Перспективы обнаружения новой физики на установке АТЛАС и калибровка ее адронного калориметра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Храмов, Евгений Владимирович

• Храмов, Евгений Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Храмов, Евгений Владимирович

1 Экспериментальная установка АТЛАС

1.1 Введение к главе.

1.2 Описание установки.

1.2.1 Внутренний детектор

1.2.2 Калориметр.

1.2.3 Мюонный детектор.

2 Измерение заряда топ-кварка на установке АТЛАС

2.1 Введение к главе.

2.2 Сигнатуры распада распада пары топ- и антитоп-кварка

2.3 Генерация и отбор событий.

2.4 Алгоритм нахождения пары &-струи к изолированному лептону

2.5 Полулептонный распад 5-мезона.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Перспективы обнаружения новой физики на установке АТЛАС и калибровка ее адронного калориметра»

3.2 Генерация событий.22

3.3 Исследования в долгосрочной перспективе (с &-тэггингом) . 22

3.4 Исследования в краткосрочной перспективе (без &-тэггипга) . . 26

3.5 Заключение к главе.28

4 Наблюдение глюино в EGRET области на LHC 29

4.1 Введение в теорию Суперсимметрии.29

4.2 Восстановление событий в лептонных каналах распада глюино . 36

4.2.1 Критерий конечной точки в "дилептонном" канале . 39

4.2.2 Критерий конечной точки в "дилептонных" и "лептон-струйных" каналах распада.43

4.2.3 Полностью лептонные каналы распада глюино.46

4.3 Адронные каналы распада нейтралино .48

4.4 Адроппая и лептонная моды распада нейтралино .52

4.5 Исследования основных фоновых процессов.54

4.6 Заключение к главе.56

5 Исследование функции отклика центральной области адронного калориметра установки АТЛАС на пионы в СТВ 2004 и сравнение с данными моделирования методом Монте-Карло. 58

5.1 Введение к главе.58

5.2 Линия пучка.59

5.3 Описание детектора.59

5.4 Моделирование Монте-Карло.62

5.5 Отбор событий.63

5.6 Восстановление энергии.65

5.6.1 Определение минимальных ионизационных потерь частицы в электромагнитном калориметре.66

5.7 Поправки на функции отклика и энергетического разрешения . 68

5.7.1 Поправка на протоны.69

5.7.2 Поправка на продольную утечку энергии.73

5.7.3 Поправка на поперечную утечку энергии.79

5.8 Сравнение критерия на MIP в SC1 для данных тестирования на пучке с критерием на MIP в пассивном веществе между LAr и Tile калориметрами для данных моделирования Монте-Карло 80

5.9 Систематические погрешности.92

5.10 График линейности и энергетического разрешения адронного калориметра .95

5.10.1 Измерения.95

5.10.2 Феноменологическая интерпретация.95

5.10.3 Сравнение с результатами предыдущих тестирований на пучке.101

5.11 "Точки" при высоких энергиях пучка.103

5.12 Потерянная энергия в пассивном веществе при 7] = 0.20.107

5.13 Заключение к главе .107

Введение

Настоящая работа посвящепа исследованиям некоторых эффектов новой физики на эксперименте АТЛАС, а также измерению отклика и энергетического разрешения его адронного калориметра на пионы.

Актуальность темы. Фермиопы, элементарные частицы со спином 1/2, в СМ делятся на две группы: кварки и лептоны. Топ-кварк — самый тяжелый из всех кварков. Одна из главнейших, первоочередных задач физики топ-кварка — это прецизионное определение его массы. С другой стороны, необходимо быть уверенным в том, что заряд частицы, обладающей массой топ-кварка, соответствует ожидаемому заряду топ-кварка в Стандартной Модели (т.е. равен 2/3 заряда протона). Такая информация будет важной и независимой проверкой Стандартной Модели.

Кроме большой массы, топ-кварк еще является очень короткоживущим (т/ ~ 1/Г/ ~ 0.5 х 10-24 с) и, в отличие от других кварков, распадается настолько быстро, что не успевает адронизоваться. По крайней мере, еще не зарегистрировано никаких адронов или связанных адронпых состояний, содержащих топ-кварк. Поскольку существуют связанные состояния (мезоны) всех других кварков, то вполне естественно ожидать, что и топ-кварк имеет свое связанное состояние, которое пока не обнаружено. Существует несколько теоретических моделей, предсказывающих существование достаточно тяжелых резонансов, распадающихся на //-пару.

