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Der Status von CMS & mögliche Messungen
mit den ersten LHC-Daten
DPG-Tagung, Freiburg7. März 2008
Katja Klein1. Physikalisches Institut B, RWTH Aachen
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 2
Compact Muon Solenoid Experiment
YB = Yoke BarrelYE = Yoke Endcap
2880 Wissenschaftler in 184 InstitutenDeutsche Institute: 3 x AC, DESY, HH, KA
D
D
Artikel über CMS-Detektor eingereicht beim Journal of Instrumentation
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 3
• 4T bei 19kA 4 Windungslagen• Supraleitender Al-verstärkter NbTi-Leiter • 220t Kaltmasse bei 4.5K (Helium)• Rückflussjoch aus 10 000t Eisen• 2006 erfolgreich getestet• Finale Abkühlung hat begonnen• Test mit Strom im April; B = 3.8 – 4.0T im Juni 6.3m
12.5
mR
≈30
cm
Aluminium
Aluminium-legierung
NbTi-Leiter32 Adern
Der Solenoid‐Magnet
Abkühlung des Magneten
3 Wochen
Tmin
Tmax
Stromzyklen19kA,4T
„Heavy Lowering“
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• Oberirdische Konstruktion hohe Flexibilität• 15 Elemente mit Massen im Kilotonnenbereich • Ablassen per Schwerlastkran in 9m/h• Start: Hadron Forward im November 06• Ende des „Heavy Lowerings“: YE-1 im Jan 08
Kran
YE-1
Der Tracker
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2.5 m
5.8 m
200m2 (Streifen) + 1m2 (Pixel) Siliziumfläche Viele Lagen Redundanz & robustes Tracking Strahlenbelastung für 10 LHC-Jahre: 1013 - 1015 neq cm-2
⇒ Betrieb bei < −10°C (Min. von Strahlenschäden) Myonen mit pT = 100 GeV, || < 2.0:
pT/pT ≈ 1-3%, σ(d0) ≈ 10μm, 99% Eff.
Der Streifen‐Tracker
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• 15 148 Module• Modulares Design, mehrere Supportstrukturebenen• Herausforderungen: Strahlenhärte, Material-Budget, mechanische Präzision / Alignment!
• Nach Integration > 99% gute Streifen!1 X0
x/X0
Endkappe
Siliziumsensoren- 6“ Wafer- Pitch 80-205 μm- 320 / 500 μm dick
Hybrid mit Auslesechips- 0.25 μm CMOS (strahlenhart)- Analoge Auslese!- Zeitkonstante 25ns
≈20
cm
Streifen‐Tracker: Status
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• März 07: alle Subdetektoren am CERN in Supportröhre eingebaut• Bis Juli 07: intensiver 15%-Slice-Test am CERN ( nächste Folien)• Sommer/Herbst 07: Verlegung von Services auf YB0• Dezember 07: Einbau des Streifen-Trackers in CMS (Präzision ±1mm)• Verkabelung (980 Kühlrohre, 3350 opt. Fasern, 2330 Kabel) ist zu > 50% fertig!
