Об использовании событий ассоциативного рождения прямых фотонов и адронных струй на тэватроне для установления абсолютной шкалы энергии струи и изучения глюонного распределения в протоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Бандурин, Дмитрий Владимирович

• Бандурин, Дмитрий Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бандурин, Дмитрий Владимирович

Введение

1 Экспериментальная установка.

1.1 Коллайдер Тэватрон.

1.1.1 Общее описание.

1.1.2 Структура.

1.2 Обзор детектора D0.

1.2.1 Назначение и общее устройство.

1.2.2 Кремниевый микростриповый трекер.

1.2.3 Центральный трекер на сцинтилляционных волокнах.

1.2.4 Центральный предливневый детектор (Preshower).

1.2.5 Калориметр. Общее устройство и принцип работы.

1.2.6 Центральный калориметр.

1.2.7 Торцевые калориметры.

1.2.8 Интеркриостатный детектор и Безмассовые Щели.

1.2.9 Энергетическое и. координатное разрешение калориметра.

1.2.10 Мюонная система.

1.2.11 Триггерная система D0.

2 Струи и фотоны.

2.1 Квантовая хромодинамика и струи.

2.2 Алгоритмы поиска струй.

2.3 Качественные критерии отбора струй.

2.4 Отбор фотонных кандидатов.

2.5 Источники искажения начальной энергии струи.

3 Основные характеристики процессов рождения фотон (г-бозон)+струя».

3.1 Представление в лидирующем порядке.

3.2 Основные источники нарушения баланса PC — Pjet.

3.2.1 Излучение в начальном состоянии.

3.2.2 Излучение в конечном состоянии.

- 3.2.3 кт эффект.

3.2.4 Адронизация партона в струю.

3.3 Выбор физических измеряемых величин и критериев для отбора собы- тий «фотон+струя».

3.3.1 Измеряемые физические наблюдаемые и уравнение баланса

Pt7-Ptjel.

3.3.2 Определение критериев отбора. 3.4 Оценка чисел событий «фотон+струя» со струями в различных областях калориметра.

3.5 Влияние ограничения ptdust на ptISR.

3.6 Pt распределение внутри и вне струи.

3.7 Исследование зависимости баланса Рр — Pt3et от партонного kt.

3.8 Оценка ненаблюдаемой части Pjet.

3.9 Зависимость дисбаланса РР - Ptjet от ограничений на Ptdust и Pt№t. •

4 Изучение фона к рождению событий «прямой фотон+струя» на Тэватроне. 62 4.1 Оценка эффективности критериев отбора и подавление вклада фоновых событий.

Ф 4.2 Влияние ограничений на Ptmt, Ptdust на отношение сигнал/фон, баланс

Pi7 — Ptjet и отбираемое число событий. ;.

5 Использование детекторных возможностей для выделения событий «прямой фотон+струя» на Тэватроне и LHC.

5.1 Детектор DO (Тэватрон).

5.1.1 Выделение однофотонного сигнала с использованием центрального предливневого детектора.

5.1.2 Выделения сигнала от прямого фотона с использованием электромагнитного калориметра.

5.2 Детектор CMS (LHC).

5.2.1 . Выделение однофотонного сигнала в электромагнитном калориметре.-.

• 5.2.2 Разделение кварковых и глюонных струй.

6 Проведение калибровки энергии струи на реальных данных эксперимента D0.

6.1 Предварительный отбор данных.

6.2 Новые физические объекты в событиях «фотон+струя».

6.2.1 Кластеры.•.

6.2.2 «Out».

6.2.3 «Изолированные» струи.

6.3 Определение отклика калориметра на энергию струи.

6.3.1 Источники неопределенности Pjet.

6.3.2 Минимизация и калибровочные коэффициенты.

6.3.3 Отклик калориметра.

6.4 Некоторые выводы.

6.5 Сравнение реальных данных с результатами моделирования в пакете

PYTHIA.

Применение событий «фотон+струя» для определения глюонного распределения из рр и рр столкновений.

7.1 Основные источники фоновых событий.

7.2 Процессы-родители фоновых событий.

7.2.1 События «7Лг-канди д ат+струя» на Тэватроне.

7.2.2 События «7Лг-кандидат-f струя» на LHC.

7.3 Определение числа событий «фотон+струя» и кинематической области x-Q2 на LHC.

7.4 Определение числа событий «фотон+струя» и кинематической области х — Q2 на Тэватроне.

7.5 Некоторые выводы.

7.6 Использование событий «фотон+струя» для определения распределений с— и Ь—кварков. . . . '.

О возможности использования событий рождения «Z-бозон-Ьструя» для калибровки энергии струи и определения глюонного распределения на LHC.

8.1 Критерии отбора.

8.2 Распределение событий по rjz и Ptz.

8.3 Зависимость баланса между Pz и Ptjei от ограничений на Ptdust и Р™*.

8.4 Оценка вклада фоновых событий.

8.5 Оценка числа событий «Z-бозон+струя» для определения глюонного распределения в протоне.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Об использовании событий ассоциативного рождения прямых фотонов и адронных струй на тэватроне для установления абсолютной шкалы энергии струи и изучения глюонного распределения в протоне»

Установление абсолютной шкалы энергии струи, детектируемой преимущественно адронным и электромагнитным калориметрами, является одной из приоритетных задач для любого рр или рр коллайдерного эксперимента. Точность ее определения оказывает значительное влияние на решение многих важнейших задач современной физики.

Это является особенно важным'для планируемого на Тэватроне в Run II более точного измерения массы топ-кварка (mt). По результатам Run I, значения mt, установленные в DO и CDF, соответственно равны: тщ = 173.3 ± 5.6(стат.) ± 5.5(сист.) ГэВ/с2 (DO),

176.1 ± 5.1(стат.) ± 5.3(сист.) ГэВ/с2 (CDF). (1)

Наибольшее значение систематической ошибки в обоих экспериментах (около 4 ГэВ/с2) обусловлено неопределенностью шкалы энергии струи [1, 2].

