Total Cross Section Elastic Scattering and Diffraction Dissociation

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC IFAE 2004 - Torino TOTEM: fisica diffrattiva all’LHC Fabrizio Ferro INFN Genova http: //totem. web. cern. ch/Totem/ Collaborazione TOTEM: INFN Bari, CERN, ILK Dresda, INFN Genova, HIP Helsinki, IP Praga, Brunel University 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 1

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Obiettivi di TOTEM • Misura della sezione d’urto totale p-p a 14 Te. V con un’incertezza dell’ 1% e indipendentemente dalla luminosità • Misura dello scattering elastico p-p nel range 10 -3 < -t < 10 Ge. V 2 • Studio di eventi diffrattivi, insieme con CMS. 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 2

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Apparato sperimentale • Rivelatori inelastici – T 1 – CSC – T 2 – GEM Copertura ~3<| |<~5 Copertura ~5<| |<~7 • Leading proton detectors – Rivelatori al Silicio dentro a Roman Pots (a 147, 180, 220 m dall’IP) 14/04/2004 ~10 m ~14 m Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 3

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Rivelatori inelastici I rivelatori inelastici di TOTEM sono tracciatori, tracciatori disegnati per discriminare tra eventi beam-beam e di background (eg. beam-gas) per mezzo della riconstruzione del vertice primario. Risoluzione del vertice T 1 T 2 R Digital r/o pads z ~3 m Analog r/o strips 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 4

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Prototipo 2004 Roman pots Le RP consentono ai leading proton detectors di avvicinarsi al fascio. QRL (LHC Cryogenic Line) Camere a vuoto 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 5

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Leading proton detectors I LPD devono essere efficienti a partire da 10 (~1 mm)+0. 5 mm e devono fornire una buona risoluzione (~20 mm). Si planari con guard rings Si 3 D p+ T~-20 C edge n+ Al Guard rings ridotti ~70 mm Elettrodi creati dentro il bulk. Il bordo stesso è un elettrodo. Regione morta < 10 mm Test SPS: transizione in ~6 mm 14/04/2004 Transizione in ~60 mm Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino mm 6

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Ottica di LHC per TOTEM L TOTEM ~ 1028 cm-2 s – 1 TOTEM necessita di brevi run con un’ottica speciale ad alto-b* (1540 m) e bassa e Angoli di scattering di pochi mrad Alto- per una misura precisa dell’angolo di scattering (q*) = e / * ~ 0. 3 mrad Di conseguenza: elevata dimensione del fascio * = e * ~ 0. 4 mm Numero di bunches ridotto ( 43 e 156 ) per evitare interazioni “a valle” Parallel-to-point focusing ( v=0) : Le traiettorie di protoni diffusi allo stesso angolo ma provenienti da vertici differenti y = L y q y * + vy y * L = (bb*)1/2 sin m(s) x = Lx qx *+vx x*+ Dx v = (b/b*)1/2 cos m(s) Massimizzare L e minimizzre v 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 7

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Misura di tot Misura della sezione d’urto totale indipendentemente dalla luminosità usando il Teorema Ottico. Misura dello scattering elastico e inelastico con una precisione inferiore all’ 1%. 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 8

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Scattering elastico e diffrazione Coulomb scattering: d /dt 1/t 2 log p 1 ’ p 1 Interferenza Coulomb&Strong: r Scambio di Pomeroni exp(Bt) ”Struttura” p. QCD 0. 001 Regione 14/04/2004 |t| (Ge. V/c)2 0. 8 –t caratteristico(Ge. V/c)2 Coulomb Interferenza Coulomb –Strong Pomeron – Diffrazione Struttura Grande –t – Perturbative QCD p 2’ p 2 10 -4 10 -3 0. 8 5 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino Tipo di run * molto alto * alto/basso * basso/alto * basso * 9

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Scattering elastico b* = 1540 m 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 10

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Risoluzione su t e (t)/t vs risoluzione del rivelatore totale 14/04/2004 risoluzione su f vs t Divergenza angolare del fascio = 0 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 11

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Estrapolazione a t=0 La misura di tot necessita di (d. N/dt)t=0 che si può stimare con un errore statistico dello ~0. 1% (considerando 107 eventi ricostruiti dopo 10 h di run a L=1028). Uncertainty Beam divergence Energy offset 10% 0. 05% Beam/ detector offset 20 mm Crossing angle 0. 2 mrad Fit error 0. 05% 0. 1% 0. 06/0. 08 % 0. 08/0. 1% Theoretical uncertainty (model dependent) ~ 0. 5% 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 12

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Sezione d’urto inelastica Selezione: • trigger da T 1 o T 2 (double arm o single arm) • Ricostruzione del vertice (per eliminare il fondo beam-gas) Eventi persi Estrapolatione necessaria per eventi diffrattivi simulati Perdita a piccole masse 14/04/2004 Accettanza estrapolati rivelati Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 13

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Sezione d’urto totale ( inel. ~80 mb, el. ~30 mb) Perdite (mb) Double arm Single arm Incertezza dopo l’estrapolazione Minimum bias 58 0. 3 0. 06 2 x singolo diffractivo 14 - 2. 5 0. 6 Doppio diffractivo 7 2. 8 0. 3 0. 1 Doppio Pomerone 1 - - 0. 02 Elastico 30 - - 0. 1 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 14

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Diffrazione ad alto b* >90% dei protoni diffrattivi sono visti nelle the Roman Pots Il momento del protone può essere misurato con una risoluzione di qualche per mille 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 15

