fehlende transversale Impuls

Konrad Jende
Boris Lemmer
W path
Datenanalyse
German Teachers Program
CERN, June 6 2012
2
Ausblick

MINERVA Event Display

Teilchenidentifikation mit ATLAS

Ereignisklassifikation (“erzeugte Teilchen in einer Kollision”)

Datenanalyse



Zusammensetzung des Protons
Suche nach dem Higgs-Teilchen
Diskussion der Resultate (12:15-13:00 in 160-1-009)
Masterclasses 2012
3
Einführung in MINERVA
Masterclass INvolving Event
Recognition Visualised with Atlantis

Ein Masterclasses Werkzeug für
SchülerInnen zum Kennenlernen des
ATLAS Experiments am CERN

Basiert auf einem der offiziellen
ATLAS Event Displays
Masterclasses 2012
4
Komponenten des
ATLAS Detektors
Spurdetektor
−Misst Ladung und Impuls
elektrisch geladener Teilchen im
magnetischen Feld (Solenoid)
MyonDetektor
Elektromagn. Kalorimeter
−Misst Energie von Elektronen,
Positronen und Photonen
Hadronisches
Kalorimeter
Elektromagn.
Kalorimeter
Solenoid
Spurdetektor
Transition
Radiation
Tracker
Pixel- und SCTDetektor
Hadronisches Kalorimeter
−Misst Energie von Hadronen
(aus Quarks zusammengesetzt)
wie Protonen, Neutronen, Pionen
Myonendetektor
-Misst elektr. Ladung und Impuls
von Myonen und Antimyonen im
magnetischen Feld (Toroid)
5
MINERVA Event Display
Das Event Display – das Sie zur Teilchenidentifikation
verwenden werden
6
MINERVA Event Display
ATLANTIS Canvas Fenster (rot umrahmt) und
ATLANTIS GUI Fenster (blau umrahmt)
7
MINERVA Event Display –
ATLANTIS Canvas
ATLANTIS Canvas Fenster
(rot umrahmt) zeigt
Ereignis im ATLASDetektor in verschiedenen
projektiven Ansichten
Nutzen Sie alle Ansichten
um ein vollständiges Bild
einer Kollision im ATLASDetektor zu gewinnen!
8
MINERVA Event Display –
ATLANTIS Canvas
Ansichten aller
Detektoren …
Spurdetektoren
Elektromagnetisches
Kalorimeter
Hadronisches
Kalorimeter
MyonenDetektoren
9
MINERVA Event Display –
ATLANTIS Canvas
Ansichten aller
Detektoren …
Spurdetektoren
Elektromagnetisches
Kalorimeter
Hadronisches
Kalorimeter
MyonenDetektoren
10
MINERVA Event Display –
ATLANTIS Canvas
Ansichten aller
Detektoren …
Spurdetektoren
Elektromagnetisches
Kalorimeter
Hadronisches
Kalorimeter
MyonenDetektoren