Ошибка в шкале энергии струи также доминирует в определении сечений рождения tf-nap (составляя в некоторых каналах их образования до 70% от общей ошибки), а также в процессе «одиночного» рождения топ-кварка (например, в процессах ud —> bt, ид —> bdt) [2, 3]. Знание сечения последнего процесса полезно как для извлечения некоторых параметров СМ (как Vy, так и для более точной оценки фона ко к многим процессам новой физики. Поскольку основными конечными физическими объектами являются струи, то и основной вклад в неопределенность сечения рождения будет определяться нашим знанием шкалы энергии струи.

Исследования спектра инвариантной массы двух струй (Mjj), а также скалярной суммы поперечных энергий всех струй (Нт) в данном событии являются хорошими тестами для проверки существующих моделей составной структуры кварков и леп-тонов. Однако, главная причина систематической неопределенности в полученных на Тэватроне спектрах по Mjj и Нт — точность определения шкалы энергии струи. Так, по данным эксперимента DO эта неопределенность составляет 17% при Нт ~ 500 ГэВ и 34% при Нт ~ 1000 ГэВ. В спектре по Mjj соответствующая систематическая неопределенность — 7% при Mjj ~ 200 ГэВ/с2 и 30% при Mjj ~ 1000 ГэВ/с2 [4].

Будущее адронных коллайдеров Тэватрон и LHC неразрывно связано с поиском сигналов от бозонов Хиггса (БХ).

Одним из наиболее перспективных каналов образования БХ (Я) на Тэватроне является их ассоциативное рождение с векторными бозонами Z: qq —> VH [V = W± или Z\. Доминирующей модой распада БХ с массой тн <135 ГэВ/с2 при этом является распад Н ->bb. В случае тн > 135 ГэВ/с2 доминирует распад Н W+W~. Таким образом, в конечном состоянии данного процесса может наблюдаться до 6 адронных струй [5].

В будущих экспериментах на LHC планируется поиск БХ в более широком массовом интервале (до тя ~ 1 ТэВ/с2). При этом каналы образования БХ (такие как qq —> HW, qq —> qqH) с двумя и большим числом струй в конечном состоянии рассматриваются как наиболее перспективные [6].

Поиск суперсимметричных частиц, предсказываемых различными моделями суперсимметрии (SUSY), также входит в программу исследований на адронных коллай-дерах Тэватрон и LHC [7j. Поскольку среди каналов распада многих SUSY частиц преобладают (2-, 4- и даже б-) струйные каналы, неопределенности в шкале энергии струи могут непосредственно влиять на ошибку установления 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 Ф струи являлись доминирующими [8].

Известно, что многие теоретические предсказания по рождению новых частиц (бозоны Хиггса, SUSY частицы), а также по оценке фона к ним, в экспериментах, проводимых на Тэватроне, и будущих экспериментах на LHC, основаны на использовании разных параметризаций глюонной компоненты структурной функции протона при малых х и больших значениях квадрата переданного импульса Q2. Поэтому проведение измерения глюонной плотности непосредственно в тех же экспериментах позволит иметь самосогласованную физическую картину изучаемых процессов, и, несомненно, представляет большой интерес.

Очевидно, что обоснование возможности такого измерения с правильной оценкой выхода, необходимых для этой цели событий и определением вклада фоновых процессов является важным этапом в подготовке такого измерения.

Таким образом, увеличение точности определения энергии струи и измерение глю-онного распределения в экспериментах на Тэватроне и LHC являются актуальными проблемами в современной физике высоких энергий.

Подход к решению этих двух задач, изложенный в диссертации, основан на изучении событий «прямой фотон (Z-бозон) + струя», анализ которых проводился как на основе моделирования этих событий, так и в реальных экспериментальных данных детектора DO (Тэватрон).

Стоит также отметить, что обе задачи связаны между собой как по методам отбора и анализа данных, так и по физической природе изучаемых в них фундаментальных кварк-глюонных процессов.

Основной целью настоящей работы является разработка метода, который позволил бы выделить такие события из множества других процессов (сечение которых в сумме превышает сечение сигнального процесса «прямой фотон + струя» примерно Ф , . на 3 порядка), а также приводил бы к наименьшей ошибке в определении энергии струи.

Другой целью данной работы является демонстрация возможности применения событий «прямой фотон (Z-бозон) + струя», отобранных по новым критериям с целью калибровки энергии струи, для изучения глюонной плотности в протоне в экспериментах на Тэватроне и LHC.

Диссертация начинается с введения, в котором делается обзор физических перспектив и задач, которые предстоит решить на существующих (Тэватрон) и создаваемых (LHC) коллайдерах ТэВ-ных энергий. На нескольких примерах решаемых физических задач на Тэватроне и LHC демонстрируется актуальность рассматриваемой в диссертации темы и формулируется цель работы. Делается краткий обзор задач и методов, описанных в диссертации. Кратко изложено содержание диссертации.

Поскольку наибольшее внимание в диссертации уделяется изучению событий ассоциативного рождения прямых фотонов и струй в детекторе DO и возможностям применения найденного метода установления энергии струи к физическим процессам на детекторе DO, в главе 1 дается краткое описание детектора, а также рассматривается проводимая на нем модернизации по сравнению с Run I. Программа модернизации диктуется физическими задачами, которые предстоит решить в Run II (поиск бозонов Хиггса промежуточных масс, частиц вне Стандартоной Модели, физика топ-кварка, В-физика и т.д.). Она состоит, прежде всего, из замены трековой системы в центральной и передней областях детектора с введением силиконового микрострипового трекера, трекера на сцинтилляционных волокнах и суперпроводя-щего магнита, обеспечивающего магнитное поле в 2 Тесла, добавления центрального и переднего предливневых детекторов (preshower), замены передней мюонной системы, реструктуризации триггерной системы и системы сбора данных с целью адаптации к более высокой интесивности событий и к новой трековой системе.

