LHC & ATLAS. Gökhan Ünel - Univ. Irvine UPHDYO V

Transkript

1 LHC & ATLAS Gökhan Ünel - Univ. Irvine UPHDYO V

2 sözlük 2 Onlar Siz Ben bunch paketçik bohça detector dedektör algıç calibration kalibrasyon ayarlama alignment? hizalama background fon ardalan collimator? eşçizgileyici Parçacık Fiziği: Maddenin temel yapıtaşlarını ve bunların etkileşmelerini anlamaya ve deneysel gözlemleri bunlarla açıklayan bilim dalı.

3 konular LHC genel bilgiler Bu makinaya neden ihtiyacımız var? Nasıl yapılmış, nasıl çalışıyor? Test çalışmasından örnekler. 3 LHC de çarpışmalar Ne çarpışıyor? Nasıl oluyor? 4 deney aleti hangileridir?, hangi fizik konularına bakılacak? ATLAS Deneyi TRG ref., DAQ, imalat Algıçlar (İç algıç, Enerji ölçümü, Müon algıçları) Çalışılacak olan fizik: Fener fiziği Beklenen ve beklenmeyen keşif fiziği

4 İnsan meraklı bir canlıdır. 4 Fizik deneysel bir bilimdir.

5 Bu sıralar merak edilenler Maddenin temel yapıtaşları nelerdir? Niçin kütlemiz var? Madde-karşımadde simetrisi nasıl kırılmış? Madde parçacıkları ve kuvvet taşıyıcılar arasında temek bir simetri var mı? Evrende gerçekten 4 kuvvet mi var? Bu kuvvetler tek bir birleşik kuram ile açıklanabilir mi? SM de fermionlar kütlesizdir, Higgs elle konur SM birbirine yakın oranda madde / anti-made oluşumu önerir SM madde parçacıkları ½ spin, kuvvet taşıyıcıları tam spindir SM bilinen kuvvetleri birleştirmez. 5 Yaşadığımız evren 3+1 boyutlu mu? SM boyut sayısını vermez. Karanlık madde & karadelik nedir? Labda üretilebilir mi? SM evrenin yalnız %~4ünü oluşturuyor.

6 Bu merak nasıl giderilecek? 6 Bilinen formülle başla: E=mc 2, ilk evrende var olmuş olan ağır temel parçacıklar yeniden üretilebilir, bu temel parçacıklar araştırılarak, evreni en temek seviyede açıklayan yasalar bulanabilir. Amaçlarımız: Hızlandırılan parçacıklar enerji kazanır. Çarpışmalar kütle-enerji-kütle dönüşümünü sağlar. Algıçlar çıkan parçacıkları inceleyip etkileşmeleri ve bunların arkasındaki fizik kurallarını anlamamızı sağlar.

7 LHC deki pp çarpışmaları buradaki şartlara denktir LHC Entering Opera/on 3

8 Large Hadron Collider LHC makinası Lake of Geneva CMS LHC tünelinde daha önce LEP e+e- çarpıştırıcısı vardı. (2009 dan sonra) Ldesign = 1034 cm-2 s-1 (2012/3 dan sonra) ALICE Heavy ions ort s = 14 TeV Airp LHC de proton ve ağır iyon çarpışmaları olacak: pp s = TeV Linitial < few x 1033LHCb cm-2 s-1 ATLAS (e.g. Pb-Pb at ~ 1150 TeV) Large Hadron Collider (LHC) çevre uzunluğu 27 km olan halka tipi bir çarpıştırıcıdır. Genevre yakınlarında yerin 7 yaklaşık 100m altında bir tünelde barınır.

9 Hedef : Lumi=10 34 Demet-demet etkileşmeleri β*=0.5m ε*=3.75μm --> proton / bohça Lumi / bohça = > 2808 bohça gereklidir bohçalar arası 7.5 m 7 TeV, 0.5A/demet => 350 MJ/demet 9 3lü mıknatıslarla son focus (triplets) bohça arası=25 ns, bohçaları ayırmak için açılı çarpışma yapılır. (boru içinde p-p aralığı 194mm) etkileşme noktasında demet boyu 16μm, açısı 300 μrad. bu etkileşme noktasına ~24m uzaklıktaki üçlü mıknatıs triplet ile yapılır.