11
MINERVA Event Display –
ATLANTIS Canvas
Ansichten aller
Detektoren …
Spurdetektoren
Elektromagnetisches
Kalorimeter
Hadronisches
Kalorimeter
MyonenDetektoren
12
MINERVA Event Display –
ATLANTIS Canvas
Unten
Seitenansicht des
Detektors
(R-z Projektion)
•Teilchen aller
Regionen im
Detektor werden
dargestellt
13
MINERVA Event Display –
ATLANTIS Canvas
Links oben
Strahlrohransicht des
Detektors (x-y Projektion)
Warnung: Nur Teilchen in
der Zentralregion werden
hier dargestellt (sonst
würden Teilchen in
Vorwärtsrichtung die
Sicht überdecken)
14
MINERVA Event Display –
ATLANTIS Canvas
Rechts oben
Lego plot (‘abgerollte‘
Kalorimeteroberfläche )
Veranschaulicht
Energiedepositionen in
allen Regionen des
elektromagnetischen
und hadronischen
Kalorimeters in eta (η)
und phi (Φ) Richtung
15
MINERVA Event Display –
ATLANTIS Canvas
Φ
Rechts oben
Lego plot (‘abgerollte‘
Kalorimeteroberfläche )
η
Φ
0
-η
+η
Veranschaulicht
Energiedepositionen in
allen Regionen des
elektromagnetischen
und hadronischen
Kalorimeters in eta (η)
und phi (Φ) Richtung
16
ATLANTIS
GUI
(blau
umrahmt) ermöglicht das
Ändern von Einstellungen
und
Ansichten
des
Ereignisses
und
liefert
Informationen über Spuren
und Kalorimetereinträge.
Dateimanagement
Ereignisselektion
und
Werkzeugleiste
zur
Interaktion mit dem Ereignis
Ausgabefenster
für
Informationen über Spuren,
Kalorimetereinträge,
Teilchen und Objekte
MINERVA Event Display –
ATLANTIS GUI
17
MINERVA Event Display –
ATLANTIS GUI
Dateimanagement
Um Ereignisse zu laden auf ‘File’ und ‘Read events locally’
klicken
Um von Ereignis zu Ereignis zu gelangen, klickt man auf die
blauen Pfeile rrechts neben fem Dateinamenfenster.
Werkzeugleiste
Anzeige von Info zu
Zoom/Bewegen/Rot
ausgewählten Objekten
ation
FishEye Transformation (zur besseren
Auswahlwerkzeug
Ansicht im inneren Detektor)
18
MINERVA Event Display –
ATLANTIS GUI
Karteikarten
Anwendung
Auswahlkriterien
von
Wichtige Einstellungen
Ausgabefenster
Zeigt Dateinamen des Ereignisses und
stellt Informationen zu ausgewählten
Objekten dar.
Ermöglicht die Bestimmung von elektr.
Ladung, transversalem Impuls, …
Transversale Energie
und Impuls
19



