Институт за нуклеарне науке “ Винча ’’ Група за...
description
Transcript of Институт за нуклеарне науке “ Винча ’’ Група за...
Фон у мерењу луминозности и
развој методе за идентификацију b-кваркау експериментима
ILC (International Linear Collider) и H1
Мр. Mила Пандуровићдокторска дисертација
Ментор: Др Иванка Божовић-ЈелисавчићИнститут за нуклеарне науке “Винча’’
• Институт за нуклеарне науке “Винча’’• Група за експерименталну физику високих енергија
• I део тезе је урађен у оквиру FCAL колаборације• 20 институција, 12 земаља
• II део тезе је урађен у сарадњи са DESY, Хамбург, Немачка, у оквиру H1 колаборације
• 40 институција, 12 земаља
Део I
Фон у мерењу луминозности у експерименту ILC (International Linear Collider)
Meђународни линеарни колајдер ILC
• e-e+ линеарни колајдер, Еcm=500 GeV (1TeV)• L=2·10-34 cm–2 s-1
• X-угао 14 mrad• Поларизација e- = 80%, e+ = 60%• Почетно и коначно стање, хелицитет: дефинисан• Потпуно Еcm расположиво• Минимални фон: видљивост процеса од интереса
• ILC - комплементарни експеримент LHC• Прецизна мерења особина новооткривених честица на
LHC • Ограничавање простора параметара физикe изван СМ
Концепт детектора за ILC
• Херметичност детектора: реконструкција млазева (процеси са вишеструким млазевима), као и за одређивање енергије која недостаје (SUSY).
• Параметар судара:
• Резолуција импулса наелектрисаних честица (10xLEP)
(мерење ‘узмачне’ mH у Hiддsstrahlunд процесу)
• Резолуција енергије млазева (2xLEP) реконструкција млазева: прецизна мерења масе W, Z, H или t.
bbH
LDC концепт детектора
LDC главни детектори
Вертекс
детекторSi
Главни детектор трагова
TPC
ECAL Si/W
HCAL Si/Fe
Детектор миона
Инстр. Fe
Далека предња област детектора за ILC
• Област поларног угла < 5о
• Mерење интегрисане луминозности прецизност ~ 10-3 !прецизност: систематски и статистички импакт- Мерења ефикасних пресека процеса од интереса е+е- W+W- , е+е- f+f-
- аномална спрезања градијентних бозона (TGC)
- прецизна електрослаба мерења
• Мерење тренутне луминозности и дијагностика снопа.
• Идентификацију високо енергетских е+,е- емитованих под малим угловима (SYSU).
• Херметичност детектора.
• Заштита система за реконструкцију трагова од уназад расејаних честица.
LumiCal [31,78] mrad: мерење луминозности
BeamCal [ 5, 40] mrad: -дијагностика снопа,-тренутно мерење луминозности ...
LHCal : продужетакхадронског калориметрау предњу област
Pair monitor: (x, y)IP
Детектори предње области
Калориметар за мерење луминозности
Si/W сендвич калориметар
30 равни, LIP=2.5 mУгаона прихватљивост [31,78] mradОсетљива запремина: [38,69] mradЕнергетска резолуција 0.23 GeV1/2
Резолуција 2.2 10-5 rad
RM=1.5 cm
Симулација
BARBIE V4.1 (Geant3) BARBIE V5.0 (Geant4) Еcm=500 GeV Еcm=500 GeV
[26-82] mrad [31-78] mrad
”тракаста” ”R” 64 R 64Rx48120
Мерење луминозности на ILC
Сигнал: Bhabha расејање под малим угловима (SABH): ~99% em
bha
fonbha
bha
bhaNN
LN
L
3s~
dd
Машински фон у мерењу луминозности(beamstrahlunд)
честице~ 1GеV E108 TeV/BX BeamCal 10 МG/г.• Велика депозиција у луминометру велика заузетост
система за очитавање• Min( & Max() x =640 nm, y = 5.7 nm
• BHSE• Тренутно мерење луминозности
Четворофермионски процеси као фон у мерењу луминозности
Четворофермионски процеси механизмом неутралних струја
Сигнатура слична сигналу
анихилација
конверзија мултипериферални
“bremstrahlung”
ffeeee
leptonic bck.
hadronic bck.
leptonic bck.
hadronic bck.
Симулација сигнала и физичког фонаСигнал:
105 догађаја BHLUMI (SABH генератор), s и t канал, поларизација вакуума, ISR (TR~ 8 x 10-3 трагова/BX у LCAL)
(4.58 0.02) nb
Физички фон:
4f NC процеси (Борнов ниво) WHIZARD V1.4.
