Upgrade do calorímetro frontal do CMS/LHC

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1 Upgrade do calorímetro frontal do CMS/LHC Unidade: Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) Coordenador: Gilvan Augusto Alves I Introdução II Descrição da área de pesquisa em Física de Altas Energias III Descrição do projeto de upgrade do experimento CMS III.1 Upgrade do sistema de calorímetros hadrônicos do CMS III.2 Projeto HPS High Precision Spectrometer IV Objetivos do projeto V Cronograma de execução VI Orçamento e justificativa VII Pessoal envolvido Apêndice A: Breve descrição do Detector CMS com ênfase nos projetos de atuação do grupo de pesquisa.

2 RESUMO Apresentamos um projeto de pesquisa em física experimental de altas energias para desenvolvimento junto ao experimento CMS no LHC. O grupo do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), juntamente com os grupos da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) e do Centro Federal de Educação Tecnológica (CEFET/RJ), participam atualmente do projeto de upgrade da eletrônica de front-end do calorímetro hadrônico (HCAL) do CMS e do projeto de instalação de um espectrômetro de prótons (HPS) os quais serão de grande importância para as medições na área de física frontal a partir dos dados coletados no experimento. O projeto é estimado por três anos: o primeiro ano será dedicado ao desenvolvimento e teste de protótipos de placas eletrônicas do HCAL e ao estudo do desempenho dos detectores de trajetória do HPS; o segundo ano a serviços no desenvolvimento e confecção das placas eletrônicas definitivas do HCAL, além do desenvolvimento do software de simulação para o HPS; durante o terceiro ano planejase que será instalada a nova instrumentação do HCAL e as primeiras estações do HPS no experimento CMS no CERN. Durante o terceiro ano são esperadas diversas publucações sobre a performance dos sub-detectores desenvolvidos, além de análises de dados sobre processos físicos em física frontal. I Introdução O grupo de Física Experimental de Altas Energias do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) faz parte da colaboração internacional CMS (Compact Muon Solenoid)[1], que construiu e opera o detector CMS no acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider)[2], do Centro Europeu de Física de Partículas (CERN). A colaboração CMS é atualmente formada por cerca de físicos de 150 instituições, provenientes de 50 países diferentes. O LHC é o mais avançado acelerador de partículas existente, colidindo feixes de prótons a energias nunca antes alcançadas. O experimento CMS está em funcionamento desde o início de operação do LHC, no final do ano Entre os projetos do experimento CMS nos quais o grupo está envolvido estão: - Desenvolvimento da eletrônica para o upgrade do sistema de calorímetros hadrônicos do CMS (HCAL); - Desenvolvimento de um Espectrômetro de prótons de alta precisão (HPS High Precision Spectrometer). 2

3 Um projeto de pesquisa, tendo como finalidade o suporte à essas atividades, foi aprovado recentemente dentro do Edital Pensa Rio da FAPERJ (Edital 019/2011), em colaboração com pesquisadores do CEFET e da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). A colaboração do CMS no Rio de Janeiro (CMS-Rio) incluindo CBPF, CEFET e UERJ é formada por 15 pesquisadores e 5 estudantes atualmente em doutoramento. II Física frontal (forward) no experimento CMS A Física frontal e de baixo-x (forward and small-x) tem despertado contínuo interesse nos últimos anos, devido aos estudo detalhados realizados nos experimentos do HERA e do TEVATRON. A medida do fluxo de partículas a baixo ângulo polar é também crucial para a análise de raios cósmicos de altíssima energia, como por exemplo os estudados no experimento Pierre Auger [3]. O experimento CMS oferece oportunidades excelentes para o estudo de física frontal. Além da cobertura do detector central (pseudo-rapidez 1 η < 5,0), possui detectores específicos para estudos dessa região física como os calorímetros HF, CASTOR e ZDC (Zero Degree Calorimeter). Espera-se instalar ainda um sub-detector adicional, chamado HPS (High Precision Spectrometer). Este detector permitiria a identificação e medição de prótons a ângulos muito baixos de espalhamento. Tais sinais são característicos de processos difrativos, ou daqueles chamados de produção central exclusiva, os quais tem despertado interesse especialmente no LHC quando associados à produção do bóson de Higgs ou novas partículas. Uma discussão sobre este tipo de processo e as vantagens de um sistema de detectores como o HPS é feita na Seção III.2. O programa de Física frontal e baixo-x (Forward and Small-x) no CMS inclui medições do fluxo de energia e partículas a altos valores de pseudo-rapidez em processos de escalas a baixo e alto p T, quando associados a jatos ou bósons W/Z [14,15]; medições de processos exclusivos em iterações mediadas por glúons ou fótons [16]; medição da produção de jatos a alto valor de pseudo-rapidez e correlações com jatos centrais [17]; entre outros. Este programa de Física será diretamente beneficiado pelos projetos de upgrade dos 1 A pseudo-rapidez é definida em função do ângulo polar como = - ln(tan( 3