Так как основными наблюдаемыми объектами в рассматриваемом процессе являются фотоны и адронные струи, в главе 2 дается краткое введение в квантовую хромодинамику и физику струй (§2.1), описание основных алгоритмов поиска струй с уделением основного внимания «конусному» алгоритму (§2.2). В §2.3 перечислены экспериментальные качественные критерии, используемые в физическом анализе эксперимента DO. В §2.4 рассмотрены критерии, необходимые для отбора фотонных кандидатов. В §2.5 изложены основные факторы, влияющие на изменения начальной энергии струи.

Глава 3 посвящена физике процессов рождения прямого фотона и струи. В §3.1 дается общее описание особенностей рассматриваемого процесса, определяемого на партонном уровне подпроцессами «комптоновского» рассеяния qg —> <7 + 7 (дающего основной вклад в сечение) и аннигиляции qq ► <7 + 7, а также задач, которые могут Ф быть решены при регистрации/выделении соответствующих им реальных событий

РР(РР) -> 7+струя+Х в экспериментах на Тэватроне (и LHC). Ими являются уста-^ новление шкалы энергии струи на уровне частиц (т.е. энергии струи в момент ее образования, до регистрации в детекторе) и измерение глюошгого распределения в протоне.

В §3.2 основное внимание сосредоточено на возможности проведения калибровки энергии струи с использованием информации об энергии фотона, достаточно точно определяемой в электромагнитном калориметре.

При этом показана неприменимость наивной идеи калибровки, основанной на рассмотрении только процессов партонного рассеяния в лидирующем порядке теории возмущений, и исходящей из предположения нулевого суммарного поперечного им

7 -* part . пульса фотона Pt и партона Pt в конечном состоянии. В этом случае Pt может part —* у быть восстановлено по Pt7 простым присвоением: Pt = —Pt . И, следовательно, поперечный импульс струи 7Уе\ образуемой при фрагментации кварка/глюона ко-• нечного состояния подпроцесса жесткого рассеяния, будет достаточно близок по величине к Pf: Pt ~ —Pt •

Однако в силу ряда факторов (главным образом, из-за излучения в начальном и конечном состояниях процесса партонного рассеяния, адронизации и ^-эффекта), рассмотренных в этом параграфе, поперечные импульсы фотона и струи оказываются сильно разбалансированными.

Отдельно оценивается влияние кт-эффекта и адронизации на величину баланса

Pt7-Ptiet (§§3.7,3.9).

В §3.3 проводится классификация физических объектов, которые входят в событие «фотон+струя» , и вводятся соответствующие им измеряемые кинематические переменные. На основе данных переменных выписывается уравнение баланса поперечных импульсов фотона и струи, объединяющее в себе характеристики основных физических объектов события.

В этом же параграфе проводится сравнение с уравнением, лежащим в основе метода калибровки, который использовался в экспериментах DO, CDF на Тэватроне в Run I. Приводятся критерии, использованные для отбора событий «фотон+струя» для их изучения па уровне частиц.

Обсуждается роль новых критериев, не использованных ранее как в экспериментах на Тэватроне в Run I, так и ни в одной из других коллабораций. Это, прежде всего, жесткое ограничение поперечного импульса кластеров (мини-струй) ptclust, регистрируемых вне системы «фотон-f струя» . Эти кластеры являются частью другой экспериментально измеряемой величины, входящей непосредственно в уравнение баланса, - Ptout. Как отмечается в §3.9 и §4.2 диссертации, жесткие ограничения, вводимые на ptdust и Р™1, приводят, с одной стороны, к существенному увеличению точности определения энергии струи (уменьшению систематической неопределенности % такого определения), а с другой стороны, к значительному подавлению вклада фоновых событий. Также показано влияние ограничений величины ptdust иа основные кинематические переменные, характеризующие процесс «фотон+струя» (Р/5Д, кф^^ег) pt\r)\>4.2^ pout^ ад-щс па партонном уровне).

В этом же параграфе объясняется введение нового понятия — «изолированных» струй. Как показано в §4.2, требование «изолированности» струи также приводит к заметному улучшению баланса Рр — Pt]et.

В §3.4 определяется число событий «фотон+струя» , пригодных для проведения калибровки энергии струи, которые могут быть набраны в эксперименте DO в Run II в различных областях по PC и псевдобыстроте струи rf€t. В §3.5 показано влияние ограничения ptdust на отбор событий с малым излучением в начальном состоянии. В §3.6 исследуется распределение по Pt внутри и вне струи (найденной простым конусным алгоритмом) с рассмотрением отношения этого Pt к Pf. §3.7 посвящен исследованию зависимости баланса Pf — Pjet от значения внутреннего поперечного импульса партона (fcr-эффект). В §3.8 оценивается доля поперечного импульса струи, уносимая недектируемыми частицами (нейтрино, мюоиами с > 2.5). В §3.9 проводится рассмотрение зависисмости баланса Pf — Ptjet от ограничений на pcluat и pout в сигнальных событиях со струей в центральной области калориметра

DO.

Глава 4 посвящена рассмотрению и анализу фоновых событий к рождению прямых фотонов* и струй. Перечислены основные их источники, к которым относятся события с высокоэнергетичными фотонами, рожденными в нейтральных каналах распада 7Г°, г/, и и К® мезонов, а также события с фотонами тормозного излучения, образованных, главным образом, в процессах qg —» qg, qq —> qq и gg —> qq рассеяния. Обсуждается вклад событий, содержащих е± в качестве кандидата на прямой фотон. На различных уровнях применения критериев отбора событий .«фотон+струя» приводятся относительные вклады различных типов фоновых событий. Оценен вклад событий с фотонами тормозного излучения как неприводимых фоновых событий.

В широком диапозоне изменения ограничений на введенные величины ptdu3t и Р™1 демонстрируется их влияние на сокращение вклада фоновых событий. Так например, при отборе событий на Тэватроне с Pf > 40 ГэВ/с ужесточение верхнего ограничения от Ptdiut < 30 ГэВ/с (Ptwt не ограничен) до Ptdust < 5 ГэВ/с и Pf""6 < 5 ГэВ/с приводит к почти двухкратному улучшению отношения сигнал/фон. При аналогичной вариации ограничений на величины ptdust и показана динамика улучшения точности определения энергии струи и число событий, которые могут быть набраны в эксперименте DO.