YB0
Tracker‐Commissioning im Slice Test
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• Test von ca. 15% des Trackers• Alle Subdetektoren beteiligt
• −15°C < TKühlflüssigkeit < +15°C
• 47 Millionen Cosmic-Trigger
• 3 Spuralgorithmen untersucht;modifiziert für kosmische Myonen
Signal / Rauschen (benötigt: 10)
500 μm Sensor
98.4% EffizienzSpureffizienz im Outer Barrel, gegen θ
98%
Hiteffizienz pro Lage
99.8%
Innerbarrel
Outerbarrel
• Gute Impaktparameterauflösung für sekundäre Vertices von b- und -Zerfällen• Seeds für Spurfindung
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Forward Pixel:- 2 x 2 Disks: z = ± 34.5, ± 46.5 cm- 18 Millionen Pixel
Barrel Pixel:- 3 Lagen: R = 4.4, 7.3, 10.2 cm- 48 Millionen Pixel
Der Pixel‐Detektor
Sensor
Chips0.25 μm CMOS
Elektronik-Platine
• Hybrid-Technologie • n+ Pixel (100 μm (r-) x 150 μm (z)) auf n-Substrat• Ladungsteilung zw. Pixeln wegen Lorentzwinkel (Barrel) und Geometrie (Forward)plus analoge Auslese 15-20 μm Ortsauflösung
Der Pixel‐Detektor: Status
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 10
• Installation geplant für Mai, nach dem Ausheizen des Strahlrohrs
• Installation über Schienensystem• 2 Wochen vorgesehen für Installation
Barrel Pixel: - alle Module sind montiert & getestet- Produktion der Servicezylinder läuftForward Pixel: - alle Halbzylinder sind fertig u. am CERN- erster Halbzylinder am CERN getestet
1. Barrel-Halbzylinder
Forward-Halbzylinder
Tracker Alignment
• Für Spurfindung (100 μm) & optimale Spurauflösung (≈10 μm)• Strategie: Alignment in mehreren Stufen
- Daten aus geometrischen Vermessungen geben Startwerte O(100 μm)- Laser-Alignment-System für Relativbewegung großer Strukturen (10-100 μm)- Spur-Alignment: anfangs Cosmics & Beam Halo, später Min. Bias, Z μμ, W μ
• 3 Algorithmen werden untersucht (Millipede II, Kalman-Filter, HIP)• Alignment des Trackers (ca. 50 000 Parameter) in 2h mit 2GB Memory!
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CMS Note 2008/008: Millipede II, 0.5 fb-1, Z μμ + single μ‘s + 25 000 cosmics:
Residuenin rφ
χ2/ndof
Detektorelemente im MC gaussisch / uniform verschmiertFirst data scenario: Alignment nur durch Lasersystem und Vermessung+ Alignment auf 15 μm für Pixel
Das elektromagnetische Kalorimeter
Katja Klein (RWTH Aachen) 12Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Endkappen (EE)- 1.479 < |η| < 3.0- 2 x 2 „Dees“- 2 x 7 324 Kristalle- 2.9cm x 2.9cm x 22cm- 24.7 X0- Vakuumphototrioden
Barrel (EB)- |η| < 1.479 - 36 Supermodule- 61 200 Kristalle- 2.2cm x 2.2cm x 23cm- 25.8 X0- Avalanche Photodioden
Preshower zur 0-Unterdrückung- 1.653 < |η| < 2.6- Bleiabsorber/Siliziumstreifendetektoren- 2 Lagen 2 X0
• Benchmark‐Kanal: H γγ• Anforderungen:‐ Exzellente Energieauflösung‐ Hohe Granularität‐ Strahlenresistenz‐ Schnelligkeit
Die PbWO4‐Kristalle
Katja Klein (RWTH Aachen) 13Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
• Hohe Dichte: 8.28 g/cm3
• Kurze Strahlungslänge: 0.89cm• Kleiner Moliereradius: 2.2cm• Schnell: 80% des Lichts wird in 25ns emittiert
• Geringe Lichtausbeute: 4.5 e− / MeV bei +18°C• Lichtausbeute stark temperaturabhängig: −2.1% / °C bei +18°C T‐Stabilisierung auf 0.05°C nötig!