4 sistemas de detectores do experimento CMS, que discutiremos a seguir. III Projetos de upgrade do experimento CMS III.1 Upgrade do sistema de calorímetros hadrônicos do CMS Na fase do upgrade dos detectores que compõe o CMS, a colaboração CMS-Rio tem o compromisso de financiar parte do trabalho e material, em termos de recursos seja em hardware (eletrônica, mecânica) como com trabalho intelectual em geral (desenvolvimento de procedimentos, testes, etc.). O grupo atualmente está engajado no upgrade do sistema de calorímetros hadrônicos do CMS, o HCAL[4], e em especial com um de seus componentes, o calorímetro hadrônico frontal, ou HF. No Apêndice A é feita uma descrição do sistema de calorímetros HCAL e seus componentes. As melhorias propostas para o HCAL são principalmente ligadas à eletrônica de transmissão de sinal e à aquisição de dados. Para isto é importante redesenhar as placas de aquisição de dados e sobretudo redefinir toda a lógica de processamento de sinais e transmissão de dados para o sistema de trigger. Em seguida fazemos uma breve descrição das placas e da eletrônica de Front-End com a qual trabalharemos. A eletrônica de Front-End (EFE) é o primeiro estágio de tratamento dos sinais dos elementos detectores, que no caso do HF são fotomultiplicadoras multianôdo (MAPMT). Sua função é digitalizar a carga elétrica dos sinais, registrar seu tempo de chegada e enviá-los à eletrônica de Back-End. Para o upgrade, essa eletrônica está sendo redesenhada de forma a se adequar à nova configuração de alto fluxo de dados decorrente do aumento programado de energia e luminosidade do LHC. Além disso a informação da medição do tempo do sinal detectado, que atualmente não existe, deverá ser incorporada permitindo a melhora da performance na identificação das partículas incidentes. A EFE será composta basicamente por 3 chips: o QIE (Charge Integrating and Encoding Chip), que encarrega-se de digitalizar a carga elétrica do sinal da MAPMT; uma FPGA (Field Programmable Gate Array), que implementa algumas funções de controle do QIE, além de fazer a checagem de erro e formatar os dados de tempo para o 4

5 link digital; o GBT (Gigabit Transceiver), que é um chip para a formação do link. O GBT está em fase de desenvolvimento por um grupo do CERN. O projeto e fabricação da placa de circuito impresso, PCB (Printed Circuit Board), que acomodará esses três chips e outros componentes periféricos é um dos trabalhos críticos do projeto. Dado o alto número de interconexões entre os chips, a PCB deverá conter entre 10 e 16 camadas. Além disso, dado que essa eletrônica será instalada próximo aos detectores a PCB deve ser concebida levando-se em conta a alta dose de radiação à qual será submetida. O processo de testes das placas, com e sem os componentes eletrônicos montados, deverá também ser desenvolvido. Atualmente a EFE instalada no HCAL é responsável pela leitura de dados de 3 regiões: o HCAL-Barrel (HB), o HCAL-EndCap (HE) e o HCAL-Outer (HO) (ver apêndice). Existe uma versão modificada da EFE do HCAL que é utilizada para ler dados em mais três sub-detectores: o HCAL Frontal (HF) e os calorímetros CASTOR e ZDC. Estes sub-detectores trabalham com uma combinação de tecnologias de fotosensores, por exemplo os sub-detectores HB, HE e HO, que foram construídos com fotodetectores híbridos, serão atualizados para funcionar com fotomultiplicadoras de silício (SiPM); os outros detectores restantes que utilizam tubos fotomultiplicadores também serão atualizados. Os foto-sensores geram pulsos eletrônicos de alta velocidade que são atualmente digitalizados a 40 MHz por um dispositivo ASIC de conversão analógico-digital (ADC) de carga integrada chamado QIE8. As saídas digitais do ASIC QIE8 são agrupadas de três em três e transmitidas serialmente por fibras ópticas para a sala de contagem do experimento. A atualização da EFE apresentará três grandes melhorias no processamento dos sinais dos detectores: a primeira melhoria é o aumento no número de canais para permitir uma segmentação longitudinal do detector e possibilitar a leitura redundante dos dados. No caso do detector HB, o número de canais aumenta de 72 para 256 mantendo-se o módulo de leitura (readout box) existente. A segunda melhoria é a definição das temporizações (timing), necessárias para a rejeição de sinais espúrios de fundo e uma melhor caracterização dos sinais de interesse. Esta melhoria será alcançada com a utilização de um Conversor Tempo-Digital (TDC) que terá uma resolução de 2 ns, contra os 25ns da resolução existente. A terceira melhoria é o aumento no número de bits que serão utilizados na integração de carga do ADC. 5