Главе 5 содержит результаты исследования детекторных возможностей для выделения событий «прямой фотон+струя» на Тэватроне и LHC. В §5.1 приведены результаты ио разделению сигнальных, и фоновых событий при анализе информации об энерговыделениях в ячейках калориметра и иредливневом детекторе (preshower) установки DO. Так, показано, что введенные критерии позволяют при эффективности отбора прямых фотонов 65 = 30 — 40% отсеить ~ 80 — 90% фоновых событий с использованием только калориметрических данных и при.65 = 84 — 87% отсеить ~ 60 — 65% фона, используя только информацию о кластерах в иредливневом детекторе. Аналогичные оценки возможностей подавления вклада фоновых событий к ассоциативному рождению прямых фотонов и струй в детекторе CMS приведены в §5.2.

Глава 6 содержит общее описание процедуры калибровки энергии струи. В §6.1 описывается процедура и критерии, применяемые для предварительного отбора данных. В §6.2 даются определения новых физических объектов, использованных для отбора событий «фотон+струя» , а также приводятся их спектры в экспериментальных данных. В §6.3 продемонстрирована процедура нахождения отклика детектора D0 на энергию струи с проведением анализа основных источников ошибок. Здесь • также описан используемый метода минимизации 1 и поиска калибровочных коэффициентов, необходимых для восстановления энергии струи по наблюдаемым энерговыделениям в калориметре. Показано влияние критериев отбора событий «фотон+струя» на точности .«присвоения» энергии струе в событии «фотон+струя» и нахождения калибровочных коэффициентов. В §6.4 подводятся итоги по процедуре определения определения отклика. В §6.5 проводится сравнение некоторых характеристик, полученных в реальных данных с результатами Монте-Карло моделирования.

Глава 7 посвещена преспективам применения отобранных событий «прямой фотон + струя» для изучения глюонного распределения в протоне f$(x,Q2) в экспериментах на Тэватроне и LHC. Дается обоснование возможности использования событий «прямой фотон (Z-бозон) + струя» для определения fg(x, Q2), показаны преимущества по сравнению со случаем извлечения fj}{x, Q2) из данных по регистрации инклюзивных фотонов.

В §7.1 перечислены основные источники фоновых событий. В §7.2 проведена классификация основных типов фоновых событий по фундаментальным КХД процессам рассеяния 2 —> 2. Показано, как для случая Тэватрона, так и для случая LHC, что на основными источниками фоновых событий на партонном уровне являются подпроцессы рассеяния qg —t qg и qq —у qq, qq—tqq с более чем 50% вкладом от процесса 49 —* qo рассеяния.

В §7.3 определяются числа событий «прямой фотон+струя», которые могут быть набраны на LHC при LHHT = Ю /б-1. Делается оценка вкладов различных типов событий, прошедших критерии отбора, как функция поперечного импульса прямого фотона (или его кандидата). Также определяются числа отобранных событий «прямой фотон+струя» из ^^взаимодействий на Тэватроне в Run II при интегральной Щ 1 Метод основан на использовании пакета MINUIT. светимости Lmт = 3 fb~l (§7.4 ). В §7.5 делаются некоторые выводы. Показаны новые кинематические области по х — Q2, которые могут быть покрыты при изучении глюонной плотности с помощью данных процессов. Проводится сравнение с кинематическими областями, покрытыми в других экспериментах по изучению структурных функций протона.

В §7.6 определяется число событий, основанных на подпроцессах gc(b) —> ydtr + с{Ъ) в разных интервалах по ж и Q2, которые могут быть использованы для определения функций распределения с(Ь)-кварков в протоне на Тэватроне и LHC.

В Главе 8 показана возможность использования событий «Z-бозон+струя» (с распадами Z-бозона по мюонному и электронному каналам) на экспериментах на LHC для проведения калибровки энергии струи и определения глюонного распределения в протоне. После применения введенных критериев отбора продемонстрированы результаты оценки вклада фоновых событий к их рождению.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

Основные результаты диссертации докладывались на многочисленных семинарах рабочих групп коллабораций CMS и DO, на коллаборационных митингах эксперимен- • та DO, а также на следующих конференциях:

1. Third Annual RDMS CMS Collaboration Meeting.

ЦЕРН, Швейцария, 16-17 декабря 1997.

2. XV International Workshop "High Energy Physics and Quantum Field Theory".

Тверь, 14-20 сентября 2000. 3. XV International Seminar "Relativistic Nuclear Physics and Quantum Chromodynamics".

ОИЯИ, Дубна, 25-29 сентября 2000.

4. Пятая научная конференция молодых ученых и специалистов.

ОИЯИ, Дубна, 5-10 февраля 2001.

5. XVI International Seminar "Relativistic Nuclear Physics and Quantum Chrornodynainics".

ОИЯИ, Дубна, 17-22 июня 2002.

6. XI International Workshop on Deep Inelastic Scattering "DIS 2003".

Санкт-Петербург, 23-27 апреля 2003.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Бандурин, Дмитрий Владимирович

Результаты работы сети по разделению 7г°, г/, К® мезонов и фотонов относительно выходного порогового значения Othr — 0.5 представлены в Таблицах 17, 18 для двух интервалов по псевдобыстроте в баррельной области ECAL.

Заключение

Сформулируем основные результаты, полученные в диссертации и представляемые к защите:

1. С помощью моделирования методом Монте-Карло событий «прямой фотон 4-струя» в условиях эксперимента DO, а также событий «Z-бозон + струя» при энергиях LHC и их анализа установлены основные факторы, приводящие к нарушению баланса между поперечными импульсами фотона (Z-бозона) Pt7(z) и струи Pj€t. Ими являются излучения в начальном и конечном состояниях фундаментального партон-ного процесса рассеяния, адронизация партона в струю.

