In this contribution ATLAS forward physics program is illustrated. ATLAS forward detectors, including the upgrade project AFP, are described and the first measurements are shown

Fabbri, Laura

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ATL-LUM-SLIDE-2009-38228December2009   On behalf of the   ATLAS CollaborationATLAS and forward physicsLaura FabbriINFN and University of BolognaL.Fabbri ‐ DIFF2010Forward Physics and strategyThe ATLAS forward detectorsForward Physics with the present detectorsPossible futureConclusionsOutline2L.Fabbri ‐ DIFF2010 3HForward Physics topics Soft Diﬀraction Single Diﬀraction (SD) Diﬀractive mass distribution Hard Diﬀraction Diﬀractive di‐jet production Central Exclusive Production (CEP) Gaps Between jetsL.Fabbri ‐ DIFF2010Strategy Rapidity Gaps in diﬀerent η regions and with diﬀerent conﬁgurations and/or measurement of forward protons:  forward regions for Single Diﬀractive (SD), double diﬀractive and Central Exclusive Production (CEP) central calorimeter (jet‐jet) (DPE) Requirements: Dedicated detectors Low noise in detectors Single event, no pile‐up!4L.Fabbri ‐ DIFF2010ATLAS Forward Detectors5LUCID at 17 mZDC at 140 mALFA at 240 m2010Absolute Luminosityfor ATLASZero Degree CalorimeterLuminosity ČerenkovIntegrating DetectorMinimum Bias Trigger ScintillatorMBTS at 3.6 mon both sideL.Fabbri ‐ DIFF2010 6ATLAS pseudo‐rapidity coverage Atlas consists of a number of detectors that are useful for diﬀractive studies:The central detector covers the following η ranges:• Inner tracker |η| < 2.5• EM calorimeters |η| < 3.2• Hadronic calorimeters |η| < 4.9• Muon spectrometer |η| < 2.7The forward detectors cover the following • MBTS 2.1 < |η| < 3.8• LUCID 5.6 < |η| < 5.9• ZDC  |η| > 8.3• ALFA 10.6 < |η| < 13.57MBTSZDCL.Fabbri ‐ DIFF2010The ALFA Roman Pots7InelasticElasticStrongElastic  EMALFA Aim to measure elastic pp‐scattering down to very small angles  Need special (High β*) optics Low luminosity special runs (L=1027 cm‐2 s‐1) Parallel‐to‐point focussing   detector resolution σd = 30 μm (t‐resolution dominated by beam divergence)  radiation tolerance 100 Gy/yr (dominated by beam halo)L.Fabbri ‐ DIFF2010 8Systematics on L:• beam divergence and optics• detector acceptance, resolution & alignment• background from halo (beam‐gas, oﬀ‐momentum, betatron oscillations)• Background from non‐elastic interactions  Fit to simulated dN/dt data corresponding to ~ 1 week  (10M events) of running at  L = 1027 cm‐2s‐1 Δ L/L ~ 3% - after 2010ALFA performancet=-0.0007t=-0.00110 σ15 σFit RangeElastic Scattering t = p*( )2 = p2  x2 +  x2( )= p2 x Leff ,x        2+ y Leff ,y        2        (H. Stenzel ATL-LUM-PUB-2007-001)L.Fabbri ‐ DIFF2010 9The ZDC will measure production of  neutral particles in the forward direction.The Zero Degree CalorimeterThe ZDC sits in a TAN in the crotch of the two beams and looks at neutral particles produced at zero degrees. The TAN is a shielding box that is 140m from the IP. Three types of modules compose the ZDC detectorTAN housing, beam pipe, and ZDCIPBeamL.Fabbri ‐ DIFF2010 10ZDC goals • Centrality of the events• Minimum Bias Trigger• Luminosity measurement• MC constraints from forward particle production• Rapidity gap trigger/veto Will perform studies both with Heavy Ions and pp collisions by measuring neutral particles at 0° (n, γ, π0)L.Fabbri ‐ DIFF2010 11LUCID: Luminosity Monitor LUCID: is made of 2 modules