Открытие Суперсимметричных партнеров известных частиц (SUSY частиц) и бозона(ов) Хиггса является одной из целей для современной экспериментальной физики частиц. Вот почему необходимо провести очень аккуратные исследования по поиску каких-либо (или всех) сигнатур SUSY частиц, что позволит действительно доказать открытие Суперсимметрии. Минимальный вариант Суперсимметрии в рамках Стандартной Модели (MSSM) с универсальным мягким нарушением суперсимметрии внесенным супергравитацией (mSUGRA) имеет минимальный набор свободных параметров: то, m\j2i signjl: А о, tanfi — V2/V1. Была предложена новая область параметров то и W72/2, мотивированная результатами эксперимента EGRET, с довольно большим значением параметра скалярной массы то и относительно маленьким значением параметра массы фермиопов В данном случае свойства LSP (легчайшей суперсимметричной частицы) согласуются с наблюдаемой плотностью реликтового излучения, т.е. LSP может являться хорошим кандидатом частицы холодной Темной Материи. В EGRET области, LSP может естественным образом объяснить избыток диффузионных галактических гамма-излучений. Более того, масса LSP подходит для описания данных измерения годовой модуляции эксперимента DAMA по прямому наблюдению Темной Материи.

Многие физические исследования на установке АТЛАС предполагают, что в процессах будут присутствовать адронные струи, а также будут образовываться частицы, приводящие к значительной потерянной поперечной энергии (нейтрино, нейтралино и т.п.). Для анализа подобных данных необходимо изучить функции отклика и энергетического разрешения калориметров для различных типов частиц в широком диапазоне энергий.

Цель работы. Одной из целей настоящей работы является оценка, возможности восстановления событий некоторых эффектов новой физики на эксперименте АТЛАС:

• Проверка гипотезы об экзотическом кварке с электрическим зарядом —Ае/Ъ.

• Оценка возможности поиска топ-антитоп резонансов, когда один из топ-кварков должен иметь относительно высокий поперечный импульс.

• Наблюдение SUSY-подобных событий в распаде глюинной пары в EGRET-области.

Другой целью является определение функции отклика и энергетического разрешения адронного калориметра установки АТЛАС на пионы в данных тестирования на пучке в 2004 году. Кроме того, проведено сравнение экспериментальных данных с данными Монте-Карло моделирования.

Научная новизна и практическая ценность. Оценена возможность восстановления знака заряда топ-кварка методом полулептонного распада .5-мезона на основе полного Монте-Карло моделирования установки АТЛАС. Оценена возможность восстановления топ-антитоп резонансов на установке АТЛАС. Предложен и опробован дополнительный критерий на величину поперечного импульса одного из восстановленных топ-кварков. Была разработана методика определения величины этого критерия. На основе полученных данных оценено минимальное сечение, необходимое для обнаружения топ-антитоп резонансов в диапазоне иивариантных масс от 0.7 до 3 ТэВ.

Впервые на установке АТЛАС была исследована возможность регистрации SUSY-подобных событий в предложенной EGRET-области в рамках mSUGRA модели. На первом этапе исследований рассматривался "дилептон-ный", а затем и "лептон-струйный" каналы распада пары глюино, образовавшихся в глюон-глюонном слиянии. Более того, оценена возможность разделения различных значений параметра mSUGRA модели m\j2

Был проведен анализ данных тестирования сегмента центральной части установки АТЛАС. Измерялись функции отклика и энергетического разрешения адронного калориметра на пиопы в интервале энергий от 20 до 350 ГэВ. Были применены поправки на наличие протонов в пучке, продольную и поперечную утечку энергии на функции отклика и энергетического разрешения калориметра. С помощью сцинтиллятора SC1, расположенного между электромагнитным и адронным калориметрами, детально исследовано влияние энергетических потерь в пассивном веществе между электромагнитным и адронным калориметрами на функции отклика и энергетического разрешения адронного калориметра. Также исследовано влияние критерия на минимальные иоиизационные потери в электромагнитном калориметре на функции отклика и энергетического разрешения адронного калориметра.

Положения выносимые на защиту:

1. Результаты исследований по оценке возможности восстановления знака заряда топ-кварка методом полулептонного распада ^-мезона.

2. Результаты исследования возможности регистрации топ-антитоп резонанса в широком интервале его возможной инвариантной массы.

3. Результаты проведенных исследований по возможности наблюдения SUSY-подобных событий в EGRET-области в рамках mSUGRA модели.