Показано, что эффект поперечного движения импульса партона внутри протона (fcr-эффект) дает значительно меньший вклад в величину дисбаланса Pt7 — Pt3et по сравнению с излучением в начальном состоянии.

2. Предложены новые критерии отбора событий «фотон (Z-бозон) + струя», которые позволяют значительно уменьшить значения дисбаланса между поперечными импульсами фотона (Z-бозона) Р?^ и струи Ptjet.

Данные критерии основаны на использовании новых физических наблюдаемых, таких как измеряемый поперечный импульс всех частиц вне системы «фотон (Z-бозон) + струя», поперечный импульс кластеров (мини-струй), а также на рассмотрении событий с «изолированными» струями.

3. Определено число событий «прямой фотон + струя», которое может быть набрано на Тэватроне в Run II в разных областях по псевдобыстроте струи и поперечному импульсу фотона. Показано, что полученная статистика является достаточной для проведения калибровки энергии струи в экспериментах на Тэватроне.

Аналогичная оценка числа событий «Z-бозоп 4- струя» (с распадом Z0 —» е+е~ и пары), которые могут быть собраны на LHC при светимости L = 10 /б-1 и пригодны для проведения калибровки энергии струи, показывает, что ожидаемая статистика является достаточной для проведения такой калибровки с помощью данных событий.

4. На основе Монте-Карло моделирования процессов рр-взаимодействия при энергиях Теватрона с использованием пакета PYTHIA, оценены относительные вклады основных источников фоновых событий к рождению сигнальных событий «прямой фотон + струя», к которым относятся события с высокоэнергетичными фотонами, рожденными в нейтральных каналах распада к°,т),и и К® мезонов; события с фотонами тормозного излучения; события, содержащие е± в качестве кандидата на прямой фотон.

Оценены относительные вклады различных типов фоновых событий при разных значениях поперечных импульсов фотона в зависимости от жесткости применения критериев отбора событий «фотон+струя» .

При этом показано, что критерии, найденные для увеличения точности определения энергии струи, также весьма эффективны и для подавления фоновых событий.

Приведены значения отношения сигнал/фон, баланса Р{7 — PtJet, а также ожидаемой статистики изучаемых событий.

5. На основе анализа реальных данных эксперимента DO и применения программ моделирования отклика и реконструкции физических объектов в установке DO (пакетов DOGstar/DOSim/DOReco), на основе аппаратурных возможностей найдены критерии для выделения сигнала от прямого фотона и подавления вклада фоновых КХД событий, содержащими фотонные кандидаты.

Показано, что введенные критерии позволяют, например, при эффективности отбора прямых фотонов es=30—40% отсеить ~80—90% фоновых событий с использованием только калориметрических данных и при €5 = 84—87% отсеить ~60—65% фона, используя только информацию о кластерах в предливневом детекторе (preshower).

С использованием программы моделирования отклика установки CMS (пакет CMSIM) определены эффективности выделения фотонного сигнала в баррельной области (|т7| < 1.4) на основе только калориметрической информации. С помощью пакета CMSIM и основываясь на данных ячеек калориметра установки CMS также определены эффективности выделения кварковых и отсева глюонных струй, что необходимо для дальнейшего сокращения вклада фоновых событий, содержащих глюонные струи.

6. На основе найденного метода проведения калибровки энергии струи, написана компьютерная программа для отбора событий «фотон -f струя» в экспериментальных данных, собираемых в эксперименте DO.

С использованием пакета минимизации MINUIT создана программа для проведения калибровки энергии струи по поперечному импульсу фотона и оттестирована как на Монте-Карло событиях в детекторе DO, так и на экспериментальных данных, которые были собраны в установке DO в 2002-2003 годах.

В рамках этой программы исследована зависимость точности нахождения калибровочных коэффициентов, а также отклика калориметра на адронную струю от начальных критериев отбора событий «фотон + струя». Исследованы основные факторы, влияющие на величину ошибки отклика калориметра и показана его зависимость от энергии струи.

7. На основе Монте-Карло моделирования, показано, что банки событий «прямой фотон + струя», отобранные для решения задачи установки шкалы энергии струи, могут быть использованы для изучения глюонного распределения в протоне в экспериментах на Тэватроне в Run II и LHC в течении первых двух лет работы при низкой светимости (1033 cm2s~1). При этом может быть покрыта новая, ранее не изученная,

ГэВ/с)2 на Тэватроне и 2 • 10"4 < х < 1.0 при 1.6 ■ 103 < Q2 < 2 ■ 105 (ГэВ/с)2 на ' LHC. Ожидаемая статистика для Тэватрона в Run II составляет примерно 1 ООО ООО событий при интегральной светимости Lint = 3 fb~x и для LHC — около 11 ООО ООО Событий «ПрЯМОЙ фотон + СТруЯ» При Lint = 10 /б-1.

Как для случая Тэватрона, так и для LHC, в каждом интервале по Q2 вклады сигнальных и основных типов фоновых событий45 дифференцированы по основным партонным подпроцессам жесткого рассеяния 2 —> 2: qg —> <77Аг, qq —> g^dlT, ведущих к рождению событий «7Аг + струя», а также qg —> qg, qq —> qq, дд -> qq и дд -> дд, определяющих рождение фоновых событий «7Лг-кандидат + струя».

Для данного интервала по Q2 вклады сигнальных и основных типов фоновых событий1 оценены в различных интервалах значений х партона.

Для случая LHC аналогичные вклады в разных интервалах по х и Q2 оценены также с учетом полученных эффективностей разделения фотонов и нейтральных мезонов, а также кварковых и глюонных струй в калориметре CMS (п.5). При этом показано, что вклад партонного подпроцесса qg —> qjdir составляет 70-90% (от общего числа отбираемых событий) в зависимости от интервала по Q2 и эффективности отбора событий «7Лг + струя».

8. На основе Монте-Карло моделирования процессов рр-взаимодействия при энергиях LHC показана возможность подавления фоновых КХД событий к рождению событий «Z-бозон + струя».

