηθηκε δ υο φορ ες. Την πρ ωτη φορ α, αµ εσως µετ α την κατασκευ η του προτ υπου (Νο εµ ριος 1998), ε ιχε χρησιµοποιηθε ι ηδι αταξη Wavetek. Αργ οτερα αναπτ υχθηκε η SWTI µαζ ι µετοαντ ιστοιχο λογισµικ ο, οπ οτε χρησιµοποι ηθηκε για τη δε υτερη σειρ α µετρ ησεων (Οκτ ω ριος 1999). Τα α- ποτελ εσµατα των µετρ ησεων παρουσι αζονται στις επ οµενες παραγρ αφους.

76 56 Μελ ετη της αντοχ ης του σ υρµατος αν οδου του TRT Σχ ηµα 4.6: Τυπικ η εικ ονα του ÏÌÅÈ, οπου φα ινεται το πλ ατος ταλ αντωσης συναρτ ησει της συχν οτητας για ενα σ υρµα ( ανω δι αγραµµα) και η συχν οτητα συντονισµο υ γιατα 32 σ υρµατα (κ ατω δι αγραµµα) Πρ ωτη µ ετρηση της τ ασης (Νο εµ ριος 1998) Κατ α τηδι αρκεια και αµ εσως µετ α την κατασκευ η της µον αδας 4-επιπ εδων, ολατασ υρ- µατα ελ εγχθηκαν ως προς την τ αση τους χρησιµοποι ωντας τη µ εθοδο Wavetek, ακολουθ ωντας τα β ηµατα που περιγρ αφονται στην Παρ Τα αποτελ εσµατα που παρουσι αζονται αντιστοιχο υν στις τελικ ες τιµ ες της τ ασης (µετ α απ οενδεχ οµενη επανατοποθ ετησ η τους). Οι κατανοµ ες της τ ασης του σ υρµατος παρουσι αζονται στο Σχ. 4.7για κ αθε επ ιπεδο (layer) σωλην ισκων και στο Σχ. 4.8για ολατασ υρµατα της µον αδας. Το επ ιπεδο-1 αντιστοιχε ι στο επ ιπεδο σωλην ισκων το εγγ υτερο στα παθητικ α πλ εγµατα. Οι αναφερ οµενες τιµ ες για το ε ιναι οι εκτιµ ωµενες τυπικ ες αποκλ ισεις (root mean square, r.m.s.) για αυτ α τα δε ιγµατα. Οι µ εσες τιµ ες των κατανοµ ων της Ö και της Ì για την πρ ωτη µ ετρηση ε ιναι Ö ¾ ½ ¼ ¾µ Hz και Ì ¼ ¼ µ g, αντ ιστοιχα. Η διασπορ ατηςκατανοµ ης του 4ου επιπ εδου, οπως αυτ ηεκφρ αζεται απ οτηντιµ ητης r.m.s., ε ιναι µεγαλ υτερη (4.4 g) απ ο τιςαντ ιστοιχες τιµ ες των αλλων επιπ εδων ( g). Αυτ οτοεπ ιπεδο ηταν το πρ ωτο στο οπο ιο τοποθετ ηθηκαν σ υρµατα και µετρ ηθηκε η τ αση τους, οπ οτε οι αντ ιστοιχες διαδικασ ιες δεν ε ιχαν βελτιστοποιηθε ι ακ οµη. Αυτ ο τοχαρακτηριστικ οτου4ου επιπ εδου παρατηρ ηθηκε επ ισης και κατ α τηδε υτερη µ ετρηση. Η κατανοµ η εκτε ινεται προς τις χαµηλ οτερες τιµ ες, οι οπο ιες ε ιναι οι σηµαντικ οτερες για αυτ η τηµελ ετη. Ακρι εστερα, επτ α σ υρµατα εχουν τ αση χαµηλ οτερη του ορ ιου των 5 g. Κατ ατηδε υτερη µ ετρηση οµως, µ ονο ενα απ οαυτ αβρ εθηκε να εχει Ì ¼ g, εν ωτα

77 4.2 Μελ ετη της µακροπρ οθεσµης αντοχ ης του σ υρµατος 57 November 1998: Layer 1 November 1998: Layer 2 Number of wires/g mean = 65.3 sigma = 3.6 number of wires = Wire tension (g) Number of wires/g mean = 64.3 sigma = 3.7 number of wires = Wire tension (g) November 1998: Layer 3 November 1998: Layer 4 Number of wires/g 1 9 mean = sigma = 4. 7 number of wires = Wire tension (g) Number of wires/g mean = 62.4 sigma = 4.4 number of wires = Wire tension (g) Σχ ηµα 4.7: Κατανοµ ες της τ ασης του σ υρµατος για κ αθε επ ιπεδο σωλην ισκων κατ α την πρ ωτη µ ετρηση. November 1998: All layers Number of wires/g mean = 64. sigma = 4.1 number of wires = wires with T < 5 g Wire tension (g) Σχ ηµα 4.8: Κατανοµ ες της τ ασης για ολατασ υρµατα κατ α τηνπρ ωτη µ ετρηση.