(9.2±0.03) nb
b,c,s,d,uq),qqeeee(10
,el),lleeee(105
6
Резултати
Заснивање концепта мерења луминозности: критеријуми селекције,
однос физичког фона и сигнала
Критеријуми селекције
KKолинеарностолинеарност ||||=|=| 11 - -22 ||
KKомпланарностомпланарност |||| = | = | 11 - - 22 | |
Енергетски балансЕнергетски баланс EEbalancebalance=|=|EELL-E-ERR|| << 0.1 E0.1 E
min min
Emin
=min(EL,E
R)
Релативна енергија Релативна енергија EErelrel= = (E(ELL+E+E
RR)/2E)/2Ebeambeam
Тополошке карактеристике сигнала и физичког фона
leptonic bck.
hadronic bck.
leptonic bck.
hadronic bck.
Дистрибуције енергије сигнала и фона у луминометру
leptonic bck.
hadronic bck.
leptonic bck.
hadronic bck.
Ефикасности селекције сигнала и одбацивања физичког фона
Eфекат интеракције снопова (BHSE): • BHSE:
1. Beamstrahlung
мерење: exp = f (x, y)
2. Em дефлексија
fin0, Ee- Ee+
мерење:?
,'ss 0, Ee- Ee+
Еrel=0.8BHSE= - 4.4%
ini
inifin
N
NNL
2121
21exp sinsin)sin(
)sin(21
's
s
-Bha-Bba+BS-Bha+BS+em
Aсиметрични критеријуми селекције• Мотивација:• Еrel=0.8
• [min+4mrad, max-7mrad], наизменично 1. BHSE= -1.5 %
2. Квадратна зависност L/L (IP)
Ефикасност селекције сигнала и одбацивања физичког фона
Однос фон-сигнал
[26,82] mrad
Укупна систематска грешка мерења луминозности на ILC
[26,82] mrad
Закључак
• Могуће је конципирати мерење луминозности на ILC тако да са постојећим дизајном детектора релативна систематска грешка мерења луминозности буде реда 10-3.
L/L=(1.2·10-4) (2.2 10-3)
• Физички фон се може одржавати на промилном нивоу у односу на сигнал различитим селекцијама.
• Однос физичког фона према сигналу није значајно осетљив на избор геометрије детектора.
• Потребно је квантификовати (све остале) систематске ефекте за различите геометрије (коначну геометрију) детектора као и за све разматране скупове критеријума селекције.
Део IIРазвој методе за идентификацију b-
кваркаексперименту H1
HERA• e p колајдер у DESY, Хамбург, Немачка
• HERA I 1992-2000 HERA II 2002-2007
Ep= 27.5 GeV 27.5 GeV
Ee= 820 GeV 920 GeV
Ecms ~ 300 GeV 319 GeV
Структура протона
LHC
Н1 детектор
• ep расејање асиметрија детектора
LDC главни детектори
Вертекс
детектор
Si
Главни детектор трагова
Дрифт коморе
ECAL
4 o < < 155 o
LАr/Pb
HCAL LАr/ Fe
SPACAL
153o <<178 o
сцинитилатор/Pb
Детектор миона Инстр. Fe
Дубоко нееластично ep расејање
Карактеристичне променљиве
Виртуелност
Бјоркенова варијабла
Нееластичност
2 p·qX=
Q2
y= p·qp·k
Q2= - q2 = - (k-k’)2
Q2=4EE’cos2(’/2)
Мерење: е метод
2E
(+E’(1-cos ’))ye= , =(Ei-pzi)
syxQms 2
p
Селекција догађаја дубоко нееластичног расејања
• Анализа је спроведена на подацима 2006 e- p укупне луминозности 54.4 pb-1
• Селекција догађаја:
• Q2 > 6 GeV
• Трагови: главни детектор трагова CJC + вертекс детектор CST ( NCSTпогодака2)
• Monte Carlo DIS: RAPGAP
• Q2 > 4 GeV2, y > 0.025
Производња тешких кваркова на сударачу HERA
• Услед велике густине глуона за вредности x доступне на HERA акцелератору доминантни процес продукције тешких кваркова је бозон-глуон фузија (BGF )
Инклузивна метода анализе догађаја са b кварком
• Време живота b и маса хадрона mb • Изведене варијабле:
b : - удаљење PV и SV
- параметар судара (r резолуција)- ‘’Тачност’’ S = ()
S1, S2 највеће вредности тачности за трагове који припадају млазу
mb: - мултиплицитет млаза (Ntr)
- трансверзални импулс трага (pt) и млаза (ptjet)- маса млаза (JetMass)
Осетљиве променљиве
TMVA Toolkit for Multivariate Analysis
• Вишедимензионална анализа:• не постоји аналитичка зависност опсервабли и величина од
интереса,
• велики B/S
• Статистичке методе TMVA пакета
- неуронске мреже
- дискриминантне анализе
- дрво одлуке, ...
