Использование канала "прямой фотон + струя" для установления абсолютной шкалы энергии струи на установке CMS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Конопляников, Виктор Федорович

• Конопляников, Виктор Федорович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Конопляников, Виктор Федорович

Введение

1 Детектор CMS1 на коллайдере LHC

1.1 Общее описание и структура коллайдера LHC.

1.2 Назначение и общее устройство детектора CMS.

1.3 Калориметры детектора CMS.

1.4 Триггерная система CMS.

1.5 Энергетическое и пространственное разрешение адронного калориметра

2 Адронные струи и прямые фотоны

2.1 Струи в детекторе CMS.

2.1.1 Механизмы рождения адронных струй.

2.1.2 Проблемы измерения энергии струи.

2.1.3 Алгоритмы поиска струй.

2.2 Процессы рождения прямых фотонов.

2.2.1 Процессы основного порядка.

2.2.2 Излучение в начальном состоянии.

2.2.3 Излучение в конечном состоянии.

2.2.4 кт эффект

2.2.5 Фрагментация партонов.

3 Анализ физических процессов

3.1 Сигнальные события

3.1.1 Физические параметры событий «прямой фотон+струя».

3.1.2 Критерии отбора событий для анализа физических процессов

3.1.3 Статистические возможности канала «прямой фотон+струя».

3.1.4 Дисбаланс Рг7 — PTjet прп различных критериях отбора событий

3.1.5 Влияние fcr-эффекта Iia дисбаланс Рт7 — Рт^е1.

3.1.6 Потери энергии струи за счет нейтрино и мюонов.

3.1.7 Пространственная конфигурация струи

3.2 Фоновые события.

3.2.1 Источники фона к каналу «прямой фотоп+струя».

3.2.2 Эффективность критериев отбора событий при подавлении фона

3.2.3 Подавление фона улучшением баланса Ру — Pj?1.

3.3 Возможности использования канала «прямой фотон+струя» для калибровки струй, вытекающие из анализа физических процессов.

4 Методика и неопределенности калибровки

4.1 Систематические сдвиги шкалы энергии струи при наложении ограничений на параметры событий

4.1.1 Выборки событий, используемые для анализа.

4.1.2 Метод исследования корректности критериев отбора событий.

4.1.3 Моделирование условий измерения.

4.1.4 Корректность критериев отбора событий.

4.2 Фон к процессу «прямой фотон + струя» в условиях регистрации событий установкой . '.

4.2.1 Моделирование условий измерения и предварительный отбор событий

4.2.2 Критерий изолированности фотона.

4.2.3 Подавление фона при низкой светимости.

4.3 Критерии отбора событий и неопределенности шкалы энергии струи.

4.3.1 Процедура калибровки энергии струи и физические ограничения на ее точность.

4.3.2 Вариации параметров алгоритмов поиска струй.

4.3.3 Спектры изолированности фотона.

4.3.4 Зависимость калибровочных коэффициентов от критериев отбора событий.

4.3.5 Ограничение на псевдобыстроту фотона.

4.3.6 Ограничение на угол между фотоном и струей.

4.3.7 Калибровка при мягких и жёстких ограничениях.

4.3.8 Статистические неопределённости.

4.3.9 Шкала энергии струн уровня частиц.

4.4 Исследование пространственного разрешения адронного калориметра CMS

4.4.1 "Условия испытания прототипа адронного калориметра.

4.4.2 Методика измерения пространственного разрешения НЕ.

4.4.3 Характеристики пространственного разрешения НЕ.

4.4.4 Актуальность результата.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование канала "прямой фотон + струя" для установления абсолютной шкалы энергии струи на установке CMS»

В физике высоких энергий большую роль играют процессы, содержащие адронные струи. С помощью струй получают информацию о процессах жестких партон-партонных взаимодействий, которые содержат в конечном состоянии кварки и/или глюоны. Многие физические процессы; которые предполагается исследовать на установке Компактный мюонный соленоид (CMS) [1] Большого адронного коллайдера (LHC) [2], содержат от одной до нескольких струй в конечном состоянии. Поэтому от точности восстановления энергии струи будет в значительной мере зависеть результативность проводимого эксперимента, например, открытия бозона Хиггса, регистрации сигналов суперсимметрии или дополнительных измерений.