10 LHC hızlandırıcı complex tamamı Linac Booster LHC haklası 8 bölgeye ayrılmıştır PS SPS LHC > 50 yıldan sonra CERN hızlandırıcı 9 düzeneği hala ayakta

11 LHC nin yapısı slide borrowed from Lynn Evans

12 LHC genel bilgiler 4.6 milyar CHF atm boşluk toplam mıknatıs sayısı: süper-iletken dipole mıknatıs aslında bir boru içinde 2 mıknatıs, arası 56mm!!! 11 protonlar saniyede tur atarlar

13 LHC hızlandırıcı zorluk: Dipol Mıknatıslar uzunluğunda 35T ağırlığında Evrendeki en cool halka? 1.9 K (CMBR yaklaşık 2.7 K) LHC mıknatısları yüksek-basınçlı superakışkan helium ile soğutulurlar. Gereken dipol manyetik alan enerjiye ters, yarıçapa düz oranlıdır. p = 7 TeV ve R = 4.3 km ise: B = 8.4 T gereklidir. Akım A ancak süperiletkenlikle sağlanır.

14 süperiletkenler ve soğutma km Nb-Ti superiletken kablo kullanıldı. Nb-Ti 10 K de superiletken olmaya başlar verebileceğimiz max akım bellidir; kabloların kesit alanı bellidir --> istediğimiz ısı bulunur. ker hablo: 36 sarım km sarım her sarım: 6400 tek tel 1.9K e 3 adımda erişilir. 300->80K: T sıvı N ile He soğutulur. 80->4.5K: sıvılaşan He mıknatısların içine yollanır. 4.5->1.9K: son soğutma (supek akışkanlık için) bu soğukluk için yaklaşık 170 kw güç gerekir. Genevre kantonu=120mw her tel: 7μm çap

15 LHC başlama planı 15 Eylül 2009 sonu makine kapanıyor, 24/7 nöbetler başlıyor. Ekim 2009 sonu demetler dönmeye başlıyor İlk çarpışmalar kışında olacak TeV : 100 pb -1 veri toplanacak TeV: 2010 bahar veya yazında. sonra TeV için hazırlık molası verilecek İlk verilerle yapılacak işler algıcın hızalanması ve ayarlanması, SM süreçlerin tekrar edilmesi. süreç olay/s Σ olay/ 10fb -1 önceki deneylerde Σ olay (2007 de) Z ee LEP t tbar Tevatron b bbar Belle/Babar H m=130 GeV ? Susy, m g=1 TeV Black Holes (md=3 TeV) L=10 33

16 10 Eylül 2008: LHC çalışmasının ilk günü ilk (tek) demetler halka içinde döndüler Tasarımdan gerçekleşmeye kadar görev alan 5 CERN müdürü: Schopper, Rubbia, Llewellyn Smith, Maiani, Aymar (sağdan sola) 14

17 İlk Tur: 10 Eylül sabah 10:30 da ALICE deneyi yakınındaki bir ekranda görülen 2 dairesel iz, DEMET 1 in 1 defa döndüğünü gösterdi 09:30: Çalışmalar başlıyor 10:30: Demet 1 (saat yönü) dönüşü tamamlıyor 15:00: Demet 2 (ters saat yönü) dönüşü tamamlıyor 22:00: Demet 2 yüzlerce defa dönüyor demet enerjisi: 450 GeV, demet yoğunluğu: 2 x 10 9 proton / bohça

18 Demetler superiletken Radyo-Frekansı (RF) kovuklar tarafından hızlandırılır proton makinelerinde hızlanma dert olmaz. Sinkrotron ışınımından doğan enerji kaybı ~ 1/m 4 [~ E 4 beam/rm 4 ] LHC at 7 TeV LEP at 100 GeV Synchrotron radiation loss 6.7 kev/turn 3 GeV/turn Peak accelerating voltage 16 MV/beam 3600 MV/beam 12

19 RF yakalanmasını hatırlayalım 19 Eğer frekans ve faz doğru tutulursa, parçacıklar bohça içinde kalmaya devam ederler yoksa dağılırlar.