6 III.2 Projeto HPS High Precision Spectrometer O projeto HPS (High Precision Spectrometer) tem como objetivo desenvolver e instalar um sistema de sub-detectores integrado ao CMS, para medir prótons espalhados a baixos ângulos provenientes de interações próton-próton e próton-núcleo no LHC. Os processos de interesse são aqueles do tipo pp p + X + p, onde os prótons provenientes da interação se mantêm intactos e estão separados do sistema central X por uma região em espaço de rapidez caracterizada pela ausência de atividade hadrônica (denominado um gap de rapidez). Tais processos são chamados de Produção Central Exclusiva (Central Exclusive Production - CEP). A medição das propriedades dos dois prótons são utilizadas na determinação da massa do sistema central X, com alta resolução da ordem de 2 GeV. Como a determinação da massa do sistema central X é feita a partir da detecção dos prótons, esse método pode ser utilizado inclusive para sistemas cujo estado final é composto de jatos ou neutrinos, que são em geral difíceis por métodos tradicionais. Processos de produção central exclusiva onde o sistema central consiste de objetos previstos em extensões ao Modelo Padrão, ou o bóson de Higgs (pp p + H + p), tem sido objeto de estudos recentes [5,6,7,8]. Além da possibilidade de medição da massa do sistema central com alta resolução, esse tipo de processo é caracterizado pela produção, em boa aproximação, de sistemas do tipo J PC = 0 ++, permitindo portanto a determinação dos números quânticos e particularmente do spin de qualquer nova partícula ou ressonância, bastando ela ser observada com esse método. O sistema de detectores proposto no projeto HPS é composto de estações localizadas a uma distância de +/- 240 m e, em uma etapa posterior, +/- 420 m do ponto de interação do CMS. Cada estação consiste de um sistema de medição de trajetórias de tiras ou pixels de silício, e um conjunto de detectores de radiação Cherenkov para a medição do tempo de passagem de partículas atravessando o detector. O conjunto de detectores funciona como um espectrômetro, utilizando os magnetos do LHC entre o ponto de interação do CMS e as estações instaladas ao longo do acelerador que desviam prótons que tenham perdido apenas uma pequena fração de seu momento longitudinal na colisão próton-próton (e analogamente próton-núcleo). Os detectores devem ser movidos próximos ao feixe durante operação, quando a localização transversal deste é conhecida. Durante o processo de injeção e ajuste do feixe, os detectores devem estar no 6

7 entanto afastados. A técnica proposta consiste na instalação de um setor móvel do tubo do feixe, com os detectores integrados. Os detectores são separados por uma janela fina do interior do tubo mantido a alto vácuo. O controle de uma seção móvel do tubo do feixe deste tipo é similar ao sistema de colimação existente para o LHC. O projeto HPS é a evolução do projeto FP420, desenvolvido de forma conjunta entre as colaborações CMS e ATLAS, que estudou a possibilidade de instalar espectrômetros de prótons, compostos por detectores de silício, para medida de posição, e detectores para medição de tempo com alta precisão localizados a +/- 420 m do ponto de interação. Os resultados obtidos pela colaboração FP420 estão detalhados em [9]. A proposta do projeto HPS inclui além das estações a +/- 420 m, estações adicionais a +/- 240 m, como mencionado acima. A instalação do projeto HPS é proposta em uma primeira etapa a +/- 240 m, com duas estações a cada lado do ponto de interação do CMS, durante o período quando o acelerador não estará em funcionamento, e em uma segunda etapa com a instalação de duas estações em cada lado do ponto de interação a +/- 420 m, complementando aquelas a +/- 240 m. A instalação das estações a +/- 420 m pode ser feita durante um período em que o acelerador não esteja em funcionamento por um período de pelo menos 3 meses, a partir de 2015 ou As principais características do sistema de detectores proposto são: I) Detectores de trajetória (tracking) : Os magnetos do LHC entre o ponto interação e as regiões a +/-240 e +/-420 m desviam os prótons que perderam uma pequena fração de seu momento inicial. Detectores de trajetória devem portanto ser instalados próximos à linha do feixe. A medição em alguns pontos sucessivos (em uma distância de cerca de 10 m) da posição e o ângulo dos prótons relativamente ao feixe permite a determinação da sua fração de momento perdido e momento transverso. Em processos centrais exclusivos a fração de momento perdido por ambos os prótons está diretamente relacionada à massa do sistema central, independentemente de seu estado final. Para se obter uma resolução em massa de 2 GeV, uma precisão de 10 μm na medição da posição e 1 μrad na determinação do ângulo do próton, são necessárias. Para aumentar a cobertura para prótons com pequena fração de momento perdido, os detectores devem operar a distâncias de poucos mm da linha do feixe. É portanto importante que a sua área sensível se estenda o 7

