Maciej Misiura Wydział Fizyki UW opiekun: dr Artur Kalinowski
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
What is a Jet? Where I come from, Seattle, WA the answer is simple! Stephen Ellis, University of Washington, wykład dla studentów, CERN, 9.07.2010 3/26
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
5/26
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
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
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
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
HCAL Absorberem w HB jest mosiądz z ok. miliona rosyjskich łusek z czasów II Wojny Światowej. 10/26
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
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
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
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
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. 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
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
Poprawki relatywne (Crel) Wartości poprawek relatywnych dla różnych wartości η na poziomie 0.92-1.03. Metoda czuła na obecność większej liczby dżetów. Ostatecznie poprawki obliczanę są z wykorzystaniem ekstrapolacji pędu trzeciego dżetu do 0. 18/26
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
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
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 = 1.007 21/26
Ostateczne poprawki Zaaplikowane wszystkie 3 stopnie: MC-Truth, poprawki relatywna i absolutna. 22/26
Ostateczne poprawki 23/26
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
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
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
Dziękuję za uwagę.
Bibliografia 1) JME-10-003-PAS, 2) JME-10-010-PAS, 3) JME-10-014-PAS, 4) Prezentacja z zatwierdzenia analizy JME-10-010-PAS (17 listopad 2010, General Weekly Meeting), 5) 2008 JINST 3 S08004, The CMS experiment at the CERN LHC. 28/26