Ricostruzione delle tracce di muone
nello spettrometro dell’esperimento
ATLAS
Luca Spogli
25 febbraio 2004
Sommario Introduzione L’apparato sperimentale ATLAS Lo spettrometro per muoni Ricostruzione dei muoni
• Ricostruzione nello spettrometro (MOORE)
• Ricostruzione combinata (MUID)• Parametrizzazione del materiale inerte
Prestazioni • Muoni singoli• H4
MOORE in altri ambiti Conclusioni
Nel Modello Standard delle interazioni elettrodeboli il meccanismo di generazione delle masse introduce la presenza del bosone di HIGGS. La sua scoperta è fondamentale per verificare la consistenza della teoria.
Debole previsione teorica per la suaMassa ( < 1 TeV/c2 ).
Limiti sperimentali attuali ( da LEP ):MHIGGS > 114.1 GeV /c2 al 95% C.L. per laricerca diretta nel Modello minimale
Limiti indiretti dalle altre grandezze osservabili (v. figura)
Il Bosone di HIGGS
/c2]
PRODUZIONE DEL BOSONE DI HIGGS
Energie nel c.d.m. finora raggiunte non sufficienti alla scoperta
Necessità di costruire una nuova macchina con maggiore s
Sezione d’urto di produzione (funzione della massa) dell’ordine dei pb
Necessaria una macchina ad alta luminosità
Large Hadron Collider• Collisore protone - protone
• Energia nel centro di massa di 14 TeV (7+7)
• Circonferenza di 27 km• 1011 protoni per pacchetto• 2835 pacchetti distanziati di 25 ns• Luminosità di progetto 1034 cm-2 s-
1
~20 eventi sovrapposti (Pile-up)+
Difficoltà di estrazione segnale dal fondo
tot (p - p) 100 mb Rtot =109
Hztot (ggH) 100 pb 1 / 109
Come rivelare l’Higgs
I canali sperimentalmente più puliti sono quelli con i leptoni nello stato finale.
H ZZ 4è uno dei più puliti (“Golden Channel”)
Regione di massa intermedia (130 GeV < mH< 2 mZ)H WW(*), H ZZ*
Regione di grande massa
(mH > 2 mZ )
H WW, H ZZ
Regione di piccola massa (mH<130 GeV/c2)
H bb
L’apparato ATLAS Spettrometro per µ
Calorimetro elettromagnetico
Solenoide
Calorimetro in avanti Toroide
dell’endcap
Toroide del barrel
Rivelatore internoCalorimetro adronico
Schermatura dalle radiazioni
ATLAS: lo spettrometro per muoniRequisiti:
buona risoluzione nella misura dell’impulso nell’intervallo tra 6 GeV/c e 1 TeV/c;
capacità di trigger su eventi con uno o più in un vasto range di pT;
necessità di operare per molti anni ad alto flusso ed elevato fondo;
CAMPO MAGNETICO toroidale in aria
RIVELATORI DI POSIZIONE: buona risoluzione sul singolo
punto 3 stazioni di misura
TRIGGER con camere apposite
problemi di invecchiamento
Lo spettrometro per muoni
Lo spettrometro per muoni
• Equipaggiato con camere di trigger e di precisione
• Tre regioni– || < 1 barrel– 1.0<||<1.4 regione di
transizione– 1.4<||<2.7 endcap
• Magneti in aria
• Prestazioni di progetto pt/pt qualche % fino a 100
GeV/c pt/pt 10% a 1TeV/c
MDT RPC
TGC
CSC
ECT
=1
=1.4
Le camere di trigger
Barrel RPC (Restistive Plate Chambers): su entrambi i lati delle camere MDT (v. dopo) nelle stazioni “middle” e sopra o sotto le stazioni MDT esterne.
Identificazione dell’urto tra i pacchetti di protoni, trigger dei e misura della seconda coordinata (). Il sistema di trigger copre la regione ||<2.4
Endcap TGC (Thin Gap Chambers) : 3 stazioni vicino alle stazioni MDT “middle”. MWPC (con fili paralleli a quelli delle MDTs ) con strips di read-out ortogonali ai fili per la misura della seconda coordinata
Risoluzione in tempo 1 ns
Risoluzione spaziale in 1 cm
Le camere di precisione
• MDT (Monitored Drift Chambers)– Tubi a deriva con un diametro di 3 cm ed
una lunghezza variabile da 70 cm a 630 cm– I tubi disposti in multistrati di 3 (4 per le stazioni interne)
– Risoluzione di singolo filo 80 m
CSC (Cathode Strip Chambers)Regione degli endcap, 2 < || < 2.7, alta radiazione MWPC con strip di lettura catodiche segmentate ortogonali ai fili anodici
Risoluzione spaziale 60 mm, piccolo tempo di deriva (30 ns), risoluzione temporale 7 ns
Misura della coordinata trasversa da strisce catodiche parallele ai fili anodici
Misura di precisione nel piano di curvatura
Strategia di ricostruzione dei muoni:
• Ricerca della traccia associata agli hit • Fit per ottenere la miglior stima dell’insieme dei parametri
che descrivono la traiettoria
– Curva in 3D 5 parametri: a0, z0, , cot, ±1/PT
– Risultato del fit: stime dei parametri di traccia e delle matrici di covarianza in un qualsiasi punto lungo la traiettoria
– La traccia può essere estrapolata al vertice
Passaggio di un muone nello spettrometro
Camere illuminate (hit)
Ricerca delle regioni di attività nella proiezione R-Z all’interno delle MDTs (CSCs)
Per ogni “-Segment”, sono trovate le MDT associate e ed è costuito un RZ Segments (collezioni di hit z) .
