Использование характеристик адронных струй в анализе процессов Стандартной модели на детекторе CMS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Лычковская, Наталья Вячеславовна

• Лычковская, Наталья Вячеславовна
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Лычковская, Наталья Вячеславовна

Оглавление

Введение

1 Адронные струи в КХД

1.1 Теоретическое описание образования адронных струй

1.2 Модели адронизации

1.2.1 Струнная модель адронизации струй.

1.2.2 Кластерная модель адронизации струй.

2 Компактный Мюонный Соленоид (CMS) на ускорителе LHC в ЦЕРНе

2.1 Сверхпроводящий магнит.

2.2 Электромагнитный калориметр.

2.3 Адронный калориметр

2.4 Трекерная система.

2.5 Мюонная система.

2.6 Триггерная система и система накопления данных.

3 Реконструкция адронных струй в CMS

3.1 Алгоритмы реконструкции струй.

3.1.1 Итерационный конусный алгоритм.

3.1.2 Кт алгоритм.

3.1.3 AntiKx алгоритм.

3.2 Поправки для энергий адронных струй в CMS

3.2.1 Калориметрические поправки на энергии струй.

3.2.2 JetPlusTrack алгоритм.

4 Изучение структуры адронных струй на детекторе CMS

4.1 Поперечная структура струи и различные модели адронизации

4.2 Переменные для изучения поперечной структуры струй.

4.3 Предсказания генераторов PYTHIA и HERWIG++.

4.3.1 Поперечная структура струи, измеренная по данным калориметра.

4.3.2 Поперечная структура струи, измеренная по заряженным частицам.

4.4 Проверка метода на первых данных детектора CMS.

4.4.1 Отбор событий.

4.4.2 Измерение поперечной структуры струи на детекторе CMS

4.4.3 Систематические погрешности.

4.4.4 Сравнение данных с Монте-Карло.

4.5 Возможность использования метода для оценки доли кварковых и глюонных струй.

4.6 Сравнение результатов с результатами эксперимента CDF.

4.7 Выводы и обсуждение результатов главы.

5 Выделение адронных струй по первичной вершине взаимодействия

5.1 Выделение первичной вершины с помощью вершины мюона.

5.2 Алгоритм отбора струй по первичной вершине

5.3 Выделение первичной вершины в событиях без мюона.

5.4 Применение метода в анализе процессов Стандартной модели

5.5 Оптимизация параметров метода.

5.6 Выводы и обсуждение результатов главы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование характеристик адронных струй в анализе процессов Стандартной модели на детекторе CMS»

В диссертации проведено исследование характеристик адронных струй, которые могут быть полезными при анализе процессов Стандартной модели и поиске новых частиц за ее рамками на детекторе CMS. Исследование состоит из трех частей.

На первом этапе работы были исследованы множественность заряженных частиц в струе и поперечная структура струи, с использованием 2-го центрального момента распределения поперечного импульса в струе. До того, как появилась возможность работать с экспериментальными данными детектора CMS, было проведено сравнение предсказаний Монте-Карло генераторов HERWIG++ и PYTHIA на статистике 10 пб-1 смоделированных данных для энергии i/s — 10 ТэВ.

После начала работы Большого адронного коллайдера (LHC) весной 2010 г. был проведен второй этап исследования. Первые данные детектора CMS, полученные за период с апреля по июнь 2010 г. при энергии рр столкновения в системе центра масс y/s = 7 ТэВ, позволили провести исследование поперечной структуры струи и множественности заряженных частиц на статистике 78 нб"1.

Третья часть исследования посвящена разработке нового метода, позволяющего отделить струи, соответствующие первичной вершине сигнального столкновения, от струй, рожденных в дополнительных столкновепях протонов. Метод основан на использовании информации, полученной после реконструкции события в "трекере детектора CMS. В результате была показана возможность успешного применения разработанного метода для повышения эффективности выделения сигнала qqH из фоновых событий.

Актуальность исследования.

