Z → µµ na ATLAS detektoru Zuzana Vidláková AV ČR
16/10/2009
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
1 / 26
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
2 / 26
Motivace
Higgsův boson fyzika na energiích TeV (účinné průřezy, matematická konzistence...) proměření některých vlastností top kvarku včetně hmotnosti přesné určení hmotnosi W supersymetrie, další rozšíření Standardního modelu, Teorie Sjednocení ?
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
3 / 26
Motivace Higgsův boson
Obrázek: Závislost σ (pp → H + X ) na hmotnosti Higgsova bosonu pro LHC Obrázek: Produkční kanály Higgsova bosonu
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
4 / 26
1. Gluon fusion
gg → H
účinný průřez tohoto procesu je určen až na odchylku způsobenou nejistotou v určení hmotnosti top kvarku přesnější určení hmotnoti top kvarku je také úkol LHC Zuzana Vidláková (AV ČR)
H → WW → llνν (bude dominovat pro mH > 135 GeV) a H → ZZ (∗) → llll protilehlé leptony a missing ET , lépe pouze leptony pozadí: tt → WbWb → a Zbb → llclνclν a např. gg/qq → ZZ
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
5 / 26
2. WW/ZZ fusion
pro mH ∼ 160GeV qqH → qqWW → qqllνν dva forward jety s velkým pT a malá jetová aktivitou uprostřed aktivita ve středním regionu může sloužit jako veto pro pozadí
pro mH ∼ 120GeV qqH → qqτ τ → qqlννlνν (qqlννhν )
dobrá odlišitelnost od tt produkce
pro tento kanál nutná dobrá identifikace τ a missing ET
Zuzana Vidláková (AV ČR)
pozadí z Z → τ τ
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
6 / 26
3. t¯t fusion
H → b b v kombinaci s t t → b jjbl ν, t t → b jjbjj nebo t t → blνblν nutnost skvělý b-tagging kombinace různých procesů, jejichž konečným produktem jsou 4b (ttjj, ttbb, ttZ ...) Zuzana Vidláková (AV ČR)
potřebná korespondence s naměřenými daty by mohla vést k redukci pozadí
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
7 / 26
4. W/Z bremsstrahlung
WH → lbbν: největší účinný průřez vs. pozadí
pro vylepšení statistiky možnost kombinovat všechny 3 kanály
ZH → llbb: nejmenší signál od Higgse vs. méně pozadí ZH → bbνν: 3x silnější signál vs. obtížně redukovatelné pozadí
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
8 / 26
Branching Ratio
ATLAS Higgs discovery potential
1
_ bb WW
0.1 ττ
gg
ZZ
_ cc 10-2
10-3 100
γγ
Zγ
120
140
160
180
200
Higgs Mass (GeV/c2)
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
9 / 26
Z 0 boson je produktem mnoha zajímavých procesů intermediální částice slabé interakce, invariantní hmotnost 91.1876 ± 0.0021 GeV/c2 , spin 1 měření účinného průřezu a spektra pT lze otestovat SM citlivost na exotické procesy součást pozadí hlavní produkce na LHC přes tzv. Drell-Yan proces
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
10 / 26
Z 0 → µ+ µ− signatura: dva isolované vysokoenergetické miony lepton, mµ ' 105.658 MeV/c2 , spin 1/2 miony jsou (oproti např. jetům) poměrně dobře proměřitelné objekty jelikož se jedná o "těžší elektron"neztrácí při pohybu po zakřivené dráze v mag. poli tolik energie zářením (bremsstrahlung) metoda ’tag and probe’: výběr 2 drah v inner detectoru, jejichž invariantní hmotnost se blíží Z 0 , jednomu se přiřadí nezávisle určená dráha v mionovém spektrometru, nakonec se v MS hledá ekvivalentní dráha pro druhý mion Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
11 / 26
ATLAS detektor
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
12 / 26
ATLAS muon performance Inner detector 3 části: 1
Pixelový detektor 3D-vertexing, rekonstrukce drah a sekundárních vertexů (b-jet tagging, b-kvark) |η| < 2.5 rozlišeni: σΦ =12 µm, σZ =66µm
2
SemiConductor Tracker silicon microstrips sensors přesné měření drah a hybnosti nabitých částic rozlišeni: σΦ =16 µm, σz =580µm
3
Transition Radiation Tracker soubor driftových komor naplněných plynem (4mm trubice s tenkými drátky uprostřed jdoucí paralelně se svazkem) souvislé měření drah rozlišení: σ=170 µm/na trubici
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
13 / 26
ATLAS muon performance Muon Spectrometer pT rozlišení lepší než 10% do 1 TeV (10.5% samostatně/10.4% kombinovaně s inner trackerem) 1 Monitored Drift Tubes (MDT)
Obrázek: Schéma průchodu mionů mionovým spektrometrem
driftové komory naplněné plynem |η| < 2.4 2
Resistive Plate Chambers informace o druhé souřadnici dvě vrstvy uprostřed - trigger na low pT miony, jedna vrstva vně pro miony s pT time resolution: 2 ns účinnost 97%-98% (tracking) Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
14 / 26
ATLAS muon performance Muon Spectrometer 3
Thin Gap Chamber (TGC) proporcionální komory end-cap trigger, v centrální části zlepšuj tracking časové rozlišení ∼ 4 ns, účinnost triggeru 99.6%.