20 LHC de RF ile protonların yakalanması RF yok, bohçanın bozulması ~ 25*10 tur aldı, yani yaklaşık 25 ms İlk yakalama denemesi, yanlış faz Yakalama, birinci dereceden düzeltilmiş injection fazıyla. Tam yakalama, tam doğru injection fazıyla. 20 Courtesy E. Ciapala her satır 1 LHC turu, zaman yukarı doğru

21 LHC de durum: tamir bitmek üzere. Biten bölgeler soğutuluyor.

22 konular LHC genel bilgiler Bu makinaya neden ihtiyacımız var? Nasıl yapılmış, nasıl çalışıyor? Test çalışmasından örnekler. 22 LHC de çarpışmalar Ne çarpışıyor? Nasıl oluyor? 4 deney aleti hangileridir?, hangi fizik konularına bakılacak? ATLAS Deneyi TRG ref., DAQ, imalat Algıçlar (İç algıç, Enerji ölçümü, Müon algıçları) Çalışılacak olan fizik: Fener fiziği Beklenen ve beklenmeyen keşif fiziği

23 25 ns Event rate: N = L x σ (pp) 109 interactions/s Mostly soft (low p T ) events Interesting hard (high-p T ) events are rare

24 ee mi yoksa pp mi? 24 çok güçlü algıçlar gerekir. Elektronlar (pozitronlar) noktasal parçacıklar olup iç yapıları yoktur. Hızlandırıcının enerjisi, yani 2 defa demet enerjisi tamamen çarpışmaya aktarılır. Ecoll= Eb1+ Eb2= 2Eb İyi: Çarpışma enerjisi hassas olarak belli bir kütle bölgesine ayarlanabilir (Z). hassas ölçüm (LEP) Kötü: Bir enerjiden sonra çok fazla synchrotron ışınımı olduğu için, elektron kullanmak etkin olmuyor Protonlar (antiprotonlar) gluonlar tarafından bir arada tutlan quarklardan (uud) oluşurlar. Demetlerin enerjileri protonun yapıtaşları tarafından taşınır. Çarpışmayı aslında proton değil yapıtaşlarından biri yapar: Ecoll < 2Eb İyi: tek bir demet enerjisiyle farklı süreçlerli ve farklı kütleleri taramak mümkündür. Keşif makinesi (LHC) Kötü: Çarpışmaya aktarılabilen enerji hızlandırıcı enerjisinden azdır ve bütün süreçlerin büyük bir ardalanı olur.

25 LHC Deneyleri 25 İlk çarpışmalar Kasım 2009 da bekleniyor. CMS: general purpose 2900 Physicists 184 Institutions 38 countries 550 MCHF TOTEM ATLAS general purpose 2800 Physicists 169 Institutions 37 countries 550 MCHF ALICE: Heavy Ions 1000 Physicists 105 Institutions 30 countries 150 MCHF LHCb: B-physics, CP-violation 700 Physicists 52 Institutions 15 countries 75 MCHF Plus two much smaller experiments with very forward detectors at Point-1: LHCf Point-5: Totem

26 Tesir kesitleri ve üretim hızları L = cm -2 s -1 ile: (LHC) Inelastic proton-proton reactions: 10 9 / s bb pairs / s tt pairs 8 / s W e ν Z e e 150 / s 15 / s Higgs (150 GeV) 0.2 / s Gluino, Squarks (1 TeV) 0.03 / s LHC bir fabrikadır: top-quarks, b-quarks, W, Z,. Higgs, Zorluk: bütün bu parçacıkları algılamak lazım! 31