Фаза тренинга и тестирања
• MC генератор Rapgap генерисање узорака DIS: uds, c, b • Кинематички опсег Q2 > 4 GeV2, y > 0.025
• Сигнал – b узорак 5x103
• Фон – c и uds узорак 2x104
• скуп С1: Ntr, JetMass_1Jet ,S1, S2, Pt1, Pt2, PtAv=(Pt1+Pt2)/2
С2: Ntr, JetMass_1Jet ,S1, S2, PtAv
С3: Ntr, JetMass_1Jet ,S1, S2, PtJet
С4: Ntr, JetMass_1Jet ,S1, S2
Ефикасност селекције сигнала и одбацивања фона
- Одабир метода је вршен за сваки кинематички бин засебно:
- max (Rbck (Es))
- Стабилност метода у односу на посматране систематске ефекте
- Конвергенција Барлоу-Бистон фита за све систематске ефекте
- Одабир скупа променљивих:
- max (Rbck (Es))- Ефикасност променљивих (рангирање)- Стабилност ефикасности у посматраним Q2 биновима- Корелације променљивих
С4: Ntr, JetMass_1Jet ,S1, S2
Излазна функција метода
• Излазна функција за један од одабраних метода:- Сигнал (плаво)
- Фон (црвено)
- Вредност раздвајања сигнал фон (црвено испрекидано)
• Одређивање вредности отсецања излазне функције max (Es·Rbck)
Корелација променљивих
Фаза примене одабраних ТМVA метода
Тренирани методи су примењени на узорке : експерименталних податка, лакихкваркова (uds), c кварка, b кварка дистрибуције излазне величине TMVA метода
Data Uds
Ccbar Bbbar
N e
ven
tsN
eve
nts
Фракције кваркова у протону су добијени као параметри фитадистрибуцијаизлазних величинаTMVA метода:
Data=Фит (uds,c,b)
излазне дистрибуције TMVA метода
Барлоу-Бистон фит
• Анализа оптимизована за b кварк• Предност фита: узима у обзир статистичке неодређености
- Data- total MC
N e
ven
ts
TMVA output
n
1i
n
1i
m
1jijijijiii AAlnafflndLln
Резултати: удео b кварка у структури протона
Грешке мерења
Закључак• Измерене фракције b кварка у протону су у
сагласности са теоријским предвиђањима водећег реда.
• Најоптималнији сет променљивих: минимални број најбоље рангираних променљивих.
• TMVA & Барлоу фитер даје добар опис реконструкције фракција b кварка у MC .
• Доминантне компоненте систематске грешке: модели продукције и фрагментације тешких кваркова.
• Добијене фракције b кварка се могу користити за добијење ефикасног пресека продукције
Kрај
ILC детектор H1 детектор
]GeV[E
%30
E
E
mlazamlaza
mlaza
%4~3E
E
mlaza
LDC главни детектори
Вертекс
детектор
Главни детектор трагова
ECAL
HCAL
Детектор миона
23
p
GeVm10m5 /sin
152
105
GeVp
p
t
t
Утицај резолуције на однос фон-сигнал
l=0.8 mrad
=(2.2 0.01)·10-5 rad
Ангажованост система за очитавање
ILC детектор H1 детектор
]GeV[E
%30EE
mlazamlazaHad
mlazaHad
%4~3E
E
mlaza
23
p
GeVm10m5 /sin
152
105
GeVp
p
t
t
)%1.01.1(E
1.06.16
EE
Структура протона у зависности од пренесеног импулса
Кинематички опсег HERA колајдера
Далека предња област детектора за ILC
• Mерење интегрисане луминозности високе прецизности ~ 10-3 (дво-фермионску продукцију, продукција пара WW, TGC, прецизна EW мерења).
• Мерење тренутне луминозности машине и процену параметара снопа у току рада акцелератора (дијагностика снопа).
• Идентификацију високо енергетских е+,е- емитованих под малим угловима (фон за SUSY процесе чија је експериментална сигнатура енергија која недостајe)
• Херметичност детектора: ефикаснија реконструкција млазева (хадронски распади W бозона, као и процеси са више млазева у финалном стању).
• Заштита система за реконструкцију трагова од уназад расејаних честица.