Процессы с образованием адронных струй не имеют точного описания в, рамках квантовой хромодинамики (КХД). В частности, остается открытым вопрос об описании адронизации - процессе фрагментации партонов в адроны, основанном на фундаментальных принципах хромодинамики. Поэтому для описания адронизации приходится прибегать к приближенным моделям. Наиболее общеупотребительные из них - струнная и кластерная. Анализируя форму струи! при адрон-адронных столкновениях, можно понять разницу между различными моделями партонных каскадов, моделями адронизации, а также генераторами и их параметрами. Это позволит повысить точность описания процессов рождения струй.

Форма адронных струй изучалась в таких экспериментах как ZEUS и Hl (HERA, DESY), CDF и DO (Tevatron, Fermilab). В частности было показано, что струи становятся более узкими при росте поперечного импульса. При этом глгоонные струи в среднем шире, чем кварковые. Коллайдер LHC дает уникальную возможность провести исследование формы струй при значительно более высоких энергиях, чем предшествующие эксперименты. Различие характеристик кварковых и глюонных струй может позволить повысить эффективность, разделения сигнальных и фоновых событий при анализе различных процессов, например распада нового калибровочного бозона Z' —> qq.

Одной из особенностей ускорителя LHC, усложняющей анализ физически значимых процессов, является то, что каждое событие с рождением новых тяжелых частиц сопровождается большим количеством фоновых столкновений при росте светимости. Большое количество частиц, образованных от дополнительных столкновений протонов (так называемых "pile-up"событий) будет затруднять выделение сигнального события. Поэтому особенно актуальной становится проблема выделения сигнального события на большом фоне "pile-up "событий.

Цель данного исследования - выявить характеристики адронных струй, которые могут быть полезными при анализе процессов Стандартной модели.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи диссертационного исследования:

1. Определить переменные, описывающие структуру адронной струи, по которым было бы возможно провести тонкую настройку Монте-Карло генераторов на первых данных детектора CMS и с помощью которых возможно эффективно протестировать различные модели адронизации струй;

2. Изучить структуру адронной струи с использованием предложенных переменных на первых данных детектора CMS;

3. Исследовать возможность оценки доли кварковых и глюонных струй по структуре струи;

4. Разработать метод отбора струй по первичной вершине взаимодействия, позволяющего подавить фон от дополнительных столкновений протонов.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

1. Предложена новая переменная, описывающая структуру адронной струи, - 2-й момент поперечного распределения импульса в струе. Показано, что эта переменная может быть использована для настройки Монте-Карло генераторов на первых данных детектора CMS. Проанализированы ожидаемые систематические погрешности. Продемонстрировано, что на 10 пб-1 данных эксперимента CMS можно будет увидеть разницу между предсказаниями различных Монте-Карло генераторов с отличием па уровне 10%.

2. Проведено исследование поперечной структуры и средней множественности заряженных частиц для адронных струй на первых данных детектора CMS. Показано, что экспериментальные результаты, полученные на статистике 78 нб-1, находятся в хорошем согласии с предсказаниями генераторов PYTHIA6 и HERWIG++.

3. Показано, что 2-й момент поперечного распределения импульса и средняя множественность заряженных частиц в адронной струе чувствительны к соотношению кварковых и глюонных струй.

4. Разработан новый метод отбора струи по первичной вершине взаимодействия, позволяющий подавить фон от дополнительных столкновений протонов и основанный на информации о треках заряженных частиц и первичных вершинах в детекторе CMS.

Апробация результатов и публикации. Материалы данной работы докладывались автором и обсуждались на многочисленных семинарах и совещаниях международной коллаборации CMS; на международных конференциях, включая: "14th Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics "(Москва, Россия) в 2009 г. [1], ICHEP2010 (Париж, Франция) в 2010 г. [2];. на научной сессии-конференции секции ядерной физики ОФН РАН (Москва, Россия) в 2009 г., на международной летней школе "The European Schools of High-Energy Physics"(Аронсборг, Швеция) в 2006 г.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в реферируемых журналах [3,4] и в виде статей коллаборации CMS [5-9] .

