Az LHC TOTEM kísérlete Csanád Máté ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 2013. március 21. Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 1 / 45
Tartalomjegyzék Bevezetés 1 Bevezetés 2 TOTEM fizika 3 TOTEM detektorok 4 TOTEM eredmények 5 Kitekintés 6 Összefoglalás Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 2 / 45
Az LHC Bevezetés A részecskefizika egyik grandiózus kísérleti berendezése Intézményes magyar részvétellel: ALICE, CMS, TOTEM További kísérletek: ATLAS, LHCb, LHCf, MoEDAL Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 3 / 45
Bevezetés A TOTEM együttműködés Az LHC legkisebbés egyben legnagyobb kísérlete TOTal cross sect., El. scattering and diffraction dissociation Measurement Kis létszámú csoport: 59 résztvevő 9 intézményből Csehország, Észtország, Finnország, Magyaro., Olaszo., USA + CERN A magyar csoport a kísérlet vezetőjével és Roy Glauberrel (2010): Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 4 / 45
Tartalomjegyzék TOTEM fizika, célok 1 Bevezetés 2 TOTEM fizika 3 TOTEM detektorok 4 TOTEM eredmények 5 Kitekintés 6 Összefoglalás Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 5 / 45
TOTEM fizika, célok Szórásfolyamatok analitikus leírása Mandelstam: s a tömegközépponti energia, t a kicserélt impulzus Gondoljunk m 2 = t tömegű kicserélt részecskére Regge elmélet: szórásamplitúdónak l = α(t) helyen pólusa van Ezzel feĺırt szórás: m = t tömegű, α(t) spinű részecske cseréje Kísérletileg: α(t) = α(0) + α t Ekkor σ tot s α(0) 1 Ismert rezonanciákra α(0) < 1, azaz σ tot (s) csökken Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 6 / 45
TOTEM fizika, célok A teljes hatáskeresztmetszet energiafüggése A teljes hatáskeresztmetszet nő, Regge részecskékkel lehetetlen Megoldás: a Pomeron trajektória, α(0) = 1.08 és α = 0.25 GeV 2 Elméletileg még megmagyarázatlan, hogy mi is a Pomeron Még a p+p szórás is tisztázatlan elméletileg! Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 7 / 45
TOTEM fizika, célok Rugalmas szórás, elméleti várakozások Sok különböző modell dσ el /dt-re Diffraktív minimumok száma változó Kis t-s exponenciális tartomány meredeksége (B(t)) nagyon különböző Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 8 / 45
TOTEM fizika, célok Parton modell és kis x fizika A proton szerkezetének feltárása: nagyenergiás e + p ütközések Alacsony E: nukleon rezonanciák; nagy E: mélyen inelasztikus szórás SLAC, 60-as évek: dimenziótlan x skálaváltozó Bjorken, 1969: parton modell, p parton = x p proton! x > 0.1: parton=valencia-kvark, Bjorken-skálázás megmagyarázható Kis x esetén: tenger-kvarkok és gluonok, skálázás sérül, kis x fizika Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 9 / 45
A TOTEM céljai TOTEM fizika, célok dσ el dt mérése tág t tartományban ( t : impulzusátadás négyzete) Nagy t-tartományú mérés: erős megszorítás a modellekre Extrém kis impulzuscseréjű események mérése t 0 kell σ tot -hoz (optikai tétel!) Nagy pontosságú σ tot mérés független elveken Rugalmas és rugalmatlan események észlelése Szinte nulla impulzuscseréjű események észlelése Több független elven történő mérés Igen pontos érték a nagyenergiás proton méretére Egyúttal luminozitás mérés (LHC: L = f n N2 A ) Diffraktív folyamatok vizsgálata, kis x fizika Proton struktúrafüggvényei kis x értékre igen érdekesek Extrém kis impulzushányadú partonnal való kölcsönhatás Szétesett proton részei alig térülnek el Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 10 / 45