Одним из наиболее, перспективных каналов образования бозона Хиггса (Н) на LHC является его ассоциативное рождение с векторными бозонами W±, Z: qq —> VH [V = W± или Z\. Доминирующей модой распада бозона Хиггса с массой тн < 135 ГэВ/с2 при этом является распад Н bb. В случае шя > 135 ГэВ/с2 доминирует распад Н —» W+W~. Таким образом, в конечном состоянии данного процесса может наблюдаться до б адронных струй [3]-[5].

В экспериментах на LHC планируется поиск бозона Хиггса в широком массовом интервале (до тпц ~ 1 ТэВ/с2). При этом каналы образования бозона Хиггса (такие как qq —» HW, qq —>■ qqH) с двумя и большим числом струй в конечном состоянии рассматриваются как наиболее перспективные [4]-[5]. J.

Поиск суперсимметричных частиц, предсказываемых различными моделями суперсимметрии (SUSY), также входит в программу исследований на LHC [6]. Поскольку среди каналов распада многих SUSY частиц преобладают двух-, четырех- и даже шести-струйные каналы, неопределенности в шкале энергии струи могут непосредственно влиять на погрешность определения масс этих частиц. Точное определение энергии струи также необходимо для правильной оценки вклада фоновых событий (процессы с рождением tt пар, W~/Z° + N струй). Так, в эксперименте DO по поиску скварков и глюино в оценке фона к их рождению, которая делалась на основе предсказаний Монте-Карло, неопределенности в шкале энергии струи являлись доминирующими [7].

На точность восстановления энергии струи влияют как физические эффекты, так и характеристики детектора [8]-[9]. Без введения поправок энергия восстановленной в калориметре струи оказывается меньше номинальной энергии партона, причем дефицит энергии зависит от энергии партона и может достигать 30%. Поправки на энергию струи могут быть введены, в частности, с помощью процессов, в которых наряду со струей рождается объект, хорошо измеряемый в установке и связанный со струей однозначными кинематическими соотношениями. Примером таких процессов являются однострунные процессы с прямыми фотонами («прямой фотон+струя»), использование которых позволяет установить абсолютную шкалу энергии струн, что составляет одну из приоритетных задач для любого рр или рр коллайдерного эксперимента.

Идея использовать канал «прямой фотон+струя» для коррекции шкалы энергии струи основана на высокой точности и линейности восстановления фотонов в электромагнитном калориметре CMS. Для электронов и фотонов в широком диапазоне энергии £измеренное/-Епучка = 1. А использование соотношения (баланса) между поперечными энергиями фотона и начального партона позволяет определить калибровочные коэффициенты, которые отражают влияние на потери энергии частиц электромагнитного и адронного ливней в материалах калориметров, магнитного поля, различия отклика калориметра на электроны, фотоны и адроны, характеризуемого коэффициентом e/h, а также влияния неоднородности материала детектора, других эффектов, связанных с регистрацией событий в установке и ряда физических эффектов.

Реконструкция событий на установке CMS наряду с энергиями струй требует также определения координат струй и частиц, рожденных в протон-протонных столкновениях. Измерение координаты центра тяжести ливня, создаваемого струей или отдельными частицами, может быть выполнено с использованием продольной и поперечной сегментации калориметра и энерговыделеиий в его ячейках [10]. Точность такого измерения может быть определена экспериментальным путем: испытанием прототипа адронного калориметра со сканирование его пучком в пределах нескольких башен. Из-за невозможности получения в качестве пучка струй, рожденных при фрагментации кварков и глюонов, можно ограничиться использованием пучков пионов разной энергии. Результаты таких испытаний могут быть использованы для регистрации струй в действующей установке. Подобные исследования для адронного калориметра в окончательной конфигурации ранее не производились и таким образом представляют актуальность и новизну.

Целью настоящей работы являтся разработка и анализ методик реконструкции струй в установке CMS: определение абсолютной шкалы энергии струи и пространственного разрешения адроного калориметра. Ее основными задачами являются:

• разработка метода коррекции энергии струи с помощью событий «прямой фотон 4-струя», включающего критерии отбора событий и правила расчета калибровочных коэффициентов.

• оценка количеств сигнальных и фоновых событий, которые могут быть использованы для калибровки струй, статистических и систематических погрешностей калибровки и границ ее применимости по энергиям и псевдобыстротам струй;

• исследование координатного разрешения торцевого адроного калориметра по результатам испытания его прототипа на пучках пионов с разными энергиями.

