Teilchensuche in echten Daten des CMS Detektors
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Teilchensuche in echten Daten des CMS Detektors Elena Ginina 06 März 2015 Masterclasses Theoretische Begründung 06 März 2015 Elena Ginina 1 Masterclasses Die Bausteine des Standardmodells 06 März 2015 Elena Ginina 2 Masterclasses Aufbau eines Hadrons • besteht aus 2 oder 3 Quarks: • z.B. Proton: 2 „up“ + 1 „down“ • wird durch Gluonen zusammengehalten • Gluonen sind die Vermittler der starken Kraft. Bsp.: Proton 06 März 2015 Elena Ginina 3 Masterclasses Quarks und Gluonen • Es gibt keine “freien” Quarks. • Bringt man genug Energie auf, um ein Quark zu befreien, werden sofort neue Quarks erzeugt… (E=mc2) • Wir sehen einen Schauer von Hadronen (“Jet”). 06 März 2015 Elena Ginina 4 Masterclasses Kollisionen • Proton-Proton Kollisionen: • Jedes Proton hat eine Energie von 4 TeV à Gesamtenergie: 8 TeV à Bestandteile des Protons haben nur einen Bruchteil dieser Energie 06 März 2015 Elena Ginina 5 Masterclasses Energieerhaltung und Zerfälle • Nur Teilchen mit Massen geringer als die verfügbare Gesamtenergie können entstehen! • pp Kollisionen erzeugen neue Teilchen, die sind meistens nicht stabil und sofort in weitere Teilchen zerfallen (10-25 – 10-10 s) • Diesen Zerfällen folgen Erhaltungssätze (z.B. Energie) und erzeugen charakteristische Muster. 06 März 2015 Elena Ginina 6 Masterclasses Erhaltungsgrößen • transversale Energie • transversaler Impuls • Ladung • Leptonenzahl • ... 06 März 2015 Elena Ginina 7 Masterclasses Teilchenspuren im Detektor 06 März 2015 Elena Ginina 8 Masterclasses Der CMS Detector TOURISTS 06 März 2015 Elena Ginina 9 November 6th, 2012 November 6th, 2012 November 6th, 2012 November 6th, 2012 November 6th, 2012 Masterclasses Messung der Masse des Z0 06 März 2015 Elena Ginina 15 Masterclasses Der Z-Pfad Wir wollen heute die Masse des Z-Bosons messen. ? 06 März 2015 Elena Ginina 16 Masterclasses Das Z0- Boson • Das Z0- Boson • elektrisch neutral (Ladungserhaltung!) • sehr schwer à kurze Lebensdauer à geringe Reichweite 2,6•10-25s <7,8•10-17m • Vermittler der schwachen Wechselwirkung (Kraft) • Zerfälle: Z0 à e+ + eZ0 à µ+ + µZ0 à τ+ + τZ0 à q + q Z0 à νl + νl (νl...Neutrinos) 06 März 2015 Elena Ginina 17 Masterclasses Invariante Masse • relativistische Energie eines Teilchens: • Es gilt Energie- und Impulserhaltung: EZ = E1+E2 p Z = p1 + p2 ➔ Daraus kann die Masse des Zs bestimmt werden: Anm.: Diese Berechnung macht der Computer für uns! 06 März 2015 Elena Ginina 18 Masterclasses Messung des W+/- 06 März 2015 Elena Ginina 19 Masterclasses Der W-Pfad ? 06 März 2015 Elena Ginina Außerdem wollen wir W Bosonen finden. 20 Masterclasses W+/-- Bosonen • Die W+/-- Bosonen sind • elektrisch geladen (positiv oder negativ) • sehr schwer à kurze Lebensdauer à geringe Reichweite ~3•10-25 s <8•10-17m • Vermittler der schwachen Wechselwirkung (Kraft) β-Zerfall: n0àp++e-+νe p+àn0+e++νe Verwendung: PET Scanner! • Zerfälle: W+ à l+ + νl l= e, µ, τ (Leptonen) W- à l- + νl W+ à u + d q= u,d,s,c,b (Quarks) W- à c + s ….. 06 März 2015 Elena Ginina 21 Masterclasses Messung der Masse des Higgs Bosons 06 März 2015 Elena Ginina 22 Masterclasses Das Higgs Boson ? ?? Die Events werden auch seltene HiggsZerfälle enthalten. 06 März 2015 Elena Ginina 23 Masterclasses Das Higgs Boson • Das H Boson ist • elektrisch neutral • sehr schwer à kurze Lebensdauer (1,56•10-22 s) • Teil des Higgs-Mechanismus, der Teilchen Masse verleiht • Zerfälle: H à Z0 + Z0 à 4l H à ɣ + ɣ H0 à W+ + WH0 à τ+ + τH0 à b + b ….. 