78 58 Μελ ετη της αντοχ ης του σ υρµατος αν οδου του TRT υπ ολοιπα εξι ε ιχαν Ì g, το οπο ιο ε ιναι φυσιολογικ ολαµ ανοντας υπ οψιν την περιορισµ ενη ακρ ι εια της µεθ οδου µε τη Wavetek. Ο αριθµ ος των ελεγχθ εντων συρµ ατων (3 68) δεν ε ιναι ισος µε το συνολικ ο αριθµ ο σωλην ισκων (3 72), δι οτι για τ εσσερα σ υρµατα δεν βρ εθηκε, ε ιτε λ ογω κ αποιου προ λ ηµατος µ εσα στο σωλην ισκο, ε ιτε δι οτι δεν υπ ηρχε ηλεκτρικ η επαφ ηµετοσ υρµα. Οσον αφορ ατηδιαδικασ ια µ ετρησης µε τη συσκευ η Wavetek, οι εξ ης παρατηρ ησεις εγιναν: Προσφ ερει πολλ ες πληροφορ ιες σχετικ α µε τη συχν οτητα, το πλ ατος και τη µορφ η του σ ηµατος. Αρα µπορε ι να χρησιµοποιηθε ι για επιπρ οσθετο ελεγχο των συρµ ατων, στην περ ιπτωση που η αυτ οµατη διαδικασ ια (SWTI) αδυνατε ι ναβρειτοσυντονισµ ο. Ε ιναι πολ υ χρονο ορα για να χρησιµοποιηθε ισεελ εγχους µεγ αλης κλ ιµακας, καθ ως σε κ αθε µ ετρηση ελ εγχεται µ ονο ενα καν αλι. Ο προσδιορισµ ος της συχν οτητας συντονισµο υ ε ιναι υποκειµενικ ος, ιδια ιτερα στις περιπτ ωσεις µε χαµηλ ο πλ ατος ταλ αντωσης. Καθ ως η σ αρωση των συχνοτ ητων τελει ωνει µ ολις βρεθε ι ενα τοπικ ο µ εγιστο του πλ ατους και οχι ενα ολικ ο (το οπο ιο ε ιναι ο υτως η αλλως δ υσκολο να εκτιµηθε ι), η µετρο υµενη συχν οτητα συντονισµο υ δενε ιναι π αντοτε η πραγµατικ η. Το τελευτα ιο σηµε ιο αποτελε ιτολ ογο για τον οπο ιο υπ αρχουν πολλ ες και µεγ αλες διαφορ ες µεταξ υ των αποτελεσµ ατων της πρ ωτης και της δε υτερης µ ετρησης, οπως θα δειχθε ι στις επ οµενες παραγρ αφους ε υτερη µ ετρηση της τ ασης (Οκτ ω ριος 1999) Ηδε υτερη µ ετρηση της τ ασης των συρµ ατων πραγµατοποι ηθηκε χρησιµοποι ωντας αποκλειστικ α τηνswti. Η SWTI επιτρ επει τη ρ υθµιση της εντασης του µεγαφ ωνου και της εν ισχυσης του ενισχυτ η. Ενα αλλο χαρακτηριστικ ο της δι αταξης ε ιναι η ρ υθµιση του επιπ εδου διευκρ ινισης του Μετατροπ εα Αναλογικο υσεψηφιακ ο (Analog-to-Digital Converter, ADC), το οπο ιο καθορ ιζει το ελ αχιστο αναγκα ιο πλ ατος του συντονισµο υ προκειµ ενου να καταγραφε ιαπ οτοπρ ογραµµα. Αυτ η η δυνατ οτητα δε χρησιµοποι ηθηκε κατ ατηνπρ ωτη σειρ α µετρ ησεων, ωστε να µελετηθε ιη ιδια η λειτουργ ια της συσκευ ης, αλλ ααναµ ενεται να χρησιµοποιηθε ι γιατον ελεγχο των συρµ ατων κατ α τηφ αση παραγωγ ης των τροχ ων του TRT. Παρατηρ ηθηκε οτι για κ αποια σ υρµατα, ιδια ιτερα απ οτοπρ ωτο επ ιπεδο (το οπο ιο ε ιναι κοντ υτερα στο µεγ αφωνο), το πλ ατος ταλ αντωσης ε ιναι τ οσο µεγ αλο που ξεπερν α το δυναµικ οε υρος του ADC. Σε αυτ ην την περ ιπτωση, ητιµ η που επιστρ εφεται απ οτοadc ε ιναι µηδενικ η (βλ. Σχ. 4.9),µε αποτ ελεσµα το πρ ογραµµα να αναγνωρ ιζει ως συχν οτητα συντονισµο υ µ ια τιµ η κοντ α στηνπραγµατικ η. Το πρ ο ληµα αντιµετωπ ιστηκε µε µε ιωση της εντασης του µεγαφ ωνου, ηοπο ια οδ ηγησε οµως στην ελ αττωση του πλ ατους αλλων καναλι ων, καθιστ ωντας το συντονισµ ο τους µη-ανιχνε υσιµο. Για αυτ οτολ ογο, µετ ατηχρ ηση της SWTI, µερικ ασ υρµατα ξαναµετρ ηθηκαν µε τη συσκευ η Wavetek.

79 4.2 Μελ ετη της µακροπρ οθεσµης αντοχ ης του σ υρµατος 59 Σχ ηµα 4.9: Καµπ υλες συντονισµο υγιατ εσσερα σ υρµατα. Ο οριζ οντιος αξονας ε ιναι η συχν οτητα (σε Hz) και ο κατακ ορυφος ε ιναι το πλ ατος ταλ αντωσης (σε αυθα ιρετες µον αδες). Η κορυφ η συντονισµο υ στα ¾ ¾ Hz εχει ξεπερ ασει το δυναµικ ο ε υρος του ADC. Για να ελεγχθε ι η συν επεια της µεθ οδου µ ετρησης µε την SWTI, 191 σ υρµατα, τα οπο ια αποτελο υν ενα αµερ οληπτο δε ιγµα της τ ασης του σ υρµατος, ξαναµετρ ηθηκαν. Ολα τα ν εα αποτελ εσµατα ηταν σε συµφων ια µε τα αρχικ α κατ α ¾ Hz ( ½ g), επι ε αι ωνοντας την ακρ ι εια που αντιστοιχε ι σεµ ια µ ετρηση, οπως αυτ η υπολογ ιστηκε στην Παρ ). Τα αποτελ εσµατα που ελ ηφθησαν κατ ατηδε υτερη µ ετρηση της τ ασης των συρµ ατων, µετ ααπ ο επαν ελεγχο µερικ ων συρµ ατων µε αµφ ι ολη συχν οτητα συντονισµο υ, συνοψ ιζονται στο Σχ. 4.1για κ αθε επ ιπεδο ξεχωριστ α καιστοσχ.4.11για ολα τα σ υρµατα. Ολα τα σ υρµατα για τα οπο ια µε την SWTI δε βρ εθηκε συντονισµ ος ητοπλ ατος του ηταν πολ υ χαµηλ ο, ξαναµετρ ηθηκαν µε τη συσκευ η Wavetek. Κατ α τηδι αρκεια αυτ ης της σειρ ας µετρ ησεων, για πολλ α σ υρµατα (4.3%) δε βρ εθηκε συντονισµ ος. Απ ο αυτ α τα132 σ υρµατα, τα 8 (61%) ε ιχαν µ ια ορατ η διακοπ η της ηλεκτρικ ης επαφ ης στο σηµε ιο οπου το ενεργητικ οπλ εγµα λυγ ιζει για να προσαρµοστε ι στην κ αρτα των ηλεκτρονικ ων. Στα υπ ολοιπα σ υρµατα, ε ιτε η διακοπ η της επαφ ης δεν ε ιναι ορατ η, ε ιτε ενεργοποιε ιται η δε υτερη αρµονικ η µε χαµηλ ο και συνεπ ως µη-ανιχνε υσιµο πλ ατος συντονισµο υ. Κατ α τηνπρ ωτη µ ετρηση µ ονο µερικο ι σωλην ισκοι ε ιχαν κοµµ ενη επαφ η, αρα οι επαφ ες εσπασαν κατ ατιςδι αφορες σειρ ες µετρ ησεων/ελ εγχων ( ελεγχος ευθ υτητας των σωλην ισκων µε χρ ηση ραδιενεργο υπηγ ης Fe, µ ετρηση της ρο ης του αερ ιου, κλπ.) στις οπο ιες υπο λ ηθηκε το πρ οτυπο µεταξ υ των δ υο µετρ ησεων τ ασης. Αυτ ο σηµα ινει οτι στον σχεδιασµ ο των ενεργητικ ων πλεγµ ατων πρ επει να ληφθε ι υπ οψιν και η µηχανικ ηαντοχ η τους σε αυτ ο το σηµε ιο. Κατ α τηδε υτερη µ ετρηση βρ εθηκαν επτ α σ υρµατα εκτ ος προδιαγραφ ων (Ì ¾ ¼ g), απ ο ταοπο ια µ ονο ενα ηταν επ ισης χαλαρ ο κατ α τηνπρ ωτη µ ετρηση, εν ω τα αλλα εξι ε ιχαν ¼ Ì ½ g. Οι µ εσες τιµ ες των κατανοµ ων Ö και Ì στη δε υτερη µ ετρηση ε ιναι Ö ¾ ½ ¼ ¾µ Hz και Ì ¼ ¼ µ g, αντ ιστοιχα. Εξ αγεται ευθ εως λοιπ ον