• 1700 Kristalle / Supermodul• Quasiprojektive Geometrie
Supermodul
Status von ECAL Barrel
• April 2007: letztes Supermodul gebaut• Juli 2007: alle Supermodule in CMS installiert; Rate 1 Supermodul / Tag• Alle Supermodule verkabelt und getestet• 25/36 Supermodule simultan betrieben
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 14
Status von ECAL Endcap
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• Bei Kristallproduktion Priorität auf EB EE ist spät!• Lieferung der Kristalle bis Ende März• Circa 70% der Superkristalle (5x5) gebaut• Dee1 & 2 mit Kristallen bestückt, Verkabelung läuft• Plan: Einbau EE1 im Mai 08, Einbau EE2 ab Juli 08• Plan: Einbau des Preshowers mit EE2
Dee1
ECAL Interkalibration
• Lichtausbeute der Kristalle variiert um 15%, Signal der Vakuumphototrioden um 25%• Homogenität und Stabilität wichtig für Energieauflösung Interkalibration• Alle Supermodule interkalibriert mit kosmischen Myonen (deponierte Energie ≈ 250 MeV)• 25% der Supermodule interkalibriert mit Teststrahl-Elektronen (120 GeV) Interkalibration mit kosmischen Myonen erreicht 1.5% Genauigkeit
• Ultimative Interkalibration in situ: W e über Tracker-pT oder 0 γγ
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 16
Vergleich: cosmics / e−
Interkalibrationmit Cosmics
Ring‐#
1%
2%
η0 1.48
( )2 22
22.8% 0.12 0.3%( )( )
GeVE E GeVE GeVσ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞ = + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠
ECAL Energieauflösung
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 17
Stochastischer Term:- Fluktuationen in der lateralen
Verteilung des Schauers- Photostatistik- Fluktuationen im Preshower-Absorber
Rauschterm:- Elektronik & Digitalisierung- Pile-up
Konstanter Term:- Variation in longitudinaler
Lichtssammlungseffizienz- Interkalibration
e− -TeststrahlZentraler Einfall
Zufälliger Einfall
120 GeV e−
Teststrahl (e−):
Das hadronische Kalorimeter
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 18
• Hauptabsorber: Messing (70% Cu, 30% Zn) wegen Verfügbarkeit• Detektor: 70 000 Kacheln aus Plastikszintillator (Strahlenhärte, Langzeitstabilität)• Erwartete rohe Energieauflösung für Pionen (Teststrahl): σ/E = 120%/√E ⊕ 6.9%
Hadron Barrel (HB)- 16 Lagen Szintillator- 5.8 λ / sinθHadron Endkappe (HE)- 19 Lagen Szintillator- 10 λ
Hadron Outer (HO) Calorimeter als „Tail Catcher“- Spule und Joch als Absorber- 1-2 Lagen Szintillator
Hadron Forward (HF)- Dosis: 5 MGy bei |η| = 5- Stahlabsorber- Quartzfibern
HCAL: Status
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 19
• HB: im März 07 installiert, komplett verkabelt und getestet• HE: HE+ verkabelt & im Test, HE– (seit Jan 08 in Kaverne) wird verkabelt • HF: beide voll verkabelt, HF+ getestet; HF– wird aktuell getestet• HO: seit Dez 07 komplett im Pit, komplett verkabelt, 20% getestet
HB HE HF auf Platform
Das MyonsystemMyonen als saubere Signatur „neuer Physik“ Identifikation, Impulsmessung, Trigger Angestrebte Präzision: r –Auflösung ≈ 100 μm Hohe Rekonstruktions- und Triggereffizienz
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 20
Endkappe (ME) (0.9 < |η| < 2.4) :• Hohe Myon‐ & Untergrundrate: ≤ 1kHz/cm2
• B‐Feld groß und nicht uniform Kathodenstreifenkammern (CSCs)
3 ‐ 4 Lagen, 468 Kammern, 5000m2
Barrel (MB) (|η| < 1.2) :• Niedrige Myon‐ & Untergrundrate• B‐Feld klein und im Joch verlaufend Driftröhren (DTs)4 Lagen, 250 Kammern
In MB und ME: ≈ 700 Widerstandsplattenkammern (RPCs) als dedizierte Triggerkammern
Driftröhrenkammern (Drift Tubes)
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Aufbau:• 5 Elektroden pro Driftzelle• Driftzellen angeordnet in Superlagen (SL)• Pro Kammer: 2 r-SL und 1 z-SL (Lagen 1-3)• Gas: 85% CO2, 15% Argon• Driftzeit: 380 ns• Verstärkung: 105
Herausforderungen:• Dichtigkeit: 1000ppm O2 ändert Driftzeit um 2%;10-20 ppm werden erreicht
• Mechanische Präzision: 100 μm
r
r
z
Status Driftröhren
• Juni 06: Kammerproduktion beendet
• Oktober 07: Kammereinbau komplett
• Sektortests (je 4 Kammern) mit kosmischen Myonen durchgeführt nächste Folie; > 99.8% gute Kanäle
• Verkabelung fast komplett(bis auf Niederspannungsnetzteile)
• Auslese kompletter Wheels hat begonnen (YB0, YB+1)
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Inbetriebnahme der Driftröhren
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Driftzelleneffizienz > 98%Spurrekonstruktionseffizienzfür > 6 -Hits
Gemeinsame Auslese von allen Kammern in YB0:
Resultate aus Sektortests (4 Kammern):
Kathodenstreifen & Widerstandsplatten
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• Alle CSC Kammern gebaut –kein einziger Draht (von 2 Mill.) gerissen!
• März 07: letzte Kammer eingebaut • Plus-Seite: komplett verkabelt, 100% der Kammern angeschaltet und im Test
• Minus-Seite wird verkabelt
• Sep 07: letzte RPC Kammer installiert• Barrel: voll verkabelt (Ausnahme Netzteile) und zu ≈ 80% in Betrieb genommen
• Endkappe: Verkabelung und Testen läuft
Trigger & Datennahme
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• Level1-Trigger: Hardware größtenteils installiert• High Level Trigger: 14 kHz im April 08, 36 kHz im Sep., 100 kHz 2009• DAQ-Installation in Service-Kaverne: 100%• Datenübertragung zur Oberfläche: > 90%• Event Builder: 50% installiert • Größe der betriebenen DAQ-Partition: 5%
40 MHz
100 Hz
100 kHz
L1Trigger
High Level Trigger
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
May June July August September November
HELumiHOHBTrk FEDs/RIBCSC (no HV)RPCEBDTHF
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
MTCC GREM GREJ GREJ' GREA GRES GREN
Global Run
Frac
tion
DT
CSC
RPC
EB
EE
ES
HB
HE
HF
HO
Strips
• Seit Mai 07: Globale Runs am Monatsende• Inbetriebnahme der Detektoren und Aufnahme von kosmischen Myonen• Inbetriebnahme aller Aspekte der Datennahme (Data AcQuisition, DAQ)
- Zentrale DAQ: Hard- und Software- Globaler Trigger: Level 1 (Myonkammern, Kalorimeter) und High Level Trigger- Software: Online Datenqualitätskontrolle (DQM), Event Display, Run Control, …- Datenfluss: Rekonstruktion auf Tier0, Datentransport zu Tier1s- Datenrate, Stabilität, Synchronisation, …
Global Runs
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Bruchteil jedesSub-Detektors in DAQ
50% HF, HE
HB
Beteiligte Subdetektoren
H EL u m iH OH BT r k F E D s / R I BC S C ( n o H V )R P CE BD TH F
Global Runs
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 27
Myon in HCAL Barrelund Drift Tubes;Trigger von Widerstandsplattenkammern
Luftschauer in HCAL Barrelund Drift Tubes
Mögliche erste Messungen am LHC
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1 nb
• Hypothese: 0 < ∫L ≤ 1 fb-1 in 2008⇒ Hier einige Beispiele von Analysen,
die mit L < O(1 fb-1) möglich sind
• Aktuell große Anstrengungen, Analysen für erste Daten vorzubereiten- Robuste Rekonstruktion der Objekte- Kalibration, Alignment, b-Tagging- Effizienzen und Untergrund aus Daten
• Nur Resultate, die public sind!(Quelle i.d.R. CMS Physics-TDR (2006))
• Physik-Potential von Atlas & CMS ist sehr ähnlich
1/(2πpT) d2N/dηdpTInclusive
QCD: Spektren geladener Hadronen
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CMS PAS QCD_07_001
• Minimum Bias = inelastische Kollision ohne harte Wechselwirkung• Verständnis ist wichtig:
- Minimum Bias ist Untergrund für alle anderen Kanäle- Verbesserung der Modellierung in Simulationen- Strahlendosen, Occupancy, …
• Minimum oder zero bias Trigger (≈ 1 Hz Bandbreite)• Großteil der Spuren hat pT < 1GeV spezielles Tracking• Separation von , K und p durch dE/dx im Silizium-Tracker (!)