4. Результаты измерения функций отклика и энергетического разрешения адронного калориметра на данных тестирования на пионных пучках с энергиями от 20 до 350 ГэВ и сравнение с результатами анализа данных моделирования Монте-Карло.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах Лаборатории Ядерных Проблем Объединенного Института Ядерных Исследований (ЛЯП ОИЯИ), регулярных совещаниях физических групп коллаборации АТЛАС. Опубликованы в виде журнальных статей и изданий ЦЕРН и ОИЯИ. Также автором был сделан доклад от коллаборации АТЛАС на конференции по физике высоких энергий в Ялте в 2008 году (Crimea-2008) на тему "Первые результаты на эксперименте АТЛАС". В диссертации обобщены результаты работ, выполненных автором в 2004-2008 гг. в ЛЯП ОИЯИ и в Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН). Список работ, содержащих основные результаты диссертации, приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация объемом 117 страниц состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 26 таблиц, 57 рисунков и список цитируемой литературы из 82 ссылок.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Храмов, Евгений Владимирович

Заключение

1. Впервые применен новый критерий для разделения гипотез о заряде топ-кварка в рамках Стандартной Модели (CM) Qtop = +2/3 и "экзотического" тяжелого кварка, который отличается от СМ топ-кварка только зарядом, т.е. Qexotic = —4/3. Полученное значение критерия для Стандартной Модели ^nonh = -0.31 ±0.04 позволяет с большим уровнем достоверности разделить заряд СМ топ-кварка от заряда тяжелого кварка в рамках "экзотической" гипотезы уже при интегральной светимости 1 фб-1, поскольку "экзотический" сценарий предполагает протиcomb) воположное значение Qnonis ■

2. Оценено минимальное сечение рождения //-резонанса, позволяющее зарегистрировать его в условиях эксперимента АТЛАС в "лептон-струйном" канале на уровне достоверности 5(7 при различных значениях интегральной светимости LHC как с 6-тэггингом, так и'без него.

3. Впервые проведено исследование возможности наблюдения глюино в EGRET области. Кроме основных исследований по наблюдению' в EGRET области (с т^^ = 180 ГэВ), была исследована возможность • разделить различные значения параметра m\ji = 170, 180 и 190 ГэВ. Исследования показали, что эти параметры могут быть разделены на уровне статистической значимости более Зет уже после 3 лет работы LHC при низкой светимости (1033 см-2с-1).

4. Проведен анализ данных тестирования сегмента центральной части установки АТЛАС. Измерены функции отклика и энергетического разрешения адронного калориметра на пионы в интервале энергий от 20 до 350 ГэВ с учетом последних калибровочных данных. Полученное среднее разрешение равно сг/Е = (54.7 ± 3.0)%/л/^(ГэВ) 0 (3.4 ± 0.37)% в интервале псевдобыстрот от 0.20 до 0.65. Среднее значение параметра e/h = 1.35 + 0.042 с использованием аппроксимации Грума (Groom).

5. Впервые детально исследовано влияние энергетических потерь в пассивном веществе между электромагнитным и адронным калориметрами с помощью сцинтиллятора SC1, расположенного между этими калориметрами, на функции отклика и энергетического разрешения адронного калориметра в отобранных событиях.

Благодарности

В заключении автор хотел бы выразить искреннюю благодарность своим научным руководителям Н.А. Русаковичу и В.А. Беднякову за постановку задачи, помощь в работе и постоянную поддержку.

Особую признательность автор испытывает к коллегам, в соавторстве с которыми проведены исследования - Ю.А. Будагову, Д.И. Хубуа, Д.И. Казакову, А.В. Гладышеву и А.Н. Топояну.

Я благодарю руководство Лаборатории Ядерных Проблем им. В.П. Дже-лепова за предоставленную возможность для выполнения работы.

Считаю также своим долгом поблагодарить A. Henriques Correia (ЦЕРН), Т. Carli (ЦЕРН) и С. Santoni (Universite Blaise Pascal de Clermont-Ferrand II)' за полезные обсуждения и помощь в работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Храмов, Евгений Владимирович, 2009 год

1. ATLAS Collaboration, CERN/LHCC/94-43 (1994).

2. ATLAS Collaboration, ATLAS TDR 14-115, CERN/LHCC/99-14-15 (1999).

3. Baur, U. and Buice, M. and Orr, Lynne H., Phys. Rev. D 64 (2001) 094019.

4. Ciljak, M and Jurcovicova, M and Tokar, S and Baur, Ulrich, Top charge measurement at ATLAS detector, Internal Repoit ATL-PHYS-2003-035, CERN, Geneva, Nov 2003.

