Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Fizyki UW Spotkanie plenarne FiTAL 18 czerwca 20 18.06.20 Warszawa FiTAL 1
Główne kierunki działalności Projekt Liniowego Kolajdera Fotonowego (PLC) fizyka bozonu Higgsa, łamanie CP ścisła współpraca z IFT symulacja wiązek kolajdera fotonowego (świetlność, tło wiązki) 18.06.20 Warszawa FiTAL 2
Higgs CP properties MSSM results Results for M A = 300 GeV Circular laser polarization, P C = 0% P L = 0 #events 200 H bg We can not distinguish between H and A measurement of 0 σ tot = σ H + σ A 0 200 250 300 350 400 W corr [GeV] Need for linear photon polarization Corrected invariant mass distributions New results with all backgrounds included! A.F.Żarnecki H and A discrimination with linear photon polarization 7
Results M A = 300 GeV Linear laser polarization, P L = 0% Number of events per 5 GeV bin 180 160 140 120 0 80 60 40 20 σ/σ =11.0% H+A signal M A =300 GeV Parameter set I tgβ= 7 Background: bb (g) cc (g) W + W uu,dd,ss τ + τ Number of events per 5 GeV bin 250 200 150 0 50 σ/σ =23.1% H+A signal M A =300 GeV Parameter set I tgβ= 7 Background: bb (g) cc (g) W + W uu,dd,ss τ + τ 0 200 225 250 275 300 325 350 375 400 W corr [GeV] 0 200 225 250 275 300 325 350 375 400 W corr [GeV] Lower luminosity at M A, lower J z = 0 contribution signal down by 40% Higher J z = 2 contribution no background suppression background up by 90% Selection cuts differ!!! A.F.Żarnecki H and A discrimination with linear photon polarization 12
Results M A = 300 GeV Results expected after 3 1 years of PLC running σ/σ 0 2 σ = σ 0 [ 1 + (2f-1) <P γγ L > ] H (f=1) σ 0 /σ 0 = 9% 1.5 A (f=0) f = 28% significance 3.6 σ 1 0.5 0-1 0 1 <P 1 P 2 cos2 φ> σ corresponding to MSSM parameter set I A.F.Żarnecki H and A discrimination with linear photon polarization 14
Magnetic field Transverse profile of the beam 3 m from interaction point, 34 mrad crossing angle. Uniform magnetic field in the detector assumed: y [mm] 50 0-50 -50 0 50 Left going beam x [mm] 5 4 3 2 1-1 -2-3 -4-5 -6-7 -8 Magnetic field deflects both beams in the same direction! y [mm] B=4 T 50 0-50 -50 0 50 Right going beam x [mm] (plots above: up) One beam (left) is moved towards and the other (right) from the nominal beam axis. 5 4 3 2 1-1 -2-3 -4-5 -6-7 -8 A.F.Żarnecki Photon Collider beam simulation with CAIN 6
Główne kierunki działalności Projekt Liniowego Kolajdera Fotonowego (PLC) fizyka bozonu Higgsa, łamanie CP ścisła współpraca z IFT symulacja wiązek kolajdera fotonowego (świetlność, tło wiązki) Projekt detektora wierzchołka dla ILC współpraca w ramach EUDET/JRA1 Modelowanie działania i propozycja geometrii teleskopu Budowa środowiska do analizy danych, przygotowanie dedykowanego algorytmu dopasowywania torów. Przygotowanie programu symulacji teleskopu Symulacja geometrii detektora wierzchołka (P.Łużniak) Testy i symulacja działania detektorów krzemowych typu MAPS (Ł. Mączewski) 18.06.20 Warszawa FiTAL 2
Testowane układy typu MIMOSA Minimum Ionizing MOS Active pixel sensors MIMOSA-5 4 podmacierze po 5 512 piksli (17 17 µm2 ) Cz estos c odczytu MHz Grubos c warstwy epitaksjalnej 14µm Odczyt kaz dego piksla oparty jest na 3 tranzystorach MIMOSA-18 4 podmacierze po 256 256 piksli ( µm2 ) Cz estos c odczytu MHz Grubos c warstwy epitaksjalnej 14µm Odczyt kaz dego piksla wykorzystuje diody self-bias odciecie piedestałów na poziomie elektroniki (Ł. Maczewski/Uniwersytet Warszawski) 7.06.20 8 / 25