27 Deneysel Zorluklar 27 Yüksek etkileşim miktarı Her biri 100 milyar proton içeren bohçalar her deneyin merkezinden saniyede 40 milyon defa geçecekler. ATLAS ve CMS de her saniye yaklaşık 1 milyar protonproton etkileşimi olacak (ALICE ve LHCb de bir kaç yüz kat daha az). Yüksek Parçacık yoğunluğu: Her 25ns de binlerce parçacık algıçın içine giriyor. ATLAS ve CMS de ~ 100 M kanal veri ~ 1 MB/25ns yani 40 TB veri / s# Yüksek Radyasyon seviyeleri Radyasyona dayanıklı algıçlar ve elektronik malzeme

28 konular LHC genel bilgiler Bu makinaya neden ihtiyacımız var? Nasıl yapılmış, nasıl çalışıyor? Test çalışmasından örnekler. 28 LHC de çarpışmalar Ne çarpışıyor? Nasıl oluyor? 4 deney aleti hangileridir?, hangi fizik konularına bakılacak? ATLAS Deneyi TRG ref., DAQ, imalat Algıçlar (İç algıç, Enerji ölçümü, Müon algıçları) Çalışılacak olan fizik: Fener fiziği Beklenen ve beklenmeyen keşif fiziği

29 29 ATLAS Algıcı, deney alanı ve mağrası: Point-1 Uzunluk = 55 m Genişlik = 32 m Yükseklik = 35 m Side C Side C Side A Side A

30 ATLAS Algıcı m ATLAS superimposed to the 5 floors of building m 7000 Tons 44

31 LHC de Demet (tek) ilk defa 10 Eylül 2008 tarihinde dolaştı m ötedeki üçüncül eşçizgileyici Demet saçılma olayları her 4 algıçta da gözlendi.

32 32 10 Eylül 2008 ATLAS da ilk demet saçılması olayı (saat 10:19) Anında (online) görüntüleme Sonradan (offline) görüntüleme 61

33 p-p çarpışmaları 33 ~40MHz çarpışma x 25 pp etkileşme = ~1 GHz etkileime hızı her olay ~1.5MB veri veri/saniye miktarı dünyadaki herkes tarafından aynı anda yapılan ~ 20 telefon konuşmasıyla aynıdır. bu kadar çok veriyi kaydedip işleyemeyiz en ilginç olayları seçip sırf onlarla ilgilenmeliyiz.

34 Olay seçimi ve okuması: TDAQ 34 1GHz den 300Hz e seçim yapılmalı. (gerçek zamanda 10milyon defa) LVL1 tetikleme sonuçları 100kHz de gelir. Yerel kaba (genel) bilgiyi kullanarak (kalorimetre, muonlar), iç iz sürme bilgisini kullanmadan LVL1 in bulduğu ilginç bilgilerin coğrafi yerlerine İlginç Bölgeler (Regions of Interest) denir Bu bilgi LVL2 de ilgili algıçların yerel verileri kullanarak olayı incelemesini sağlar LVL2 olay hızını 3-4 khz e indirir. kısmi olay bilgisini kullanarak. LVL3 olay hızını Hz e indirir. tam olay bilgisini kullanarak.

35 Mass Storage ~ 300 MB/s TDAQ Sub-Farm Output Event Filter Network Dataflow DAQ SFO EFN Mimari (yapısal görünüm) EF accept (~0.2 khz) ~ sec Trigger EFP EF ~ 200 Hz Event Filter Processors Event Filter 35 Event Builder ~ 4 GB/s Read-Out Systems 120 GB/s Sub-Farm Input Dataflow Manager Event Building Network Read-Out Buffers Read-Out Links Read-Out Drivers FE Pipelines Det. R/O EB DFM ROS SFI Other detectors EBN ROB ROB ROB ROD ROD ROD Calo MuTrCh L2 accept (~3 khz) RoI data (~2%) RoI requests L1 accept (100 khz) 40 MHz L2N L2SV ~10 ms 2.5 µs High Level Trigger L2P ROIB RoI L2 Level 1 ~3 khz L2 Network L2 Processing Units RoI Builder L2 Supervisor Level khz 40 MHz

