Korekcja energii dżetów w eksperymencie CMS

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Korekcja energii dżetów w eksperymencie CMS"

Julian Żurawski
8 lat temu
Przeglądów:

1 Maciej Misiura Wydział Fizyki UW opiekun: dr Artur Kalinowski

2 Wstęp O czym seminarium? Zmierzyliśmy energię dżetu w CMS. Jak ona ma się do energii na poziomie hadronowym? Dlaczego taki temat? Zagadnienie wydaje się bardzo techniczne, ale: Pokazuje jak ważne jest konfrontowanie symulacji Monte Carlo z danymi. Wykorzystane są proste koncepcje, takie jak zasada zachowania pędu, do kalibracji, która jest zagadnieniem skomplikowanym. Plan prezentacji: 1) Czym są dżety? 2) Eksperyment CMS, w szczególności HCAL i ECAL. 3) Korekcje dżetowe. 4) Podsumowanie. 2/26

Zagadnienie wydaje się bardzo techniczne, ale: Pokazuje jak ważne jest konfrontowanie symulacji Monte Carlo z danymi.

3 What is a Jet? Where I come from, Seattle, WA the answer is simple! Stephen Ellis, University of Washington, wykład dla studentów, CERN, /26

Przejaw istnienia kwarków i gluonów to z nich w procesie hadronizacji powstają dżety: kwarki i gluony zaczynają

4 What is a Jet at the LHC? Wąski strumień wysokoenergetycznych cząstek. W warunkach eksperymentalnych powstaje np. w kolajderach przy zderzaniu wysokoenergetycznych cząstek. Przejaw istnienia kwarków i gluonów to z nich w procesie hadronizacji powstają dżety: kwarki i gluony zaczynają oddziaływać ze sobą tworząc hadrony. Kwarki i gluony nie mogą istnieć jako swobodne cząstki. Dżet rzeczywisty (poziom hadronowy), a dżet mierzony w eksperymencie (poziom detektora). 4/26

5 5/26

6 Charakterystyka CMS Bardzo dobra identyfikacja mionów, w dużym zakresie pędów i kątów, dobra rozdzielczość masy układu dwóch mionów, możliwość ustalenia znaku mionów z dużymi pędami: system mionowy Dobra rozdzielczość pędowa naładowanych cząstek i efektywność ich rekonstrukcji w detektorze śladowym, konieczność dokładnej rekonstrukcji wierzchołków półprzewodnikowy det. śladowy i detektor mozaikowy w centrum Dobra rozdzielczość przestrzenna składowej elektromagnetycznej (e. m.): elektronów i fotonów ECAL, preshower Dobra hermetyczność detektora (pomiar brakującej energii poprzecznej, duże pokrycie w η i dobra rozdz. przestrzenna, HCAL Do pomiarów dżetów (ich energii i pozycji w η i φ) duże znaczenie mają wszystkie poddetekory, ale największe kalorymetry: HCAL i ECAL. Budowa warstwowa 6/26

śladowy i detektor mozaikowy w centrum Dobra rozdzielczość przestrzenna składowej elektromagnetycznej (e. m.): elektronów i fotonów ECAL, preshower Dobra hermetyczność detektora (pomiar brakującej energii poprzecznej, duże pokrycie w η i dobra rozdz.

7 ECAL (kalorymetr elektromagnetyczny) Odpowiedzialny za pomiary składowej elektromagnetycznej, głównie elektrony i fotony. Scyntylator kryształy wolframku ołowiu PbWO4 (duża gęstość). Emisja światła proporcjonalna do energii mierzonej cząstki (niebieski-zielony). Dwie zasadnicze części: centralna ( barrel ) oraz pokrywy ( endcap ) hermetyczność. Pełne pokrycie φ w oraz η <1.48 część centralna, pokrywy: 1.48< η <3.0. 7/26

Emisja światła proporcjonalna do energii mierzonej cząstki (niebieski-zielony).

8 ECAL 78 tys. kryształów, ich wzrost zajął 10 lat (2 dni/kryształ) 2.2 x 2.2 x 23 cm, 3 x 3 x 23 cm Fotodiody: APD (Avalanche Photodiodes) w obszarze centralnym oraz VPT (Vacuum Phototriodes) w obszarze endcap. Oba rodzaje muszą pracować w polu magnetycznym! Bardzo duża wrażliwość na temperaturę T =18 C z dokładnością 0.05 C. VPT APD VPT APD Korekcja energii dżetów w VPT eksperymencie CMS 8/26

(Vacuum Phototriodes) w obszarze endcap. Oba rodzaje muszą pracować w polu magnetycznym!