Показано, что отобранные события «Z-бозон + струя» (с каналами распада Z-бозона на е+е~ или пару), позволяют набрать на LHC статистику около 600 000 событий при интегральной светимости Lint — 20 fb~l для определения глюонной плотности в интервале 2 • Ю-4 < х < 1.0 при значениях Q2: 0.9 ■ 103 < Q2 < 4 • 104 (ГэВ/с)2. '

45Для случая LHC данные вклады в каждом интервале по Q2 были оценены ранее.

Благодарности

Автор искренне благодарен своему научному руководителю Скачкову Николаю Борисовичу за выбор важных и интересных задач, постоянную помощь и поддержку в работе.

Глубокую благодарность я хотел бы выразить всем сотрудникам Объединенного Института Ядерных Исследований, которые помогали мне в процессе работы. Особенно хотелось бы поблагодарить Виктора Конопляникова, Георгия Гогиберидзе, Геннадия Дмитриевича Алексеева, а также всех сотрудников нашего сектора ТФАФВЭ ЛЯП.

Я также благодарен ксшлаборации D0 за гостеприимство во время моего пребывания в Fermilab и за предоставленную возможность участвовать в совместной работе. Отдельно хотелось бы поблагодарить руководителя ксшлаборации Джона Вомерсли, Дмитрия Денисова, Александра Мельничук, Alexander Kupco, Andrew Alton, а также всех сотрудников Лаборатории Ядерных Проблем, работавших (и работающих) вместе со мной в эксперименте D0.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бандурин, Дмитрий Владимирович, 2004 год

1. Abbott et al., "Direct Measurement of Top Quark Mass by the DO collaboration.", Phys.Rev. D58, (1998)052001.

2. J. Womersley, "Tevatron Physics", Fermilab-Conf-03/001-Е.

3. V.M. Abazov et al., "tt production cross section in pp collisions at ^/s=l-8 TeV", Phys. Rev. D67, (2003)012004.

4. M. Carena et al, "Report of the Tevatron Higgs Working group", Fermilab-Conf-00/279-T, hep-ph/0010338.

5. D. Denegri et al., "Summary of the CMS Discovery Potential for the MSSM SUSY Higgses". CMS NOTE 2001/032; R. Kinnunen, "Higgs physics at LHC", CMS CR 2002/020.

6. S. Abdullin et a/.,."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 ^/5=1.8 TeV", Phys.Rev.Lett. 82 (1999)29.

8. L.M. Lederman, Scientific American, 264(3) (1991)48-55.

9. D.E. Johnson, "Instrumentation Requirements for the Fermilab Main Injector", Internal Main Injector Note 76, (unpublished, 1992).

10. Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Illinois (USA). Tevatron Run II Handbook. Internal FNAL Note (http://www-bd.fnal.gov/runll/index.html).

11. W.J. Thompson. "Search for the Top Quark in the Muon + jets Channel at D0."PhD thesis, State University of New York at Stony Brook, Stony Brook, New York, USA, February 1994.

12. S. Abachi et a/.,"The DO detector", Nucl.Instrum.Meth. A338(1994)185.

13. Для дополнительной информации см. www-страницу http://www-dO.fnal.gov/hardware/upgrade/upgrade.html и ссылки на ней.

14. S. Snyder. "Measurement of the Top Quark Mass at D0". PhD thesis, State University of New York at Stony Brook, Stony Brook, New York, USA, May 1995.

15. D0 Collaboration. "D0 Silicon Tracker Technical Design Report", D0 Note 2169 (1994).

16. D0 Collaboration. "The D0 Upgrade Central Fiber Tracker: Technical Design Report", (1997) (см. http://dOserverl.fnal.gov/projects/SciFi/cfthome.html).

17. M. Adams et al, DO Note 3014, "Design Report of the Central Preshower Detector for the DO Upgrade".

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

19. S. Abachi et al, Nucl. Instr. and Methods A324 (1993)53.

20. I. Bertram, "Single jet Resolutions at DO for Run 1", DO Note 3414.

21. S.J. Wimpenny et al., Nucl. Instrum. Methods, A279, (1989)107; P. Franzini et al., Nucl. Instrum. Methods, A289, (1990)438; A.L. Spadafora et al, Nucl. Instrum. Methods, A315, (1992)279.

22. В. Baldin et al., (Muon Group). 'Technical Design of the Central Muon System", Internal D0 Note 3365, (updated version, 1998).

23. G. Alexeev et al., (Muon Group). 'Technical Design Report for the D0 Forward Muon Tracking Detector Based on Mini-drift Tubes", Internal D0 Note 3366 (1997).

24. V. Abramov et al., (Muon Group). 'Technical Design Report for the D0 Forward Trigger Scintillation Counters", Internal D0 Note 3237 (1997).

25. J. Butler et al., (Muon Group). 'The D0 Muon System Upgrade", Internal D0 Note 2780 (1996).

26. D. Bandurin, D. Denisov, G. Erusalimtsev, "Forward muon system monitoring using single muon production", DO Note 4275.

27. G.C. Blazey (for the D0 Collaboration). "The D0 Run II Trigger", 10th IEEE Real-Time Сотр. App. in Nuclear, Particle and Plasma Physics, Beaue, France, Conf. Proc. (1997).

28. N.J. Hadley,"Jet size", DO Note 1037.

29. B. Abbot,"High-pT jets in pp collisions at sqrt(s)=630 and 1800 GeV", Phys.Rev. D64, (2001)032003.

30. V.M. Abazov, "The inclusive jet cross section in pbarp collisions at sqrt(s)=1.8 TeV using the kT algorithm", Phys.Lett. B525, (2002)211.

31. Cm. www-страницу EM ID группы коллаборации D0: http: / / www-d0.fnal.gov/ physid/emid / d0private/emid.html.

32. F. Fleuret, DO Note 3888, "The DO Electron/Photon Analysis Package EM Analyze",

33. DO Collaboration, F. Abachi et al., NIM A424 (1999)352 (Its earlier prototype: B. Abbot et al., "Jet Energy Scale at DO"; DO Note #3287 (1997) contains some more detailed discussions of different physical aspects of the calibration).