Диссертация начинается с введения, в котором на примере физических задач, которые предстоит решить в эксперименте CMS (поиск бозонов Хиггса промежуточных масс, частиц вне Стандартной Модели и т.д.), демонстрируется актуальность рассматриваемой в диссертации темы и формулируется цель работы.

Делается краткий обзор задач и методов, описанных в диссертации. Кратко изложено содержание диссертации.

Первые две главы (1-2) диссертации описывают экспериментальную установку и основные характеристики адронных струй и процессов с прямыми фотонами.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Конопляников, Виктор Федорович

Заключение

1. На основе Монте-Карло моделирования как физических событий с помощью генератора PYTHIA, так и их регистрации детектором с использованием программ быстрого (СМ-SJET) и полного моделирования детектора (CMSIM, OSCAR) и реконструкции событий (ORCA) впервые разработана методика установления абсолютной шкалы энергии струи с помощью событий «прямой фотон + струя» па установке CMS.

2. Выработаны критерии отбора событий «прямой фотон + струя», сделана оценка систематических погрешностей калибровки струй и определены ограничения на применимость разрабатываемой методики.

2.1. Впервые исследован при различных ограничениях на физические параметры событий дисбаланс поперечных импульсов прямого фотона и основной струи, вызванный излучением в начальном состоянии (ISR) фундаментального партонного процесса рассеяния, во всей области псевдобыстрот и поперечных энергий фотона и струи, достижимой в установке CMS. Определена область поперечных импульсов и псевдобыстрот фотонов и струй, в которой ISR ограничивает применимость данной калибровки.

2.2. Впервые сделаны оценки систематических сдвигов шкалы энергии струи, которые возникают при наложении ограничений на различные физические параметры событий для выделения канала «прямой фотон + струя» в установке CMS. Показано влияние на эти сдвиги как физических эффектов (жесткого столкновения, фрагментации, излучений в начальном и конечном состояниях), так и эффектов, связанных с регистрацией событий установкой. Предложены рекомендации для уменьшения погрешностей шкалы энергии струи, связанных с наложением ограничений на параметры событий.

2.3. Впервые определен уровень фона к событиям «прямой фотон + струя» в установке CMS и определены степени влияния на возможность его подавления отдельно физических эффектов, магнитного поля, ливней частиц, шумов электроники и наложения дополнительных событий. Показано, что ожидаемое в условиях установки отношение сигнала к фону составит в калибровочных выборках ~1ч-10 для поперечных энергий фотонов соответственно 20+150 ГэВ.

2.4. Впервые рассчитан вклад различных обусловленных фоном эффектов в погрешность шкалы энергии струи на установке CMS. Показано, что при выработанных критериях отбора событий они приводят к систематическим сдвигам шкалы ^10+2% при Ет = 20+150 ГэВ. Однако, вследствие частичной скомпенсированиости этих сдвигов, результирующая систематическая погреш- ность, вносимая фоном в калибровку при данных отборах, не превышает 2%.

2.5. Рассчитаны систематические погрешности предложенной методики для струй разных типов и различных алгоритмов поиска струй. Показано, что результирующая систематическая погрешность калибровки струй обусловлена, прежде всего, двумя факторами: нарушением Ру-баланса между фотоном и струей, вызванным ISR и типами калибруемых струй. В случае КХД-струй оба фактора частично компенсируются, приводя к результирующей систематической погрешности 4-г0% при \ifet\ =0+3. При \rfet\ > 3 эта погрешность вследствие ISR возрастает с увеличением модулей псевдобыстрот и поперечных энергий струй, достигая значении более 10%.

3. Рассчитаны статистические погрешности методики на основе оценки количеств событий «прямой фотон + струя» с учетом критериев запуска установки и предлагаемых критериев отбора событий. Показано, что в широком интервале псевдобыстрот, включающем область цилиндрического, торцевых и передних калориметров статистическая погрешность калибровки струй не будет превышать 1% для поперечных энергий до 500 ГэВ через месяц и до 1000 ГэВ через год набора данных при светимости 2-1033ст~2с-1.

4. На основе данных, полученных в сентябре 2003 года на пучке Н4 Суперпротонного синхротрона (SPS) в ЦЕРН, разработана методика определения координаты адронов по центру тяжести ливня и измерена точность определения азимутальных углов адронов в зависимости от их энергии в торцевом калориметре НЕ. Установлено, что среднее квадратичное отклонение измеренного угла для адронов с энергиями 50+300 ГэВ составляет l°-f-0,5° при их попадании в середину башни и 0,3°+0,6° при их попадании на границу башен.