Układ eksperymentalny Testy przy użyciu wiazek elektronów Wiazki elektronów: DESY 1-6 GeV BTF Frascati 25-750 MeV Teleskop pozycji (Tele) w DESY - 6 płaszczyzn paskowych detektorów krzemowych (Ł. Maczewski/Uniwersytet Warszawski) 7.06.20 9 / 25
Pomiary kształtów klastrów w detektorach MIMOSA θ = 0, φ = 0 θ = 60, φ = 0 θ = 78, φ = 38 Wraz ze wzrostem kata pomiędzy torem czastki a wektorem normalnym do powierzchni detektora (kat θ) rośnie wydłużenie klastrów Obserwuje się również wzrost rejestrowanego sygnału: od 800 e dla θ = 0 aż do 4000 e dla θ = 75 Rozkład ładunku w klastrze umożliwia określenie orientacji klastra względem siatki piksli (kat φ) Rekonstrukcja kata φ może pomóc w redukcji tła od czastek niskoenergetycznych (Ł. Maczewski/Uniwersytet Warszawski) 7.06.20 14 / 25
Pomiary kształtów klastrów w detektorach MIMOSA Rekonstrukcja katów θ i φ c θ = 78, φ = 38 σ φ [deg] 40 35 - MIMOSA-5 (6 GeV e ) - MIMOSA-18 (5 GeV e ) 30 25 20 15 5 0 30 40 50 60 70 80 Θ [deg] Dla silnie wydłuzonych klastrów (θ > 55 i θ > 35 odpowiednio dla MIMOSA-5 i MIMOSA-18) można zrekonstruować kat φ z precyzja σ φ < 15 (Ł. Maczewski/Uniwersytet Warszawski) 7.06.20 15 / 25
Pomiary dla różnych katów natarcia wiazki elektronów Motywacja fizyczna - wyniki symulacji Monte Carlo Symulacje P. Łużniak, e + e Zh ( Pythia) i tło beamstrahlung ( Guinea Pig) Energia w środku masy 500 GeV, świetlność 500 fb 1 Prezentowane wyniki dotycza pierwszej warstwy VXD (Ł. Maczewski/Uniwersytet Warszawski) 30.05.2008 53 / 53
Model formowania sygnału w detektorach typu MAPS Izotropowa dyfuzja ładunku w obszarze aktywnym detektora Ładunek rozpływa się pomiędzy sasiaduj ace ze soba piksle - powstaje klaster Ładunek powstały w wyniku jonizacji jest rozmieszczany w pikselach zgodnie ze wzorem: q(r) = dω ( 4π exp R ) λ Współczynnik atenuacji λ jedyny swobodny parametr w modelu wyznaczony na postawie dopasowania wyników symulacji Monte Carlo do danych eksperymentalnych: najlepsze dopasowanie λ 45 µm (Ł. Maczewski/Uniwersytet Warszawski) 7.06.20 16 / 25 (3)
Porównanie wyników symulacji z danymi Krotności piksli w klastrze Average pixel multiplicity 13 12 11 9 8 7 S/N > 3 Monte Carlo Exp. data Average pixel multiplicity 9 8 7 6 5 S/N > 5 Monte Carlo Exp. data 6 4 5 4 3 0 20 30 40 50 60 70 80 θ [deg] 3 2 0 20 30 40 50 60 70 80 θ [deg] (g) S/N > 3 (h) S/N > 5 Zaproponowany model formowania sygnału w detektorach typu MAPS zapewnia bardzo dobry opis danych eksperymentalnych Przedstawiona metoda sumulacji odpowiedzi detektorów typu MAPS jest prosta i szybka (Ł. Maczewski/Uniwersytet Warszawski) 7.06.20 18 / 25
Residuals Fit residua distribution for middle layer. Results EUDET simulation DESY 6 GeV Plane shifts and rotations included MAPSDigi missalign+tilt events 2500 2000 Mean 6.676e 06 RMS 0.002637 χ 2 / ndf 155.5 / 3 X 0 4.489e 06 ± 7.596e 06 Gauss σ 0.002646 ± 0.000007 Gauss N 2472 ± 8.2 Mean 1.692e 05 RMS 0.002691 2 χ / ndf 129.6 / 5 X 0 5.396e 06 ± 7.785e 06 Gauss σ 0.0027 ± 0.0000 Gauss N 2425 ± 8.0 events 4000 3500 3000 Mean 3.779e 06 RMS 0.002404 χ 2 / ndf 249.8 / 93 X 0 7.347e 06 ± 5.934e 06 Gauss σ 0.002452 ± 0.000006 Gauss N 3865 ±.6 Mean 4.796e 07 RMS 0.002394 χ 2 / ndf 136.1 / 93 X 0 4.341e 06 ± 5.808e 06 Gauss σ 0.002418 ± 0.000006 Gauss N 3907 ±.8 1500 2500 2000 00 1500 500 00 500 0 0.01 0.005 0 0.005 0.01 X Y [mm] 0 0.01 0.005 0 0.005 0.01 X Y [mm] Realistic geometry description is crucial! A.F.Żarnecki A New Simulation Tool for EUDET JRA1 13