A TOTEM események TOTEM fizika, célok Eltérülés (θ) jellemzése: pszeudorapiditás, η = ln tan(θ/2) TOTEM eseménykarakterisztika: Fontos a nagy rapiditástartományú észlelés! Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 11 / 45
TOTEM fizika, célok Hogyan mérjük a hatáskeresztmetszetet? Rugalmas és rugalmatlan beütésszámok mérése (extrapolációval): N el, N inel, dn el dt t=0 Differenciális hkm. a beütésszám & (integrált) luminozitás ismeretében: Lσ = N és L dσ dt = dn dt A szórásamplitúdó és a hatáskeresztmetszet kapcsolata: dσ el = 1 f (t) 2 dt t Az optikai tétel: σtot 2 = 16π2 ( c) 2 (If (0)) 2 t Innen σ tot és dσ el dt összekapcsolható. t=0 Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 12 / 45
Tartalomjegyzék TOTEM detektorok 1 Bevezetés 2 TOTEM fizika 3 TOTEM detektorok 4 TOTEM eredmények 5 Kitekintés 6 Összefoglalás Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 13 / 45
A TOTEM felépítése TOTEM detektorok CMS-el közös interakciós pont, IP5 Szimmetrikus elrendezés: mindegyik detektor mindkét oldalon T1 és T2 nyomkövető detektorok, CMS forward tartományába integrálva Roman Pot (RP) állomások ±147 m és ±220 m távolságra az IP5-től Longitudinális akceptancia: Θ néhány µrad szórási szögig Pszeudorapiditás (η = ln tan(θ/2)): η kb. 12-13-ig Teljes 2π akceptancia φ azimut szögben Impulzusátvitel négyzet tartomány kb. 10 3 GeV 2 < t < 10 GeV 2 Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 14 / 45
TOTEM és CMS TOTEM detektorok Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 15 / 45
TOTEM detektorok Teleszko pok T1: 3.1 < η < 4.7, T2: 5.3 < η < 6.5 (az IP mindke t oldala n) T1: 5 egyforma ta volsa gu hatszo gu Cathode Strip Chamber (CSC) T2: 10 majdnem ko r alaku Gas Electron Multiplier (GEM) Csana d Ma te, ELTE Atomfizikai Tansze k Ortvay Kollokvium 16 / 45
TOTEM detektorok A Roman Pot (római edény) detektorok A nyalábhoz nagyon közel, másodlagos vákuumban 4 állomás, 2 egység állomásonként, 3 edény egységenként (össszesen 24) 10 sík lap egy edényben, 512 edgeless Si csík mindegyikben Felbontás: 16 µm, szórási szögben 5 µrad Relatív pozíció-igazítás: 10 µm Beam Position Monitor: nyalábpozíció felmérése Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 17 / 45
A detektorlapok TOTEM detektorok Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 18 / 45
TOTEM detektorok Edgeless technolo gia Mine l ko zelebb kell keru lni a nyala bhoz, kb. 1 mm-re Holt re gio a detektor sze le n: sı k Si detektorokna l a ltala ban 0.5-1 mm Ce l: holt re gio 50 µm-re cso kkente se Va ga si felu let tulajdonsa gai meghata rozatlanok: fu ggetlenı te s lehetse ges? U gynevezett Current Terminating Structure (6= feszu ltse g-leza ra s) Csana d Ma te, ELTE Atomfizikai Tansze k Ortvay Kollokvium 19 / 45
TOTEM detektorok Fe nyke pek a detektorokro l Csana d Ma te, ELTE Atomfizikai Tansze k Ortvay Kollokvium 20 / 45
Az LHC az IP5 körül TOTEM detektorok Dipólus: pályán tart, Kvadrupól: fókuszál A CMS-sel közös IP5 ütközési pont körül: Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 21 / 45