36 Regions Of Interest Requested event data Event data requests Delete commands Gigabit Ethernet ATLAS da olayların izlediği yol 36 CERN computer centre Data storage Event rate ~ 200 Hz 6 Local Storage SubFarm Outputs (SFOs) DataFlow Manager dual-cpu nodes ~1600 Event Filter (EF) Network switches ~100 Event Builder SubFarm Inputs (SFIs) ~ 500 LVL2 farm pros stores LVL2 output Secondlevel trigger SDX1 yerüstü Network switches LVL2 Supervisor Event data pulled: partial 100 khz, full ~ 3 khz ~150 PCs 1600 Read- Out Links Data of events accepted by first-level trigger VME Dedicated links USA15 UX15 yeraltı RoI Builder Read-Out Subsystems (ROSs) Timing Trigger Control (TTC) Read- Out Drivers (RODs) Firstlevel trigger Event data 100 khz, 1600 fragments of ~ 1 kbyte each şimdi bu 3 yere bakalım=>

37 ATLAS Cavern 46

38 38 Algıç elektroniği, algıç kontrolü, tetikleme ve veri okuma elektroniği sistemleri geçen zaman boyunca algıcın kozmik ışınlarla test edilmesiye birlikte bir araya getirildi. LAr kalorimetre okuma elektroniğin bir kısmı 1. Seviye Trigger elektroniğin bir kısmı Yer altındaki odalarda yaklaşık 300 dolapta (racks) gereken elektronik okuma aletleri bulunur.

39 SDX1 ATLAS HLT Farms Final size for max L1 rate (TDR) ~ 500 PCs for L2 + ~ 1800 PCs for EF (multi-core technology) For 2008: 850 PCs installed total of 27 XPU racks = 35% of final system (1 rack = 31 PCs) (XPU = can be connected to L2 or EF) x 8 cores CPU: 2 x Intel Harpertown quad-core 2.5 GHz RAM: 2 GB / core, i.e. 16 GB Final system : total of 17 L EF racks of which 28 (of 79) 5 racks SUSY2009, Northeastern June 09, P Jenni (CERN) as XPU 53 LHC Entering Opera/on

40 ATLAS Algıcının Yönetim Odası: Eyül 2008 de LHC den ilk olaylar 40

41 Hızlı cevap verip ilginç olayların seçimini sağlayan algıçlar Okuma & veri kaydı. Parçacık algıçlarına kısa giriş Değişik parçacıklar bazı malzemelerde farklı izler bırakırlar Bu malzemelerden çeşitli algıçlar yapılıp, etkileşmelerde çıkan parçacıklar izlenebilir. Yani etkileşmenin kendisi izlenebilir 41 Momentum Ölçümü manyetik alan altında bırakılan izlerin takibi silicon (pixel + strip) izsürücü izlere bakarak parçacıkların tanınması Enerji Ölçümü EM kalorimetre Hadron kalorimetre

42 42

43 ATLAS Algıcının parçaları 43 İz sürme (İç Algıç) η <2.5 2T solenoid ile silicon (pixel + strip) izsürücü geçiş ışınımı izsürücüsü (TRT) e/π ayrışımı b işaretleme etkinliği %50 Enerji Ölçümü η <5.0 EM kalorimetre : Pb-LAr, akordiyon şeklinde Hadron kalorimetre : Fe/Sci (merkez), Cu/W-LAr (ön kısım) Muon Ölçümü η <2.7 4T toroid spektrometre MDT ve CSC : iz sürmek için RPC ve TGC : hızlı tetiklemek için

44 ATLAS Algıcının parçaları 44 Solenoid Muon detectors Barrel Toroids Endcap Toroids Forward calorimeter Hadronic calorimeter Electromagnetic calorimeter Inner detectors

45 Transition radiation turn-on observed with high-momentum muons as compared to test beam results İz sürme Silikon algıcı Pixel : R=12.3cm ideal 16μm, kozmik 24μm hassasiyet SCT : R=51.4cm ideal 24μm, kozmik 30μm hassasiyet TRT algıcı R=108.2cm ideal 130μm, kozmik 187μm hassasiyet 45