5. M. Jezabek and J. H. Kiihn, Nuclear Physics В 314 (1989) 1 6.

6. Balantekin A.B. et al, Nucl. Part. Phys. 33 (2006) 1.

7. E. Accomando et al., Physics Reports 299 (1998) 1 78.

8. Abdelhak Djouadi, Physics Reports 457 (2008) 1 216.

9. Gonzalez de la Hoz, S, Comparison between full and fast simulation of the ATLAS detector for the channel H/A -»■ ft, Internal Report ATL-COM-PHYS-2000-016. ATL-PHYS-2003-019, CERN, Geneva, Jul 2000.

10. Hill, Chiistopher T. and Parke, Stephen J., Phys. Rev. D 49 (1994) 4454-4462.

11. R. Casalbuoni et al., Z. Phys. С (1996) 519.

12. Schwanenberger, Christian, Pos HEP2005 (2006) 349.

13. CDF Collaboration, CDF/ANAL/EXOTIC/PUBLIC8421 (2006).

14. Sjostrand, Toibjorn and Lonnblad, Leif and Mrenna, Stephen and Skands, Peter, hep-ph/0308153 (2003).

15. Frixione, Stefano and Webber, Bryan R., hep-ph/0402116 (2004).

16. Pumplin, J. and others, JHEP 07 (2002) 012.

17. Khramov, E and Tonoyan, A and Bednyakov, V and Rusakovich, N, Search for ttbar resonances with the ATLAS detector, Internal Report ATL-PHYS-INT-2007-010. ATL-COM-PHYS-2007-004, CERN, Geneva, Jan 2007.

18. H. P. Nilles, Physics Reports 110 (1984) 1 162.

19. H. E. Haber and G. L. Kane, Physics Reports 117 (1985) 75 263.

20. Haber, Howard E., hep-ph/9306207 (1993).

21. Kazakov, D. I., hep-ph/0012288 (2000).

22. Kazakov, D. I., hep-ph/0411064 (2004).

23. C.L. Bennett, Astrophys. J. Suppl. 148 (2003) 1.

24. D.N. Spergel et al., Astrophys. J. Suppl. 148 (2003) 175.

25. Ellis, John R. et al., Eur. Phys. J. C24 (2002) 311-322.

26. ATLAS Collaboration, https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Atlas/SusyEventFilesInfo.

27. R.C. Hartman et al., Astrophys. J. Suppl. 123 (1999) 70.

28. Beinabei, R. and others, Riv. Nuovo Cim. 26N1 (2003) 1-73.

29. Bednyakov, V. A. and Klapdor-Kleingrotliaus, H. V., Phys. Rev. D70 (2004) 096006.

30. Paige, Frank E. and Protopopescu, Serban D. and Baer, Howard and Tata, Xerxes, hep-ph/0312045 (2003).

31. Bednyakov, V. A. and others, hep-ex/0608060 (2006).

32. Bogachev, D. Yu. and Gladyshev, A. V. and Kazakov, D. I. and Nechaev, A. S., Int. J. Mod. Phys. A21 (2006) 5221-5240.

33. Bednyakov, V A and Budagov, Yu A and Gladyshev, A V and Kazakov, D I and Klnamov, E V and Khubua, D I, Prospects for gluinos observation with ATLAS in lepton mode, Internal Report ATL-COM-PHYS-2007-048, CERN, Geneva, Aug 2007.

34. Martin, Alan D. and Roberts, R. G. and Stirling, W. J. and Thorne, R. S., Eur. Phys. J. C23 (2002) 73-87.

35. A.D. Martin and R.G. Roberts and W.J. Stirling and R.S. Thorne, Physics Letters В 604 (2004) 61 68.

36. Giele, Walter T. and Keller, Stephane A. and Kosower, David A., hep-ph/0104052 (2001).

37. H.L. Lai and J. Huston and S. Kuhlmann and J. Morfin and F. Olness and J.F. Owens and J. Pumplin and W.K. Tung, The European Physical Journal С 12 (2000) 375-392.