8 máximo possível à borda do detector. Estes também devem ser resistentes à níveis de radiação elevados. II) Seção móvel do tubo do feixe : Os detectores devem ser movidos próximos à linha do feixe durante operação, no entanto apenas quando o feixe está em condição estável e sua posição é bem conhecida pelo sistema de monitoramento do acelerador. Em qualquer outro momento e em especial durante a injeção dos feixes eles devem ser colocados a uma distância de segurança. Devido a limitações de espaço, em particular a 420 m do ponto de interação, a solução adotada é a de seções móveis do tudo do feixe, com os detectores integrados. O sistema de controle dessas seções do tubo do feixe são praticamente idênticos àqueles utilizados pelo sistema de colimação do LHC. III) Detectores de medida de tempo e determinação do vértice de interação : Os detectores devem operar a uma luminosidade da ordem de cm -2 s -1, com 20 a 40 interações por cruzamento do feixe (colisões extras de pile-up). Eventos de pile-up que produzam prótons espalhados a baixos ângulos, e que aconteçam simultaneamente a um evento central podem ser confundidos com eventos de produção central exclusiva. A determinação da diferença do tempo de passagem dos prótons de cada lado do ponto de interação nas estações a 240 ou 420 m com resolução da ordem de 10 ps permite associar os prótons ao vértice de interação central com precisão de 2 mm. Dessa forma a contribuição de eventos de pile-up pode ser reduzida a um nível consideravelmente mais baixo. Técnicas de análise levando em consideração a correlação entre as propriedades medidas dos prótons e do sistema central podem reduzir ainda mais essa contribuição. Os detectores a +/- 240 m permitem ainda o envio de um sinal que pode ser incluído no primeiro nível do sistema de trigger do CMS (L1)[10]. Os detectores a 420 m estão muito distantes para que o sinal chegue a tempo. O sistema proposto para os detectores de tempo de vôo é chamado de QUARTIC (QUARtz Timing Cherenkov)[11]. Eles serão integrados nas seções móveis do tubo do feixe. Detectores desse tipo podem ser segmentados, permitindo medir independentemente o tempo de passagem de diversos prótons provenientes do mesmo cruzamento do bunch (e portanto incluindo aqueles provenientes de interações de pile-up). Esse sistema 8

9 depende de um sinal de referência de tempo de baixa distorção entre as estações nos dois lados do ponto de interação. Para os detectores instalados na primeira etapa do projeto HPS, a +/- 240 m, em geral tecnologias já existentes podem ser utilizadas. As seções móveis do tudo do feixe podem ser integradas com o sistema de colimação do LHC. Uma série de protótipos de detectores de tempo QUARTIC foram desenvolvidos nos últimos anos e mostraram alcançar a performance desejada. Os detectores de trajetória devem usar tecnologia similar àquela do sistema de trajetória e vértice do CMS. A eletrônica de captação do sinal também pode ser construída utilizando tecnologia já em uso em outros subsistemas do CMS. 9

10 IV Objetivos do projeto IV.1 Objetivos do projeto e avaliação de desempenho Podemos listar os objetivos deste projeto no que diz respeito à participação dos pesquisadores brasileiros como: Execução do desenho e confecção das placas da Eletrônica de Front-End (EFE); elaboração e instalação da instrumentação no experimento CMS dentro do tempo considerado para o upgrade dos instrumentos; Finalização do estudo de performance do detector de trajetória do HPS e instalação no experimento CMS. A instalação está prevista em duas etapas, primeiro durante o shut-down durante o período se instalarão as estações localizadas a 240m do ponto de interação do CMS e em uma segunda etapa durante um período de shut-down do LHC de pelo menos 3 meses (winter shut-down) a partir de 2015 ou 2016 se instalarão as estações a 420m; Redação de artigos relacionados à performance da nova eletrônica do HCAL; Redação de artigos relacionados à performance do HPS; Redação de artigos de análises em física frontal utilizando as novas componentes instaladas pela equipe brasileira no CMS. IV.2 Infraestrutura e apoio técnico disponível A infraestrutura existente que permitirá o desenvolvimento deste projeto inclui: A colaboração CMS-Rio (CBPF, CEFET e UERJ) que forma parte do CMS está engajada e já obteve um apoio inicial via o projeto do Edital Pensa Rio da FAPERJ para desenvolver as placas eletrônicas relativas ao upgrade do HCAL, além do desenvolvimento dos componentes do projeto HPS; Este projeto está inserido no contexto do programa citado acima. Os laboratórios no CBPF, CEFET e na UERJ, incluindo as bancadas de teste planejadas na execução deste programa, serão parte da infraestrutura necessária para o desenvolvimento do projeto. A colaboração CMS-Rio engloba físicos, engenheiros e técnicos que participarão do projeto e darão suporte técnico. Parte das atividades planejadas e em especial na etapa de testes de protótipos finais dos componentes desenvolvidos e sua eventual instalação devem ser realizados nos 10