Vor der Kollision bewegen sich die
Protonen entlang der z-Richtung durch
den ATLAS-Detektor
Der Impuls in x- und y-Richtung ist 0.
Dieser muss erhalten bleiben und
sollte nach der Kollision ebenfalls 0
sein.
Die Gesamtenergie kann nicht
gemessen werden, da Teilchen nahe
des Strahlrohres (sich in
Vorwärtsrichtung bewegend) nicht
detektiert werden können und deren
Energie „verloren“ geht.
Bessere Messung: transversale
oder „seitwärtige“ Komponente
(x-y)
„Interessante“ Ereignisse beinhalten
Teilchen mit großer transversaler
Energie (ET) und großem
transversalem Impuls (pT)


x
z
y
Erklaerung: Fehlende
Energie
20



Vor der Kollision bewegen sich
die Protonen entlang der zRichtung durch den ATLASDetektor
Der Impuls in x- und y-Richtung
ist 0. Dieser muss erhalten
bleiben und sollte nach der
Kollision ebenfalls 0 sein.
Werden Neutrinos erzeugt, sieht
der Detektor sie nicht. Wenn
aber alle Impulse aller in einem
Ereignis detektierbaren Teilchen
in x-y-Richtung vektoriell
aufaddiert werden gibt es ein
Defizit – dies ist gerade der
fehlende transversale Impuls.
x
z
y
21
MINERVA – Teilchen
Impuls und elektr. Ladung
Wie bestimmt man den transversalen Impuls und die elektrische Ladung?
Hier ist das Problem: bestimme
die elektrische Ladung und den
transversalen
Impuls
des
Elektrons/Positrons in diesem
Ereignis.
Klicke auf das
“Finger“-Symbol aus der
Werkzeugleiste, klicke auf die Spur des
Teilchens, um es auszuwählen (verändert die
Farbe von orange zu grau) und schaue auf das
Ausgabefenster
Charge = 1 bedeutet elektr. pos. Geladen.
Charge = -1 bedeutet elektr. negativ geladen.
22
MINERVA –
Wineklmessung
Wie misst man Winkel zwischen Teilchen mit dem Event Display?
Erste
ausgewählte Spur
Zweite
ausgewählte
Spur
Und hier ist ein weiteres
Problem: bestimme den Winkel
zwischen den Spuren zweier
Teilchen in der transversalen
Ebene.
Halte die P-Taste der Tastatur
gedrückt und wähle die beiden
Spuren aus. Der Winkel zwischen
beiden Spuren in der transversalen
Ebene wird im Ausgabefenster
angezeigt. (grün umrahmt).
23
Teilchen/Objekt
Identifikation
Elektron:
•Spur im Inneren Detektor
•Gestoppt innerhalb des elektromagnetischen
Kalorimeters
Myon
Myon:
Neutrino
•Spur im Inneren Detektor
•Wenige Energiedepositionen und
Wechselwirkungen in beiden Kalorimetern; kann
nicht gestoppt werden
Jets
Elektron
•Orange Spuren in den aeusseren
Myonenkammern
Neutrino:
•Fehlender transversaler Impuls(rot gestrichelte
Linie)
Jets:
•Teilchenbündel im Inneren Detektor
•Energiedepositionen in beiden Kalorimetern,
insbesondere im hadronischen Kalorimeter
Verwende die Animation auf folgender Webseite zur eigenen Untersuchung:
http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_teilchenid1.htm
Try both the side view and end view!
24
Teilchenidentifikation – Elektron
/ Positron
Spur im Inneren Detektor
Hohe Energiedepositionen
im elektromagnetischen
Kalorimeter (Teilchen wird
dort gestoppt)
Erinnere Dich, Teilchenspur
anklicken und Informationen
ablesen, um elektrische
Ladung und transversalen
Impuls festzustellen
Charge = -1 = Elektron
Charge = 1 = Positron
25
Spur im Inneren Detektor
Spur in den Myonendetektoren
Wenig Aktivität im
elektromagnetischen und
hadronischen Kalorimeter
(Energiedepositionen und
Spuren sind auf einer Bahn)
Erinnere Dich, Teilchenspur
anklicken und Informationen
ablesen, um elektrische Ladung
und transversalen Impuls
festzustellen
Charge = -1 = muon
Charge = 1 = anti-muon
Teilchenidentifikation –
Myon/ Antimyon
26
Neutrinos werden indirekt durch
die Berechnung des fehlenden
transversalen Impulses
nachgewiesen.
Dargestellt durch rot gestrichelte
Linie
Dicke der Linie repräsentiert die
Höhe des fehlenden
transversalen Impulses
Einfach ist dieser Wert auch
abzulesen durch die Information
im Lego Plot
Fehlender Impuls muss mind. 25
GeV betragen, um ein NeutrinoKandidaten anzunehmen
Teilchenidentifikation –
Neutrinos
27
Teilchenidentifikation –
Jets
Jets entstehen durch das
‚Auseinanderlaufen‘ von Quarks
oder dem Abstrahlen von Gluonen
Teilchenbündel im Inneren Detektor
(viele Spuren)
Richtig viel Aktivität im
elektromagnetischen Kalorimeter
Und auch richtig viel Aktivität im
hadronischen Kalorimeter
Myon-Kammerhits, wenn entweder
die Hadronen zu energiereich und
nicht stoppbar oder wenn Mesonen
sich in Myonen umwandeln.
28
Übung 1:
Teilchenidentifikation
Verwende den Link:
http://kjende.web.cern.ch/kjen
de/de/wpath_exercise 1.htm
 In der Uebung gibt es vier
Ereignisse, jedes mit einem
Satz an Teilchen, die
identifiziert werden sollen




