Физички фон у мерењу луминозности на Међународном линеарном колајдеру (ILC)

Физички фон у мерењу луминозности на Међународном линеарном колајдеру (ILC)

M. Пандуровић И. Божовић-Јелисавчић

И. Смиљанић М. Мудринић Ј.Мамужић

• University of Colorado, Boulder • Brookhaven National Lab, Upton• Yale University, New Haven• Laboratoire de l Accélérateur Linéaire, Orsay• Royal Holloway University, London• AGH University, Krakow • Institute of Nuclear Physics, Krakow• DESY, Hamburg & Zeuthen• Joint Institute Nuclear Research, Dubna• National Center of Particle & HEP, Minsk • Academy of Science, Prague• VINCA Inst. f. Nuclear Science, Belgrade • University of Tel Aviv

• Cooperation with SLAC

M. Pandurović, Fruška Gora, Srbija, 26-28 septembar


LDC – Концепт великог детектора


Калориметрија у предњој области

• BCAL, LCAL, GamCal

• Мерење параметара снопа и ’’online monitoring’’ луминозности , прецизно мерење луминозности, као и за заштиту централних детектора од уназад расејаних честица и обезбеђивање херметичности детектора

• Прецизно мерење луминозности је важно јер претставља компоненету систематске грешке многих прецизних мерења а херметичност детектора је битно својство у потрази за новим честицама (SUSY)



Међународни линеарни колајдер ILC

• Лептонски колајдер (e+e-)• Номинални дизајн:

- енергија 500 GeV у систему центра масе (1 TeV)- номинална луминозност - 2 ·1034 cm -2s-1

- . потпуна енергија у сцм расположива

честицама продуктима- почетно стање дефинисано - потпуна реконструкција финалног стања- минимални фон

• ILC je комплементарни експеримент Великом хадронском колајдеру (LHC)

• Прецизна мерења особина новооткривених честица на LHC • Ограничавање простора параметара физикe изван СМ


ILC – Reference Design Report


Mерење луминозности на ILC

• Oсновна намена LCAL je мерење yкупне луминозности са прецизношћу реда 10-4

• Задата прецизност произилази из “захтева физике” – мерење укупног ефикасног пресека за хадронске распаде Z0, ефикасног пресека за двофермионску продукцију на високим енергијама, као и за потребе других EWSB анализа (аномална спрезања градијентних бозона)

• Потенцијални проблем у мерењу луминозности ( дизајнирању детектора) јесте присуство машинског и физичког фона

• Услед упоредивог одброја сигнала и физичког фона у калориметру за мерење луминозности, “физички фон” потенцијално претставља један од водећих систематских ефеката

• Наша анализа обухвата метод селекције сигнала, као и утицај физичког фона на дизајн система за очитавање LCA L (read-out system)


• Укупна луминозност се одређује на основу укупног броја ‘’Bhabha’’ догађаја у угаоном опсегу LCAL и одговарајућег теоријског ефикасног пресека- уз поправку за број догађаја фона погрешно идентификованог као сигнал, као и за ефикасност селекције

Lint=Nbha/B Lint=(Nexp-Nbck)/B

• На малим угловима, ефикасни пресек “Bhabha” догађаја dσ/dθ32 π α2 / (s θ3)

ℒB.Pawlik

L/L ~ / min

rad.


Дизајн LCAL

• Електромагнетни “сендвич” калориметар

• 30 дискова - сензор силикон, волфрам апсорбер

• Z=2270 mm од интеракционог места

• Угаони опсег

X-угао 14 mrad = 44 – 155 mrad

(чеони судар = 26 - 155 mrad)

• Равни сензора су подељене радијално и азимутно на ћелије (96x48) “pad ” дизајн

• Излазни сноп претставља осу симетрије детекторa у циљу уклањања зависности

∆ L/L од азимутнoг угла


Симулација детектора и генерисање догађаја

• Детектор је симулиран програмом BARBIE V4.1 (Geant3), на 500 GeV у систему центра маса, угаони опсег детектора 26-82 mrad, сензорске равни наизменично сегментиране (парне: радијално - 64 прстена, непарне: поларно - 120 сектора) тзв .”strip design”

• Сигнал чине 105 догађаја генерисаних BHLUMI Bhabha генератором при малим угловима, σ (4.58 0.02) nb. Укључени су s и t канал, поларизација вакуума и радијација почетног стања. Добијен је одброј 8 x 10-3 трагова/BX у LCAL