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC CMS/TOTEM è il rivelatore con la più grande accettanza mai costruito ad collider adronico 1 giorno di run a alto beta (1540 m) e L=1029 cm-2 s-1: 100 milioni di eventi minimum bias, includendo tutti i processi diffrattivi >90% di tutti i protoni diffrattivi vengono rivelati T 1, T 2 TOTEM+CMS 14/04/2004 Roman Pots T 1, T 2 Particelle cariche Flusso d’energia Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino microstation at 19 m ? Accettanza complessiva TOTEM/CMS (b*=1540 m) RPs 16

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Processi singolo diffrattivi p 1 * p 1 P = 1 - x. F = M 2/s p 2’ p 2 d /d p 2’ proton: p 2’ rapidity gap min = ln(2 p. L/p. T) max ln(2 p/p. T) -ln diffractive system: p 1* min 0 max D ln. Mdiff 2 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 17

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Processi doppio diffrattivi p 1 * p 1 P p 2* p 2 d /d diffractive cluster: p 2* 2 min 2 max 14/04/2004 1 min 1 max 2 min rapidity gap diffractive cluster: p 1* 2 max 1 min 1 max Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 18

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Scambio di doppio Pomerone Il Pomerone ha i numeri quantici del vuoto. PP: C = +, I=0, . . . p ’ 1 p 1 P P: JP = 0+, 2+, 4+, . . . P PP: JPC = 0++ p 2’ p 2 2 p Gap 0 Jet+Jet min max Gap diffractive system proton: p 2’ rapidity gap min 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino proton: p 1’ rapidity gap max 19

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Scambio di doppio pomerone p 1 p’ 1 P 2 M = 1 2 s P p 2 p’ 2 M (Ge. V) 1= 2 Collaborazione CMS/TOTEM per la fisica diffrattiva b* = 1540 m = 0. 5% b* = 200 -400 m = qualche ‰ b* = 0. 5 m = qualche ‰ =Dp/p 14/04/2004 Trigger tramite Roman pots > 2. 5 10 -2 Trigger tramite rapidity gap < 2. 5 10 -2 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 20

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Level-1 Trigger L=1028 cm-2 s-1 RP Elastic Trigger: Segnale: 500 Hz Background: 20 Hz CMS RP T 1/T 2 p p Single diffractive Trigger: Segnale: 200 Hz Background: 0. 1 Hz p Double Diffractive Trigger: Segnale: 100 Hz Central Diffractive Trigger: p Segnale: 10 Hz Background: 2 Hz Minimum Bias Trigger: Segnale: 14/04/2004 p 1 k. Hz Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 21

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Eliminazione fondi • • Beam Halo (dominante): riducibile con la coincidenza a 2 -bracci Shower particles da interazioni beam-beam, beam-gas, beam-machine: Riducibile tramite: – Coincidenze mutiple – Tagli angolari – Tagli sulla molteplictà di hit e tracce 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 22

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC • Per facilitare l’acquisizione comune, DAQ e Trigger saranno implementati in maniera CMS-compatibile – La compatibilità hardware e software apre la possibilità per TOTEM di unirsi al DAQ di CMS durante i run comuni. – I front-ends si conformeranno al CMS Trigger Control System nel caso in cui TOTEM voglia contribuire al Trigger di CMS. • Possibili schemi di trigger – Il GT di CMS riceve il trigger di TOTEM e manda un L 1 A sia ai front-ends di TOTEM sia a quelli di CMS. 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 23

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Scenario 1 2 3 4 (goal) low |t| elastic, tot , min. bias diffr. phys. , large p. T phen. intermediate |t|, hard diffract. large |t| elastic b* [m] 1540 200 - 400 18 N of bunches 43 156 936 2808 Half crossing angle [mrad] 0 0 100 - 200 160 Transv. norm. emitt. [mm rad] 1 1 3. 75 N of part. per bunch 0. 3 x 1011 0. 6 x 1011 1. 15 x 1011 RMS beam size at IP [mm] 454 880 317 - 448 95 RMS beam diverg. [mrad] 0. 29 0. 57 1. 6 - 1. 1 5. 28 Peak luminos. [cm-2 s -1] 1. 6 x 1028 (1 - 0. 5) x 1031 3. 6 x 1032 14/04/2004 2. 4 x 1029 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 24

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Esempi con differenti scenari Luminosità 2· 10 29 cm -2 s -1 Acquisizione dati per diffrazione soffice : 20 mb Doppio Pomerone : 1 mb 4 k. Hz 4· 10 8 eventi / 1 giorno 2· 10 7 eventi / 1 giorno Studio preciso di fenomeni diffrattivi soffici Luminosità 10 31 cm -2 s -1 Alcuni run con 4 10 5 s 4 10 36 cm -2 4000 evts / nb Scambio di Doppio Pomerone Masse elevate dell’ordine del Te. V c 10 6 -7 eventi b 10 3 -4 eventi Getti ad alto pt dijet coplanari con due protoni sopravvissuti e nient’altro Diffrazione singola con getti ad alto pt e leptoni Studio di rapidity gaps con l’identificazione dei protoni 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 25

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC • TOTEM TDR presentato all’LHCC a gennaio LHCC 2004 -002/TOTEM TDR 1 • Un TDR sul programma di fisica comune CMS/TOTEM verrà presentato in seguito. 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 26

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Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC Diffraction at LHC: • PP scattering at highest energy • Soft & Hard Diffraction < 0. 1 O(1) Te. V "gluon beams" E. g. Structure of the Pomeron F( , Q 2) down to ~ 10 -3 & Q 2 ~104 Ge. V 2 Diffraction dynamics? Exclusive final states ? • 14/04/2004 Rapidity gap physics - multigaps! Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 29

Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC L High b optics: lattice functions v= (b/b*)1/2 cos m(s) L = (bb*)1/2 sin m(s) v 14/04/2004 Fabrizio Ferro – IFAE 2004 Torino 30