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В диссертации 103 страницы, включая 49 рисунков и 7 таблиц. В конце работы представлен список литературы из 73 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Лычковская, Наталья Вячеславовна

5.6 Выводы и обсуждение результатов главы

В главе представлен метод, позволяющий отделить струи, соответствующие первичной вершине сигнального столкновения, от струй, рожденных в дополнительных столкновенях протонов. Проведена оптимизация предложенного метода.

Метод основан на анализе информации, полученной после реконструкции события в трекере. Демонстрируется возможность успешного применения разработанного метода для повышения эффективности выделения сигнала qqH из фоновых событий.

Следует отметить, что метод может быть применен только для центральных струй, по которым есть трекерная информация (CMS трекер охватывает диапазон по псевдобыстроте < 2.4). Поскольку одним из важных критериев отбора каналов qqH является запрет на центральные струи, то в этом случае данный метод может быть успешно применен. Таким образом, для канала qq —> qqH, Н —» WW —> jj с массой Мя = 600 ГэВ/2 при применении описанного метода во время запрета на центральные струи эффективность выделения сигнала возросла с 26% до 56%. Хотя работа метода показана на примере конкретного канала, он может быть применен и для других задач, где критичным является фон от дополнительных взаимодействий. При этом результат качественно не изменится для других каналов и значений масс хиггсовского бозона, поскольку доля энергии, уносимая треками, является свойством струи и не зависит от массы хиггсовского зависимости от p f threshold для a = 0.2 бозона.

Описанный метод и соответствующее програмное обеспечение, позволяющее каждому участнику коллаборации CMS применять метод в своих физических исследованиях, были одобрены коллаборацией и включены в общее математическое обеспечение детектора CMS.

Заключение

Результаты данной работы были получены при анализе событий, смоделированных с помощью Монте-Карло генераторов, а также первых данных детектора CMS.

На первом этапе работы проводилось сравнение предсказаний Монте-Карло генераторов HERWIG++ и PYTHIA на статистике 10 пб-1 смоделированных данных при энергии y/s = 10 ТэВ. Для реконструкции струй использовался итерационный конусный алгоритм. Для моделирования использовались генераторы PYTHIA 6.409 tune D6T и HERWIG++ 2.2.0.

На втором этапе работы проводился анализ первых данных детектора CMS, полученных за период с апреля по июнь 2010 г. при энергии рр столкновения в системе центра масс y/s = 7 ТэВ. Исследование поперечной структуры струи и множественности заряженных частиц было проведено на статистике 78 пб-1.

В ходе исследования были решены поставленные задачи и получены следующие результаты:

1. Предложены новые переменные, принятые коллаборацией CMS, описывающие структуру адронной струи, - 2-й момент поперечного распределения импульса в струе и множественность заряженных частиц в струе. Показано, что эти переменные могут быть использованы для настройки Монте-Карло генераторов на первых данных детектора CMS. Проанализированы ожидаемые систематические погрешности. Продемонстрировано, что на 10 пб-1 данных эксперимента CMS можно будет увидеть разницу между предсказаниями различных Монте-Карло генераторов с отличием на уровне 10%.

2. Проведено исследование поперечной структуры и средней множественности заряженных частиц для адронных струй на первых данных детектора CMS.

Показано, что экспериментальные результаты, полученные на статистике 78 нб""1, находятся в хорошем согласии с предсказаниями генераторов PYTHIA6 и HERWIG++.

3. Показано, что 2-й момент поперечного распределения импульса и средняя множественность заряженных частиц в адронной струе чувствительны к соотношению кварковых и глюонных струй.

4. Разработан новый метод отбора струи по первичной верптине взаимодействия, позволяющий подавить фон от дополнительных столкновений протонов и основанный на информации о треках заряженных частиц и первичных вершинах в детекторе CMS. Описанный метод и соответствующее программное обеспечение, позволяющее каждому участнику коллаборации CMS применять метод в своих физических исследованиях, были одобрены коллаборацией и включены в общее математическое обеспечение детектора CMS.