80 6 Μελ ετη της αντοχ ης του σ υρµατος αν οδου του TRT October 1999: Layer 1 October 1999: Layer 2 Nmber of wires/g 1 9 mean = sigma = number of wires = Wire tension (g) Number of wires/g mean = 64.3 sigma = 3.8 number of wires = Wire tension (g) October 1999: Layer 3 October 1999: Layer 4 Number of wires/g mean = 63.9 sigma = 4. number of wires = Wire tension (g) Number of wires/g mean = 62.2 sigma = 4.6 number of wires = Wire tension (g) Σχ ηµα 4.1: Κατανοµ ες της τ ασης του σ υρµατος για κ αθε επ ιπεδο σωλην ισκων κατ α τη δε υτερη µ ετρηση. October 1999: All layers Number of wires/g mean = 64. sigma = 4.3 number of wires = wires with T < 5 g Wire tension (g) Σχ ηµα 4.11: Κατανοµ ες της τ ασης για ολα τα σ υρµατα κατ α τηδε υτερη µ ετρηση.

81 4.2 Μελ ετη της µακροπρ οθεσµης αντοχ ης του σ υρµατος 61 οτι δεν υπ αρχει παρατηρ ησιµη µετατ οπιση της µ εσης τιµ ης της τ ασης, σε σ υγκριση µε την αντ ιστοιχη της πρ ωτης µ ετρησης. Οµως η αντοχ η τουσ υρµατος µπορε ι να ελεγχθε ι διεξοδικ αµ ονο µετ α τη στατιστικ ηαν αλυση της διαφορ ας τ ασης µεταξ υ των δ υο µετρ ησεων, ηοπο ια παρουσι αζεται στην επ οµενη παρ αγραφο Σ υγκριση των αποτελεσµ ατων ιαφορ α τ ασης Ì Προκειµ ενου να διερευνηθε ι µ ια πιθαν η µε ιωση της τ ασης των συρµ ατων µε το χρ ονο, τα αποτελ εσµατα των δ υο σειρ ων µετρ ησεων συγκρ ιθηκαν σ υρµα προς σ υρµα. Ηδιαφορ α στην τ αση (δε υτερη µε ιον την πρ ωτη µ ετρηση) καταν εµεται στο Σχ.4.12για κ αθε επ ιπεδο και στο Σχ. 4.13για ολα τα σ υρµατα. Oct-99 - Nov-98: Layer 1 Oct-99 - Nov-98: Layer Number of wires/g mean =.87 sigma = 1.9 number of wires = 756 Number of wires/g mean =.76 sigma = 1.8 number of wires = Wire tension difference (g) Wire tension difference (g) Oct-99 - Nov-98: Layer 3 Oct-99 - Nov-98: Layer Number of wires/g mean = -.16 sigma = 2. number of wires = 748 Number of wires/g mean = -.13 sigma = 1.6 number of wires = Wire tension difference (g) Wire tension difference (g) Σχ ηµα 4.12: Κατανοµ ες της διαφορ ας τ ασης του σ υρµατος µεταξ υ πρ ωτης και δε υτερης µ ετρησης για κ αθε επ ιπεδο σωλην ισκων. Συγκρ ινοντας τα αποτελ εσµατα των δ υο µετρ ησεων, παρατηρε ι κανε ις οτι υπ αρχουν πολλ α σ υρµατα ( ¼) µε µεγ αλη διαφορ α τ ασης, Ì ½¼ g. Τα περισσ οτερα απ ο αυτ α τασ υρµατα ξαναµετρ ηθηκαν µε µεγαλ υτερη ακρ ι εια (µε χρ ονο µ ετρησης.6 s) µε την SWTI και τα αποτελ εσµατα απ ο τηνπρ ωτη µ ετρηση εξετ αστηκαν επ ισης. Εγιναν οι εξ ης παρατηρ ησεις:

82 62 Μελ ετη της αντοχ ης του σ υρµατος αν οδου του TRT Oct-99 - Nov-98: All layers Number of wires/g mean =. sigma = 1.8 number of wires = Wire tension difference (g) Σχ ηµα 4.13: Κατανοµ ες της διαφορ ας τ ασης του σ υρµατος µεταξ υ πρ ωτης και δε υτερης µ ετρησης για ολατασ υρµατα. Για περ ιπου 3 σ υρµατα, ο συντονισµ ος βρ εθηκε κοντ α στη συχν οτητα της πρ ωτης µ ετρησης, και οχι σε εκε ινη της δε υτερης, δηλ. τα αποτελ εσµατα της δε υτερης δεν ε- παληθε υθηκαν. Οι περισσ οτερες απ ο τις λανθασµ ενες εκτιµ ησεις βρ εθηκαν στις περιοχ ες χαµηλ ων ( ¾ ¼ Hz) και υψηλ ων ( ¾ ¼ Hz) συχνοτ ητων. Αυτ οτοφαιν οµενο συνδ εεται µε την ευαισθησ ια της συσκευ ης στο θ ορυ ο, οοπο ιος προκαλε ι ενα µοναδικ ο σηµε ιο σηµαντικ α π ανω απ ο τουπ ο αθρο του πλ ατους, και το οπο ιο αναγνωρ ιζεται απ ο τοπρ ογραµµα ως συντονισµ ος. Ηπιθαν οτητα να προκ υψει ενα τ ετοιο γεγον ος ελαχιστοποιε ιται εφαρµ οζοντας ενα µη-µηδενικ οκατ ωφλι διευκρ ινησης και αυξ ανοντας την ενταση του ηχου ωστε ο πραγµατικ ος συντονισµ ος να διακρ ινεται καθαρ α. Για τα υπ ολοιπα περ ιπου 2 σ υρµατα, η µετρο υµενη τιµ η τηςτ ασης επαληθε υτηκε και, σε µερικ ες περιπτ ωσεις, µ ια µικρ οτερη κορυφ η παρατηρ ηθηκε. Αυτ η οφε ιλεται σε αντ εγκληση (cross-talk) απ ο γειτονικ ασ υρµατα. Μετ ααπ οαυτ ητηδιαδικασ ια, 2 5 σ υρµατα µε Ì ½¼ g και 7 σ υρµατα µε Ì ½¼ g παρ εµειναν στις ακρες της κατανοµ ης της Ì. Καθ ως αυτ α ε ιναι συµµετρικ α κατανεµη- µ ενα στη θετικ η και αρνητικ ηκατε υθυνση, δεν υπονοο υν κ αποια συστηµατικ ηµε ιωση στη τ αση των συρµ ατων. Πιθαν ον να οφε ιλονται σε λανθασµ ενες µετρ ησεις πολ υ χαµηλ ων πλατ ων συντονισµο υ η σεδιπλ ες κορυφ ες λ ογω αντεγκλ ησεων κατ α τηνπρ ωτη µ ετρηση. Το πιο ενδιαφ ερον εξαγ οµενο, οµως, ε ιναι οτι η µ εση τιµ η της διαφορ ας τ ασης ε ιναι πρακτικ α ιση µε το µηδ εν Ì ¼ ¼¼ ¼ ¼ µ g), αποδεικν υοντας οτι δεν υπ αρχει συστηµατικ η χαλ αρωση των συρµ ατων µετ α απ ο µ ια χρονικ η περ ιοδο 11 µην ων. Στο ιδιο 2 Οι προηγο υµενες κατανοµ ες της Ì και Ì αντιστοιχο υν στα δεδοµ ενα που ελ ηφθησαν αφο υ ξαναµετρ ηθηκαν τα αµφιλεγ οµενα σ υρµατα.

83 4.2 Μελ ετη της µακροπρ οθεσµης αντοχ ης του σ υρµατος 63 συµπ ερασµα καταλ ηγει κανε ις, ε αν θεωρ ησει την κατανοµ ητης Ö, ηοπο ια εχει µ εση τιµ η Ö ¼ ¼¼ ¼ ¼ µ Hz. Ητυπικ η απ οκλιση της κατανοµ ης της τ ασης (1.8 g για ολα τα σ υρµατα) ε ιναι µεγαλ υτερη απ ο εκε ινη που αναµ ενεται απ ο την επαναλαµ αν οµενη µ ετρηση εν ος σ υρµατος (1.1 g). Αυτ οοφε ιλεται στην χαµηλ οτερη ακρ ι εια της µεθ οδου Wavetek, ηοπο ια χρησιµοποι ηθηκε αποκλειστικ α στηνπρ ωτη µ ετρηση, καθ ως και σε αλλες πηγ ες σφαλµ ατων (π.χ. χαµηλ ες κορυφ ες, πλ ατη συντονισµ ων εκτ ος δυναµικο υ ε υρους του ADC). Οι τελευτα ιες περιπτ ωσεις ε ιναι υπε υθυνες για τις ακρα ιες τιµ ες στην κατανοµ η της Ì. Πιθαν η ασυµµετρ ια της κατανοµ ης της Ì Ησταθερ οτητα της τ ασης των συρµ ατων µπορε ι να ελεγχθε ι επιπλ εον εξετ αζοντας της πιθαν η υπαρξη ασυµµετρ ιας στις κατανοµ ες της διαφορ ας συχν οτητας συντονισµο υ και τ ασης µεταξ υ των δ υο µετρ ησεων. Μ ια πιθαν η µε ιωση της τ ασης κ αποιων συρµ ατων θα εκδηλων οταν ως µ ια µεγαλ υτερη διασπορ α τηςκατανοµ ης της Ö στις αρνητικ ες τιµ ες σε σ υγκριση µε τις θετικ ες. Μελετ αται η συχν οτητα συντονισµο υ αντ ι τηςτ ασης, δι οτι η πρ ωτη ε ιναι η αµεσα µετρο υµενη ποσ οτητα. Κ αθε µ ια απ οτιςδ υο πλευρ ες (θετικ η και αρνητικ η) του ιστογρ αµµατος της Ö προσαρµ οστηκαν µε µ ια συν αρτηση Gauss. Ως αποτ ελεσµα, οι θετικ ες τιµ ες προσαρµ οστηκαν καλ υτερα ( ¾ Ó ½ ½ ¾¾) απ ο τιςαρνητικ ες ( ¾ Ó ½ ½ ), αλλ α οιτυπικ ες αποκλ ισεις βρ εθηκαν ισες µε ¾ Hz και ½ Hz, αντ ιστοιχα. Αρα, αφο υ, ηυπ οθεση οτι κ αποια σ υρµατα χαλ αρωσαν απορρ ιπτεται. Οι κατανοµ ες της Ì και Ö δεν ακολουθο υν την κατανοµ η Gauss, δι οτι αποτελο υν υπερθ εσεις δειγµ ατων απ ο πληθυσµο υς διαφορετικ ων κατανοµ ων. Πρ αγµατι, η µετρο υ- µενη συχν οτητα κ αθε σ υρµατος καταν εµεται κανονικ α (Gauss) µε προφαν ως διαφορετικ η µ εση τιµ η και γενικ α διαφορετικ α, αν αλογα µε κ αποια χαρακτηριστικ α (π.χ. ενας χα- µηλο υ πλ ατους συντονισµ ος προσδιορ ιζεται µε µικρ οτερη ακρ ι εια απ ο ο,τι ενας υψηλο υ πλ ατους). Οι τιµ ες της λοξ οτητας 3 των κατανοµ ων της Ö και Ì δε θεωρ ηθηκαν ως κριτ ηρια για την ασυµµετρ ια τους, καθ ως εξαρτ ωνται σηµαντικ α απ ο την παρουσ ια µεµονωµ ενων σηµε ιων στις ακρες. Για παρ αδειγµα, οι συντελεστ ες ασυµµετρ ιας για την Ö και την Ì ) αλλ αζουν απ ο ¼ και ¼ ¼¾ σε ¼ ½ και ¼, αντ ιστοιχα, αν η καταχ ωρηση για ενα σ υρµα µε Ì ¾ ½ ½ g ( Ö ¾½¼ Hz) αφαιρεθε ι. 3 Μ ια ικαν η και αµερ οληπτη εκτιµ ητρια του συντελεστ η ασυµµετρ ιας (λοξ οτητα, skewness) για ενα δε ιγµα µεγ εθους Ò µ ιας µετα λητ ης Ü ε ιναι η ποσ οτητα: ½ Ò Ò ½µ Ò ¾µ Ò ½ Ü Üµ οπου ¾ ¾ ½ Ò ½ Ò ½ Ü Üµ ¾ Μ ια θετικ ητιµ η της ½ σηµα ινει οτι η κατανοµ ηεκτε ινεται ( εχει tail ) προς τα δεξι α της µ εσης τιµ ης, εν ωµ ια αρνητικ ηδε ιχνει το αντ ιθετο.