9 HCAL kalorymetr hadronowy. Zatrzymuje i mierzy parametry hadronów: protonów, neutronów, pionów... Detektor próbkujący światło jest zbierane tylko w pewnych miejscach mniej elektroniki mniejsze koszty, mniejsza moc i wydzielane ciepło. Naprzemienne warstwy absorbera i scyntylatora. Światło (niebieski-fiolet) wyprowadzane jest z wykorzystaniem światłowodów do HPD (Hybrid Photodiode, światło zielone). HCAL jest podzielony na kilka części różniących się budową: HB, HO (część centralna), HE (endcup) oraz HF ( do przodu ). HO HO jest wewnątrz solenoidu (absorber). HB HE HF 9/26

Naprzemienne warstwy absorbera i scyntylatora.

10 HCAL Absorberem w HB jest mosiądz z ok. miliona rosyjskich łusek z czasów II Wojny Światowej. 10/26

11 Dżety w CMS różne typy... Dżety kalorymetryczne (tzw. CaloJets)- wykorzystują jedynie informację z kalorymetrów HCAL oraz ECAL (tj. nie wykorzystują informacji z detektora śladowego). Dżety Particle Flow (PF) - wykorzystują informację z kalorymetrów oraz z detektora śladowego, identyfikujemy pojedyncze cząstki i przyporządkowujemy je dżetom (a la poziom generatora) Również: Dżety JPT (Jet Plus Track) - wykorzystują informację z kalorymetrów oraz z detektora śladowego (depozyty energii są częściowo zamieniane energią śladów. 11/26

Dżety Particle Flow (PF) - wykorzystują informację z kalorymetrów oraz z detektora śladowego, identyfikujemy pojedyncze cząstki i

12 Poprawki - motywacja Dwa komentarze: Dżety są obiektami, których skład jest bardzo różny i nie jest znany a priori. nieznajomość składu dżetu jest problemem przy pomiarze, na przykład w zależności od liczby pionów fluktuuje składowa elektromagnetyczna Niepewność związana z wyznaczaniem rzeczywistej energii dżetów ma największy wpływ na niepewność systematyczną pomiarów i analiz wykorzystujących dżety. Dlaczego musimy poprawiać energię dżetów? Odpowiedź detektora jest nieliniowa. Detektor nie jest jednorodny. 12/26

elektromagnetyczna Niepewność związana z wyznaczaniem rzeczywistej energii dżetów ma największy wpływ na niepewność systematyczną

13 Poprawki dżetowe Poprawki dżetowe są współczynnikami liczbowymi poprawiającymi energię dżetów mierzonych w CMS do poziomu hadronowego. Poprawiamy wszystkie składowe czteropędu:, μ = 0,1,2,3 Poprawki są kilkupoziomowe: C MC-truth, podstawowa poprawka, MC obliczana tylko z Monte Carlo C poprawka relatywna, zapewniająca rel jednorodność detektora w η C poprawka absolutna, jednorodność w pt abs Crel, Cabs poprawiają niedoskonałość poprawek MC korzystając z danych 13/26

Poprawiamy wszystkie składowe czteropędu:, μ = 0,1,2,3 Poprawki są kilkupoziomowe: C MC-truth, podstawowa poprawka,

14 Poprawki MC-Truth (CMC) Wykorzystujemy symulację MC. Generujemy oddziałujące partony, symulujemy proces ich hadronizacji (dżet hadronowy), a następnie takie obiekty poddajemy symulacji detektora (dżet na poziomie detektora). Dopasowanie przestrzenne dżetów na poziomie hadronowym (gen) do dżetów na poziomie detektora (reco): ΔR(gen,reco) < 0.25 Pomiar odpowiedzi (response): r = preco/pgen 1/r = 14/26

takie obiekty poddajemy symulacji detektora (dżet na poziomie detektora).

15 Sprawdzenie domknięcia poprawek MC-Truth. - powtarzamy procedurę do już poprawionych dżetów nie powinna ona nic zmienić, - zgodność na poziomie 2% (zadowalająca) 15/26

Poprawki relatywne (Crel) Metoda balansowania pędu poprzecznego. r= Wykorzystanie zasady zachowania pędu w płaszczyźnie poprzecznej do wiązki.

16 Poprawki relatywne (Crel) Metoda balansowania pędu poprzecznego. r= Wykorzystanie zasady zachowania pędu w płaszczyźnie poprzecznej do wiązki. Wyobraźmy sobie przypadek z dwoma dżetami: jeden w obszarze centralnym, drugi jet próbkowany. Definiujemy zmienne wypisane powyżej. B mierzy niezbalansowany pęd. B w idealnej sytuacji powinno być 0, ale problem z kalibracją będzie objawiał się jako przesunięcie rozkładu B 16/26

Wyobraźmy sobie przypadek z dwoma dżetami: jeden w obszarze centralnym, drugi jet próbkowany.