4
Monitored Drift Tubes (MDT) měření druhé koordináty a trigger v end-cap regionech podobný design jako TGC
5
Cathode Strip Chambers situovány blíže k beamu - příliš velký tok částic pro MDT
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
15 / 26
Trigger detektoru ATLAS
√
Obrázek: Počet eventů za sekundu v závislosti na s.
motivace: ∼108 read-out kanálů, produkce dat ∼1 PB/s, většina procesů z hlediska současné fyziky VE nezajímavá trigger ATLASu je 3 stupňový: 1
2
LVL1 trigger hardware HLT = LVL2 + EF implementován softwarově
trigger musí zůstat citlivý na “novou”fyziku! Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
16 / 26
Trigger detektoru ATLAS 1
LVL1 výběr RoI vybraná data jsou postoupena LVL2 triggeru doba zpracování < 2.5 µs
2
LVL2 slušná přesnost, velmi široké selekční možnosti vysoce optimalizované rozhodovací algoritmy ⇒ rychlost doba zpracování ∼ 10 ms
3
Event Filter (EF) přehodnocení eventu pomocí sofistikovanějších algoritmů čas zpracování ∼1 s
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
17 / 26
Full-chain simulation
Obrázek: Full-chain simulace.
generace MC dat - simulace p p srážek (následná fragmentace a hadronizace částic) a produkce požadovaných částic simulace průchodu detektorem: průchod detekčními zařízeními ATLASu a digitalizace vzniklého signálu Výstup ve formátu ESD (Event Summary Data, ∼1.0 MB/event) → AOD (Analysis object data, ∼100 kB/event)
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
18 / 26
Z 0 → µ+ µ− center-of-mass energy 10 TeV generace: LXplus - CERNský veřejný terminál a Athenu 15.0.0 (Pythia) generace 10 000 eventů (100 souborů po 100 eventech - event jedna pp srážka vytvoření 1 Z bosonu a jeho následný rozpad) při generaci pomocí Pythie jsem neuvažovala některé procesy na úrovni kvarků a partonů cut pT > 10 GeV na gridu rekonstrukce průchodu částic detektorem (geometrický model ATLAS-CSC-05-00-00), 85 složek prošlo (RDO) převedení na AOD pomocí Atheny, použití transformation script (csc_reco_trf.py) nakonec prošlo po aplikaci pT a nábojového cutu 4183 dimionů Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
19 / 26
Z 0 → µ+ µ−
Obrázek: Výstup z Pythie, pseudorapidita generovaných muonů. h3
Muon eta distribution
Obrázek: Pseudorapidita částic identifikovaných jako miony po full-chain. aod_muon_eta Entries 12844 Mean 0.0122 RMS 1.518
aod eta mu
Entries 20000 Mean -0.009539 RMS 2.432
300
450 400
250
350 200 Count
Count
300 250
150
200 100
150 100
50 50 0 -8
-6
-4
-2
0
Zuzana Vidláková (AV ČR)
2
4
6
8 Muon η
0
-3
Z → µµ na ATLAS detektoru
-2
-1
0
1
2
3 η
16/10/2009
20 / 26
Z 0 → µ+ µ−
Obrázek: Transversální momentum částic
Obrázek: Výstup z Pythie, transversální
identifikovaných jako miony po průchodu detektorem
moment vygenerovaných mionů. h2
Muon Pt distribution count
Entries 20000 Mean 3.596e+04 RMS 1.441e+04
1400
aod_muon_pt
aod pt mu
Entries 12844 Mean 3.613e+04 RMS 1.747e+04
2200 2000
1200
1800 1000
1600 1400 Count
800
1200
600
1000 800
400
600 200
400 3
0
10
20
30
40
×10 50 60 70 80 90 100 Muon transverse momentum [MeV]
Zuzana Vidláková (AV ČR)
200 3
0 0
Z → µµ na ATLAS detektoru
50
100
150
200
×10 250 Pt [MeV]
16/10/2009
21 / 26
Z 0 → µ+ µ−
Obrázek: Zrekonstruovaná invariantní hmotnost Z 0 bosonu.
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Obrázek: Invariantní hmotnost Z 0 po průchodu detektorem.
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
22 / 26
Z 0 → µ+ µ−
Obrázek: Reconstructed dimuon mass for the signal and background processes before signal selection
Obrázek: Reconstructed dimuon mass for the signal and background processes after signal selection
pozadí: b b → µµ, W ± → µν a Z → τ τ Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
23 / 26
První data z ATLASu Obrázek: Plán B-fyziky
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
24 / 26
První data z ATLASu Luminosita 10-100 pb−1 prompt J/ → µµ and prompt → µµ differential production cross-sections (důležitá separace prompt od indirect - přes rozpad B) detector performance (alignment, tracking, trigger) za použití dobře známých B-rozpadů důležité pro počáteční kalibraci detektoru a ATLASu a softwaru důležitá role di-mionového triggeru: 1
2
na úrovni LVL1 se vyberou 2 RoI, na LVL2 rekonstrukce invariantní hmotnost a nakonec vertex fit (cut) na úrovni LVL1 výběr jednoho mionu, na LVL2 rozšíření RoI a hledání 2. mionu, rekonstrukce invariantní hmotnosti (cut) a nezávisle rekonstrukce tracků v inner detektoru, ve kterých se potom hledá potvrzení 2. mionového kandidáta
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
25 / 26
J/Ψ → µ+ µ− J/ → µµ je velmi důležitý kanál pro b-fyziku (BS → J/ ,Bd → J/ K 0 )
výsledky z Tevatronu (D? a CDF) naznačují, že parametr weak mixing phase S (1/8 nezávislých fyzikálních parametrů popisujících rozpad) by mohla být větší než předpokládá SM (S = -0.04) existují modely procesů, které předpokládají další příspěvky do
S
kvarkonia tvoří pozadí dalších procesů na LHC miony z B-rozpadů budou mít malý moment (velmi často <10 GeV) trigger ATLASu: cut mion pT >4GeV
Zuzana Vidláková (AV ČR)
Z → µµ na ATLAS detektoru
16/10/2009
26 / 26