Nutze alle vier Ansichten des Ereignisses:
Kannst Du Myonen, Antimyonen, Elektronen, Positronen,
Neutrinos/Antineutrinos oder Jets finden?
Setze ein Häkchen in die Box eines jeden Teilchens, dass Du in
einem Ereignis siehst. Durch Drücken von ‘Check’ bekommst Du eine
Rückmeldung.
Ereignisidentifikation
Start
29
True
False
MET>25 GeV
Entscheidungen, die für jedes Ereignis
getroffen werden müssen
True
Enthält genau
ein Lepton
False
Lepton l = Elektron, Positron, Myon,
Antimyon
True
True
Lepton isoliert
PT(l)>20 GeV
True
PT(l1)>25 GeV
Enthält genau zwei
elektrisch
entgegengesetzt
geladene
Leptonen
False
False
PT(l2)>15 GeV
von Jets
Beide
Leptonen
W Kandidat
True
True
WW
Kandidat
True
MET>40 GeV
sind aus der
selben
Familie
False
WW Kandidat
Untergrund
30
W-→μ-+νμ or W+→μ++νμ
Es gibt GENAU EIN Myon oder Antimyon,
welches isoliert (bedeutet: es taucht nicht
in einem Jet auf) ist und
einen transversalen Impuls (pT) von MEHR
ALS 20 GeV. Außerdem wird
ein fehlende transversaler Impuls (MET)
von MINDESTENS 25 GeV im Ereignis
verlangt.
Elektrische Ladung und Impuls können
durch Anklicken bestimmt werden ...
Charge = -1 = Myon
Charge = 1 = Antimyon
Um herauszubekommen, ob
es von einem W+ oder W-
Boson kommt.
Ereignisidentifikation Signal
31
W-→e-+νe or W+→e++νe
Es gibt GENAU EIN Elektron oder Positron,
welches isoliert ist und
Einen transversalen Impuls (pT) von MEHR
ALS 20 GeV hat. Außerdem verlangt man
einen fehlenden transversalen Impuls
(MET) von MINDESTENS 25 GeV im
Ereignis.
Elektrische Ladung und Impuls können
durch Anklicken bestimmt werden ...
Charge = -1 = electron
Charge = 1 = positron
Um herauszubekommen, ob es von
einem W+ oder W- Boson kommt.
Ereignisidentifikation Signal
32
WW→l-+νl+l++νl
(l kann sein Elektron, Myon, Positron,
Antimyon)
Enthaelt GENAU ZWEI Leptonen mit
ENTGEGENGESETZTER elektrischer
Ladung,
sind isoliert und
das Lepton mit höherem transversalen
Impuls muss mindestens einen
transversalen Impuls von 25 GeV haben,
während das Lepton mit niedrigerem
transversalen Impuls einen transversalen
Impuls von mindestens 15 GeV aufweisen
muss.
Es wird außerdem ein fehlernder
transversaler Impuls verlangt abhaengig
von der Art der involvierten Leptonen:
von mind. 40 GeV wenn beide Leptonen
aus der gleichen Familie kommen
von mind. 25 GeV im anderen Fall.
Ereignisidentifikation Signal
33
Z→μ-+μ+ (or Z→e-+e+)
Es gibt ZWEI elektrisch
ENTGEGENGESETZT GELADENE
Leptonen (aus der gleichen Familie),
welche isoliert sind und
das Lepton mit höherem transversalen
Impuls muss mindestens einen
transversalen Impuls von 25 GeV haben,
während das Lepton mit niedrigerem
transversalen Impuls einen transversalen
Impuls von mindestens 15 GeV
aufweisen muss.
ein fehlender transversaler Impuls (MET)
von WENIGER ALS 25 GeV wird verlangt
Ereignisidentifikation Untergrund
34
Multi-Jet-Events
Es gibt Jets im Ereignis
ein fehlender transversaler Impuls
(MET) von WENIGER ALS 25 GeV wird
verlangt
Ereignisidentifikation Untergrund
35
Übung 2: Klassifizieren von
Ereignissen