d2N/dydpTPionen
Log(dE/dx)
Elektroschwache Physik (W, Z)
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• σZ ≈ 50 nb, σW ≈ 150 nb • Schnell große saubere Samples bekannter Masse, ideal zur Kalibration:
- Z ee : Kalibration des ECALs (Energieskala und Interkalibration)- Z μμ, W μ : Myon-Impulsskala, Alignment von Tracker und Myonsystem
Bsp. Z μμ & W μ für 10pb-1
(CMS PAS 2007/002):• Isolierte Myonen• Effizienzen aus (MC-)Daten bestimmt: Tag & Probe- Selektion eines Signalsamples, ohne die zu
untersuchende Eigenschaft zu fordern- Selektion des „Tag“-Myons mit harten Schnitten- die Effizienz wird für das „Probe“-Myon bestimmt
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 31
Elektroschwache Physik (W, Z)
Z μμ
W μ
• W rekonstruiert aus transversaler Masse(Myon-pT & MET)
• QCD-BG im W-Kanal aus Daten (Matrix-Methode)
• Dominanter systematischer Fehler: Impulsskala (≈ 3%)
Top‐Physik
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Paarproduktion: σ = 830 pb in NLO ca. 1 Ereignis / s bei 1033 cm-2s-1
t Wb mit BR ≈ 100% Topologie hängt vom W-Zerfall ab- bb qq qq (46%) : Kinematik rekonstruierbar, aber hoher QCD-BG und Kombinatorik
Nützlich zur Kalibration von b-tagging und Jet-Energieskala- bb l qq (44%) : „Goldener Kanal“ zur Massenbestimmung- bb l l (10%) : sehr sauber, hohes S/B, aber keine direkte Massenbestimmung
Isoliertes LeptonpT > 20 GeV
MET > 20 GeV
3 Jets mit pT > 40 GeV1 Jet mit pT > 20 GeV
Bsp. Semi-leptonischer Kanal(Atlas preliminary)
Mt aus 3-Jet-Kombination mit größtem ∑pT
Atlas preliminary
Kein b-Tag!
• Starke Produktion von Gluinos & SquarksTyp. Wirkungsquerschnitt @ NLO: 10 pb
• Lange Zerfallsketten:
⇒ Jets + Leptonen + missing ET
• Meist minimale Modelle (mSUGRA)• Trotzdem großer Parameterraum Wahl von Benchmark-Punkten
• Strategie von CMS: Suche nach „Low mass“-SUSY an 10 LM-Punkten
• Hohe Sensitivität inclusiver Kanäle schon bei 1fb-1, aber: BG muss verstanden sein!
5 Reichweite
Supersymmetrie
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 33
CMS P-TDR (2006)Keine K-Faktoren
m0 = skalare Masse an GUT- Skalam1/2 = Gaugino-Masse an GUT-Skala
Bsp. LM1: Leptonen + Jets + MET
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 34
M0 = 60 GeVM1/2 = 250 GeVSign(μ) = +1A0 = 0tan () = 10
σ = 52 pbBR ( ) = 11%0 0
2 1l l l lχ χ± ±→ →∓ ∓
Idee: Rekonstruktion des kinemat. Endpunktes aus der invarianten Masse von e+e- und μ+μ-
- Selektion von 2 isol. Leptonen, ≥ 2 Jets, MET- Untergrund: QCD, ttbar, W + Jets, Z + Jets
Viele Vorteile gegenüber inclusiven Kanälen:• Klare Signatur• Untergrund ist i.d.R. flach und kann durch stat.Subtraktion von e+μ- und μ+e- eliminiert werden
• Kante nicht sehr sensitiv auf Normierung des BGsund theoretische Unsicherheiten Fit (1 fb-1): Stat. Fehler ≈ 0.5 GeV, syst. Fehler ≈ 1 GeV
1 fb-1CMS Note 2006/133
• Höhere Signifikanz bei Kombination Atlas/CMS – nicht realistisch für 2008• Resultate zum SM-Higgs erst 2009/2010• Gleiche Schlussfolgerung für MSSM-Higgs
SM Higgs
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 35
P-TDR (2006)Incl. K-factors
1 fb-1
Zusammenfassung
Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 36
• Vorbereitungen für Installation des Strahlrohrs (März/April) laufen • Ende Mai muss der Detektor geschlossen werden• Cosmic-Run bei vollem Magnetfeld im Juni• Kompletter Detektor für niedrige Luminosität soll Mitte 2008 bereit sein
• Installation abgeschlossen bis auf ECAL Endkappen & Pixel• Momentan läuft die Verkabelung & die Inbetriebnahme auf Hochtouren• Hervorragende Qualität der Detektoren in Integration & Commissioning
• Möglichst robuste Physik-Analysen werden vorbereitet• Auch mit kleinen integrierte Luminositäten ist interessante Physik möglich:- 10 pb-1 – 100 pb-1: Minimum Bias, Jets, W, Z, Top …- 100 pb-1 – 1fb-1: Hinweise auf SUSY …
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