06 März 2015 l= e, µ Elena Ginina 24 Masterclasses Untergrund & Statistik 06 März 2015 Elena Ginina 25 Masterclasses Untergrund vs. Signal • Das Problem: • Man kann nur Zerfallsprodukte messen ➔ Event kann nicht eindeutig einem Prozess zugeordnet werden. e+ ? e- von einem Z0 oder einem anderen Prozess? “Hintergrund” • Bsp.: Würfel ➔ Ist der Würfel gezinkt? 06 März 2015 Elena Ginina 26 Masterclasses Untergrund vs. Signal • Das Problem: • Man kann nur Zerfallsprodukte messen ➔ Event kann nicht eindeutig einem Prozess zugeordnet werden. e+ ? von einem Z0 oder einem anderen Prozess? “Hintergrund” e- • Lösung = Wiederholung! 06 März 2015 Elena Ginina 27 Masterclasses • Häufigkeitsverteilung Gibt an, wie oft ein bestimmter Wert (z.B. Masse) in den Messungen vorkommt. Anzahl an Events Das Histogramm Masse (GeV) 06 März 2015 Elena Ginina 28 Masterclasses Das Histogramm Anzahl an Events • Häufigkeitsverteilung Gibt an, wie oft ein bestimmter Wert (z.B. Masse) in den Messungen vorkommt. Masse (GeV) 06 März 2015 • Die genaue Form der Verteilung wird erst mit vielen Einträgen sichtbar. • Man muss oft würfeln!!! Elena Ginina 29 Masterclasses • Häufigkeitsverteilung Gibt an, wie oft ein bestimmter Wert (z.B. Masse) in den Messungen vorkommt. • Peak Anzahl an Events Das Histogramm à Hinweis auf ein Teilchen • Position des Peaks = Masse des Teilchens Masse (GeV) • Breite des Peaks verursacht durch • begrenzte Auflösung von Energie & Impuls bei der Messung • endliche Lebensdauer des Teilchens 06 März 2015 Elena Ginina 30 Masterclasses Identifikation eines Events • “Signatur” eines Z0-Events: • 2 Leptonen (Elektron oder Myon) mit unterschiedlicher Ladung à wenig Missing Energy (< 15 GeV) • “Signatur” eines W+/--Events: • 1 Lepton (Elektron oder Myon) à viel Missing Energy (> 20 GeV) 06 März 2015 Elena Ginina 31 Masterclasses Identifikation eines Events • seltene H-Events: • 4 Leptonen mit unterschiedlicher Ladung à wenig Missing Energy (< 15 GeV) H à ZZ à e+e-e+e- H à ZZ à µ+µ-µ+µ- H à ZZ à e+e-µ+µ- • 2 Photonen à Keine Spuren, 2 Tower (hohe Energieablagerung) im elektromagnetischen Kalorimeter 06 März 2015 Elena Ginina 32 Masterclasses Identifikation eines Events • Hintergrund (“zoo”): • Leptonen mit gleicher Ladung • Jets: können leicht mit Elektronen oder Myonen verwechselt werden. • Beliebige Kombinationen aus Teilchen, die keine eindeutige Interpretation erlauben 06 März 2015 Elena Ginina 33 Masterclasses ISPY - das Event Display 06 März 2015 Elena Ginina 34 Masterclasses Häufig sieht ein Event so aus….. 06 März 2015 Elena Ginina 35 Masterclasses Ohne “Tracks” wird es viel übersichtlicher... 06 März 2015 Elena Ginina 36 Masterclasses W - Myon - Event Muon Missing Energy 06 März 2015 Elena Ginina 37 Masterclasses W - Myon - Event Muon Missing Energy 06 März 2015 Elena Ginina 38 Masterclasses Aber welche Ladung? Muon positive negative Missing Energy 06 März 2015 Elena Ginina 39 Masterclasses W - Elektron - Event Missing Energy Signal in Hadronic Calorimeter Electron Signal in EM Calorimeter 06 März 2015 Elena Ginina 40 Masterclasses W - Elektron - Event Missing Energy Electron Signal in EM Calorimeter 06 März 2015 Elena Ginina 41 Masterclasses Z - Myon - Event Muon (-) Muon (+) 06 März 2015 Elena Ginina 42 Masterclasses Z - Elektron - Event Electron Electron Signal in EM Calorimeter Missing Energy: 4.6 GeV 06 März 2015 Elena Ginina 43 Masterclasses Seltenes H – Event (4 Myonen, auch 4 Elektronen oder 2 Elektronen + 2 Myonen möglich) No Missing Energy 4 Muons 06 März 2015 Elena Ginina 44 Masterclasses Seltenes H – Event (2 Photonen) No Missing Energy 2 large energy deposits in ECAL 4 Muons 06 März 2015 Elena Ginina 45 Masterclasses Background (zoo) Events 06 März 2015 Elena Ginina 46 Masterclasses Ablauf der Übung 06 März 2015 Elena Ginina 47 Masterclasses ISPY – Laden der Events Event Display im Web-Browser unter: http://www.hephy.at/masterinfo/ Jeder Arbeitsplatz bekommt eine Nummer # Öffnet dementsprechend das File: masterclass2015 masterclass_#.ig Beginnt beim ersten Event. 06 März 2015 49 Elena Ginina 48 Masterclasses Masterclass Eingabe der Ergebnisse Öffnen des CIMA Spreadsheets unter http://www.hephy.at/masterinfo/ Auswahl von CERN-06Mar2015 und ViennaHEPHY 06 März 2015 50 Elena Ginina 49 Masterclasses Masterclass Eingabe der Ergebnisse WICHTIG: Auswahl der richtigen Gruppennummer innerhalb des Sheets! 06 März 2015 51 Elena Ginina 50 Masterclasses Masterclass Eingabe der Ergebnisse • • • • Startet mit dem ersten Event in iSpy Falls das Event Myonen oder Elektronen enthält und ein W+, W- , W oder Z Event ist, klickt das entsprechende Feld (final state) im Ergebnissheet an. Falls dass Event ein W - Kandidat ist, stellt sein Vorzeichen fest. Falls ihr nicht feststellen könnt, ob es ein W+ oder W- ist, tragt es als W - Kandidat ein. 06 März 2015 52 Elena Ginina 51 Masterclasses Masterclass Eingabe der Ergebnisse • • • Falls dass Event ein Z – oder H - Kandidat ist, klickt das entsprechende Feld an. Es wird dann automatisch die Masse berechnet. Die Masse des Z oder H - Kandidaten ist kein Auswahlkriterium! Falls das Event keines der angegeben Teilchen ist, tragt es als „zoo“ ein. Klickt den Button NEXT um das nächste Event eintragen zu können 06 März 2015 53 Elena Ginina 52 Masterclasses Z0-Event: • 2 Leptonen mit unterschiedlicher Ladung (e+e– oder µ+µ–), wenig Missing Energy (< 15 GeV) H-Event: • 4 Leptonen mit unterschiedlicher Ladung (2e+2e–, 2µ+2µ–, e+e–µ+µ–), wenig Missing Energy (< 15 GeV) • 2 Photonen: Keine Spuren, 2 Tower (hohe Energieablagerung) im elektromagnetischen Kalorimeter W+/--Events: • 1 Lepton (e oder µ), viel Missing Energy (> 20 GeV) positive negative Link zu iSpy und Spreadsheet: http://www.hephy.at/masterinfo/ 06 März 2015 Elena Ginina 53 Masterclasses Diskussion der Ergebnisse 06 März 2015 Elena Ginina 54 Masterclasses Welche Schlüsse können wir aus unseren Daten ziehen? • Verhältnis e/µ aus der Anzahl der Elektronen und Myonen • Verhältnis von W+/W- aus der Anzahl der W+/W- - Kandidaten • Massenverteilung der Z – und H - Kandidaten 06 März 2015 Elena Ginina 55 Masterclasses Das CMS Resultat: 06 März 2015 Elena Ginina 56 Masterclasses Das CMS Resultat: H à 06 März 2015 Elena Ginina ZZ à 4 Leptonen 57 Masterclasses Das CMS Resultat: H à 06 März 2015 Elena Ginina ɣɣ 58 Masterclasses W-Boson Ladung • Im LHC kollidieren Protonen gleicher Ladung (positiv) à Asymmetrie der W-Boson Ladung • W+/- wird aus jeweils einem Quark und einem Antiquark erzeugt: W- besteht aus einem “up” und einem Antiquark W+ besteht aus einem “down” und einem Antiquark • In Protonen sind doppelt so viele “up”-quarks wie “down”-quarks enthalten. 06 März 2015 Elena Ginina 59