84 64 Μελ ετη της αντοχ ης του σ υρµατος αν οδου του TRT Αζιµουθιακ η κατανοµ η τηςτ ασης Καθ ως η µον αδα 4-επιπ εδων, µεταξ υ αλλων µετρ ησεων, υπο λ ηθηκε και σε εναν ελεγχο παραµ ορφωσης το καλοκα ιρι του 1999, ε ιναι ενδιαφ ερον να µελετηθε ιηκατανοµ η ως προς της τ ασης των συρµ ατων. Πιο συγκεκριµ ενα, ο εξωτερικ ος δακτ υλιος του τροχο υ παρα- µορφ ωθηκε προσωριν α στο επ ιπεδο-ö, µετα αλλοντας την απ οσταση µεταξ υ εσωτερικο υ και εξωτερικο υδακτυλ ιου. Για αυτ οτοσκοπ ο, υπολογ ιστηκε η µ εση τιµ ητηςτ ασης, οπως µετρ ηθηκε τη δε υτερη φορ α, για τα σ υρµατα τρι ων συνεχ οµενων κελι ων ( σ υρµατα). Αυτ ες οι τιµ ες για ολες τις τρι αδες κελι ων του τροχο υ απεικον ιζονται συναρτ ησει του α υξοντα αριθµο υ κελιο υ (δηλ. της γων ιας ) στο Σχ Στο ιδιο σχ ηµα, παρουσι αζονται επ ισης οι αντ ιστοιχες τιµ ες για τη διαφορ ατ ασης αν αµεσα στις δ υο µετρ ησεις. Οι κατακ ορυφες γραµµ ες αντιπροσωπε υουν τις εκτιµ ωµενες τυπικ ες αποκλ ισεις αυτ ων των δειγµ ατων. 75 Oct-99: φ-distribution of mean value per 3 cells 4 Oct-99 - Nov-98: φ-distribution of mean value per 3 cells Wire tension (g) Wire tension difference (g) Cell # Cell # Σχ ηµα 4.14: Μ εση τιµ η τηςτ ασης κατ α τηδε υτερη µ ετρηση για σ υρµατα απ ο τρ ια κελι α συναρτ ησει του αριθµο υ του κελιο υ (αριστερ α). Μ εση τιµ η της διαφορ ας τ ασης µεταξ υτων δ υο µετρ ησεων για σ υρµατα απ ο τρ ια κελι α συναρτ ησει του αριθµο υ του κελιο υ (δεξι α). Οι κατακ ορυφες γραµµ ες συµ ολ ιζουν τις τιµ ες του για τα αντ ιστοιχα δε ιγµατα. Η µετα ολ ητηςτ ασης των συρµ ατων κατ ατηγων ια δεν ε ιναι σηµαντικ η, ε αν ληφθε ι υπ οψιν η διασπορ α των κατανοµ ων. Το ιδιο ισχ υει για τη διαφορ α τ ασης πριν και µετ α την παραµ ορφωση του προτ υπου. Καιοιδ υο παρατηρ ησεις υποδεικν υουν οτι η τ αση των συρµ ατων ε ιναι οµοι οµορφη κατ α την αζιµουθιακ ηδιε υθυνση του τροχο υκαι οτι η στ ηριξη των συρµ ατων δεν εχει υποστε ι βλ α η κατ α την παραµ ορφωση της µον αδας Συµπερ ασµατα Ητ αση των συρµ ατων της µον αδας 4-επιπ εδων του TRT µετρ ηθηκε δ υο φορ ες την πρ ωτη φορ α, αµ εσως µετ α την κατασκευ ηκαι, περ ιπου 11 µ ηνες αργ οτερα, χρησιµοποι ωντας δ υο διαφορετικ ες διατ αξεις. Ησ υγκριση των εξαγοµ ενων των δ υο µετρ ησεων οδηγε ι στα επ ο- µενα συµπερ ασµατα:

85 4.2 Μελ ετη της µακροπρ οθεσµης αντοχ ης του σ υρµατος 65 Á Καιοιδ υο µετρ ησεις εδειξαν οτι η τ αση των συρµ ατων ε ιναι εντ ος προδιαγραφ ων εκτ ος απ ο µεµονωµ ενες περιπτ ωσεις (Ì ¼ g). Á εν παρατηρ ηθηκε συστηµατικ η πτ ωση της τ ασης των συρµ ατων µετ ααπ ο περ ιπου ενα χρ ονο, οπως εξ αγεται απ ο τηµ εση τιµ η της διαφορ ας τ ασης: Ì ¼ ¼¼ ¼ ¼ µ g και απ ο τη διασπορ α της Ì, ½ g, ηοπο ια ε ιναι η αναµεν οµενη µε δεδοµ ενη την ακρ ι εια των µετρ ησεων. Á Η προηγο υµενη δ ηλωση επι ε αι ωνεται απ ο τη συµµετρ ια της κατανοµ ης της Ì ως προς τον κατακ ορυφο αξονα, ηοπο ια υποδεικν υει οτι το ποσοστ ο των συρµ ατων µε πιθαν ηµε ιωση της τ ασης δεν ε ιναι σηµαντικ ο. Á Οι χ αλκινοι σωλ ηνες στ ηριξης των συρµ ατων (crimping tubes) καθ ως και η αντ ιστοιχη διαδικασ ια µπορο υν να χρησιµοποιηθο υν αξι οπιστα κατ α την µαζικ η παραγωγ ητων ακρα ιων τροχ ων του TRT. Οσον αφορ α στις συσκευ ες και τις µετρητικ ες διαδικασ ιες που ακολουθ ηθηκαν για αυτ ες τις µετρ ησεις, τα εξ ης σχ ολια µπορο υν να γ ινουν: º Η τεχνικ η στηνοπο ια βασ ιστηκε ο προσδιορισµ ος της τ ασης των συρµ ατων µηχανικ η δι εγερση των συρµ ατων σε ακουστικ ες συχν οτητες απουσ ια µαγνητικο υ πεδ ιου ε ιναι αξι οπιστη και αποδοτικ η για τους σωλην ισκους του TRT. º Η Συσκευ ητ ασης Σ υρµατος Σωλην ισκων (SWTI) και το συνοδευτικ ο λογισµικ ο (Πρ ογραµµα Μ ετρησης της Τ ασης του Σ υρµατος, WTMP) παρ εχουν µ ια πλ ηρως αυτοµατοποιηµ ενη διαδικασ ια για ταυτ οχρονη µ ετρηση της τ ασης 32 συρµ ατων µε ακρ ι εια 1%. Συνεπ ως, µπορο υν να χρησιµοποιηθο υν αποδοτικ α γιατον ελεγχο ποι οτητας των ακρα ιων τµηµ ατων του ATLAS TRT. º Ηδιαδικασ ια µπορε ι να βελτιστοποιηθε ι ωστε να µην προκ υπτουν συντονισµο ιεκτ ος του δυναµικο υε υρους του ADC. Αυτ ο µπορε ι να επιτευχθε ι µεδ υο τρ οπους: ε ιτε ε- πεκτε ινοντας το δυναµικ οε υρος του ADC, ε ιτε τροποποι ωντας τη δι αταξη δι εγερσης των συρµ ατων, ωστε το πλ ατος των συντονισµ ων να ε ιναι το ιδιο για ολατασ υρµατα. Μ ια αλλη παρατ ηρηση που εγινε κατ ατηδι αρκεια αυτ ης της µελ ετης ε ιναι οτι τα πλ εγ- µατα κ ο ονται σχετικ αε υκολα στο σηµε ιο οπου το φ υλλο Kapton και τα ιχνη του σ ηµατος κ αµπτονται. Ο τελικ ος σχεδιασµ ος των ενεργητικ ων πλεγµ ατων οφε ιλει λοιπ ον να διασφαλ ιζει τη µηχανικ ηαντοχ η τους. Πρ αγµατι, τα πλ εγµατα που χρησιµοποι ηθηκαν για τη δε υτερη µον αδα 4-επιπ εδων εµφαν ιζουν σηµαντικ ηβελτ ιωση ως προς το σηµε ιο αυτ ο.

86 66 Μελ ετη της αντοχ ης του σ υρµατος αν οδου του TRT

87 Κεφ αλαιο 5 Κυρτ οτητα των σωλην ισκων εν ος τροχο υ του TRT Σε αυτ οτοκεφ αλαιο παρουσι αζονται τα αποτελ εσµατα και η ερµηνε ια των µετρ ησεων εκκεντρ οτητας που εγιναν στους σωλην ισκους του πρ ωτου ακρα ιου τροχο υ 4-επιπ εδων του ATLAS TRT. Ηεργασ ια αυτ η περιγρ αφεται λεπτοµερ εστερα στην παραποµπ η [53]. 5.1 Εισαγωγ η Ηακρι ης τοποθ ετηση του σ υρµατος µ εσα στους σωλην ισκους, καθ ως και η ευθ υτητα των ιδιων των σωλην ισκων, ε ιναι οι αυστηρ οτερες προδιαγραφ ες οι οπο ιες επι αλλονται απ ο την αν αγκη για σταθερ η και αξι οπιστη λειτουργ ια του ATLAS TRT στον LHC. Πιο συγκεκριµ ενα, εχει αποδειχθε ι οτι η σταθερ η λειτουργ ια των σωλην ισκων σε ολοτοε υρος εν ισχυσης αερ ιου ε ιναι εφικτ η, υπ ο την προ π οθεση οτι η µετατ οπιση του σ υρµατος (wire offset) θα ε ιναι µικρ οτερη των ¼¼ Ñ ([23] τ. II, σελ. 623). Πριν την εγκατ ασταση των σωλην ισκων στους υπ ο κατασκευ η τροχο υς, ελ εγχονται δ υο φορ ες ως προς την ευθ υτητ α τους µε δ υο διαφορετικ ες συσκευ ες [54]. Μ ονον οσοι σωλην ισκοι πληρο υν την προδιαγραφ ες εγκαθ ιστανται. Μολατα υτα, κατ α τη συγκ ολληση των σωλην ισκων στους δακτυλ ιους και τις υπ ολοιπες διαδικασ ιεςστιςοπο ιες υπ οκεινται, ε ιναι πολ υπιθαν ον να παραµορφωθο υν µ ονιµα, επι αρ υνοντας την απ οδοση του ανιχνευτ η. Για αυτ οτολ ογο, ε ιναι απαρα ιτητος ο συστηµατικ ος ελεγχος των τροχ ων και ως προς αυτ ην την παρ αµετρο κατ α την κατασκευ η τους. Ηευθ υτητα των σωλην ισκων µπορε ι να καθοριστε ι µ εσω του προσδιορισµο υ τηςεκκεντρ οτητας 1. Η τελευτα ια οφε ιλεται σε δ υο παρ αγοντες: η τοσ υρµα µ εσα στο σωλην ισκο δεν ε ιναι σωστ α ευθυγραµµισµ ενο στους οδηγο υς, ητοτο ιχωµα του σωλην ισκου ε ιναι κυρτ ο. Και στις δ υο περιπτ ωσεις, το ηλεκτρικ ο πεδ ιο στο οπο ιο εκτ ιθενται τα ηλεκτρ ονια καθ ως ολισθα ινουν προς την ανοδο ε ιναι παραµορφωµ ενο, επηρε αζοντας την εν ισχυση αερ ιου και την διακριτικ η ικαν οτητα του θαλ αµου. Αυτ α ταφαιν οµενα εχουν µελετηθε ι 1 Αν και ο ορος εκκεντρ οτητα ουσιαστικ αταυτ ιζεται µε τη µετατ οπιση του σ υρµατος, εδ ω χρησιµοποιε ιται για να χαρακτηρ ισει τη µετα ολ η στην εν ισχυση αερ ιου. 67