Eta correction Results Results presented so far: without eta correction First plane used as DUT, fit to remaining four layers Position shift in first layer, as a function of CoG position w.r.t. pixel center: Data Position shift X [mm] 0.03 0.02 MAPSdigi Position shift X [mm] 0.03 0.02 0.01 0.01 0 0 0.01 0.01 0.02 0.02 0.03 0.02 0 0.02 X X pixel [mm] 0.03 0.02 0 0.02 X X pixel [mm] A.F.Żarnecki A New Simulation Tool for EUDET JRA1 15
VXD simulation Future plans The main goal of TDS development is to simulate VXD performance at ILC. First results for VXD05 configuration (3 2 layers), ILD 00fw detector model Guinea Pig pair background, nominal machine parameters Occupancy - fraction of pixels above threshold, per 1 BX (perpendicular MIP 00 e) Pixel size = 15 um (various thresholds) LayerID = 1 (various thresholds) Occupancy 5 6 Threshold [e]: 20 50 0 200 Occupancy 0.05 0.04 0.03 3 Threshold [e]: 20 50 0 200 0.02 7 0.01 1 2 3 4 5 6 Layer ID 0 12 14 16 18 Pixel size [um] P.Niezurawski
Hit position resolution in r Entries 243 Track direction resolution in eta Entries 3888 Mean -1.267e-05 Mean 2.074e-06 RMS 0.00194 RMS 0.0003642 Integral 3 2.409e+04 Integral 3400 3 2 2 1-0.025-0.02-0.015-0.01-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Rxy [mm] 1-0.0025-0.002-0.0015-0.001-0.0005 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 η Hit position resolution in phi Entries 243 Track momentum resolution Entries 3684 Mean -2.741e-06 Mean 0.0005921 RMS 0.00215 RMS 0.003186 Integral 2.408e+04 3 Integral 3587 3 2 2 1-0.025-0.02-0.015-0.01-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 R xy φ [mm] 1-0.025-0.02-0.015-0.01-0.005 0 0.005 0.01-1 0.015 (1/p ) 0.02 [GeV 0.025 ] T
Główne kierunki działalności Projekt Liniowego Kolajdera Fotonowego (PLC) fizyka bozonu Higgsa, łamanie CP ścisła współpraca z IFT symulacja wiązek kolajdera fotonowego (świetlność, tło wiązki) Projekt detektora wierzchołka dla ILC współpraca w ramach EUDET/JRA1 Modelowanie działania i propozycja geometrii teleskopu Budowa środowiska do analizy danych, przygotowanie dedykowanego algorytmu dopasowywania torów. Przygotowanie programu symulacji teleskopu Symulacja geometrii detektora wierzchołka (P.Łużniak) Testy i symulacja działania detektorów krzemowych typu MAPS (Ł. Mączewski) Pozycjonowanie elementów akceleratora liniowego (LICAS: Linear Collider Alignment and Survey) 18.06.20 Warszawa FiTAL 2