located at 17 m  from the interaction point on each side is sensitive to charged particles pointing to the primary pp collisions is designed to measure luminosity up to L ~ 4 1033 cm‐2 s‐1Beam pipe20 x1.5 m polished Al tubes (∅=1.5cm) 5.6< |η|<5.9LUCID : “LUminosity measurement using Čerenkov Integrating DetectorRadiator C4F10L.Fabbri ‐ DIFF2010LUCID:PoinFng Gas Čerenkov Counters12Main parameters per module η coverage ±[5.6, 5.9] N. Tubes 20Material Mechanic. polished Al Gas C4F10 Pressure 1.1-1.5 bar Cherenkov angle 3° <N.  reflections> 3Ch. threshold e-: 10 MeV π: 2.8 GeV Signal duration Few ns Read-out 16 PMTs (*) + 4 fibres (§) Expected dose 7 Mrad/y @ 1034 cm-2s-1  Monitor instant. Luminosity: Bunch‐to‐Bunch structure beam degradation  indep. of LVL1 trigger  indep. of TDAQ  Measure absolute Luminosity: Needed for phys. analysis  ﬁnal precision ~ 3‐5%  Forward Physics contribution provide minimum bias trigger at high eta (Rapidity Gap)PMTČerenkov TubeFiber bundleMaPMT(§) (*)L.Fabbri ‐ DIFF2010Lucid performances with the early data LUCID is in a stable working condition The response of the two modules are equalised The OR trigger signal is sensitive to the beam background good for background studies The AND trigger signal is quite insensitive to the beam background good to monitor luminosity13L.Fabbri ‐ DIFF2010 14Minimum Bias Trigger ScinFllator Wedge‐shaped plastic scintillators installed on the front face of LAr end‐cap cryostat Each scintillator cover Δφ= 2π/8 and consist of two separated sections  AIM: triggers on minimum bias events and vetos halo events during the commissioning phase Provides LVL1 trigger information and data to the ROS for triggered events  Is able to count the minimum bias trigger rate (sensitive to 1 MIP)L.Fabbri ‐ DIFF2010MBTS performances with the early data15 Eﬃciency of L1_MBTS_1_1 for collisions about 85%  Background from non‐collision events about 10%L.Fabbri ‐ DIFF2010First Luminosity measurements16Integrated Luminosity recorded by ATLAS: 20 μb‐1During stable beams: 12 μb‐1 Max peak luminosity 7 1026 cm‐2 s‐1   Uncertainty about 30%Instantaneous Luminosity for Run 142193: Comparison of 3 Methods‣See Jacob’s talk for details(J. Groth-Jensen at this workshop)L.Fabbri ‐ DIFF2010 17DiﬀracFon SOFT Diﬀraction (SD) Multi – parton interactions  HARD Diﬀraction (HD): jets, W/Z, Higgs, etc. Hard processes calculable with pQCD  Proton structure (PDF and GPD)  Discovery physics Rapidity gaps pile‐up contributions at high‐luminosity L.Fabbri ‐ DIFF2010SoL diﬀracFon18 = Mx2sStudies at generator level, using the η ranges covered by forward detectors suggest a signiﬁcant trigger eﬃciency even at low ξ and a good separation between single and double diﬀractive events.However, even with low eﬃciency, we expect million of events! The event is characterised by the ξ variable The aim is to reconstruct ξ on an event‐by‐event basis.   Appropriate gap deﬁnition Noise suppression Careful triggering  ? MBTS, LUCID, ZDC  Study of variables correlated with ξ ? the minimum η of the systemηmaxSystem X~ 105 just recordedL.Fabbri ‐ DIFF2010 19 ALFA has good acceptance in dedicated runs for SD events Measure forward proton spectrum in the region           6.3 TeV < Ep < ~7 TeVSoL SD measurement with ALFA  SD measurements for ξ < 0.01  Non‐diﬀractive forward protons spectrum measurement for 0.01 < ξ < 0.1 Expect 1.2‐1.8 M events in 100 hrs at L=1027 