88 68 Κυρτ οτητα των σωλην ισκων εν ος τροχο υ του TRT στην παραποµπ η [55], οπου παρεκκλ ισεις απ ο την κυλινδρικ η συµµετρ ια του ηλεκτρικο υ πεδ ιου µ εσα στο σωλην ισκο εχουν προσοµοιωθε ι λεπτοµερ ως. Ησ υγκριση αυτ ων των προτ υπων µε σχετικ ες µετρ ησεις βο ηθησε στην καταν οηση της επ ιδρασης της µετατ οπισης του σ υρµατος στον πολλαπλασιασµ ο τουσ ηµατος και στη διακριτικ η ικαν οτητα ως προς την εν εργεια. Στη µελ ετη που ακολουθε ι, πραγµατοποιο υνται παρ οµοιες µετρ ησεις σε µεγ αλη κλ ι- µακα για τους 3 72 σωλην ισκους του πρ ωτου τροχο υ 4-επιπ εδων (βλ ). Σκοπ ος ε ιναι η αναγν ωριση και αποµ ονωση διαφ ορων πηγ ων µετα ολ ης της εν ισχυσης αερ ιου (gas gain variation), οι οπο ιες πιθαν ως να προκ υψουν κατ α τις κανονικ ες συνθ ηκες λειτουργ ιας του TRT. Στην εµπειρ ια που αποκτ ηθηκε κατ ατηδιαδικασ ια αυτ ηβασ ιστηκε ο σχεδιασµ ος και η τελειοπο ιηση του Σταθµο υ οκιµ ης Τροχ ων (Wheel Test Station, WTS) [48]. Αυτ η ησυσκευ η (Σχ.4.4)θα χρησιµοποιηθε ι για τον ποιοτικ ο ελεγχο ολων των ακρα ιων τροχ ων του TRT κατ α τηφ αση παραγωγ ης. Εκτ ος απ ο αυτ α ταζητ ηµατα, απ ο τηµετρο υµενη εκκεντρ οτητα υπολογ ιζεται η µετατ οπιση του σ υρµατος για το πλ ηρες στατιστικ οδε ιγµα (3 72 σωλην ισκοι) που παρ εχει η µον αδα. 5.2 Πειραµατικ η δι αταξη και µ εθοδος µ ετρησης Πειραµατικ η δι αταξη υο ραδιενεργ ες πηγ ες ενεργ οτητας 185 MBq χρησιµοποι ηθηκαν για την ακτινο οληση των σωλην ισκων µε ακτ ινες-χ εν εργειας 5.9 kev. Οι πηγ ες ε ιναι προσαρµοσµ ενες σε ενα πλα ισιο απ ο polycarbonate και ακτινο ολο υν τους σωλην ισκους κ αθετα προς τον αξον α τους, µ εσω οπ ης διαµ ετρου 4 mm (Σχ. 5.1). Για κ αθε σωλην ισκο, καταγρ αφεται το πλ ατος του σ ηµατος (signal amplitude) σε τρεις διαφορετικ ες θ εσεις 2 της πηγ ης: στα Ä ½ ½ mm (εσωτερικ η), Ä ¾ ½ ¼ mm (κ εντρο) και Ä ½ mm (εξωτερικ η). Οι α- κρα ιες θ εσεις, Ä ½ και Ä, απ εχουν απ ο ταβ υσµατα στα ακρα των σωλην ισκων οση απ οσταση απαιτε ιται ωστε το ηλεκτρικ ο πεδ ιο να µην επηρε αζεται απ ο αυτ α [56]. Οι πηγ ες µετακινο υνται εν συνεχε ια σε ολο τον τροχ ο, ωστε να καλυφθο υν ολοι οι 3 72 σωλην ισκοι. Movable Block Fixed 111 Straw 55 Fe Anode wire Readout Fixed HV Σχ ηµα 5.1: Εγκ αρσια κ ατοψη της πειραµατικ ης δι αταξης για τη µ ετρηση της µετατ οπισης του σ υρµατος στην πρ ωτη µον αδα 4-επιπ εδων. 2 Οι αποστ ασεις Ä µετρ ωνται ως προς την εξωτερικ η επιφ ανεια του εσωτερικο υ δακτυλ ιου.