11 laboratórios do CERN. IV.3 Ganhos e benefícios para a colaboração CMS-Rio A participação da colaboração CMS-Rio no projeto de upgrade de um dos principais detectores do CMS trará grandes benefícios, tanto para as instituições envolvidas, pela participação institucional em uma atividade de grande impacto dentro do experimento CMS, ampliando portanto a visibilidade dentro do experimento, como para o setor privado em geral, através da possível transferência de tecnologia de ponta e execução de parte do projeto, como a confecção de protótipos e produção das placas da Eletrônica de Front-End. Além destes, a própria formação de pessoal de alto nível, tanto em física como engenharia, representa um benefício que extrapola os limítes da colaboração, sendo um ganho para toda a sociedade. 11

12 V Cronograma de Execução ANO SEMESTRE ATIVIDADES 2013 SET-DEZ Projeto, confecção e testes de protótipos de placas eletrônicas para o HCAL JAN-JUN JUL-DEZ JAN-JUN JUL-DEZ Finalização dos testes de protótipos de placas eletrônicas para o HCAL Construção das placas eletrônicas do HCAL Desenvolvimento do software de simulação para HPS Testes das placas eletrônicas finais do HCAL Envio das placas para o CERN e instalação Instalação e testes no local do HCAL Participação na instalação do detector HPS Observação: O cronograma acima é apenas uma tentativa, dada a dinâmica dos acontecimentos envolvendo o LHC, a programação pode sofrer alterações. 12

13 VI Orçamento e justificativa Item Orçamento 2013 Valor (R$)** Fonte de Alta Tensão 1.5 kv 10mA CAEN SYx527 (8 unid.) ,89 Picoamperímetro Keithley ,55 Sistema modular de contrôle o monitoramento Siemens S ,62 Total ,06 ** câmbio 1 Euro = R$ 2,9; 1 US$ = R$ 2,23 A aquisição das fontes de alta tensão CAEN SYx527, representa uma necessidade para os trabalhos em desenvolvimento da eletrônica de Front-End, uma vez que esse sistema fornece as tensões de alimentação para as fotomultiplicadoras utilizadas no sistema de testes da eletrônica de front-end. O picoamperímetro da Keithley e o sistema de contrôle e monitoramento da Siemens serão usados para contrôle e monitoramento remoto de toda a eletrônica de front-end. Estamos solicitando a aquisição deste sistema, com entrega no CERN, uma vez que estaremos desenvolvendo os trabalhos em conjunto com engenheiros do CERN, sendo que um sistema idêntico será adquirido, para entrega no Brasil, com verba do projeto Pensa Rio. A aquisição dos sistemas desenvolvidos pelos fabricantes citados (CAEN, Keithley e Siemens), representa uma necessidade em razão da compatibilidade com outros componentes da eletrônica de front-end do CMS. 13

14 VII Pessoal envolvido Pesquisadores principais Nome/Instituição Gilvan Alves (CBPF) Luiz Mundim (UERJ) Maria Elena Pol (CBPF) José Afonso Sanches (UERJ) Alberto Santoro (UERJ) Mario Vaz (CBPF) Antonio Vilela (UERJ) Alessandro Zachi (CEFET/RJ) Especialização Física experimental Física experimental Física experimental Engenharia de sistemas Física experimental Engenharia eletrônica Física experimental Engenharia eletrônica Bolsistas de Pós-Doutorado Nome/Instituição Patricia Telles (CBPF) Clemencia Herrera (CBPF) Especialização Física experimental Física experimental Estudantes Nome/Instituição Walter Alda (UERJ) Lucas Cavalcanti (CBPF) Marcos Correa (CBPF) Thiago Martins (CBPF) Diego Figueiredo (UERJ) Nível Doutorado Doutorado Doutorado Doutorado Doutorado 14

15 Apêndice A: Breve descrição do Detector CMS com ênfase no sistema de calorímetros HCAL O Detector CMS O detector CMS (Compact Muon Solenoid), de formato cilíndrico, mede Figura 1: Esquema do detector CMS, com seus principais componentes, incluindo o sistema de calorímetros HCAL. aproximadamente 21,6 m de comprimento, 15 m de diâmetro e pesa toneladas. Entre seus principais componentes está um solenoide supercondutor de 13 m de comprimento, 5,9 m de diâmetro e que fornece um campo magnético de 3,8 Tesla. O retorno do fluxo magnético ocorre por um cilindro de ferro de 1,5 m de espessura, instrumentado com câmaras de múons. O CMS foi projetado para operar em colisões próton-próton, próton-núcleo (Pb) e Núcleo-Núcleo no LHC. Dentro do solenoide, a partir dos detectores mais internos, o CMS inclui um detector de pixel perto do vértice de interação, um detector de fitas de silício, um calorímetro eletromagnético de cristais de tungstênio e um calorímetro hadrônico. Estes detectores possuem componentes nos módulos centrais do CMS (o Barril - Barrel) e nas Tampas frontais (Endcap), além de alguns componentes externos às Tampas, na região Frontal (Forward). As diferentes partes do CMS são divididas em sucessivas camadas de detectores que permitem a observação de partículas produzidas pela colisão no ponto de interação (IP). A Figura 1 mostra uma visão expandida do sistemas de detectores que formam o CMS e seus principais componentes. 15

