Фон у мерењу луминозности и

развој методе за идентификацију b-кваркау експериментима

ILC (International Linear Collider) и H1 

Мр. Mила Пандуровићдокторска дисертација

Ментор: Др Иванка Божовић-ЈелисавчићИнститут за нуклеарне науке “Винча’’

• Институт за нуклеарне науке “Винча’’• Група за експерименталну физику високих енергија

• I део тезе је урађен у оквиру FCAL колаборације• 20 институција, 12 земаља

• II део тезе је урађен у сарадњи са DESY, Хамбург, Немачка, у оквиру H1 колаборације

• 40 институција, 12 земаља

Део I

Фон у мерењу луминозности у експерименту ILC (International Linear Collider)

Meђународни линеарни колајдер ILC

• e-e+ линеарни колајдер, Еcm=500 GeV (1TeV)• L=2·10-34 cm–2 s-1

• X-угао 14 mrad• Поларизација e- = 80%, e+ = 60%• Почетно и коначно стање, хелицитет: дефинисан• Потпуно Еcm расположиво• Минимални фон: видљивост процеса од интереса

• ILC - комплементарни експеримент LHC• Прецизна мерења особина новооткривених честица на

LHC • Ограничавање простора параметара физикe изван СМ

Концепт детектора за ILC

• Херметичност детектора: реконструкција млазева (процеси са вишеструким млазевима), као и за одређивање енергије која недостаје (SUSY).

• Параметар судара:

• Резолуција импулса наелектрисаних честица (10xLEP)

(мерење ‘узмачне’ mH у Hiддsstrahlunд процесу)

• Резолуција енергије млазева (2xLEP) реконструкција млазева: прецизна мерења масе W, Z, H или t.

bbH

LDC концепт детектора

LDC главни детектори

Вертекс

детекторSi

Главни детектор трагова

TPC

ECAL Si/W

HCAL Si/Fe

Детектор миона

Инстр. Fe

Далека предња област детектора за ILC

• Област поларног угла < 5о

• Mерење интегрисане луминозности прецизност ~ 10-3 !прецизност: систематски и статистички импакт- Мерења ефикасних пресека процеса од интереса е+е- W+W- , е+е- f+f-

- аномална спрезања градијентних бозона (TGC)

- прецизна електрослаба мерења

• Мерење тренутне луминозности и дијагностика снопа.

• Идентификацију високо енергетских е+,е- емитованих под малим угловима (SYSU).

• Херметичност детектора.

• Заштита система за реконструкцију трагова од уназад расејаних честица.

LumiCal [31,78] mrad: мерење луминозности

BeamCal [ 5, 40] mrad: -дијагностика снопа,-тренутно мерење луминозности ...

LHCal : продужетакхадронског калориметрау предњу област

Pair monitor: (x, y)IP

Детектори предње области

Калориметар за мерење луминозности

Si/W сендвич калориметар

30 равни, LIP=2.5 mУгаона прихватљивост [31,78] mradОсетљива запремина: [38,69] mradЕнергетска резолуција 0.23 GeV1/2

Резолуција 2.2 10-5 rad

RM=1.5 cm

Симулација

BARBIE V4.1 (Geant3) BARBIE V5.0 (Geant4) Еcm=500 GeV Еcm=500 GeV

[26-82] mrad [31-78] mrad

”тракаста” ”R” 64 R 64Rx48120

Мерење луминозности на ILC

Сигнал: Bhabha расејање под малим угловима (SABH): ~99% em

bha

fonbha

bha

bhaNN

LN

L

3s~

dd

Машински фон у мерењу луминозности(beamstrahlunд)

честице~ 1GеV E108 TeV/BX BeamCal 10 МG/г.• Велика депозиција у луминометру велика заузетост

система за очитавање• Min( & Max() x =640 nm, y = 5.7 nm

• BHSE• Тренутно мерење луминозности

Четворофермионски процеси као фон у мерењу луминозности

Четворофермионски процеси механизмом неутралних струја

Сигнатура слична сигналу

анихилација

конверзија мултипериферални

“bremstrahlung”

ffeeee

leptonic bck.

hadronic bck.

leptonic bck.

hadronic bck.

Симулација сигнала и физичког фонаСигнал:

105 догађаја BHLUMI (SABH генератор), s и t канал, поларизација вакуума, ISR (TR~ 8 x 10-3 трагова/BX у LCAL)

(4.58 0.02) nb

Физички фон:

4f NC процеси (Борнов ниво) WHIZARD V1.4.