Благодарности

Прежде всего я хочу выразить искреннюю благодарность за постановку актуальных задач и постоянную поддержку в работе своим научным руководителям: Скачкову Николаю Борисовичу, инициатору данной задачи, предложившего принципиальные идеи ее решения на уровне физических процессов; а также Зарубину Анатолию Вадимовичу, предложившего принципиальные идеи как для проведения исследований при полном моделировании детектора, так и для получения экспериментальных результатов.

Я благодарю также всех сотрудников ОИЯИ, ЦЕРНа, членов коллабораций CMS и RDMS CMS, которые создали мне условия для плодотворной работы, оказали поддержку и помощь. Особую благодарность я выражаю:

Абдуллину Салавату Киязимовичу за активный интерес к работе и полезные замечания; Абрамову Виктору Васильевичу за посвящение в детали испытания НЕ на пучке; Бабичу Константину Сергеевичу за активный интерес к работе и полезные идеи по обработке данных;

Бандурину Дмитрию Владимировичу за активное участие в работе и многие полезные идеи;

Белотелову Ивану Ивановичу за активный интерес к работе и полезные идеи по обработке данных;

Варданян Ирине Николаевне за большую помощь в исследовании эффектов детектора; Волкову Алексею Анатольевичу за посвящение в детали испытания НЕ на пучке; Вишневскому Александру Викторовичу за активный интерес к работе и полезные замечания;

Гаврилову Владимиру Борисовичу за активный интерес к работе и многие полезные идеи; Голутвину Игорю Анатольевичу за постоянную поддержку в работе, и полезные идеи, которые нашли свое отражение в постановке задач и полученных результатах; Граменицкому Игорю Михайловичу, Денегри Даниэлю, Ено Саре, Замятину Николаю Ивановичу и Каменеву Алексею Юрьевичу за активный интерес к работе и полезные замечания;

Капшаю Валерию Николаевичу за важные стимулы к исследованиям по физике элементарных частиц;

Кирюшипу Юршо Тихоновичу за активный интерес к работе и полезные замечания; Кодоловой Ольге Леонидовне за многие важные идеи по методике калибровки и большой вклад в исследование возможностей методики с учетом эффектов, связанных с регистрацией процессов установкой;

Крохотину Андрею Игоревичу за активный интерес к работе и полезные замечания; Кунори Суичи за активный интерес и идеи, которые были использованы в работе; Курилину Александру Сергеевичу за помощь в обработке результатов испытания НЕ на пучке;

Ладыгину Владимиру Петровичу за активный интерес и ряд идей, которые были использованы в работе;

Лазичу Драгославу за посвящение в детали испытания НЕ на пучке; Лохтину Игорю Петровичу за активный интерес к работе и полезные идеи; Максименко Николаю Владимировичу за постоянную активную поддержку и интерес к работе;

Мещерякову Глебу Владимировичу за большую помощь в обработке результатов испытания НЕ на пучке;

Моисенз Петру Владимировичу за активный интерес к работе и важные идей по исследованию координатного разрешения НЕ;

Никитенко Александру за активный интерес к работе и многие полезные идеи; Пальчику Владимиру Владимировичу за большую помощь в моделировании процессов в установке;

Савиной Марии Вячеславовне и Саричевой Людмиле Ивановне за активный интерес к работе и полезные замечания;

Смирнову Виталию Анатольевичу за активный интерес к работе, полезные замечания и посвящение в детали испытания НЕ на пучке;

Сушкову Сергею за активный интерес к работе и ряд идей, которые были использованы в работе;

Сфикас Парис за активный интерес к работе и полезные замечания; Съестранд Тъерборд за уточнение деталей кинематики процессов с прямыми фотонами; Тихоненко Елене Александровне за большую помощь в моделирования процессов в условиях установки;

Тулли Крис за активный интерес и ряд идей, которые были использованы в работе; Ульянову Алексею Львовичу за многие важные идеи по исследованию эффектов детектора и большую помощь в решении проблемы их моделирования, создании алгоритмов для программ калибровки;

Уркинбаеву Анарбаю за большую помощь в решении задачи при полном моделировании процессов в установке;

Шматову Сергею Владимировичу за поддержку в работе, и полезные идеи, которые нашли свое отражение в постановке задач и полученных результатах;

Шульге Сергею Григорьевичу за многие полезные идеи, которые были использованы в работе;

Шумейко Николаю Максимовичу за постоянную активную поддержку и интерес к работе; Элвира Даниэлю за активный интерес к работе и полезные идеи.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Конопляников, Виктор Федорович, 2008 год

1. CMS Collaboration: G.L.Bayatian et al. The Compact Muon Solenoid. Technical Proposal. CERN/LHC 94-38, LHCC/P1, Geneva, Switzerland, 1994.