38. M. Botje, The European Physical Journal С 14 (2000) 285-297.

39. Gjelsten, В. K. and Miller, D. J. and Osland, P. and Raklev, A. R., AIP Conf. Proc. 903 (2007) 257-260.

40. Cho, Won Sang and Choi, Kiwoon and Kim, Yeong Gyun and Park, Chan Beom, JHEP 02 (2008) 035.

41. Nojiri, Mihoko M. and Polesello, Giacomo and Tovey, Daniel R., JIIEP 05 (2008) 014.

42. Nojiri, Mihoko M. and Shimizu, Yasuhiro and Okada, Shogo and Kawagoe, Kiyotomo, JHEP 06 (2008) 035.

43. Tovey, Daniel R., JHEP 04 (2008) 034.

44. Cheng, Hsin-Chia and Engelhardt, Dalit and Gunion, John F. and Han, Zhenyu and McElrath, Bob, Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 252001.

45. Ross, Graham G. and Serna, Mario, Phys. Lett. B665 (2008) 212-218.

46. Gjelsten, В. K. and Miller, D. J. and Osland, P., JHEP 12 (2004) 003.

47. Kersevan, Borut Paul and Richter-Was, Elzbieta, hep-ph/0405247 (2004).

48. I.V.Krasnoslobodtsev, Study of 4b-jet process at the LHC, Master's thesis, Moscow State University, 2007.

49. Mangano, Michelangelo L. and Moretti, Mauro and Piccinini, Fulvio and Pittau, Roberto and Polosa, Antonio D., JHEP 07 (2003) 001.

50. E.Berger et al., LRDB Status Report RD34, CERN/LHCC (1995) 50.

51. J.Budagov et al., Tile-Cal-N-036 (1994).

52. Y.Budagov et al., ATL-TILECAL-1995-52 (1995).

53. Y.Budagov et al., ATL-TILECAL-1996-94 (1996).

54. Y.Budagov et al., ATL-TILECAL-1996-90 (1996).'

55. Y.A.Budagov et al., ATL-TILECAL-1997-113 (1997).

56. Batusov, et al., Development and Application of High Precision Metrology For the ATLAS Tile-Calorimeter Construction, Internal Report ATL-COM-TILECAL-2005-005. CERN- • ATL-COM-TILECAL-2005-005, CERN, Geneva, 2005.

57. Batusov, V et al., High Precision Laser Control of the ATLAS Tile-Calorimeter MODULES Mass Production at JINR, Internal Report ATL-COM-TILECAL-2001-001, CERN, Geneva, Jan 2001.

58. Batusov, V et al., Laser QC Development at the ATLAS Tile Calorimeter Module Production, Internal Report ATL-COM-TILECAL-2001-007, CERN, Geneva, Sep 2001.

59. Batusov, V et al., Comparaison of Atlas Tilecal module, Internal Report ATL-TILECAL-2003-004, CERN, Geneva, Apr 2002.

60. Batusov, V Yu et al., Phys. Part. Nucl. 37 (2006) 785-806.

61. Adragna, P et.al., IEEE Trans. Nucl. Sci. 53 (2006) 1275-81.

62. Abdallah, J et.al., The Optical Instrumentation of the ATLAS Tile Calorimeter, Internal Report ATL-TILECAL-PUB-2008-005. ATL-COM-TILECAL-2007-025, CERN, Geneva, Dec 2007.

63. Abdallah, J et.al., Design, Construction and Installation of the ATLAS Hadronic Barrel Scintillator-Tile Calorimeter, Internal Report ATL-TILECAL-PUB-2008-001. ATL-COM-TILECAL-2007-019, CERN, Geneva, Nov 2007.

64. B. Di Giralomo and A. Dotti and V. Giangiobbe and P. Johansson and L. Pribyl, ATL-TECH-PUB-2005-001 (2005).

65. C.W. Fabjan, F. Gianotti, Rev. Mod. Phys. 75 (2003).

66. S. Agostinelli et al, NIM A506 (2003) 250-303.

67. K. J. Anderson et.al., ATL-COM-TILECAL-2008-016 (2008).

68. S. Constantinescu et. al., ATL-TILECAL-2001-005 (2001).

69. M. Hakobyan et. al., ATL-TILECAL-PUB-2007-008 (2007).

70. Troels Petersen, Private communication.

71. M. Volpi and M. Cavalli-Sforza, ATL-COM-TILECAL-2008-019 (2008).

72. K.J. Anderson et. al., ATL-TILECAL-INT-2008-002 (2008).

73. T.A. Gabriel et. al., NIM A338 (1994) 336.

74. C.W. Fabjan and T. Ludlam, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 32 (1982) 335.

75. T. Davidek, report at CALOR 2008 (2008).

76. V. Castillo, S. Gonzalez, ATL-TILECAL-99-020 (1999).1.iif