Nutze den Link:
http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_exercise2.htm

Er beschreibt alles weitere. Die Übung besteht aus 10 zu
identifizierenden Ereignissen, die jeweils einer der folgenden
Eventkategorien zuzuordnen sind:









W+→e++νe
W-→e-+νe
W+→μ++νμ
W-→μ-+νμ
WW-→l-+νl+l++νl
Background from jets, Z→e+e-, Z→μ++μ-
Lade die Ereignisse (“exercise2.zip”) in ATLANTIS
Unterscheide zwischen Signal und Untergrund!
Vergleiche auf der Webseite!
36
Datenanalyse:
Zusammensetzung des
Protons & Higgs-Suche
Aufgabe 1 – Entdecke die Protonstruktur!



Wähle alle Signalereignisse (mit einem W Teilchen) aus den 50
Ereignissen Deiner Datenstichprobe aus.
Bestimme die elektrische Ladung des W-Teilchens.
Zähle die W+ and W- Ereignisse und bestimme das Verhältnis aus der
Anzahl elektrisch positiv geladener W Teilchen zu der Anzahl elektrisch
negativ geladener W-Teilchen (R±). Behalte alles durch die
Eintragungen auf Deiner Strichliste im Auge..
Aufgabe 2 – Finde die Higgs-Teilchen!




Bekomme eine Idee wie das Higgs-Teilchen (insofern es existiert)
gefunden werden kann. Simulierte Ereignisse wurden unter die echten
Daten gemischt.
Finde sie heraus und messe den Winkel zwischen den beiden elektrisch
geladenen Leptonen in der transversalen Ebene (welche den W-Teilchen
entspringen), ΔΦll.
Notiere Ereignisnummer und Winkel.
Am Ende überprüfst Du die ausgewählten Ereignisse noch mindestens
einmal kritisch.
37
Datenanalyse:
Zusammensetzung des
Protons & Higgs-Suche
Struktur der Datenstichprobe


Wir analysieren das W data sample no. 2 (enthält 1000 Ereignisse)
Es ist in 20 kleinere Pakete, mit A bis T bezeichnet, untergliedert.
Jedes dieser Sub-Sample enthält 50 Ereignisse
Was benötigst Du ...




Event display (installiert auf dem Laptop)
 Starte ‘atlantis’ vom Desktop
Datenstichprobe
 Lade das entsprechende Datenpaket aus dem Ordner in das Event
Display
Strichliste (ausgedruckt)
Link zur Kombinationstabelle
 http://www.editgrid.com/user/masterclass/Analysis_2012
38
Datenanalyse: Strichliste
Was muss alles eingetragen
werden …
Wichtiger Buchstabe – steht für
das Datenpaket, was analysiert
werden soll
Mit Strichen auszufüllen
Ereignisnummer
eintragen
und
Winkel
Platz
für
Striche
Untergrundereignissen
Letzte
Spalte
Zusammenzählen
zum
zu
Datenanalyse: Protonstruktur
39
 Proton
wechselwirkt nicht als Ganzes
 Verschiedene Methoden
der Produktion
– 1/3 aller W-Teilchen zerfallen in ein Lepton und
Neutrino (Elektron, Myon, Tau)
 Protonen sind schwierig bei hohen Energien!
 Zerfall
Masterclass 2011
40

Histogramm

HWW

Signal zu Untergrund

Schritte einer Selektion

Übereinstimmung

Unsicherheiten & Entdeckung
Masterclass 2011
Data Analysis:
Diskussion der HiggsSearch
41
MINERVA Masterclass
Resources
Main Minerva website
http://atlas-minerva.web.cern.ch/atlas-minerva/
ATLAS Experiment public website
http://atlas.ch/
Learning with ATLAS@CERN
http://www.learningwithatlas-portal.eu/en
The Particle Adventure (Good introduction to particle physics)
http://www.particleadventure.org/
LHC@InternationalMasterclasses
http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/index.htm
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