G.G. (IFD UW) Pozycjonowanie ILC/ILD, projekty LiCAS/RTRS, LUMI-CAL 2 LiCAS/RTRS: Za lożenia, g lówne wyniki zastosowanie nowoczesnych metod optycznych (FSI: Frequency Scanning Interferometry i LSM: Laser Straightness Monitor) do wyznaczenia uk ladu odniesienia w tunelu liniaca ( 2 15km) pomiar w pe lni zautomatyzowany przy pomocy samobieżnego urzadzenia poruszajacego si e wzd luż sciany tunelu (train RTRS) (wieksza precyzja, szybszy pomiar, niższe koszty w porównaniu z metodami klasycznej goedezji) Uzyskane rezultaty (proof of principle): konstrukcja prototypu (3 modu ly pomiarowe), oprzyrzadowanie optyczne (FSI, LSM) wraz z oprogramowaniem sterujacym i elektronika odczytu+daq oraz programami do analizy danych (Oxford) budowa cz eści mechanicznej, nap ed, infrastruktura tunelu testowego (DESY) model matematyczny, symulacje numeryczne (geometria, optyka ray tracer, rekonstrukcja pozycji), model propagacji b l edów statystycznych i systematycznych - podejście analityczne i Monte Carlo (Warszawa)
G.G. (IFD UW) Pozycjonowanie ILC/ILD, projekty LiCAS/RTRS, LUMI-CAL 3 LiCAS/RTRS: Niestety... Wspó lpraca nie b edzie kontynuowana z powodu radykalnej redukcji budżetu dla prac nad ILC w UK (w dajacej si e przewidzieć przysz lości). W wariancie optymistycznym reaktywacja projektu w razie zmiany polityki STFC (Science and Technology Facilities Council). Fragmenty dokumentów STFC (Delivery Plan) do roku 2011: We will cease investment in the International Linear Collider. We do not see a practicable path towards the realisation of this facility as currently conceived on a reasonable timescale. (...) However, we will continue to invest in generic accelerator R&D that will be applicable to future lepton colliders. Skutkiem powyższej decyzji (a także korekty budżetu w DESY) projekt LiCAS/RTRS nie zosat l zatwierdzony do realizacji w tunelu lasera na swobodnych elektronach XFEL w DESY, który to projekt mia l stać si e jego poligonem doświadczalnym Uniwersytet w Oxfordzie nawi aza l wspó lprac e z instytutem metrologicznymy w Niemczech (Monachium) w celu industrializacji/komercjalizacji technologii FSI/LSM rozwinietych przy projekcie LiCAS
G.G. (IFD UW) Pozycjonowanie ILC/ILD, projekty LiCAS/RTRS, LUMI-CAL 4 II. Wspó lpraca z IFJ-PAN Kraków (projekt LUMI-CAL) dok ladny pomiar świetlności akceleratora ILC wymaga bardzo precyzyjnej znajomości pozycji (i jej monitorowania w czasie) detektora LUMI-CAL (rz edu kilkudziesieciu mikronów) rozważa si e budow e zintegrowanego optycznego systemu pozycjoinowania wspólnego dla wszystkich wewn etrznych detektorów (Micro-Vertex, LUMI-CAL, BEAM-CAL, itp.) wykorzystanie umiej etności zdobytych przy projekcie LiCAS/RTRS: Pierwsze wyniki: przewidywana precyzja rekonstrukcji pozycji i k atów modu lów LUMI-CAL wzgl edem rury akceleratora (8 INT, 4 EXT FSI lines per LUMI-CAL module) optyczne metody pomiarowe, technologia FSI (testy laboratoryjne) oprogramowanie do symulacji precyzji (propagacja b l edów) i rekonstrukcji pozycji
Grupa warszawska IFD UW J.Ciborowski, G.Grzelak, P.Nieżurawski, A.F.Żarnecki IPJ M.Adamus UŁ P.Łużniak Współpraca międzynarodowa: IReS Strasbourg, DESY Hamburg Finansowanie: Testy na wiązce finansowane ze środków TA Działalność bieżąca finansowana w ramach Projektu Specjalnego MNiSW (związanego z projektem EUDET) 18.06.20 Warszawa FiTAL 3
Plany Grupa warszawska Uruchomienie i testy MAPSDigitization W ramach MarlinReco/VTXDigi Symulacja działania detektora wierzchołka typu MAPS b-taging, wpływ tła Udział w testach detektorów prototypowych współpraca z IReS w ramach AIDA Główny problem: menpower... 18.06.20 Warszawa FiTAL 4