Large mass dimuon detection in the LHCb experiment

The LHCb experiment will take place at the future LHC accelerator at CERN and will start in 2007. It is a single arm spectrometer dedicated to study CP violation and rare phenomena in b hadron decays. LHCb is designed with a robust and high-performance trigger, optimised to exploit the large number of b hadrons produced at LHC. This will allow to pursue an extensive program on Bphysics, over-constraining the Standard Model predictions about CP violation, and discovering any possible inconsistency (“New Physics”). The LHCb experiment has finished its R&D at the end of 2003, when the reoptimised design of the detector has been carried out. At the time of this thesis, the LHCb detector is under construction and it is expected to be complete for the first data taking in the second half of 2007. The LHCb Muon System will play a fundamental role in the experiment. Muon triggering and offline muon identification are in fact fundamental requirements of the LHCb experiment: muons are present in the final states of many CP-sensitive B decays and also in some rare B decays which may reveal new physics beyond the Standard Model. The muon detector will be equipped with 1368 multiwire proportional chamber produced in six different sites; thus, a stringent procedure for the quality control test during and after the chambers construction has been adopted. The commissioning of the Muon System is expected at the beginning of 2007. The structure of this thesis consists of two main parts: in the first part (Detector studies), the work is focused on the performances of the Multiwire Proportional Chambers, adopted for the detection of muons in LHCb, while in the second part (Physics studies) it is focused on the study of the LHCb potentialities to improve the knowledges of the proton Parton Distribution Functions with the physical channel Z0→µ+µ−. The work described in the first part is concentrated on the cosmic rays test station developed in Rome2 in order to carry out the study of the detectors performances. In particular, the cosmic rays stand allows to perform a detailed study of the detector tracking capabilities and to obtain precise measurements of the efficiency and gas gain uniformity of the produced chambers. In the second part of the thesis is reported a study of the process pp → Z0 → µ+µ−. The aim of the study is to demonstrate that, in spite of the limited angular acceptance and the optimization for a different kind of physics, the number of Z0 detected at LHCb is sufficient to make profitable physics. Moreover, the foward design of the spectrometer allows to study the proton structure in a kinematic region not probed by the present experiments. A particular focus has been put on the effect of the LHCb geometrical acceptance on the cross section sensitivity to the various set of partons, simulating the process with two event generators, PYTHIA and MC@NLO.

L’esperimento LHCb avrà luogo nel futuro acceleratore LHC del CERN e avr` a inizio nel 2007. LHCb è uno spettrometro a braccio singolo dedicato allo studio della violazione di CP e dei fenomeni rari nei decadimenti degli adroni contenenti il quark b. LHCb è stato progettato con un trigger robusto e di alte prestazioni, ottimizzato per sfruttare il grande numero di adroni contenenti il quark b che verranno prodotti ad LHC. Questo permetter` a di portare avanti un ampio programma di fisica del B, verificando le predizioni del Modello Standard sulla violazione di CP e scoprendone qualsiasi possibile inconsistenza (“Nuova Fisica”). L’esperimento LHCb ha completato il suo R&D alla fine del 2003, con la progettazione di un rivelatore “ri-ottimizzato”. Al momento della stesura di questa tesi, il rivelatore LHCb ` e in fase di costruzione ed il suo completamento ` e previsto per la seconda metà del 2007 . Il sistema di muoni di LHCb giocher` a un ruolo fondamentale nell’esperimento. Il trigger di muoni e l’identificazione off-line di muoni costituiscono infatti requisiti fondamentali dell’esperimento: i muoni sono presenti negli stati finali di molti decadimenti dei mesoni B sensibili alla violazione di CP ed anche in alcuni decadimenti rari dei B che potrebbero rivelare nuova fisica oltre il Modello Standard. Il rivelatore di muoni sarà equipaggiato con 1368 camere proporzionali a fili costruite in sei diversi centri di produzione; per questo motivo, è stata adottata una rigorosa procedura di test durante e dopo la costruzione, per il controllo di qualità dei rivelatori. Il completamento del sistema dei muoni è previsto per l’inizio del 2007. La struttura di questa tesi consiste di due parti principali: nella prima parte, il lavoro è focalizzato sulle prestazioni delle camere a fili, adottate in LHCb per la rivelazione dei muoni, mentre nella seconda parte è focalizzato sullo studio delle potenzialità di LHCb di migliorare la conoscenza delle funzioni di distribuzioni partoniche del protone attraverso il canale Z0→µ+µ−. Il lavoro descritto nella prima parte è concentrato sulla stazione di test con i raggi cosmici sviluppata a Roma2 al fine di studiare le prestazioni dei rivelatori. In particolare, la stazione di test permette di realizzare uno studio dettagliato delle capacità di tracciamento del rivelatore e di ottenere misure precise dell’efficienza e dell’uniformità di guadagno del gas delle camere prodotte. Nella seconda parte della tesi viene riportato lo studio del processo pp → Z0 → µ+µ−. Lo scopo dello studio è di dimostrare che, a dispetto della limitata accettanza angolare e dell’ottimizzazione per un diverso tipo di fisica, il numero di Z0 rivelate in LHCb è sufficiente per realizzare della fisica proficua. In più, la geometria in avanti dello spettrometro permette di studiare la struttura del protone in una regione cinematica non sondata dagli attuali esperimenti. In particolare l’attenzione è stata posta sull’effetto che l’accettanza geometrica di LHCb avrà sulla sensitività della sezione d’urto di produzione ai vari set di partoni, simulando il processo con due generatori di eventi, PYTHIA e MC@NLO.