cm‐2s‐1acceptanceξξRMSξ resolutionL.Fabbri ‐ DIFF2010 20 Look for hard scattering events with gap on one side of the detector. Compare gap/non‐gap ratio for soft survival Gap: LUCID/ZDC+ FCAL FCAL gap needed to restrict event to diﬀractive region (ξ<0.01)Simulations performed with the diﬀerent Gap vetos (FCAL, LUCID, ZDC) as a function of Pt and cross section values.Approximately  5000  (8000)  SD di‐jet  events  in  100  pb‐1  with  jet  transverse energy > 20 (40) GeV after trigger pre‐scale.Hard Single DiﬀracFonL.Fabbri ‐ DIFF2010 21 Look for two central jets with |η|< 2.5. Gap imposed on both sides of IP in MBTS, LUCID, ZDC Expect CEP cross section to be much  larger than DPE for these criteria. Measurement of CEP di‐jet production at 14TeV to understand the structure of diﬀractive exchange by comparison with prediction from electron‐proton data to compare with Tevatron measurement to constrain theoretical modelCEPDPEDPE and CEP measurementsFew hundred events expected in 100 pb‐1  with ET > 20GeVL.Fabbri ‐ DIFF2010 22 Di‐jet production via colour singlet exchange  background from single gluon exchange process. Require two jets, one in each forward calorimeter. Require gap in central calorimeter. ATLAS can make an improved measurement with increased CM energy and available phase space.Gaps between jetsL.Fabbri ‐ DIFF2010 23 EXCLUSIVE Dileptons Two isolated leptons back‐to‐back, balanced in pT Leptons derive from an exclusive vertex  Protons remain intact no other activity in the detector (FCAL, LUCID, ZDC) PROCESSES: Photoproduction ‐ lepton pairs through J/Ψ & ϒ resonances Two photon production → non‐resonant lepton pairs from γγ→l+l‐ Photon induced muon pairsSimulation  predict  several  hundreds  two‐photon  and Upsilon  events  in  the di‐muon channel ﬁnal selection for 100 pb‐1L.Fabbri ‐ DIFF2010 24Measure forward protons on both side of the detector for CEP and DPE studiesProvide a trigger for the diﬀractive physics (LVL1 + HLT) AFP Upgrade: the ideaDetector requirements: Tracking system to detect and reconstruct the 2 leading protons (1μrad. angular resolution) ?Si detector Timing system (10‐20ps resolution) to identify the primary vertex ?Cerenkov photon detectors  Beam proximity ? Radiation hardnessL.Fabbri ‐ DIFF2010 25AFP a future possible Detector Two stations at 220 and 420 m to detect leading protons, integrated in LHC Very good mass resolution for forward protons VERY CHALLENGING!‣See Andrew’s talk for details(A.Pilkington at this workshop)L.Fabbri ‐ DIFF2010 26AFP: the physics Main topics: CEP Higgs Physics (H decays in SM, MSSM, NMSSM and other exotic models) Photon‐photon physics (slepton pair production, Anomalous gauge couplings, etc.)Trigger capabilities and ﬁnal performances under investigationL.Fabbri ‐ DIFF2010 27Conclusions First collisions produced by LHC detected with success. ATLAS is ready for physics!  First measurements of luminosity are done, LUCID and ALFA will reach 5% accuracy. Forward Particle Spectrum: ZDC → forward particle production ZDC → forward spectators for heavy ion collisions and centrality measurements. Low luminosity physics: Elastic scattering with ALFA Single diﬀractive forward proton spectrum (ALFA). Single diﬀractive di‐jet and W production, double pomeron exchange and central exclusive production of di‐jets (with rapidity gap veto in MBTS, LUCID, ZDC). Gaps between jets as a probe of colour singlet exchange. High luminosity upgrade: Possible upgrade (AFP project) installing photon and tracking detectors at 220m and 420m for CEP and DPE (under study)L.Fabbri ‐ DIFF2010 28Backup slidesL.Fabbri ‐ DIFF2010ATLAS DATA 29L.Fabbri ‐ DIFF2010 30Luminosity monitoring Average number of tracks per tube per event proportional to luminosity.  