34. CDF Collaboration. F. Abe et al., Phys.Rev.Lett. 69 (1992)2896; CDF Collaboration. F. Abe et al., Phys.Rev. D50 (1994)2966;

35. J. Womersley. A talk at CMS Week meeting, Aachen, 1997.

36. T. Sjostrand, Comp.Phys.Comm. 82 (1994)74.

37. B.R. Webber, et o/.,JHEP 0101 (2001)010, hep-ph/0011363, hep-ph/0210213.

38. D.V. Bandourin, V.F. Konoplyanikov, N.B. Skachkov, Second Annual RDMS CMS Collaboration Meeting. CERN, December 16-17, 1996. CMS-Document, 1996-213, p.7-23.

39. D.V. Bandourin, V.F. Konoplyanikov, N.B. Skachkov, "7-direet + 1 jet events for calibration of HCAL". Third Annual RDMS CMS Collaboration Meeting. CERN, December 16-17, 1997. CMS-Document, 1997-168, p.139-153.

40. D.V. Bandourin, V.F. Konoplyanikov, N.B. Skachkov, "Jet energy scale setting with «7 + jetb events at LHC energies. Generalities, selection rules". JINR Preprint E2-2000-251, JINR, Dubna, hep-ex/0011012.

41. D.V. Bandourin, V.F. Konoplyanikov, N.B. Skachkov, "Jet energy scale setting with «7 + jet» events at LHC energies. Event rates, Pt structure of jet". JINR Preprint E2-2000-252, JINR, Dubna, hep-ex/0011013.

42. D.V. Bandourin, V.F. Konoplyanikov, N.B. Skachkov, "Jet energy scale setting with «7 + jet* events at LHC energies. Minijets and cluster suppression and Pf — PtJet disbalance". JINR Preprint E2-2000-253, JINR, Dubna, hep-ex/0011084.

43. D.V. Bandourin, V.F. Konoplyanikov, N.B. Skachkov, "Jet energy scale setting with «7 + jet» events at LHC energies. Selection of events with a clean «7 + jet» topology and Pt7-Ptiet disbalance". JINR Preprint E2-2000-254, JINR, Dubna, hep-ex/0011014.

44. D.V. Bandourin, V.F. Konoplyanikov, N.B. Skachkov, "Jet energy scale setting with «у+jet» events at LHC energies. Detailed study of the background suppression". JINR Preprint E2-2000-255, JINR, Dubna, hep-ex/0011017.

45. D.V. Bandurin, N.B. Skachkov, "«7 + jet* process application for setting the absolute scale of jet energy and determining the gluon distribution at the Tevatron Run II". DO Note 3948, 2002, hep-ex/0203003.

46. D.V. Bandourin, V.F. Konoplyanikov, N.B. Skachkov,7 + jebevents rate estimation for gluon distribution determination at LHC", Part.Nucl.Lett.l03(2000)34, hep-ex/0011015.

47. Д. Баидурии, доклад на собрании КХД группысм. http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/qcd/, "Meeting June 21, 2001").

48. Д. Бандурин, доклад на собрании КХД группысм. http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/qcd/, "Meeting February 25, 2002").

49. DO Collaboration, S. Abachi et al., Phys.Rev.Lett, 77 (1996)5011;

50. DO Collaboration, B. Abbott et al. , Phys.Rev.Lett. 84 (2000)2786.

51. D. Bandurin, N. Skachkov, "On the background estimation to a photon signal", доклады на собраниях QCD и EM ID групп коллаборации DO: http://www-dO.fnal.gov/Run2Physics/qcd/,http://www-dO.fnal.gov/physid/emid/dOprivate/emid.html (Ноябрь 2002 г.).

52. D.V. Bandourin, V.F. Konoplyanikov, N.B. Skachkov, "On the possibility ofmesons and a photon discrimination basing on the calorimeter information in the CMS detector", JINR Communication El-2001-261, JINR, Dubna, hep-ex/0108050.

53. D.V. Bandurin, N.B. Skachkov, "Separation of a signle photon and products of the 7T°, 77mesons neutral decay channels in the CMS electromagnetic calorimeterusing neural network", JINR Communication E2-2001-259, JINR, Dubna, hep-ex/0108051.

54. CMS Electromagnetic Calorimeter Project, Technical Design Report, CERN/LHCC 97-33, CMS TDR 4, CERN, 1997.

55. A. Kyriakis, D. Loukas, J. Mousa, D. Barney, CMS Note 1998/088, "Artificial neural net approach to 7 — discrimination using CMS Endcap Preshower".

56. GEANT-3 based simulation package of CMS detector, CMSIM, Version 116. CMS TN/93-63, C. Chariot et al, "CMSIM-CM AN A. CMS Simulation facilities", CMSIM User's Guide at WWW: http://cmsdoc.cern.ch/cmsim/cmsim.html.

57. Particle Data Group, D.E. Groom et al., Physical Review D66 (2002)010001.

58. Proc. of CERN School of Computing, 1991, Ystad, Sweden, CERN 92-02, p.113-170 (см. также ссылки внутри работы).

59. С.В. Клименко et al, "Искуственные нейронные сети в физике высоких энергий", ИФВЭ 96-75, 1996.

60. DO Collaboration, "Search For Single Top Production at DZero Using Neural Networks", Phys. Lett. B517 (2001)282.

61. CDF Collaboration, "Neural network techniques for a Run II search of single top production at CDF", Int.J.Mod.Phys.A16SlA (2001)389.

62. C. Peterson, T. Rognvaldsson and L Lonnblad, "JETNET 3.0. A versatile Artificial Neural Network Package", Lund University Preprint LU-TP 93-29.