Благодарности

Я выражаю благодарность моему научному руководителю Владимиру Борисовичу Гаврилову за интересную научную работу, которой я занималась под его руководством, за мое образование, которое я получила, работая в его научной группе. Также я благодарю моих соавторов, A.A. Крохотина, О. JI. Кодолову, А.Н. Никитенко, И.В. Шрейбер и C.B. Образцова, совместная работа с которыми происходила в интересной научной атмосфере и принесла мне большую пользу.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Лычковская, Наталья Вячеславовна, 2010 год

1. N.1.ina (Lychkovskaya) for the CMS collaboration, "Study of jet transverse structure with CMS experiment at yfs — 10 TeV Proceedings of 14th Lomonosov conference on "Elementary Particle physics, Moscow, Russia, 19-25 August, 2009.

2. N. Lychkovskaya for the CMS collaboration, "Mean Charge Multiplicity and Transverse Structure of Hadronic Jets in pp Collisions at 7 TeV CMS CR-2010/149 (2010).

3. В.Гаврилов, Н.Ильина (Лычковская), О.Кодолова, А.Крохотин "Разделение сигнальных и фоновых событий на установке "Компактный мюонный соленоид"на Большом адронном коллайдере" Вестник МГУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2009 г N4.

4. V.Gavrilov, O.Kodolova, N.Lychkovskaya, "Jet transverse structure as a test of hadronization models J.Phys.G37:075009,2010.

5. CMS Collaboration (V. Khachatryan, . N. Lychkovskaya, et al.) "Jet Plus Tracks Algorithm for Calorimeter Jet Energy Corrections in CMS", CMS PAS JME-09-002 (2009).

6. CMS Collaboration (V. Khachatryan, . N. Lychkovskaya, et al.), "Study of et transverse.structure using the second moment of Pt radial distribution in pp collisions at y/s = 10 TeV CMS PAS QCD-08-002 (2009).

7. CMS Collaboration (V. Khachatryan, . N. Lychkovskaya, et al.), "Jet Transverse Structure and Momentum Distribution in pp Collisions at 7 TeV CMS PAS QCD-10-014 (2010).

8. N.Ilina (Lychkovskaya), V.Gavrilov, A.Krohotin, "Association of jets with the signal vertex" CMS NOTE 2006/091.

9. CMS Collaboration (V. Khachatryan, . N.Lychkovskaya, et al.) CMS Physics TDR, Volume I: CERN-LHCC-2006-001, 2 February 2006, Chapter 11.7 "Asso ciation of jets with the signal vertex".

10. Sjostrand, T., Monte Carlo Generators for the LHC, Academic Training Lectures, CERN, 2005.

11. B. R. Webber, "Hadronization arXiv:hep-ph/9411384 (1994).

12. Ya.I. Azimov, Yu.L. Dokshitzer, V.A. Khoze and S.I. Troyan, Phys. Lett. B165 (1985) 147; Zeit. Phys. C27 (1985) 65.

13. B. R. Webber, "Fragmentation and hadronization arXiv:hep-ph/9912292 (1999).

14. X. Artru and G. Mennessier, Nucl. Phys. B70 (1974) 93.

15. M.G. Bowler, Zeit. Phys. Cll (1981) 169.

16. B. Andersson, G. Gustafson and B. SEoderberg, Zeit. Phys. C20 (1983) 317, Nucl. Phys. B264 (1986) 29.

17. B. Andersson, G. Gustafson, G. Ingelman and T. SjEostrand, Phys. Rep. 97 (1983)

18. T. Sjostrand, Nucl. Phys. B248 (1984) 469

19. G. Gustafson, Phys. Lett. B175 (1986) 453; G. Gustafson and U. Pettersson, Nucl. Phys. B306 (1988) 746.

20. T. Sjostrand, S. Mrenna and P. Skands, hep-ph/0603175, PYTHIA 6.4 physics and manual".

21. R.D. Field and S. Wolfram, Nucl. Phys. B213 (1983) 65.

22. B. R. Webber, "A QCD Model for Jet Fragmentation including Soft Gluon Interference Nucl. Phys. B238 (1984) 492.

23. G. Marchesini and B.R. Webber, Nucl. Phys. B238 (1984) 1.

24. Yu.L. Dokshitzer, V.A. Khoze and S.I. Troyan, in 'Perturbative Quantum Chro-modynamics', ed. A.H. Mueller, World Scientific, Singapore (1989).