2. LHC. The large hadron collider. Conceptual design. CERN/AC/95-05, LHC, Geneva, Switzerland, 1995.

3. R. Kinnunen LHC Potential for the Higgs Boson Discovery, Proceedings of "Hadron Structure 2004", Smolenice Castle, Slovakia, 2004, CMS-CR-2004/058.

4. D. Denegrí et al. Summary of the CMS Discovery Potential for the MSSM SUSY Higgses.

5. R. Kinnunen. Higgs physics at LHC, CMS NOTE 2001/032; CMS CR 2002/020.

6. S. Abdullin et al. Discovery Potential for Supersymmetry in CMS, CMS Note-1998-006.

7. B. Abbott et al. Search for Squarks and Gluinos in Single-Photon Events with jets and Large Missing Transverse Energy in ppbar Collision at a/s=1.8 TeV, Phys.Rev.Lett. 82 (1999)29.

8. CMS Collaboration: G.L.Bayatian, . V. Konoplianikov et al. CMS PTDR Vol.1: Detector Performance and Software. CERN/LHCC 2006-001, CMS TDR, 2 February 2006.

9. A. Heister, O. Kodolova, V. Konoplyanikov et al. Measurement of jets with the CMS detector at the LHC. CERN-CMS-NOTE-2006-036, Feb 2006. 13pp.

10. CMS Collaboration: G.L.Bayatian et al. CMS Hadron Calorimeter Project. Technical Design Report. CERN/LHCC 1997-31.

11. T. Sjostrand. High-energy phisics event generation with PYTHIA 5.7 and JETSET 7.4. Comp.Phys.Com. 82 (1994) pp.74-90.

12. M. V. ICrasnikov, V.A. Matveev. Phisics at LHC. Part. Nucl. Lett, v.28,1997, pp.1125-1189.

13. J. Mnich. Standard Model. Physics at the LHC, Proceedings of "Physics at LHC" Conference, Vienna, Austria, July 13-17 2004, CMS-CR-2004/043.

14. CMS Collaboration: G.L.Bayatian et al. CMS PTDR Vol.11: Physics Performance. CERN/LHCC 2006-021, CMS TDR, 26 June 2006.

15. CMS Collaboration: G.L.Bayatian et al. CMS Tracker Project, Technical Design Report, CERN/LHCC 98-6, CMS TDR 5, CERN, 1999.

16. CMS Collaboration: G.L.Bayatian et al. CMS Electromagnetic Calorimeter Project, Technical Design Report, CERN/LHCC 97-33, CMS TDR 4, CERN, 1997.

17. CMS Collaboration: G.L.Bayatian et al. CMS Muon Project, Technical Design Report, CERN/LHCC 97-32, CMS TDR 3, CERN, 1997.

18. CMS Collaboration: G.L.Bayatian et al. The Trigger and Data Acquisition project, Volume I. The Level-1 Trigger. CERN/LHCC 2000-038, pp.52-55.

19. CMS Collaboration: G.L.Bayatian,. V. Konoplianikov et al. The Trigger and Data Acquisition project, Volume II. Data Acquisition & High-Level Trigger. CERN/LHCC 2002-026.

20. W. Adam, . V. Konoplianikov et al. The CMS high level trigger. Eur.Phys.J.C46:605-667,2006.

21. GEANT4 Collaboration, S. Agostinelli et al. GEANT4: A simulation toolkit. Nucl. Instr. and Methods A506 (2003) 250-303.

22. R. Wigmans. Nucl. Instr. and Methods A259 (1987)389.

23. B. Abbot. High-pT jets in pp collisions at sqrt(s)=630 and 1800 GeV, Phys.Rev. D64, (2001)032003.2425,26,27,28,29,30,31,32,3336,3738,39