Monitor bunch by bunch stability. Measure relative luminosity Calibration needed:  LHC machine parameters  Know reactions e.g. Z,W  ALFA calibration in special runsµ = average number of interactions per bunch crossing     <M> = average # of charged particles per bunch crossing<N> = average number of particles per interactionε = interaction eﬃciency σinel = inelastic cross section µMEAS =MN i = L  inel  L =MN i i inelL.Fabbri ‐ DIFF2010 31Trigger scheme (LVL1 + HLT):LVL1: high Pt in central region + signals at both 220 stations Quoted latency for LVL1 trigger: 1921 ns (with some uncertainties)   At  the limitLarge LVL1 bandwidth (~30%) @ 1034 cm-2s-1  AFp TriggerL.Fabbri ‐ DIFF2010 32Physics caseL.Fabbri ‐ DIFF2010 33Other Physics goals• Two new-physics production processes : CEP and γγ• CEP leads to quantum number selection rules / high precision mass measurementirrespective of decay channel / bb channel open in wide range of MSSM scenarios• In MSSM, very important that pseudo-scalar production heavily suppressed, importantin scenarios where scalar and pseudo-scalar masses are close• γγ production very large, theoretically well known cross sections for SM and BSM processes: SUSY production, anomalous gauge couplings• Wide “bread and butter” physics program in QCD and photoproduction• Useful service tasks including high precision calibration of jet energy scaleL.Fabbri ‐ DIFF2010 34Initial physics caseCentral Exclusive Production (CEP) of the HiggsL.Fabbri ‐ DIFF2010 35Higgs PhysicsL.Fabbri ‐ DIFF2010Forward Physics Beside the baseline “classic” physics program of the ATLAS experiment (Higgs, SM, etc.) there are many topics in forward physics which can be addressed  In general to be eﬀective, dedicated detectors and a data taking strategy (parallel running or dedicated runs, priority etc.) are needed Physics achievable in the present conﬁguration Possible future measurements ➞Upgrade36L.Fabbri ‐ DIFF2010 37LUCID: where and why Monitor instant. L:BC‐to‐BC structurebeam degradationindep. of LVL1 triggerindep. of TDAQ➡Requirements: relative L suﬃcientfast response (single BC)online monitoringMeasure absolute L :Needed for phys. analysis➡Requirements:   calibration needed   ﬁnal precision ~ 2‐3%Physics capability:provide trigger for MB andForw.Phys. (Rapidity Gap)Beam pipe 20 x1.5 m polished Al tubes (∅=1.5cm)Pseudo-rapidity coverage 5.6< |η|<5.9Radiator C4F10L.Fabbri ‐ DIFF2010 38LUCID:PoinFng Gas Čerenkov CountersPMTČerenkov TubeFiber bundleMaPMT (*)2 modules located at 17 m  from the IP. Cherenkov tubes sensitive to charged particles pointing to the pp collisions.Two diﬀerent readout techniques.Designed for up to L ~ 4 1033 cm‐2 s‐1Need to be upgraded to work @ high lumi   Rad hardness   More η coverageL.Fabbri ‐ DIFF2010 39HForward Physics topics Elastic scattering Single diﬀraction (soft and hard) Diﬀractive W/Z production Double diﬀraction Double Pomeron exchange Multi Pomeron exchange Central Exclusive Production (CEP) P‐γ physics γ-γ physics

ATLAS and forward physics

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