25. Yu.L. Dokshitzer, V.A. Khoze, A.H. Mueller and S.I. Troyan, 'Basics of Pertur-bative QCD', Editions Frontieres, Paris (1991).

26. T.D. Gottschalk, Nucl. Phys. B214 (1983) 201.

27. M. Bahr, S. Gieseke, and M. H. Seymour, Simulation'of multiple partonic interactions in Herwig++,"JHEP 07 (2008) 076, arXiv:0803.3633.

28. CMS Collaboration, The CMS experiment at the CERN LHC JINST 0803:S08004,2008.

29. CMS, G. L. Bayatian et al., CERN-LHCC-2006-001.

30. CMS Collaboration, "Jet Performance in pp Collisions at у/Ъ = 7 TeV CMS-PAS-JME-10-003 (2010).

31. R. Bainbridge et al, "Jet Plus Tracks Algorithm for Calorimeter Jet Energy Corrections in CMS", CMS AN-2009/031 (2009).

32. CMS Collaboration, "Particle-Flow Event Reconstruction in CMS and Performance for Jets, Taus, and E£issj, CMS PAS PFT-09-001 (2009).

33. CMS Collaboration, "Commissioning of the Particle-Flow Reconstruction in Minimum-Bias and Jet Events from pp Collisions at 7 TeV", CMS PAS PFT-10-002 (2010).

34. CMS Collaboration, "Commissioning of TrackJets in pp Collisions at y/s = 7 TeV", CMS PAS JME-10-006 (2010).

35. CMS Collaboration, "Performance of Jet Algorithms in CMS" , CMS PAS JME-07-003 (2007).

36. S. D. Ellis and D. E. Soper, Phys. Rev. D48, 3160 (1993), hep-ph/9305266].

37. S. Catani, Y. L. Dokshitzer and B. R. Webber, Phys. Lett. B285, 291 (1992).

38. S. Catani, Y. L. Dokshitzer, M. H. Seymour and B. R. Webber, Nucl. Phys. B406, 187 (1993).

39. Cacciari M. and Salam G. and Soyez G, "The anti-kt jet clustering algorithm JHEP 0804:063 (2008).

40. Kousouris, K. and others "Plans for Jet Energy Corrections at CMS CMS-PAS-JME-07-002 (2007).

41. CMS Collaboration, "Jets in 0.9 and 2.36 TeV pp Collisions CMS-PAS-JME-10-001 (2010). '

42. S.D. Ellis, Z. Kunszt and D.E. Soper, Phys.Rev.Lett. 69, 3615 (1992).

43. J. Pumplin, Phys.Rev. D 44, 2025-2032(1991).

44. LEP1: OPAL Collaboration, R. Akers et al., Zeit.f.Phys. C 63, 197 (1994).

45. ZEUS Collaboration, J. Breitweg et al., The Eur.Phys.Journal C2, 61-75 (1998).

46. HI Collaboration, C. Adloff et al., Nucí. Phys. B 545, 3-20 (1999).

47. CDF Collaboration, Phys.Rev. D71, 112002 (2005).

48. D0 Collaboration, Phys. Lett. B357, 500-508 (1995).

49. CMS Collaboration, "The CMS experiment at the CERN LHC", JINST 0803:S08004,2008.

50. R. Field, "Monte-Carlo Generators for CMS CMS MC Generators Meeting, 2007.

51. R. Field, "Studying the Underlying Event at CDF and the LHC Seminar presented at the University of California, Berkeley, 2009.