(9.2±0.03) nb

b,c,s,d,uq),qqeeee(10

,el),lleeee(105

6

Резултати

Заснивање концепта мерења луминозности: критеријуми селекције,

однос физичког фона и сигнала

Критеријуми селекције

KKолинеарностолинеарност ||||=|=| 11 - -22 ||

KKомпланарностомпланарност |||| = | = | 11 - - 22 | |

Енергетски балансЕнергетски баланс EEbalancebalance=|=|EELL-E-ERR|| << 0.1 E0.1 E

min min

Emin

=min(EL,E

R)

Релативна енергија Релативна енергија EErelrel= = (E(ELL+E+E

RR)/2E)/2Ebeambeam

Тополошке карактеристике сигнала и физичког фона

leptonic bck.

hadronic bck.

leptonic bck.

hadronic bck.

Дистрибуције енергије сигнала и фона у луминометру

leptonic bck.

hadronic bck.

leptonic bck.

hadronic bck.

Ефикасности селекције сигнала и одбацивања физичког фона

Eфекат интеракције снопова (BHSE): • BHSE:

1. Beamstrahlung

мерење: exp = f (x, y)

2. Em дефлексија

fin0, Ee- Ee+

мерење:?

,'ss 0, Ee- Ee+

Еrel=0.8BHSE= - 4.4%

ini

inifin

N

NNL

2121

21exp sinsin)sin(

)sin(21

's

s

-Bha-Bba+BS-Bha+BS+em

Aсиметрични критеријуми селекције• Мотивација:• Еrel=0.8

• [min+4mrad, max-7mrad], наизменично 1. BHSE= -1.5 %

2. Квадратна зависност L/L (IP)

Ефикасност селекције сигнала и одбацивања физичког фона

Однос фон-сигнал

[26,82] mrad

Укупна систематска грешка мерења луминозности на ILC

[26,82] mrad

Закључак

• Могуће је конципирати мерење луминозности на ILC тако да са постојећим дизајном детектора релативна систематска грешка мерења луминозности буде реда 10-3.

L/L=(1.2·10-4) (2.2 10-3)

• Физички фон се може одржавати на промилном нивоу у односу на сигнал различитим селекцијама.

• Однос физичког фона према сигналу није значајно осетљив на избор геометрије детектора.

• Потребно је квантификовати (све остале) систематске ефекте за различите геометрије (коначну геометрију) детектора као и за све разматране скупове критеријума селекције.

Део IIРазвој методе за идентификацију b-

кваркаексперименту H1

HERA• e p колајдер у DESY, Хамбург, Немачка

• HERA I 1992-2000 HERA II 2002-2007

Ep= 27.5 GeV 27.5 GeV

Ee= 820 GeV 920 GeV

Ecms ~ 300 GeV 319 GeV

Структура протона

LHC

Н1 детектор

• ep расејање асиметрија детектора

LDC главни детектори

Вертекс

детектор

Si

Главни детектор трагова

Дрифт коморе

ECAL

4 o < < 155 o

LАr/Pb

HCAL LАr/ Fe

SPACAL

153o <<178 o

сцинитилатор/Pb

Детектор миона Инстр. Fe

Дубоко нееластично ep расејање

Карактеристичне променљиве

Виртуелност

Бјоркенова варијабла

Нееластичност

2 p·qX=

Q2

y= p·qp·k

Q2= - q2 = - (k-k’)2

Q2=4EE’cos2(’/2)

Мерење: е метод

2E

(+E’(1-cos ’))ye= , =(Ei-pzi)

syxQms 2

p

Селекција догађаја дубоко нееластичног расејања

• Анализа је спроведена на подацима 2006 e- p укупне луминозности 54.4 pb-1

• Селекција догађаја:

• Q2 > 6 GeV

• Трагови: главни детектор трагова CJC + вертекс детектор CST ( NCSTпогодака2)

• Monte Carlo DIS: RAPGAP

• Q2 > 4 GeV2, y > 0.025

Производња тешких кваркова на сударачу HERA

• Услед велике густине глуона за вредности x доступне на HERA акцелератору доминантни процес продукције тешких кваркова је бозон-глуон фузија (BGF )

Инклузивна метода анализе догађаја са b кварком

• Време живота b и маса хадрона mb • Изведене варијабле:

b : - удаљење PV и SV

- параметар судара (r резолуција)- ‘’Тачност’’ S = ()

S1, S2 највеће вредности тачности за трагове који припадају млазу

mb: - мултиплицитет млаза (Ntr)

- трансверзални импулс трага (pt) и млаза (ptjet)- маса млаза (JetMass)

Осетљиве променљиве

TMVA Toolkit for Multivariate Analysis

• Вишедимензионална анализа:• не постоји аналитичка зависност опсервабли и величина од

интереса,

• велики B/S

• Статистичке методе TMVA пакета

- неуронске мреже

- дискриминантне анализе

- дрво одлуке, ...