63. L. Lonnblad, C. Peterson and T. Rognvaldsson, "Using neural network to identify jets", Nucl.Phys., B349 (1991)675.

64. C. Peterson and E. Hartman, Neural Network 2 (1989)475.

65. D.V. Bandurin, N.B. Skachkov, "Separation of quark and gluon jets in the direct photon production processes at the LHC using the neural network approach", JINR Communication E2-2001-260, hep-ex/0109001.

66. D.V. Bandurin, N.B. Skachkov, "Photon+jet process application for setting the absolute scale of jet energy and determining the gluon distribution at the Tevatron in Run II". ЭЧАЯ, T.35, вып. 1 (2004), p.113-177, hep-ex/0304010.

67. Д.В. Бандурин, Н.Б. Скачков, "Оценка числа событий «фотон+струя»для определения глюонного распределения на Тэватроне в Run И". Ядерная физика, т.67, номер 4, 2004, стр. 710-714.

68. GEANT-3 based simulation package of DO detector D0GSTAR. Yuri Fisyak, John Womersley, "DO GEANT Simulation of the Total Apparatus Response."; http://www-dO.fnal.gov/computing/algorithms/status/index.html.

69. D.V. Bandurin, N.B. Skachkov, "On the possibility of measuring the gluon distribution in proton with 7 + jet events at LHC", JINR Preprint E2-2003-164. Sent to "European Physical Journal C", hep-ex/0210004.

70. S. Abdullin, A. Khanov, N. Stepanov, CMS Note CMS TN/94-180 "CMSJET". Version 4.703 was used.

71. D.V. Bandurin, N.B. Skachkov, "Setting the absolute scale of jet energy with

72. Z°+jet" events at LHC", JINR Communication El-2003-163, JINR, Dubna, hep-ex/0209039;

73. D.V. Bandourin, N.B. Skachkov, "On the application of "Z° + jet-events for determining the gluon distribution in a proton at the LHC". Part.Nucl.Lett.l 18(2004)25, hep-ex/0209039.

74. M. Alexeev, D. Bandurin, D. Kirillov, N. Skachkov, "On the suppression of background to direct photon using calorimeter information". DO Note 4305.

75. См. также описание на www-странице физической группы D0 «New Phenomena» http://wwhttp://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/np/.

76. M. Alexeev, D. Bandurin, G. Golovanov, N. Skachkov, "Isolated jets in «7 + jet» Run II DO data and their application for jet energy scale setting". DO Note 4313.

77. M. Alexeev, D. Bandurin, G. Golovanov, D. Kirillov, N. Skachkov, "«7+jet» Run II

78. DO data with isolated jets in the End Calorimeter and their application for jet energyscale setting". DO Note 4372.

79. F. James, "Function minimization and error analysis "(reference manual). CERN Program library entry D506.

80. P. Aurenche et al. Proc. of "ECFA LHC Workshop", Aachen, Germany, 4-9 Oktob. 1990, edited by G. Jarlskog and D. Rein (CERN-Report 90-10; Geneva, Switzerland 1990), Vol. II.

81. UA1 Collaboration, C. Albajar et al., Phys.Lett, 209B (1998)385.

82. UA2 Collaboration, R. Ansari et al., Phys.Lett. 176B (1986)239.

83. CDF Collaboration. F. Abe et al., Phys.Rev.Lett. 68 (1992)2734; F. Abe et al., Phys.Rev. D48 (1993)2998; F. Abe et al., Phys.Rev.Lett. 73 (1994)2662.

84. T. Ferbel and W.R. Molzon, Rev.Mod.Phys. 56 (1984)181.

85. P. Aurenche, et al. Phys.Lett. 169B (1986)441.

86. E.N. Argyres, A.P. Contogouris, N. Mebarki and S.D.P. Vlassopulos, Phys.Rev.rt D35 (1987)1534-1589.

87. W. Vogelsang and A. Vogt, Nucl.Phys. B453 (1995)334.

88. W. Vogelsang and M. Whally, J.Phys. G23 (1997)Al.

89. S. Frixione and W. Vogelsang, CERN-TH/99-247 hep-ph/9908387.

90. E706 Collaboration, L. Apanasevich et al, Phys.Rev.Lett., 81' (1997)2642.

91. UA6 Collaboration, G. Ballocchi et al., Phys.Lett.B436 (1998)222.

92. A.D. Martin e* a/., Eur.Phys.J. C4 (1998)463.

93. CTEQ Collaboration, H.L. Lai et al., Eur.Phys.J. C12 (2000)375.; see also http: / / www.phys.psu.edu/-~cteq.

94. P. Aurenche, M. Fontannaz, S. Frixione, Proc. of "CERN Workshop on Standard Model Physics (and more) at the LHC", QCD (section 6.1) "General features of photon production", Yellow Report CERN-2000-004, 9 May 2000, CERN, Geneva.

95. ISR-AFS Collaboration, T. Akesson et al., Zeit.Phys. C34 (1987)293.

96. V 102. UA2 Collaboration, J. Alitti et al, Phys.Lett. B299 (1993)174.

97. CDF Collaboration, F. Abe et <zJ.,Phys.Rev. D57 (1998)1359 (see also p.67). 104] H. Baer, J. Ohnemus, J.F. Owens, Phys.Lett. B234 (1990)127.

98. J.F. Owens, Rev.Mod.Phys. 59 (1987)465.

99. CMS Tracker Project, Technical Design Report, CERN/LHCC 98-6, CMS TDR 5, CERN, 1999.

100. E.L. Berger and J. Qiu, Phys.Rev. D44 (1991)2002.

101. HI Collaboration, S. Aid et al, Nucl.Phys. B470 (1996)3; C. Adloff et al Nucl.Phys. B497 (1997)3.

102. ZEUS Collaboration, M. Derrick et al, Zeit.Phys. C69 (1996)607; M. Derrick et al, Zeit.Phys. C72 (1996)399.

103. ZEUS Collaboration, Nucl.Phys.Proc.Suppl.79(1999)121-123.

104. NuTeV Collaboration, T. Adams et al, hep-ex/9906037.

105. CMS Muon Project, Technical Design Report, CERN/LHCC 97-32, CMS TDR 3, CERN, 1997.