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