Фаза тренинга и тестирања

• MC генератор Rapgap генерисање узорака DIS: uds, c, b • Кинематички опсег Q2 > 4 GeV2, y > 0.025

• Сигнал – b узорак 5x103

• Фон – c и uds узорак 2x104

• скуп С1: Ntr, JetMass_1Jet ,S1, S2, Pt1, Pt2, PtAv=(Pt1+Pt2)/2

С2: Ntr, JetMass_1Jet ,S1, S2, PtAv

С3: Ntr, JetMass_1Jet ,S1, S2, PtJet

С4: Ntr, JetMass_1Jet ,S1, S2

Ефикасност селекције сигнала и одбацивања фона

- Одабир метода је вршен за сваки кинематички бин засебно:

- max (Rbck (Es))

- Стабилност метода у односу на посматране систематске ефекте

- Конвергенција Барлоу-Бистон фита за све систематске ефекте

- Одабир скупа променљивих:

- max (Rbck (Es))- Ефикасност променљивих (рангирање)- Стабилност ефикасности у посматраним Q2 биновима- Корелације променљивих

С4: Ntr, JetMass_1Jet ,S1, S2

Излазна функција метода

• Излазна функција за један од одабраних метода:- Сигнал (плаво)

- Фон (црвено)

- Вредност раздвајања сигнал фон (црвено испрекидано)

• Одређивање вредности отсецања излазне функције max (Es·Rbck)

Корелација променљивих

Фаза примене одабраних ТМVA метода

Тренирани методи су примењени на узорке : експерименталних податка, лакихкваркова (uds), c кварка, b кварка дистрибуције излазне величине TMVA метода

Data Uds

Ccbar Bbbar

N e

ven

tsN

eve

nts

Фракције кваркова у протону су добијени као параметри фитадистрибуцијаизлазних величинаTMVA метода:

Data=Фит (uds,c,b)

излазне дистрибуције TMVA метода

Барлоу-Бистон фит

• Анализа оптимизована за b кварк• Предност фита: узима у обзир статистичке неодређености

- Data- total MC

N e

ven

ts

TMVA output

n

1i

n

1i

m

1jijijijiii AAlnafflndLln

Резултати: удео b кварка у структури протона

Грешке мерења

Закључак• Измерене фракције b кварка у протону су у

сагласности са теоријским предвиђањима водећег реда.

• Најоптималнији сет променљивих: минимални број најбоље рангираних променљивих.

• TMVA & Барлоу фитер даје добар опис реконструкције фракција b кварка у MC .

• Доминантне компоненте систематске грешке: модели продукције и фрагментације тешких кваркова.

• Добијене фракције b кварка се могу користити за добијење ефикасног пресека продукције

Kрај

ILC детектор H1 детектор

]GeV[E

%30

E

E

mlazamlaza

mlaza

%4~3E

E

mlaza

LDC главни детектори

Вертекс

детектор

Главни детектор трагова

ECAL

HCAL

Детектор миона

23

p

GeVm10m5 /sin

152

105

GeVp

p

t

t

Утицај резолуције на однос фон-сигнал

l=0.8 mrad

=(2.2 0.01)·10-5 rad

Ангажованост система за очитавање

ILC детектор H1 детектор

]GeV[E

%30EE

mlazamlazaHad

mlazaHad

%4~3E

E

mlaza

23

p

GeVm10m5 /sin

152

105

GeVp

p

t

t

)%1.01.1(E

1.06.16

EE

Структура протона у зависности од пренесеног импулса

Кинематички опсег HERA колајдера

Далека предња област детектора за ILC

• Mерење интегрисане луминозности високе прецизности ~ 10-3 (дво-фермионску продукцију, продукција пара WW, TGC, прецизна EW мерења).

• Мерење тренутне луминозности машине и процену параметара снопа у току рада акцелератора (дијагностика снопа).

• Идентификацију високо енергетских е+,е- емитованих под малим угловима (фон за SUSY процесе чија је експериментална сигнатура енергија која недостајe)

• Херметичност детектора: ефикаснија реконструкција млазева (хадронски распади W бозона, као и процеси са више млазева у финалном стању).

• Заштита система за реконструкцију трагова од уназад расејаних честица.