16 HCAL: Calorímetro Hadrônico do CMS O complexo de calorímetros do CMS inclui os sistemas de calorímetros eletromagnético e hadrônico. O calorímetro hadrônico é por sua vez composto por subdetectores na região do barril (HB HCAL Barrel), na região da tampa do CMS (HE HCAL Endcap) e na região frontal (HF HCAL Forward), além de uma camada localizada na parte exterior ao solenoide supercondutor (HO HCAL Outer). Outros detectores complementam o sistema de calorímetros do CMS na região frontal: os calorímetros CASTOR (Centauro And Strange Objects Research) e ZDC (Zero Degree Calorimeter). Os diferentes componentes são descritos abaixo. Os calorímetros na região do barril, tampa e frontal do CMS são ilustrados na Figura 2. O grupo do CMS no CBPF teve participação na construção, testes e operação do sub-detector CASTOR, que operou com sucesso durante o período de coleta de dados do CMS durante os anos 2010 e O grupo também teve participação no desenvolvimento do software de simulação do detector CASTOR e atualmente participa dos testes e desenvolvimento de componente. Figura 2: Sub-detectores que fazem parte do sistema de calorímetros do HCAL: HB (Hadron Barrel) na região central; HE (Hadron Endcap) na região da tampa do CMS; HF (Hadron Forward) na região frontal; e HO (Hadron Outer) na região externa ao solenoide. 16

17 HCAL-HB (Barril-Barrel) A parte do calorímetro hadrônico na região do Barril (HB - Barrel) cobre um intervalo de pseudo-rapidez 1,3 (veja Fig. 2). O HB é dividido em duas partes (HB+ e HB-), cada uma inserida de cada lado da seção do barril, dentro do solenoide supercondutor. Ele é constituído de 36 cunhas idênticas, que são construídas com placas absorvedoras de latão alinhadas paralelamente à linha do feixe; cada cunha é formada por quatro setores em ângulo azimutal (ϕ). As placas mais internas e mais externas são de aço inoxidável. O meio ativo é composto de cintilador plástico e é dividido em 16 seções em pseudo-rapidez, resultando em uma segmentação. As placas absorvedoras consistem de uma chapa de aço de 40 mm de espessura seguida por 8 chapas de latão de 50,5 mm, seis de 56,5 mm e uma última placa de aço de 75 mm. A absorção total para partículas incidindo perpendicularmente tem comprimento de interação λ = 5,82. A espessura efetiva do calorímetro no entanto cresce para partículas incidindo a mais baixos ângulos e chega a λ = 10,6 para = 1,3. O calorímetro eletromagnético na região do barril (EB), em frente ao HB, corresponde a aproximadamente 1,1 λ extra de material passivo. O sinal dos cintiladores é coletado via fibras ópticas que mudam o comprimento de onda (wavelength shifting fibre) conectadas a fibras claras. Estas por sua vez são ligadas a um conector óptico que é ligado a um fotodiodo híbrido (HPD-Hybrid photodiod). Uma fibra adicional é colocada nos HPD para uso com laser para calibrações e testes. Cada cunha do HB possui quatro divisões em ϕ. As primeiras torres em (1-14) possuem uma captação de sinal única entre suas componentes longitudinais, enquanto as duas torres mais próximas ao HE (15 e 16) são segmentadas longitudinalmente. A segmentação das torres é ilustrada na Figura 3. 17

18 Figura 3: Segmentação das torres das componentes HB, HE e HO relativa a um quarto do detector, no plano R-z. As diferentes cores representam o agrupamento de captação do sinal das camadas de cintiladores. HCAL-HE (Tampa-Endcap) A parte da tampa (HE - Endcap) do calorímetro hadrônico cobre uma região em pseudo-rapidez 1,3 < < 3,0 (o que corresponde a 13,2% do ângulo sólido) e recebe cerca de 34% do fluxo de partículas produzidas nas colisões próton-próton. Uma vez que o calorímetro está inserido no final do solenoide, é importante que o absorvedor seja de material não magnético. Os calorímetros são instalados na estrutura de ferro da tampa (que age como retorno do campo magnético). A parte da tampa do calorímetro eletromagnético (EE) e um detector preshower são montados logo em frente ao HE. Figura 4: Esquema e segmentação no ângulo azimutal do componente HE (Endcap) do sistema HCAL. 18