46 Enerji Ölçümü 46 EM kalorimetre: 22X o L1 Tetiklemeye dahil (JEP) η:3.2 veri η:2.5 tetikleme Cu/Pb Lar karışımı %1 hata, yüksek çözünürlük ΔηxΔΦ=0.02x0.02 )%$&2(% <=)% #=)% #=!% <=!% Measure energy better than 1% at high energies Hadron kalorimetre η:1.7 veri Çelik-sintilatör karışımı, 2 yönlü okuma iyi çözünürlük: ΔηxΔΦ=0.1x0.1 (,%/"&'()*'0% %.;03361#<(')#>#= =#>#?'D@#@#A#####

47 Müon sistemi 47 4 Farklı algıç Varil bölgesi tetikleme: RPC, iz sürme: MDT kapak bölgesi tetikleme: TGC, iz sürme: MDT,CSC Yaklaşık 1M kanaldan veri gelir μm hassasiyet 6 GeV ve üstü muonların tetiklenmesi mümkündür.

48 LHC deki kazadan sonra ATLAS kendini kozmik ışınları tetikleyip okumaya verdi. >300 Milyon olay kaydedildi. 2 malzeme indirme ve 2 asansör kuyuları rahatlıkla seçiliyor. 48 ATLAS RPC izlerin kesişme noktasının yüzeye izdüşümü

49 ATLAS İç Algıcı ve Muon Spectrometri arasındaki bağ 49 MS Muon φ açısı ID İç Algıç tafından ölçülen momentum ile Muon Spektrometresinden gelen sonuçların karşılastırılması (~ 3 GeV enerji kalorimetrede yutuluyor) Muon momentumu (manyetik alan ile)

50 Fener fiziği 50 Veya ilk çarpışmalarden ne bekleyebiliriz? (10 TeV de pb -1 data ile) Algıcın yeteneğini LHC ortamında anlamak ve ilk ölçümleri yapmak: minimum bias olaylarda particle çokluğu : bir kaç saatlik veri QCD jet tesir kesitini ~30% hata ile ölçmek. W, Z tesir kesitlerini 10% hata ile ölçmek: 100 pb -1 top quark sinyalini ile görmek : ~ 50 pb -1 tt tesir kesitini %20 & m top 10GeV hatayla ölçmek: 100 pb -1. PDF bilgimizi W/Z bozonları ile O(100) pb -1 veri kullanıp arttırmak. MC nun gerçeğe ayarlanması (minimum-bias, alt olaylar, tt, W/Z +jets, QCD jets, ) Ve daha ilginç keşifler: SUSY : gluino ~ 1 TeV? Z ~ 1 TeV kütleye dek? Sürprizler?

51 Sonraki Fizik Amaçları 51 Higgs bozonunu bulup SM in deneysel doğrulamasını tamamlamak (veya tersi! - Higgssiz modeller de var.) SM de kütlesiz, sağ ve sol elli fermiyonlar vardır, Ani simetri kırılması ve Higgs mekanizması ile kütle kazanılır SM ötesi kuramları bulmak SuperSymmetry GUTs ExtraDimensions Little Higgs Technicolor Composite models...?

52 Higgs Avı 52 LEP limit m H > GeV discovery in 1 st year for any H mass

53 Susy Avı 53 Eğer Susy skalası TeV civarındaysa, yeteri sayıda üretimi olacaktır. Eğer L =10 31 cm -2 s -1 de günde 1 olay bekliyoruz q q g Zincirleme bozunumlar sonunda çok ilginç son durumlar (bir çok jetlar, leptonlar, kayıp dik enerji) bekliyoruz. χ~ 0 1 Bozunum sorunda ortaya çıkan en hafif süpersimetrik parçacık (lsp) kararlıdır, yüksüzdür ve zayıf etkileşir. algılanmadan kaçar(ν gibi) son durumda kayıp dik enerji verir. Kayıp E T ~ χ 0 1