TOTEM optika TOTEM detektorok TOTEM cél: kis impulzusátadású, t 0 események rögzítése t (impulzus) 2 (eltérülési szög) 2 Nyalábhoz a lehető legközelebb kell kerülni Detektorok messze az ütközésektől: LHC optikát jól kell érteni Fontos (helyfüggő) paraméterek: effektív hossz L(s), nagyítás ν(s), Mért (RP helyén) kívánt (IP helyén): transzport mátrix x ν x L x 0 0 D x x Θ x y Θ y = ν x L x 0 0 D x Θ x 0 0 ν y L y 0 y 0 0 ν y L y 0 Θ y p/p 0 0 0 0 1 p/p Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 22 / 45
A β függvény TOTEM detektorok Fókuszálás és defókuszálás, helyfüggő nyalábméret β(s) Szimmetria-középpont (ütközési pont pl.) körül: β(s) = β + s 2 /β Minél fókuszáltabb a nyaláb, annál gyorsabban divergál ( 1/ β ) Effektív hossz: Nagyítás: Itt µ(s) = s 0 L(s) = β(s)β sin µ(s) ν(s) = β(s)/β cos µ(s) β 1 (s )ds a fáziseltérés Nagy β : akceptancia alacsony t értékeket érhet el, optimális Normál LHC optika, β = 3.5 m: t < 1 GeV 2 Dedikált TOTEM optika: β = 90 m: t > 0.03 GeV 2 Végső optika, β = 1535 m: t > 0.002 GeV 2 Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 23 / 45
TOTEM detektorok Beütések különböző optikáknál β : fókuszáltság, divergencia inverze Nagy β : gyengén fókuszált, de összetartó Nyalábtól vett távolság a σ nyalábkeresztmetszet függvényében RP segítségével LHC berendezéseinél jobban érthető az optika! Szakértő: Nemes Frigyes ELTE doktorandusz Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 24 / 45
TOTEM akceptancia TOTEM detektorok CMS-sel együtt: legnagyobb lefedésű rész. fiz. kísérlet! RP akceptancia függ az optikától is Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 25 / 45
Tartalomjegyzék TOTEM eredmények 1 Bevezetés 2 TOTEM fizika 3 TOTEM detektorok 4 TOTEM eredmények 5 Kitekintés 6 Összefoglalás Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 26 / 45
TOTEM eredmények Rugalmas szórás mérések tartománya β [m] nyalábtávolság L [µb 1 ] t-tartomány [GeV 2 ] 90 5σ 83 0.005 0.5 90 10σ 1.7 0.02 0.4 3.5 7σ 0.07 0.36 3.0 3.5 18σ 2.3 2 3.5 Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 27 / 45
TOTEM eredmények Rugalmas szórás, eredmények Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 28 / 45
TOTEM eredmények Rugalmas szórás, eredmények s = 7 TeV, β = 3.5 m ill. 90 m Kis t : exponenciális, dσ el dt = dσ el dt e B t t=0 A 0.36 0.47 GeV 2 tartományban (Europhys.Lett.95, 41001 (2011)): B = (23.6 ± 0.5 stat ± 0.4 syst ) GeV 2 A 0.02 0.33 GeV 2 tartományban (Europhys.Lett.96, 21002 (2011)): B = (20.1 ± 0.2 stat ± 0.3 syst ) GeV 2 A 0.005 0.2 GeV 2 tartományban (Europhys.Lett.101, 21002 (2013)): B = (19.89 ± 0.03 stat ± 0.3 syst ) GeV 2 Jelentős diffraktív minimum, helye (EPL95): t = (0.53 ± 0.01 stat ± 0.01 syst ) GeV 2 t > 1.5 GeV 2 : hatványfüggvény, exponense (EPL95) 7.8 ± 0.3 stat ± 0.1 syst Modellekre erős megszorítást adnak az eredmények Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 29 / 45
TOTEM eredmények Proton-proton teljes hatáskeresztmetszet eredmények s = 7 TeV, dedikált β = 90 m optika dσ el /dt eredményeken alapszik t 0 extrapoláció: dσ el dt = (506.4 ± 0.9 stat ± 23 syst ) mb t=0 Innen a rugalmas hatáskeresztmetszet σ el = (25.43 ± 0.03 stat ± 1.1 syst ) mb Az optikai tétellel a teljes hatáskeresztmetszet σ tot = (98.58 ± 0.1 stat ± 2.2 syst ) mb A rugalmatlan hatáskeresztmetszet is meghatározható: σ inel = (73.2 ± 0.1 stat ± 1.3 syst ) mb Jó egyezés a nagy energiatartományú COMPETE illesztéssel Első eredmények: Europhys. Lett. 96, 21002 (2011) Új mérés (a fent idézett számok): Europhys. Lett. 101, 21002 (2013) Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 30 / 45
TOTEM eredmények Proton-proton teljes hatáskeresztmetszet 7 TeV-en Ellenőrzés: további, független elvű mérésekkel (külön σ tot, σ el és σ inel ) Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 31 / 45
Független mérési elvek TOTEM eredmények Teljes hkm. kizárólag rugalmas eseményekkel: σtot 2 = 16π( c)2 dσ el 1 + ρ 2 dt t=0 Itt ρ = Rf (0)/If (0) COMPETE elméleti jóslat alapján ρ = 0.14 +0.01 0.08, hatása kicsi Luminozitásfüggetlen módszerrel: σ tot = 16π( c)2 1 + ρ 2 dn el/dt t=0 N el + N inel ρ-független módszerrel: σ tot = σ el + σ inel Innen ρ mérhető: ρ = 0.009 ± 0.056 Luminozitás is pontosan mérhető Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 32 / 45
TOTEM eredmények A különböző módszerek összehasonĺıtása Luminozitásfüggetlen mérés: Europhys. Lett. 101, 21004 (2013) Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 33 / 45
TOTEM eredmények Új eredmények 8 TeV energián Forrás: CERN-PH-EP-2012-354 Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 34 / 45
TOTEM eredmények Integrált hatáskeresztmetszet eredmények Mérés σ el [mb] σ inel [mb] σ tot [mb] Csak rugalmas, 7 TeV EPL96,21002 24.8±1.2 73.5±1.6 98.3±2.8 Csak rugalmas, 7 TeV EPL101,21002 25.4±1.1 73.2±1.3 98.6±2.2 ρ-független, 7 TeV EPL101,21003 25.4±1.1 73.7±3.4 99.1±4.3 Lumi.-független, 7 TeV EPL101,21004 25.1±1.1 72.9±1.5 98.0±2.5 Lumi.-független, 8 TeV 27.4±1.2 74.7±1.7 101.7±2.9 CERN-PH-EP-2012-354 Jó egyezés a 7 TeV-es adatok között ρ = 0.009 ± 0.056, biztosabb mérés folyamatban Lényegében a várakozásoknak megfelelő 8 TeV eredmény Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 35 / 45
TOTEM eredmények Rapiditáseloszlás, eredmények s = 7 TeV, 5.3 < η < 6.4 pszeudorapiditás, normál optika A mérés a T2 triggerre épül A többi LHC kísérlet mérését terjeszti ki erre az új tartományra Eseményválogatás: legalább egy p > 40 MeV/c töltött részecske Ezzel a nem-diffraktív folyamatok 99% elérhető Diffraktív is, ha M diff > 3.4 GeV/c 2 dn ch /dη csökken η -val: η = 5.375: 3.84 ± 0.01 stat ± 0.37 syst η = 6.375: 2.38 ± 0.01 stat ± 0.21 syst Egy Monte-Carlo generátor sem írja le az adatokat hibán belül Ref.: Europhys. Lett. 98, 31002 (2012) 8 TeV-es mérés folyamatban Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 36 / 45
TOTEM eredmények Rapiditáseloszlás, eredmények Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 37 / 45
TOTEM eredmények Egyesített LHC adathalmaz Különböző kísérletek: más trigger, más esemény-szelekció Fontos lenne az egyesített adathalmaz Közös CMS-TOTEM trigger és adatanaĺızis elindult! Előzetes (nem hivatalos) egyesített LHC ábra: Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 38 / 45
Tartalomjegyzék Kitekintés 1 Bevezetés 2 TOTEM fizika 3 TOTEM detektorok 4 TOTEM eredmények 5 Kitekintés 6 Összefoglalás Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 39 / 45
Kitekintés A proton felépítése a szórás alapján Differenciális hatáskeresztmetszet rács interferenciamintázata Diffraktív minimum szórócentrum mérete Proton alakja (forma-tényező) jelenik meg dσ/dt-ben Rengeteg modell, egyik sem 100%-osan sikeres Nemes F., Csörgő T.: egyszerű kvark-dikvark rendszer, Glauber modell Érdekes felfedezés: σ tot 2π(R 2 q + R 2 d + R2 qd ) Nemes F., Csörgő T., Int. J. Mod. Phys. A27 (2012) [arxiv:1204.5617] Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 40 / 45
Kitekintés Milyen a p+p kezdeti- és végállapot? Kezdeti energiasűrűség: végállapoti energia / kezdeti térfogat Bjorken, Phys.Rev.D27 (1983) 140, > 2000 hivatkozás: ɛ = QCD kvark-hadron átmenet energiasűrűsége: ɛ =1 GeV/fm 3 Bjorken-becslés: nem gyorsuló hidrodinamikán alapszik Gyorsulási korrekció (Nagy M., Csörgő T., Cs. M., PRC77): 2-300% (RHIC), 20-30% (LHC) E R 2 πτ 0 TOTEM dn/dη alapján: ɛ = 1.14 ± 0.01(stat) +0.21 0.16 (syst) GeV/fm3 Erőteljes multiplicitásfüggés! dn dη Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 41 / 45
Tartalomjegyzék Összefoglalás 1 Bevezetés 2 TOTEM fizika 3 TOTEM detektorok 4 TOTEM eredmények 5 Kitekintés 6 Összefoglalás Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 42 / 45
Összefoglalás Összefoglalás, további tervek A TOTEM kiemelkedő precizitással méri az előreszórt protonokat Normál és dedikált LHC optikával is működik Eddigi eredmények: σ, dσ/dt, rapiditáseloszlás Legnagyobb eddigi precizitás: β = 90 m, t > 0.005 GeV 2 tartomány σ tot,el,inel három független elven Eddigi eredmények 7 TeV-en, 8 TeV publikációk érkeznek Következik: diffraktív mérések, dupla Pomeron csere, stb. Diffraktív fizika: CMS-sel közösen (soft/hard DPE) p+a mérés: TOTEM & CMS közösen! Long Shutdown 1: kísérlet átépítése, felkészítése a nagyobb energiákra Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 43 / 45
EPL Best Of 2011 Összefoglalás Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 44 / 45
Köszönöm a figyelmet! Összefoglalás Köszönjük: OTKA (NK73143&101438, HA07-C74458), Wigner FK, ELTE http://totem.kfki.hu/ Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 45 / 45
Nagyítás és effektív hossz Erős fókuszálású optika esetén a nagyítás és az effektív hossz: Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 46 / 45
A nyaláb-felhő hatása A 90 méteres optikánál is jelentkezik a nyaláb-felhő Vágással megtisztítható a minta, így csak a rugalmasan ütköző protonokat látjuk Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 47 / 45
Esemény-karakterisztika Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 48 / 45
Rugalmatlan hatáskeresztmetszet mérés Mérés alapja: beütésszám és luminozitás, σ = 1 L N Rugalmatlan események: proton diffraktív gerjesztése Rapiditás-tartomány behatárolja a minimális diffraktív tömeget ALICE M diff 7 GeV, CMS M diff 26 GeV, M diff 16 GeV TOTEM teleszkópokkal: M diff 3.4 GeV Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 49 / 45
Rugalmatlan hatáskeresztmetszet eredmények Mérés T2 triggerrel, az összes rugalmatlan ütközésből számolva Publikáció: Europhys. Lett. 101, 21003 (2013) Korrekciós tényezők T2 trigger hatásfok (2.6%) Nyaláb-gáz ütközések (0.6%) Időben átlapolódó ütközések (1.5%) Esemény rekonstrukciós hatásfokok (1.0%) Csak a T1-ben megjelenő események (1.6%) Alacsony diffrakciós tömegű események (4.6%) Modellfüggetlen eredmény: (73.74 ± 0.09 stat ±1.74 N ±2.95 lumi ±) mb (össz. 3.43 mb) Maximális nagy-rapiditású hozzájárulás: 2.62 ± 2.17 mb Teljes és rugalmas hatáskeresztmetszet alapján: (73.15 ± 0.77 t ± 0.29 norm ± 0.96 lumi ± 0.10 ρ ) mb (össz. 1.26 mb) Csanád Máté, ELTE Atomfizikai Tanszék Ortvay Kollokvium 50 / 45