Strategia di ricostruzione
rpc
rpcrpc
MDT
Ricerca delle regioni di attività nella proiezione
A partire dalle misure degli
RPC e TGC vengono creati dei “- Segments”
CSC MDT
RPC TGC
Pattern recognition e fit della traccia
MDT mutilayer
Ricostruzione di segmenti di traccia locali nelle MDT
Calcolo della distanza di deriva, migliore retta tra le tangenti alle circonferenze di deriva
Combinazione dei segmenti di traccia
Fit di tracciaLo scattering multiplo e l’energia
persa nel materiale inerte dello spettrometro per muoni sono consedarati nel fit (v. dopo)
I parametri della traccia (a0, z0, , cot, 1/pt ) e la relativa matrice di covarianza sono espressi al primo punto di misura nello spettrometro a muoni
Ricostruzione combinata
Estrapolazione della traccia al vertice
Calorimetro parametrizzato in piani di diffusione
Energia depositata nei calorimetri
Re-fit: i parametri della traccia sono espressi al vertice
Combinazione tra le tracce dello spettrometro e del tracciatore interno
Fit della traccia combinata
Ricostruzione dei muoniRicostruzione dei muoniDue software package sono stati sviluppati in OO/C++
MOORE (Muon Object Oriented REconstruction)Ricostruzione nello spettrometro per muoni
MUID (MUon IDentification)Estrapolazione al vertice e ricostruzione combinata
Caratteristiche
Codice integrato in ATHENAGeometria del detector, meccanismi di descrizione e
gestione dei dati, servizi di calibrazione, database...Utilizza altri packages di ricostruzione in ATHENA
Struttura modulare, codice flessibile Si presta ad essere utilizzato, ampliato ed integrato in
modo semplice Event FilterRicostruzione ai TestBeam
DATI SIMULATIDATI SIMULATI
Campioni prodotti per il DC1 Campioni di muoni singoli con pT fissato
(da 1 GeV/c fino a 1 TeV/c)Campioni di muoni singoli con pT=100
GeV/c con background sovrapposto H4
Test di robustezza del codice
Processamento di un campione ad alta statistica per controllare eventuali problemi del programma MOORE ha
ricostruito~10 6 eventiMuoni singoli in tutto il range di pT (v.
DC1)
Materiale InerteStrutture di supporto, cavi elettrici, materiale del magnete…
Diffusione coulombiana multipla
Degradazione in energia
Necessità di considerare il contributo del materiale inerte!
Non è ancora disponibile un servizio Athena con la descrizione dettagliata della geometria di questo materiale.
Parametrizzazione del Materiale Inerte
Aggiungere prima del fit finale le informazioni
sullo spessore attraversato (TX0) e sulla energia persa Eloss
Parametrizzazione: prestazioni
Pt = 20 GeV/cPt = 20 GeV/cPt = 6 GeV/cPt = 6 GeV/c
||| < 1| < 1
||| > 1| > 1
Singoli Muoni (DC1) a pT fissato
1/pTgen -1/pTric
1/pt
Muoni singoli: efficienza vs pMuoni singoli: efficienza vs pTT
Efficienza di plateau ~95%Efficienza per bassi pt
Solo con E>3-4 GeV/c raggiungono lo spettrometro
Non raggiungono le stazioni più esterne poche misure
Scattering multiplo e effetti del campo magnetico inomogeneo pattern recognition più difficile
Efficienza della ricostruzione combinata per alti pt
Pattern recognition disturbata da possibili shower e.m. che accompagnano i ad alto pt
Pt(GeV/c)
Risoluzione su 1/pT vs pT
La misura dell’inner detector domina sotto 10 GeV/c
Lo spettrometro per domina a alti pt
Standard Model H4
g
gt H Z
Z
gg H ZZ(*) mH = 130, 150, 180 GeV/c2
Criteri di selezione4 ricostruiti2 con pT>20Gev/c a||<2,5
2 con pT>7 Gev/c a ||<2,5
Massa invariante di 2 nel range mZm12 Z reale
Massa invariante di 2 m>m34 Z reale/virt.
Z=2.83 GeV/c2
Z=2.64 GeV/c2
Z=2.36 GeV/c2
mH=130 GeV/c2
mH=150 GeV/c2
mH=180 GeV/c2
Standard Model HZZ4 Standard Model HZZ4
Ricostruzione della massa della Z con la ricostruzione combinata
Z sempre più on mass shell con l’aumentare della massa del bosone di Higgs
H=2.14 GeV/c2
H=1.88 GeV/c2
mH=130 GeV/c2 mH=130 GeV/c2
Inner detectorMUID Combined
mH=150 GeV/c2
H=2.18 GeV/c2
H=2.71 GeV/c2
mH=180 GeV/c2
MUID Combined MUID
Combined
Standard Model H4 Standard Model H4
MUID Combined fornisce la larghezza minore
Counts
Ricostruzione dei dati di H8Ricostruzione dei dati di H8Test su dati fisici
reali: MDT
Tubi a deriva di raggio 1,5 cm
Risoluzione di progetto ~80 m
Ricostruzione delle tracce con MOORE
FWHM
~80 m
ConclusioniConclusioni
All’interno del software di ATLAS sono stati sviluppati dei pacchetti software in linguaggio OO per la ricostruzione dei muoni nello spettrometro e l’identificazione dei muoni utilizzando l’intero apparato
Lo studio delle prestazioni di questi pacchetti sia per muoni singoli che per canali di fisica (es. H) mostrano risultati rispondenti alle aspettative
Implementazioni per il tracciamento sono in via di sviluppo per migliorare le efficienze per muoni a basso pt, la velocità di esecuzione, ecc.
L’utilizzo di MOORE su dati reali ha fornito risultati decisamente soddisfacenti
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