89 5.2 Πειραµατικ η δι αταξη και µ εθοδος µ ετρησης 69 Μ ια σχηµατικ ηδι αταξη του υπ οεξ εταση προτ υπου απεικον ιζεται στο Σχ.5.2. Σε αυτ η τη σειρ α µετρ ησεων, ο τροχ ος ε ιναι τοποθετηµ ενος οριζ οντια π ανω σε µεταλλικ α στηρ ιγ- µατα στα κελι α 5A-5, 3C-4, 2B-1, 7B-6, 6B-4 και 5C-2 3. Στο Σχ. 5.2φα ινεται επ ισης το σ υστηµα τροφοδοσ ιας του αερ ιου που χρησιµοποι ηθηκε. Το α εριο, ¼% Ö ¼% Ç ¾, εισ αγεται στον τροχ οµ εσω π εντε βαλ ιδων τοποθετηµ ενων στην εξωτερικ ηδι αµετρο (κελι α 2A-5, 7A-5, 6B-5, 3C-5, 4D-5), και ρ εει προς τα εξω µ εσω τεσσ αρων βαλ ιδων απ ο τηνεσωτερικ ηδι αµετρο του τροχο υ. Gas in 5C 4C 3A 6B 5B 5A 4D 3D Gas out 6C 7A 7B 2A Σχ ηµα 5.2: Σ υστηµα τροφοδοσ ιας του τροχο υ 4-επιπ εδων µε α εριο. Οι βαλ ιδες εισ οδου βρ ισκονται στα κελι α 2A-5, 7A-5, 6B-5, 3C-5 και 4D-5. Τα στηρ ιγµατα βρ ισκονται κ ατω απ οτακελι α 5A-5, 3C-4, 2B-1, 7B-6, 6B-4 και 5C-2. φ 3C 3B 2D 2B Cell number Cell # Κ αθε ενα απ οτα96 κελι α (το καθ ενα περιλαµ ανει 32 σωλην ισκους) δια αζεται µ εσω µιας ηλεκτρονικ ης κ αρτας εξοπλισµ ενης µε δ υο GASSIPLEX chips. Μ ονο δ υο καν αλια δια- αζονται ταυτ οχρονα εναµεκ αθε chip. Τα σ ηµατα διοχετε υονται σε µ ια µον αδα CAMAC, τη µον αδα CROSS, οπου διαζε υγνυνται λογικ αγιαναδ ωσουν τη σκανδ αλη. Περισσ οτερα για το σ υστηµα καταγραφ ης δεδοµ ενων δ ινονται στην παραποµπ η [48] Περιγραφ η της µεθ οδου Εκκεντρ οτητα του σωλην ισκου Σε κ αθε σηµε ιο µ ετρησης, το πλ ατος του σ ηµατος προσδιορ ιζεται απ ο τηθ εση της κ υριας κορυφ ης του φ ασµατος της πηγ ης. Και οι δ υο κορυφ ες διαφυγ ης (2.7 kev) και κ υρια (5.9 kev) µπορο υν να χρησιµοποιηθο υν στον καθορισµ ο της ενεργειακ ης κλ ιµακας (µετατροπ η των καναλι ων του ADC σε kev) για κ αθε σωλην ισκο. Ενα τυπικ ο φ ασµα, οπως αυτ ο λαµ ανεται απ ο τοπρ ογραµµα καταγραφ ης, φα ινεται στο Σχ Ενα κατ ω- 3 Τα κελι α (cells) αριθµο υνται αν αλογα µε τον κωδικ ο του πλ εγµατος (web), π.χ. 5A, και τον αριθµ ο του κελιο υ στο πλ εγµα (1 6).

90 7 Κυρτ οτητα των σωλην ισκων εν ος τροχο υ του TRT φλι ισο µε 4 Ô Ø Ð Ô Ø Ð εχει τεθε ι, ωστε να αφαιρε ιται ο θ ορυ ος των ηλεκτρονικ ων. Ηπρ ωτη κορυφ η αντιστοιχε ι στην κορυφ η διαφυγ ης, εν ω ηκ υρια κορυφ η χρησι- µοποιε ιται για τον προσδιορισµ ο τουπλ ατους του σ ηµατος. Η σχετικ η θ εση των δ υο κορυφ ων επιτρ επει τη βαθµον οµηση των δεδοµ ενων χρησιµοποι ωντας την απ οσταση µεταξ υ των δ υο κορυφ ων: 5.9keV 2.7 kev. Το φ ασµα που λαµ ανεται απ ο κ αθε µ ετρηση προσαρµ οζεται µε το αθροισµα δ υο κατανοµ ων Gauss, καθορ ιζοντας τον αριθµ ο των γεγον οτων, τη θ εση και την τυπικ ηαπ οκλιση κ αθε κορυφ ης. Σχ ηµα 5.3: Φ ασµα µετ α τηναφα ιρεση του pedestal για ενα σηµε ιο κατ α µ ηκος του σωλην ισκου. Εχει εφαρµοστε ι προσαρµογ η µεδ υο κατανοµ ες Gauss (µ ια για κ αθε κορυφ η). Οι µετρ ησεις γ ινονται για δι αφορες θ εσεις της πηγ ης κατ α µ ηκος του σωλην ισκου και υπολογ ιζεται η µ εση τιµ η, Ú. Σε κ αθε σηµε ιο µ ετρησης, µ ια τιµ η µεγαλ υτερη της µ εσης τιµ ης συνδ εεται µε τη µετατ οπιση του σ υρµατος. Ηευθ υτητα των σωλην ισκων µπορε ιεπο- µ ενως να καθοριστε ι απ ο την«εκκεντρ οτητα» η «µετα ολ η τηςεν ισχυσης αερ ιου» Æ. Αυτ η η παρ αµετρος ορ ιζεται ως η µ εγιστη µετα ολ η στηνεν ισχυσης αερ ιου που παρατηρε ιται κατ α µ ηκος του σωλην ισκου, Æ Ñ Ü Ñ Ò Ú (5.1) οπου Ñ Ü Ñ Ò µ ε ιναι η µ εγιστη (ελ αχιστη) µετα ολ ητηςεν ισχυσης αερ ιου που καταγρ αφεται κατ α µ ηκος του σωλην ισκου. Στο Σχ. 5.4φα ινονται τα φ ασµατα που λαµ ανονται στο κ εντρο του σωλην ισκου για δι αφορες τιµ ες της Æ : ½ ¼%, ¾ % και ½%. Προσοµοι ωθηκαν χρησιµοποι ωντας πειραµατικ ο προσδιορισµ ο των θ εσεων, των διασπορ ων και των µεγεθ ων των δειγµ ατων απ ο πειραµατικ α δεδοµ ενα. Τ οσο κατ α την προσαρµογ η, οσο και κατ α την προσοµο ιωση της κ υριας κορυφ ης, χρησιµοποι ηθηκε υπ ερθεση δ υο κατανοµ ων Gauss, οπως προτε ινεται στην παραποµπ η [55]. Ε ιναι φανερ ο οτι οσο αυξ ανεται η παρ αµετρος Æ, τ οσο η κορυφ ηµετακινε ιται σε υψηλ οτερα πλ ατη και γ ινεται ευρ υτερη και ασ υµµετρη. Το τελευτα ιο σηµε ιο θα εξεταστε ι αναλυτικ αστηνπαρ Ηακρ ι εια µ ετρησης του πλ ατους σ ηµατος ε ιναι περ ιπου.1%, το οπο ιο αντιστοιχε ισε ενα σφ αλµα.2% στον προσδιορισµ ο της εκκεντρ οτητας. 4 Pedestal ε ιναι το καν αλι του ADC που αντιστοιχε ι σε µηδενικ ο σ ηµα εισ οδου.