19 A estrutura absorvedora foi projetada de forma a minimizar os espaços entre o HB e o HE. As placas são agrupadas em camadas sucessivas, em uma configuração sem material passivo adicional na direção entre uma torre no calorímetro e o ponto de interação. As placas de latão têm 79 mm de espessura e espaços de 9 mm para acomodar os cintiladores. Incluindo o calorímetro eletromagnético em frente ao HE, o calorímetro absorve chuveiros com comprimento de interação de cerca de λ = 10. HCAL-HO (Externo-Outer) A componente na parte central do calorímetro hadrônico (HB), em conjunto com a seção análoga do calorímetro eletromagnético (EB), não são suficientes para conter todos os chuveiros hadrônicos. Para assegurar a absorção completa na região central, < 1,3, o calorímetro hadrônico possui uma extensão na parte exterior ao solenoide supercondutor (HCAL HO - Outer). O calorímetro usa a própria estrutura do solenoide como absorvedor adicional e é utilizado para identificar chuveiros que tenham iniciado de forma tardia, bem como para medir a energia do chuveiro depositada depois da seção do HB. Na parte externa ao solenoide, o retorno do fluxo magnético é feito via estruturas de ferro projetadas na forma de cinco anéis de 2,536 m cada (ao longo do eixo-z). O HO é instalado como primeira camada de cada um desses anéis, que são identificados por números -2, -1, 0, +1, +2, na posições -5,342, -2,686, 0, +2,686, +5,342 m. Para partículas incidindo perpendicularmente ( = 0), o HB tem poder de absorção mínimo e o anél central do HO possue duas camadas de cintiladores em cada lado de um bloco de ferro de 19,5 cm, a distâncias de 3,82 e 4,07 m do ponto de interação. A absorção total do calorímetro é extendida dessa forma a um mínimo de 11,8 λ, com exceção de uma pequena região entre o HB e o HE. O HO segue a geometria do sistema de múons. A Figura 5 mostra a posição das camadas do HO nos anéis da estrutura do CMS. A segmentação do calorímetro segue aquela do sistema de múons, cada anel possuindo 12 seções idênticas no ângulo azimutal. 19

20 Figura 5: Esquema e localização do componente HO (Outer) do sistema HCAL. HCAL-HF (Frontal-Forward) O desenho do calorímetro hadrônico frontal (HF) teve como base a necessidade de sobreviver as condições de alto fluxo de partículas na região frontal. O material ativo deve ser em primeiro lugar resistente à radiação e por isso foram escolhidas fibras de quartzo. O sinal é produzido por partículas carregadas com energia suficiente para emissão de luz Cherenkov (190 kev para elétrons). Dessa forma o calorímetro é sensível em sua maior parte à componente eletromagnética do chuveiro. Apenas uma fração da luz produzida, que incida na superfície da fibra a um ângulo maior que o ângulo crítico de 71 o é capturada. As fibras medem cerca de μm de diâmetro considerando seu revestimento. Mais de 1000 km de fibras são utilizados no calorímetro HF. O calorímetro consiste de uma estrutura de aço que age como material absorvedor. As fibras são inseridas com orientação longitudinal à linha do feixe em sulcos. O detector é separado em dois segmentos longitudinais. A metade das fibras se estendem pelo comprimento do calorímetro (165 cm) enquanto as restantes são inseridas a partir de uma distância de 22 cm da frente do detector. Os sinais dos dois 20

21 conjuntos de fibras são lidos separadamente. Esta configuração permite distinguir chuveiros eletromagnéticos gerados por elétrons e fótons, que depositam a maior parte de sua energia nos primeiros 22 cm do material, daqueles gerados por hadrons que produzem em média o mesmo sinal nas duas seções. As duas seções de fibras são identificadas de L (longa) e S (curta) para as fibras medindo o sinal em toda a extensão do calorímetro e aquelas que medem os depósitos de energia a partir de 22 cm do meio de aço, respectivamente. A estrutura do calorímetro é aproximadamente cilíndrica, com o raio externo de 130 cm. A frente do calorímetro é instalada a 11,2 m do ponto de interação. A cavidade interna para o tubo do feixe é cilíndrica, com raio 12,5 cm do centro do feixe. Esta estrutura é dividida em cunhas de 20 o cada e 36 cunhas desse tipo (18 em cada lado do ponto de interação) formam o calorímetro HF. A Figura 6 mostra uma seção transversa do calorímetro. As fibras são agrupadas formando torres que correspondem a uma segmentação de 0,175 x 0,175 em pseudo-rapidez e ângulo azimutal. O detector é instalado dentro de uma estrutura hermética de isolamento para radiação e composta de camadas de 40 cm de aço, 40 cm de concreto e 5 cm de polietileno. Uma estrutura adicional na parte de trás do calorímetro (plug) permite uma proteção adicional à radiação. Figura 6: Seção transversal do calorímetro HF, onde o ponto de interação está à direita, a 11,2 m. A área sensível se estende desde 125 a 1300 mm na direção radial. O meio absorvedor mede 1650 mm na direção do feixe. O sinal é captado na parte de trás do calorímetro via fibras que passam pela estrutura de isolamento (shielding), até fotomultiplicadoras (PMTs) instaladas 21 em unidades RBX (readout boxes). Tubos de aço com fontes radioativas (linhas vermelhas) são instaladas para cada torre e são acessíveis desde a parte externa do detector para calibração.

