Введение в анализ данных в физике высоких энергий

Игорь Алцыбеев

17 ноября 2014

Лекция 3

Сегодня на лекции:

• Основные параметры трека частицы• Принципы регистрации частиц в

- трекерных детекторах- калориметрах

• Реконструкция вершины взаимодействия

2

Трек частицы

3

Трек (track) – видимый след, оставляемый заряженной частицей (или атомным ядром) в веществе детектора частиц и воспроизводящий траекторию её движения.

4

Alpha particles from a Radium source in a cloud chamber

5

Рис.: Наблюдение позитрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле (1932 г.). Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек посредине, слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии, и по выходе из которого позитрон двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее.

Детектор: Камера Вильсона(изобретена в 1912 г.)

http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e027.htm 6

Fixed-target experiment vs collider (just some views)

7

Example of the fixed-target experiment: COMPASS (CERN)

http://home.web.cern.ch/about/experiments/compass 8

где-то там мишень

Another example of the fixed-target experiment: NA61 (CERN)

cern.ch/na61

9

10

Example of a collider event:proton-lead (p-Pb) collision at ALICE

aliceinfo.cern.ch/ 11

Координатная система детектора (на примере детектора ALICE)

z – вдоль пучкаx – в центр кольца ускорителяy – вертикально вверх

φ – азимутальный уголθ – полярный угол

12

z

x

y

0

13

pT – поперечный импульс частицы

φ – азимутальный угол

x

y

0φpT

14

1 meter of 1 Tesla field deflects p = 1 GeV/c by ~17O

Определение импульса частицы:магнитные спектрометры

meterTeslacGeV

ceRB

cep

/3.0,||

s

STAR

Bvce

dtpd

15

x

y

0 θ

z

– псевдобыстрота

16

The pseudorapidity η is a good approximation of the true relativistic rapidity y when a particle is “relativistic”. It is a handy variable to approximate the rapidity y if the mass and the momentum of a particle are not known.

Hadron colliders measure physical momenta in terms of transverse momentum pT, polar angle in the transverse plane φ and pseudorapidity η.

Tracks: only for CHARGED particles.

17

18

Полезные определения

p

)cos(1)cos(1ln

21)1(

)cos(1)cos(1ln

21

)cos()cos(ln

21ln

21

)(;ln21

0001000010

00

'

),,,(

222

222

222

y

mmmm

pEpEy

yypEpEy

mpm

ppp

pEm

pp

Epppp

z

z

zi

ii

TT

yxT

zyx

dydND

dydpNd

p

D

dyddppNd

dpNdE

D

TT

TT

:1

21

:2

:3

2

3

3

3

)cosh()sinh(

)sin()cos(

:

ymEymp

pppp

Useful

T

Tz

Ty

Tx

21.6 metres long 15 metres diameterweigh about 14,000 tonnes

CMS Detector

http://en.wikipedia.org/wiki/Compact_Muon_Solenoidhttp://home.web.cern.ch/about/experiments/cms 19

CMS 4 Tesla solenoidal magnet length 13 m, diameter 6 mnominal current 19.500 A

100,000 times stronger magnetic field than the Earth’s 20

21

Трекинг

22

23

24

Внутренний трекер CMS

25

CMS Inner Tracker module

26

Each layer is spilt into segments like tiny kitchen tiles, each a little silicon sensor, 100µm by 150µm, about two hairs widths. When a charged particle passes through it gives enough energy for electrons to be ejected from the silicon atoms, creating electron-hole pairs. Each pixel uses an electric current to collect these charges on the surface as a small electric signal.

(Example: most inner tracker layer)CMS silicon pixel detector

65 million pixels

27

CMS Silicon Tracker

28

29

30

31

32

Термин: Хит (hit)=измеренная точка траектории. Треки реконструируются по хитам.

33

34

Калориметрия

35

Калориметры предназначены главным образом для измерения полной энергии высокоэнергичных (в том числе и нейтральных) частиц. Попав в вещество калориметра, частица рождает ливень вторичных частиц, передавая им свою энергию. Ливень поглощается в объеме калориметра и его энергия измеряется. http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/detectors/calorim/index.html

Электромагнитный калориметр

36

Simulation of an electron shower in a calorimeter crystal

37

Количество кристаллов – 82,000

Выращивание специальных кристаллов PbWO4

38

CMS crystals being mounted onto one section of the ECAL end-caps.

39

Адронныйкалориметр

40

Переотлитые латунные гильзы для адронного калориметра

41

42

43

Слои латуни чередуются с слоями сцинтиллятора, в которых ливень вторичных частиц «высвечивает» свою энергию.

44

Вид торцевой части Адронного калориметра CMS на фоне магнита

https://cms-docdb.cern.ch/cgi-bin/PublicDocDB/ShowDocument?docid=4172

Interactive Slice of the CMS detector

45

46

https://cms-docdb.cern.ch/cgi-bin/PublicDocDB/ShowDocument?docid=4172

47

48

49

http://cms.web.cern.ch/news/lhc-data-be-made-public-open-access-initiative 50

51

Завершение сборки под землей

52

ПЕРЕД ЗАКРЫТИЕМ

53

CMS готов к пучку

54

55

Реконструкция вершины взаимодействия

56

57

Термин: вторичная вершина58

Отбор треков по совокупности критериев может преследовать несколько целей, например – отбор только первичных частиц.

Первичные частицы (primary particles) – частицы, вылетающие из первичной вершины взаимодействия, после учета их перерассеяния и распадов, за исключением слабых распадов странных частиц.

К вторичным частицам (secondary particles) можно отнести как продукты распадов по слабому взаимодействию, так и частицы, рожденные в результате взаимодействия первичных частиц с материалом установки.

(Акты перерассеяния и распадов по сильному и электромагнитному взаимодействию происходят на расстояниях, не позволяющих экспериментальное разделение вершин данных процессов. Рожденные таким образом частицы называют первичными и относят к основной вершине взаимодействия (primary vertex). )

59

60

Термин:distance of closest approach to the primary vertex (DCA).

(from ALICE)

61

Пример распределения DCA XY и DCA Z треков(from ALICE)

62

При анализе данных вводят критерий обора по DCA, например, для отбора только «первичных» треков.

Итак, мы сегодня кратко рассмотрели:•трекинг, калориметрию в современных детекторах на примере установки CMS•основные параметры трека частицы•первичные и вторичные вершины, DCA

63

Из важных вопросов по теме, оставшихся вне этой лекции на будущее:

1)Триггер2)Идентификация сортов частиц (Particle Identification, PID)

64

Backup

65

66

67

22ln14 2

222

2222

Icm

AZzcmrN

dxdE e

eeABethe-Bloch Formula

e-

k ,

0,mv

ddEdNE

dxdE

0

How do particles lose energy in How do particles lose energy in matter?matter?

density effectionization constant

22ln dxdE

“relativistic rise” “minimum ionizing particles” 3-4

2

1

dxdE

“kinematic term”

WHY ?