17 Poprawki relatywne (Crel) Dla MC odpowiedź powinna być równa 1. Nie jest, głównie przez obciążenie spowodowane gorszą rozdzielczością dżetu centralnego od dżetu próbkowanego Efekt rozdzielczości mniejszy dla JPT/PF dżety tego typu mają lepszą rozdzielczość w obszarze barrel od CaloJets. Poprawiamy rozbieżności między punktami danych a Monte Carlo (poprawki rzędu 10%) 17/26

dżetu próbkowanego Efekt rozdzielczości mniejszy dla JPT/PF dżety tego typu mają lepszą

Poprawki relatywne (Crel) Wartości poprawek relatywnych dla różnych wartości η na poziomie 0.92-1.03.

18 Poprawki relatywne (Crel) Wartości poprawek relatywnych dla różnych wartości η na poziomie Metoda czuła na obecność większej liczby dżetów. Ostatecznie poprawki obliczanę są z wykorzystaniem ekstrapolacji pędu trzeciego dżetu do 0. 18/26

19 Poprawki absolutne (Cabs) Poprawki obliczane tylko dla obszaru centralnego ( η <1.3) z wykorzystaniem przypadków foton-dżet, stosowane do wszystkich dżetów. Dwie metody: Metoda balansowania pędu poprzecznego (wykorzystywana jako sprawdzenie) MPF Missing E Fraction (metoda główna) t Idea bardzo podobna do poprzedniego punktu, tym razem obiektem referencyjnym jest foton (którego energia jest mierzona precyzyjnie przez ECAL), a próbkowanym dżet. 19/26

Dwie metody: Metoda balansowania pędu poprzecznego (wykorzystywana jako sprawdzenie) MPF Missing E Fraction

20 Poprawki absolutne (Cabs) Pęd fotonu pt > 15 GeV, η <1.3, Dżet w obszarze η <1.3, Odpowiednia separacja dżetu i fotonu w płaszczyźnie poprzecznej. Pęd kolejnych dżetów nieznaczący: psecond/pgamma<0.2 Układ równań do rozwiązania. W idealnej sytuacji nie ma brakującej energii. MPF jest traktowana jako odpowiedź dżetu. 20/26

Pęd kolejnych dżetów nieznaczący: psecond/pgamma<0.2 Układ równań do rozwiązania.

21 Poprawki absolutne (Cabs) Duże obciążenie dla metody balansowania pędu poprzecznego (poprawa przy ekstrapolacji drugiego dżetu do 0). Dodana stała poprawka na poziomie 0.7%: Cabs = /26

22 Ostateczne poprawki Zaaplikowane wszystkie 3 stopnie: MC-Truth, poprawki relatywna i absolutna. 22/26

23 Ostateczne poprawki 23/26

24 Zaaplikowane poprawki - przykład Przykład analizy, gdzie wykorzystywane są dżety, przez co korekcje są ważne. Lewy histogram zestawienie rozkładu pędów dżetów poprawionych i niepoprawionych; widać przesunięcie w kierunku większych wartości oraz rozmycie rozkładu po zaaplikowaniu poprawek. Prawy histogram rozkład pędu dżetu wiodącego w przypadku, wyzwalanie detektora na dżetach z pędem powyżej 15 GeV; widać przesunięcie i rozmycie rozkładu. 24/26

25 Zaaplikowane poprawki - przykład Pomiar przekroju czynnego, wyraźna zależność od wartości cięcia na pędzie poprzecznym. W tego typu analizie niepewność pomiaru pędu rzędu kilku procent będzie miała dominujący wkład do niepewności systematycznej. 25/26

26 Podsumowanie Detektor CMS ma możliwość dokładnego pomiaru dżetów, kluczowe znaczenie mają kalorymetry elektromagnetyczny (ECAL) oraz hadronowy (HCAL). Ze względu na skomplikowany charakter jetów (np. problem z składową elektromagnetyczną), nieliniowość i niejednorodność detektora konieczne jest stosowanie poprawek. Omówione zostały trzy rodzaje, kolejno aplikowanych, poprawek: MC-Truth, poprawka relatywna (jednorodność w η) oraz absolutna (jednorodność w pt). 26/26

27 Dziękuję za uwagę.

28 Bibliografia 1) JME PAS, 2) JME PAS, 3) JME PAS, 4) Prezentacja z zatwierdzenia analizy JME PAS (17 listopad 2010, General Weekly Meeting), 5) 2008 JINST 3 S08004, The CMS experiment at the CERN LHC. 28/26

Podobne dokumenty

Wyznaczanie efektywności mionowego układu wyzwalania w CMS metodą Tag & Probe

Wyznaczanie efektywności mionowego układu wyzwalania w CMS metodą Tag & Probe Uniwersytet Warszawski - Wydział Fizyki opiekun: dr Artur Kalinowski 1 Plan prezentacji Eksperyment CMS Układ wyzwalania Metoda