54 Sonuç 54 LHC şimdiye kadar yapılmış bilim projeleri içinde sınırları en çok zorlayanlardan biridir. 10 Eylül 2008 deki çok başarılı başlangıçtan sonra, LHC, 2 mıknatıs arasındaki arızalı elektrik bağlantısının neden olduğu bir kazadan sonra çalışmalar durdu. Tamir işleri başarıyla ilerlemekte ve ilk çarpışmaların yapılacağı tarih olarak Kış 2009 olarak görünmektedir. Önce 7 sonra 10 TeV de yapılacak olan bu veri toplamanın 2010 yazına kadar sürmesi beklenmektedir. Deneylerin kozmik ışınlarla veri toplaması devam etmektedir. Bu verilerle algıçların ilk ayarlanması, hizalanması, zamanlama ölçümlerinin vs yapılması mümkün olmuştur. Deneyler çarpışma verilerini toplamaya hazırdır. ATLAS deney sonuçlarını incelemeye hazırdır. Önce bilinen sonuçlar tekrar edildikten sonra yeni fizik aranacaktır. Doğanın SM ötesinde ne fizik kullandığını bilmiyoruz. Bahisler hala açıktır.

55 55 Dikkatiniz için hepinize teşekkürler, Davetiniz için bütün kurullara teşekkürler, ÖDEVLER Eger LHC protonlarını LEPII elektronları ile çarpıştıracak olsak, nasıl bir algıç geometrisi bize en yararlı olur? Sayfa 14 deki resimde pp çarpışmasının bazı özellikleri yazılmıştır. e+e- çarpışması için bunların hangileri geçerlidir? Yedek sayfalar...

56 Unification of Forces

57 FAQs 57 The total energy in each beam at maximum energy is about 350 MJ, which is about as energetic as a 400 t train, like the French TGV, travelling at 150 km/h. This is enough energy to melt around 500 kg of copper. The total energy stored in the LHC magnets is some 30 times higher (11 GJ). 10h beam circulation time Protons at full energy in the LHC will be travelling at times the speed of light.

58 Worldwide LHC Computing Grid (wlcg) Balloon (30 Km) WLCG is a worldwide collaborative effort on an unprecedented scale in terms of storage and CPU requirements, as well as the software project s size CD stack with 1 year LHC data! (~ 20 Km) GRID computing developed to solve problem of data storage and analysis Concorde (15 Km) LHC data volume per year: Petabytes One CD has ~ 600 Megabytes 1 Petabyte = 10 9 MB = Byte (Note: the WWW is from CERN... ) 50 CD-ROM = 35 GB 6 cm Mt. Blanc (4.8 Km) 54

59 wlgc: Worldwide LHC Computing Grid 59 Tier-0 (CERN): Data recording Initial data reconstruction Data distribution Tier-1 (11 centres): Permanent storage Re-processing Analysis Tier-2 (federations of 130 centres): Simulation End-user analysis

60 H f Higgs decay modes ~ m f Remember: light fully-hadronic final states cannot be extracted from QCD background at hadron colliders m H < 130 GeV : H bb, ττ dominate best search channels at the LHC : qqh qq ττ, tth bb l+x (?) H γγ (rare decay mode) This is the most difficult region (S/B <<1)! m H > 130 GeV : H WW (*), ZZ (*) dominate best search channels at the LHC : H ZZ (*) 4l (gold-plated) H WW (*) lν lν Especially in the region m H <130 GeV, excellent detector performance needed to suppress the huge backgrounds: b-tag, l/γ E-resolution, γ/j separation, missing E T resolution, forward jet tag, etc. Higgs searches used as benchmarks for ATLAS and CMS detector design 86

61 Upgrade components Proton flux / Beam power 50 MeV 160 MeV Linac2 Linac4 1.4 GeV 4 GeV PSB LPSPL Output energy 26 GeV 50 GeV 450 GeV 1 TeV PS SPS PS2 SPS+ LPSPL: Low Power Superconducting Proton Linac (4 GeV) PS2: High Energy PS (~ 5 to 50 GeV 0.3 Hz) SPS+: Superconducting SPS (50 to1000 GeV) SLHC: Superluminosity LHC (up to cm -2 s -1 ) DLHC: Double energy LHC (1 to ~14 TeV) 7 TeV LHC / SLHC DLHC ~ 14 TeV L. Evans EDMS