22 CASTOR O CASTOR ( Centauro and Strange Object Research ) é um calorímetro que estende a cobertura na região frontal e é de grande importância tanto para os programas de próton-próton quanto para o programa de íons pesados, assim como para o estudo de objetos exóticos e a busca pelo Centauro [12,13]. Este calorímetro está dividido em seções eletromagnética (EM) e hadrônica (HAD), ambas utilizando tungstênio/quartzo como material passivo/ativo. Este detector é posicionado em torno ao tubo do feixe, na região mais frontal do CMS (aproximadamente a 14,38 m da região de interação), cobrindo uma região de pseudo-rapidez entre -6,6 e -5,1. Este calorímetro foi projetado de forma a ter excelente linearidade e resolução em energia, bem como ótima resolução espacial. Os materiais envolvidos em sua construção lhe garantem uma resistência à radiação, necessária para esta região mais frontal do CMS. O calorímetro é composto de 16 segmentos azimutalmente simétricos em torno ao tubo do feixe. Este detector também é segmentado longitudinalmente em 14 seções, duas para a parte eletromagnética (EM) e doze para a parte hadrônica (HAD). A Figura 7 mostra uma visão esquemática do CASTOR. Este calorímetro é construído com placas de tungstênio (W) como material absorvedor e quartzo fundido (Q) como material ativo. O sinal é composto pela radiação Cherenkov produzida pela passagem de partículas carregadas do chuveiro (principalmente e +,e - ) através do quartzo. Estas camadas de W/Q formam um ângulo de 45 o com a direção do feixe, de modo a maximizar a produção da radiação Cherenkov. O índice de refração do quartzo é n = 1,46 1,55 para comprimentos de onda na faixa nm. O limiar correspondente para a produção de radiação Cherenkov é de β c = 0,65 0,69. Para β c ~ 1 o ângulo de emissão é de arcos(1/nβ c ) = 46 o 50 o. O calorímetro tem 16x14 subdivisões (224 canais no total) e a luz produzida em cada canal é coletada e focalizada por guias de luz até fotomultiplicadoras (PMTs). Existem cinco 22 Figura 7: Ilustração do calorímetro CASTOR.

23 camadas de tungstênio/quartzo, chamadas de Unidades de Amostragem (SU), por subdivisão, e Unidades de Leitura (RU), em ambas as seções EM e HAD. 23

24 Referências The CMS Collaboration; CMS: The Hadron Calorimeter. Technical Design Report; CERN-LHCC V. A. Khoze, A. D. Martin, and M. G. Ryskin; Prospects for new physics observations in diffractive processes at the LHC and Tevatron; Eur. Phys. J. C23, (2002); DOI: /s ; 6. V. A. Khoze, A. D. Martin, and M. G. Ryskin; Double-diffractive processes in high-resolution missing- mass experiments at the Tevatron; Eur. Phys. J. C19, (2001); DOI: /s ; 7. M. G. Albrow and A. Rostovtsev; Searching for the Higgs at hadron colliders using the missing mass method; (2000) 8. V. A. Khoze, A. D. Martin, and M. G. Ryskin; Can the Higgs be seen in rapidity gap events at the Tevatron or the LHC? ; Eur. Phys. J. C14, (2000). DOI: /s ; 9. M. G. Albrow et al.; The FP420 R&D Project: Higgs and New Physics with forward protons at the LHC; JINST 4, T10001 (2009); DOI: / /4/10/T The CMS Collaboration; The TriDAS project. Technical design report, vol. 1: The trigger systems; CERN-LHCC M. Albrow; Fast timing detectors for forward protons at the LHC; Acta Phys. Polonica B Proceedings, 4 (2011) 65; X. Aslanoglou et al.; First performance studies of a prototype for the CASTOR forward calorimeter at the CMS experiment; Acta Phys. Polon. B39, (2008); X. Aslanoglou et al.; Performance Studies of Prototype II for the CASTOR forward Calorimeter at the CMS Experiment; Eur. Phys. J. C52, (2007); DOI: /epjc/s x; CMS Collaboration; Forward Energy Flow, Central Charged-Particle Multiplicities, and Pseudorapidity Gaps in W and Z Boson Events from pp Collisions at 7 TeV; Eur.Phys.J. C72 (2012) 1839; DOI: /epjc/s

25 ; arxiv: CMS Collaboration; Measurement of energy flow at large pseudorapidities in pp collisions at s =0.9 and 7 TeV; JHEP 1111 (2011) 148, Erratum-ibid (2012) 055; DOI: /JHEP02(2012)055; arxiv: CMS Collaboration; Exclusive photon-photon production of muon pairs in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV; JHEP 1201 (2012) 052; DOI: /JHEP01(2012)052; arxiv: CMS Collaboration; Measurement of the inclusive production cross sections for forward jets and for dijet events with one forward and one central jet in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV; submitted to J. High Energy Phys.; arxiv: