The Large Hadron Collider (LHC) is the machine for proton and ion collisions in construction at CERN of Geneva. It will provide a very high energy in the center of mass, reaching the value of 14 TeV for proton-proton collisions, and giving the possibility to produce particles with mass up to few TeV. ATLAS is one of the LHC experiments. The ATLAS detector is characterized by its stand-alone Muon Spectrometer, based on an air-core toroid system, which generates a large field volume and a strong bending power with a light and open structure. In the barrel the ATLAS first level muon trigger relies on the Resistive Plate Chambers (RPC): these are gas ionization detectors which are characterized by a fast response and an excellent time resolution (σt ≤1.5 ns). A good understanding of the detector physics and a complete control of the performance are essential. For this purpose, a cosmic muon test stand has been built in the INFN Roma Tor Vergata Laboratory and a systematic test of the 192 biggest ATLAS RPCs was carried out. It consisted of a preliminary check of the detector status (gas-tightness and test of the electric circuits), and a characterization of every chamber: in particular the noise rate, the cluster size, the detection efficiency and the gap current have been studied for each detector. Moreover at H8 beam site at CERN, an ATLAS-like detector slice was assembled and tested with particle beams. The presence in the test of the tracking chambers (MDT), combined with the RPCs, allowed to the author an independent study of the RPC performances, exploiting the information extracted from the muon tracks reconstructed by the precision chambers. The assembly of the ATLAS detector in the cavern has already started and will be completed in almost one year. Then a phase of detector calibration and test will precede the beginning of the experiment, using the RPCs as trigger of cosmic rays. To optimize the selection of the cosmic muons, the author studied dedicated first level muon trigger configurations, using a Monte Carlo simulation (based on GEANT4). Although the ATLAS detector installation in the cavern is still undergoing, some subdetectors are already operative: three muon stations of the lowest sector are ready and working. This allowed to validate the trigger simulation and furthermore to start the muon station debugging.

Il Large Hadron Collider (LHC) è l’acceleratore per collisioni di ioni e protoni attualmente in costruzione al CERN di Ginevra. Questa macchina permetterà di raggiungere un’elevata energia nel centro di massa (14 TeV per collisioni protone-protone), dando la possibilità di produrre particelle con masse fino all’ordine del TeV. ATLAS è uno degli esperimenti di LHC. Una delle principali caratteristiche del rivelatore di ATLAS è di avere uno spettrometro per muoni in aria, che opera come un rivelatore a sé stante. Nel barrel il trigger di primo livello dei muoni è fornito dalle camere RPC (Resistive Plate Chambers): rivelatori a gas in grado di fornire una risposta veloce con un’eccellente risoluzione temporale (σt ≤1.5 ns). In questa tesi sono presentati i risultati del primo test di funzionamento di un intero settore del rivelatore a muoni, svoltosi al test-beam H8 del CERN. Particolare attenzione è data allo studio sistematico della “cluster size” delle camere RPC (il numero di strisce contigue accese, che sono associate ad uno stesso segnale nel rivelatore). Questo studio ha mostrato come la “cluster size” osservata, lungi dall’essere casuale, dipenda in modo sistematico dal punto di impatto della particella sul piano di strisce di lettura. Viene inoltre descritto il test sistematico, mediante raggi cosmici, di 192 camere RPC di produzione (tipo BOL), che è stato allestito presso il laboratorio INFN di Roma Tor Vergata. Questo lavoro, che ha richiesto una corposa acquisizione dati, ha fornito la necessaria base statistica per uno studio accurato della rate di rumore e delle correnti di gap, dimostrando uno standard di qualità nella produzione seriale molto superiore a quello dei prototipi. L’ampia mole di dati acquisiti fornisce inoltre l’informazione necessaria per progredire nella comprensione della fisica del rivelatore. Successivamente viene presentata una simulazione Monte Carlo (in GEANT4) della logica di trigger di livello-1 con muoni cosmici, orientata a studiare le possibili configurazioni del trigger così da massimizzare la rate con i raggi cosmici durante la fase di “commissioning” del rivelatore. E’ stata inoltre prodotta una simulazione limitata a sei torri del trigger, al fine di verificare l’accordo dei risultati ottenuti con le rate misurate durante il primo test di “commissioning” nella caverna di ATLAS, permettendo così per la prima volta di validare il programma di simulazione. Infine viene presentata l’analisi dei dati prodotti durante il test in caverna delle prime tre torri assemblate dello spettrometro a muoni.

(2006). The ATLAS muon trigger detector in the barrel: performance simulation and cosmic ray tests.

The ATLAS muon trigger detector in the barrel: performance simulation and cosmic ray tests

SOLFAROLI CAMILLOCCI, ELENA
2006-01-01

Abstract

The Large Hadron Collider (LHC) is the machine for proton and ion collisions in construction at CERN of Geneva. It will provide a very high energy in the center of mass, reaching the value of 14 TeV for proton-proton collisions, and giving the possibility to produce particles with mass up to few TeV. ATLAS is one of the LHC experiments. The ATLAS detector is characterized by its stand-alone Muon Spectrometer, based on an air-core toroid system, which generates a large field volume and a strong bending power with a light and open structure. In the barrel the ATLAS first level muon trigger relies on the Resistive Plate Chambers (RPC): these are gas ionization detectors which are characterized by a fast response and an excellent time resolution (σt ≤1.5 ns). A good understanding of the detector physics and a complete control of the performance are essential. For this purpose, a cosmic muon test stand has been built in the INFN Roma Tor Vergata Laboratory and a systematic test of the 192 biggest ATLAS RPCs was carried out. It consisted of a preliminary check of the detector status (gas-tightness and test of the electric circuits), and a characterization of every chamber: in particular the noise rate, the cluster size, the detection efficiency and the gap current have been studied for each detector. Moreover at H8 beam site at CERN, an ATLAS-like detector slice was assembled and tested with particle beams. The presence in the test of the tracking chambers (MDT), combined with the RPCs, allowed to the author an independent study of the RPC performances, exploiting the information extracted from the muon tracks reconstructed by the precision chambers. The assembly of the ATLAS detector in the cavern has already started and will be completed in almost one year. Then a phase of detector calibration and test will precede the beginning of the experiment, using the RPCs as trigger of cosmic rays. To optimize the selection of the cosmic muons, the author studied dedicated first level muon trigger configurations, using a Monte Carlo simulation (based on GEANT4). Although the ATLAS detector installation in the cavern is still undergoing, some subdetectors are already operative: three muon stations of the lowest sector are ready and working. This allowed to validate the trigger simulation and furthermore to start the muon station debugging.
2006
2005/2006
Fisica
19.
Il Large Hadron Collider (LHC) è l’acceleratore per collisioni di ioni e protoni attualmente in costruzione al CERN di Ginevra. Questa macchina permetterà di raggiungere un’elevata energia nel centro di massa (14 TeV per collisioni protone-protone), dando la possibilità di produrre particelle con masse fino all’ordine del TeV. ATLAS è uno degli esperimenti di LHC. Una delle principali caratteristiche del rivelatore di ATLAS è di avere uno spettrometro per muoni in aria, che opera come un rivelatore a sé stante. Nel barrel il trigger di primo livello dei muoni è fornito dalle camere RPC (Resistive Plate Chambers): rivelatori a gas in grado di fornire una risposta veloce con un’eccellente risoluzione temporale (σt ≤1.5 ns). In questa tesi sono presentati i risultati del primo test di funzionamento di un intero settore del rivelatore a muoni, svoltosi al test-beam H8 del CERN. Particolare attenzione è data allo studio sistematico della “cluster size” delle camere RPC (il numero di strisce contigue accese, che sono associate ad uno stesso segnale nel rivelatore). Questo studio ha mostrato come la “cluster size” osservata, lungi dall’essere casuale, dipenda in modo sistematico dal punto di impatto della particella sul piano di strisce di lettura. Viene inoltre descritto il test sistematico, mediante raggi cosmici, di 192 camere RPC di produzione (tipo BOL), che è stato allestito presso il laboratorio INFN di Roma Tor Vergata. Questo lavoro, che ha richiesto una corposa acquisizione dati, ha fornito la necessaria base statistica per uno studio accurato della rate di rumore e delle correnti di gap, dimostrando uno standard di qualità nella produzione seriale molto superiore a quello dei prototipi. L’ampia mole di dati acquisiti fornisce inoltre l’informazione necessaria per progredire nella comprensione della fisica del rivelatore. Successivamente viene presentata una simulazione Monte Carlo (in GEANT4) della logica di trigger di livello-1 con muoni cosmici, orientata a studiare le possibili configurazioni del trigger così da massimizzare la rate con i raggi cosmici durante la fase di “commissioning” del rivelatore. E’ stata inoltre prodotta una simulazione limitata a sei torri del trigger, al fine di verificare l’accordo dei risultati ottenuti con le rate misurate durante il primo test di “commissioning” nella caverna di ATLAS, permettendo così per la prima volta di validare il programma di simulazione. Infine viene presentata l’analisi dei dati prodotti durante il test in caverna delle prime tre torri assemblate dello spettrometro a muoni.
lhc; atlas; rpc; muon spectrometer; trigger; cosmic ray test; simulation; commissioning
Settore FIS/01 - FISICA SPERIMENTALE
English
Tesi di dottorato
(2006). The ATLAS muon trigger detector in the barrel: performance simulation and cosmic ray tests.
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