Bessere W/Z-Massenrekonstruktion am ILC durch
Werbung
1/ 22 Bessere W/Z-Massenrekonstruktion am ILC durch Berücksichtigung von Initial State Radiation & Beamstrahlung Winterseminar Teilchenphysik 2009 Jäger des verlorenen Photons Moritz Beckmann Januar 2009 Moritz Beckmann 2/ 22 Der International Linear Collider (ILC) I I I e+ e− -Collider, 35 km lang √ s = 500 GeV, Erweiterung auf 1 TeV möglich Planungsstatus: Technical Design Report 2012, LOI für ILD (International Large Detector) im März 2009 Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 3/ 22 Kinematische Fits Motivation I Energien & Impulse der rekonstruierten Teilchen fehlerbehaftet (Detektorauflösung etc.) I Äußere Nebenbedingungen (constraints) bekannt z. B. Energieerhaltung I Kinematischer Fit: Fehlerkorrektur mittels redundanter Information ⇒ Höhere Detektorauflösung, z. B. W-Masse @ LEP Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 4/ 22 Kinematische Fits Fithypothesen, Objekte & Parameter I Fit basiert auf Fithypothese: Welche Objekte werden gefitted? I I I e + e − → WW → qqqq: 4 Jets e + e − → WW → qqlν: 2 Jets + Lepton + ν Objekt dargestellt durch Parameter (gemessen?, fix?) Beispiele: Objekt Hadronen-Jet ν Winterseminar Teilchenphysik 2009 gemessen? ja nein Parameter E , θ, φ px , py , pz fix m m Moritz Beckmann 5/ 22 Kinematische Fits Konzept 1. Gemessene Parameter ~η mit Messwerten ~a → χ2 = (~η − ~a)T Cov−1 (~η − ~a) 2. Ungemessene Parameter ξ~ ~ =0 3. Harte Nebenbedingungen (hard constraints) Gk (~η , ξ) P √ (z. B. s − Ej = 0) ~ 4. Weiche Nebenbedingungen (soft constraints) χ2l (~η , ξ) 2 (z. B. ∆m ) σ2 I I Überbestimmtes Gleichungssystem: mehr harte Nebenbedingungen als ungemessene Parameter Fit minimiert X X ~ + ~ χ2 = χ2 (~a, ~η ) + λk · Gk (~η , ξ) χ2 (~η , ξ) l T k mit Lagrangemultiplikatoren λk I Stationärer Punkt: ∇χ2T = 0 (insbesondere Winterseminar Teilchenphysik 2009 l ∂χ2T = Gk = 0) ∂λk Moritz Beckmann 6/ 22 Kinematische Fits Konzept Beispiel: I Parameter η1 , η2 Messwerte a1 , a2 I Eine harte Nebenbedingung Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 7/ 22 Problem: Energieverlust durch Photonabstrahlung I Größere Schwerpunktsenergie und Luminosität am ILC I Mehr Initial State Radiation (ISR) und Beamstrahlung, überwiegend parallel zum Strahl I Ungemessene Energien und Impulse I Nebenbedingungen unvollständig ⇒ Fit missrät e− e+ Winterseminar Teilchenphysik 2009 ISR-γ + _ e e Pairs IP H ISR-γ Beamstrahlung Moritz Beckmann 8/ 22 Test an MC-Ereignissen I e + e − → WW /ZZ → u d̄d ū (4 Jets), 52 490 Ereignisse √ s = 500 GeV I ISR und Beamstrahlung simuliert I Keine Neutrinos I 5 harte Nebenbedingungen an die Jets: P √ s #1 E = P #2-4 px,y ,z = 0 #5 Gleiche invariante 2-Jet-Massen (Zuordnung durch beste Konvergenz) Cut Keine Jets im Strahlrohr |cosθjet | < 0.989 Keine Jets aus einzelnen γ Ntrack /jet ≥ 1 “Gute” Jetidentifikation Ejet > 4.5 GeV I I Winterseminar Teilchenphysik 2009 Ereignisse 39 940 38 925 38 912 Moritz Beckmann 9/ 22 Test an MC-Ereignissen Subsamples Bilde 2 Subsamples mittels MC-Daten (Emiss = ECM − P Eq,MC ): q I “no missing E”: Emiss < 5 GeV 15 726 Ereignisse = b 40% I “missing E”, keine Photonen im Detektor: Emiss > 30 GeV, entweder Eγ < 5 GeV oder cos θγ > 0.999 9 186 Ereignisse = b 24% Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 10/ 22 4-Jet-Hypothese ohne fehlende Energie Fit verringert Massenbreite σ um 38% Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 11/ 22 Versagen der 4-Jet-Hypothese I Konvergierte Fits: “no missing E”: 80% “missing E”: 24% ⇒ verlieren & 11% aller Ereignisse I Massenpeak verschoben (Fitter versucht, fehlende Energie zu kompensieren) W/Z-Unterscheidung? Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 12/ 22 Implementierung von ISR & Beamstrahlung im Fit Darstellung I P √ P Weiche Nebenbedingungen: E = s, 0 ersetzen P pz = P ⇒ verlieren harte Nebenbedingungen, E und p konsistent? I Ungemessenes Fitobjekt: Photon als Objekt mit ungemessenen Parametern ⇒ verlieren harte Nebenbedingungen, vorhandenes Wissen (Impulsverteilung) bleibt ungenutzt I Pseudogemessenes Fitobjekt: Betrachten Photon als gemessen: ~p = 0 mit Fehler gemäß der Impulsverteilung ⇒ verlieren keine Nebenbedingungen Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 13/ 22 Implementierung von ISR & Beamstrahlung im Fit Parametrisierung I Parametrisierung mittels Impuls: px , py , pz Energie ergibt sich daraus mit m = 0 I Beamstrahlung und ISR werden überwiegend vorwärts abgestrahlt ⇒ px , py vernachlässigbar ⇒ auf null festgesetzt I pz als Gauss-Verteilung mit σ = 100 GeV genähert (einfache Umsetzung) I Meistens nur ein hochenergetisches Photon ⇒ 4-jet+γ-Hypothese Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 14/ 22 Ereignisse mit fehlender Energie I Konvergierte Fits: “missing E”: 79% (24%) “no missing E”, 4j: 80% I Fehlende Energie wiedergefunden Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 15/ 22 Ereignisse mit fehlender Energie 4-Jet+γ-Hypothese: I Dreimal so viele Fits konvergieren I Massenpeak weniger stark verschoben I Fit verringert σ um 30% Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 16/ 22 Ereignisse mit fehlender Energie I Missing PMC energy = √ s − Eq I Gefittetes Photon stimmt mit MC-Daten gut überein I Beschreibung des Spektrums kann noch verbessert werden (eher ∝ |pz−0.9 | als Gauss-Verteilung) I “Hörner” durch Wahl des Subsamples bedingt (Emiss > 30 GeV) Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 17/ 22 # of entries / 0.02 Ereignisse ohne fehlende Energie 4-Jet+γ-Hypothese: I I Weniger Ereignisse konvergieren, aber bessere Verteilung der Fitwahrscheinlichkeit no missing E 4j 4j+γ 103 Entries χ2 / ndf p0 12640 196.8 / 40 123.8 ± 1.7 Entries χ2 / ndf p0 11775 123.1 / 38 128.7 ± 1.8 102 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Fit probability (best jet combination) Fehlende Energie < 5 GeV wiedergefunden Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 18/ 22 Ereignisse ohne fehlende Energie 4-Jet+γ-Hypothese: I Ähnliche Verbesserung der Auflösung I Massenpeak nicht verschoben Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 19/ 22 Ereignisse ohne fehlende Energie I Näherung nicht für dieses Subsample vorgesehen I Ereigniszahl bei Emiss ≈ 0 sehr groß I Grobe Übereinstimmung mit MC-Daten I Ausreißer werden untersucht Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 20/ 22 Zusammenfassung I Kinematische Fits erhöhen Detektorauflösung I Berücksichtigung von ISR und Beamstrahlung können Auflösung weiter verbessern I Noch viel Spielraum für Verbesserungen Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 21/ 22 Ausblick I Bessere Beschreibung des pz -Spektrums I Test auf anderen Ereignissen I Einbeziehung der übrigen Ereignisse (wenig fehlende Energie, Photon im Detektor) I Verwendung z. B. zur besseren Trennung von W- und Z-Ereignissen Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 22/ 22 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit! Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 23/ 22 Ereignisse ohne Photon im Detektor 4-Jet+γ-Hypothese: I Insgesamt konvergieren mehr Ereignisse, bessere Verteilung der Fitwahrscheinlichkeit I Fehlende Energie wiedergefunden Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 24/ 22 Ereignisse ohne Photon im Detektor I Ähnliche Verbesserung der Auflösung I Keine Massenpeakverschiebung Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann 25/ 22 Fit-MC-Übereinstimmung für px I Kein Zusammenhang erkennbar ⇒ Fitten von px , py sinnlos I Neuer Versuch mit nicht-Gauss-Verteilung? Winterseminar Teilchenphysik 2009 Moritz Beckmann