52. D. E. Acosta, F. Ambroglini, P. Bartalini, A. de Roeck, L. Fano, R. Field, and K. Kotov, "The Underlying Event at the LHC Technical Report CMS-NOTE-2006-067. CERN-CMS-NOTE-2006-067, CERN, Geneva, Jun, 2006.

53. J. Pumplin et al., "New generation of parton distributions with uncertainties from global QCD analysis JHEP 0207 (2002) 012, arXiv:hep-ph/0201195.

54. CTEQ Collaboration, H. L. Lai et al., "Global QCD analysis of parton structure of the nucleón: CTEQ5 parton distributions Eur. Phys. J. C12 (2000) 375-392, arXiv:hep-ph/9903282.

55. M. Bahr, S. Gieseke, and M. H. Seymour, "Simulation of multiple partonic interactions in Herwig++ JHEP 0807 (2008) 076, arXiv:hep-ph/0803.3633.

56. A. D. Martin, R. G. Roberts, W. J. Stirling, and R. S. Thorne, "MRST2001: Partons and alpha(s) from precise deep inelastic scattering and Tevatron jet data Eur. Phys. J. C23 (2002) 73-87, arXiv:hep-ph/0110215.

57. A. D. Martin, R. G. Roberts, W. J. Stirling, and R. S. Thorne, "Uncertainties of predictions from parton distributions. I: Experimental errors. "Eur. Phys. J. C28 (2003) 455-473, arXiv:hep-ph/0211080.

58. A. D. Martin, R. G. Roberts, W. J. Stirling, and R. S. Thorne, "NNLO global parton analysis Phys. Lett. B531 (2002) 216-224, arXiv:hep-ph/0201127.

59. CMS Collaboration, "Commissioning of the CMS High-Level Trigger with Cosmic Rays". CMS-CFT-09-020, Nov 2009. arXiv:0911.4889 physics.ins-det]

60. J. Pumplin et al., "New generation of parton distributions with uncertainties from global QCD analysis", JHEP 0207 (2002) 012, arXiv:hep-ph/0201195.

61. M. Dittmar et al., hep-ph/0511119, "Parton Distributions: Summary Report ".

62. CMS Collaboration, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 34 995-1579 , "CMS Physics TDR: Volume II (PTDR2), Physics Performance" Appendix B.

63. CMS Collaboration, "Jet energy calibration with photon+jet events", CMS PAS JME-09-004 (2009).

64. The CMS Collaboration, "Commissioning and Performance of the CMS Silicon Strip Tracker with Cosmic Ray Muons". CMS-CFT-09-002, Nov 2009. arX-iv:0911.4996 physics.ins-det]

65. CMS Collaboration (Boris Mangano on behalf of the CMS collaboration), "CMS Track Reconstruction PerformanceCMS-CR-2008-100; CERN-CMS-CR-2008-100. Geneva : CERN, 2008.

66. CMS Collaboration, "Measurement of the Underlying Event in Jet Topologies using Charged Particle and Momentum Densities" , CMS PAS QCD-07-003.

67. Drollinger V., Muller T., Denegri D. CMS NOTE 2002/006, "Prospects for Higgs Boson Searches in the Channel WH —> Ivbb". (Geneve, Switzerland, 2002).

68. Sjostrand T., Lonnblad L. and Mrenna S. arXiv: hep-ph/0108264.

69. CMS Collaboration Physics TDR Vol.1, Chapter 2, "Object-oriented Simulation for CMS Analysis and Reconstruction".

70. CMS Collaboration Physics TDR Vol.1, Chapter 2, "CMS OO Reconstruction".

71. Abdullin S., Stepanov N. CMS TN-1993/088, "Search or heavy HIGGS via the H lujj and H —» lljj channels".

72. Abdullin S., Stepanov N. CMS TN-1994/178 "Towards self-consistent scenario of the heavy higgs observability via the channel Ivjj at CMS".