• Четворофермионски процеси, механизмом неутралних струја су симулирани на Борновом нивоу генератором WHIZARD V1.4. Одговарајући одброј је реда величине сигнала. Генерисано је 106 лептонских (e+e-e+e-l+l-) (l=e,) i 105

хадронских (e+e-e+e-qq) (q=u,d,s,c,b) догађаја сa укупним ефикасним пресеком (2.68±0.03) nb


Особине сигнала и физичког фона

[deg]

BCAL —LCAL —

Energy [Gev]

BCAL —LCAL —

E [GeV]

• Продукцијом четворофермиона механизмом неутралних струја доминира тзв. мултипериферални Feynmann-ов дијаграм (103 пута вероватнији)

• Високоенергетски излазни пар e+e- одлази дуж beam-pipe, док нискоенергетски ff пар има ширу дистрибуцију

по поларном углу

• Експериментална сигнатура Bhabha догађаја су две електромагнетне каскаде које носе пуну енергију снопа и потичу од колинеарних и компланарних Bhabha честица На основу ових особина засновани су критеријуми раздвајања сигналаод физичког фона


Раздвајање сигнала и физичког фона

• Карактеристична Bhabha топологија омогућава успостављање критеријума за разликовање сигнала од физичког фона

• Колинеарност ||< 0.06 deg

• Компланарност || < 5 deg

• Енергетски баланс |EF(R)

-EB(L)

| < 0.1 Emin ,

E

min=min(E

F(R)-E

B(L))

• Релативна енергија (EF+E

B)/2E

beam>0.75

• Претпостављена је идеална реконструкција трагова, као и 100 % ефикасност реконструкције


leptonic bck.

hadronic bck.

leptonic bck.

hadronic bck.

сигнал фон


leptonic bck.

hadronic bck.

leptonic bck.

hadronic bck.

фон сигнал


Ефикасности селекције и елиминације

Ефикасност селекције сигнала

Лептонски фон -ефикасност

елиминације

Хадронски фон -ефикасност


1.| Δθ| <0.06 deg 81.87 % 95.20 % 95.27%

2. |Δφ| < 5 deg 97.96 % 89.53 % 90.42 %

3. Ebal < 0.1 Emin 90.61 % 94.58 % 95.45 %

4. Erel > 0.75 99.08% 88.73 % 95.96 %

B/S (1,2,3)

B/S (1,2,4)1.3 · 10-4

2.6 · 10-4

80.6 %

80.8 %

99.38 %

99.26 %

99.78 %

99.47 %

L/L ~ (B/S) · B ~ 10-6

Пројекције погодака на прву раван сензора за лептонски (лево) и хадронски фон (десно), пре (горе) и након селекције(доле)

(критеријуми 1+2+3)


B.Pawlik

Заузетост система за очитавање

bck.signal

bck.signal

“pad” дизајн LCAL

“”strip” дизајн of LCAL

“strip” дизајн – Bhabha (сигнал)

“strip” дизајн –Bhabha + beamstrahlungB. Pawlik


• Заузетост система за очитавање (occupancy) је смањена преласком са “strip” на ‘’pad’’дизајн услед азимутне гранулације прстенова сензора.

• У обе верзије дизајна детектора систем за очитавање пре свега ангажују парови конвертовани из beamstrahlung-а (машински фон)

~ 10 x више од сигнала (преко 100 x више од физичког фона)


Захтеви у погледу резолуције детектора

• Минимална потребна резолуција да би се очувао однос физичког фона и сигнала на нивоу 10-4, ~ 100 пута је мања (лошија) од технички достигнуте резолуције по (која је реда 10-2 mrad)


Физички фон и ефекат интеракције снопова

• Ефекти интеракције снопова (Beamstrahlung и електромагнетна дефлекција ) модификују четворовекторе почетног и финалног стања што доводи до смањења сигнала реда 4.4% (BHаbhaSuppressionEffect)

C.Rimbault – Report for the ILC Detector R&D panel Instrumentation of the very forward region

• Селекцијом заснованом на следећим (асиметричним) критеријумима - Erel > 0.8

- 30<||<75 mrad (наизменично примењеним на e+ и e-), смањењује се BHSE ефекат на ~1% L/L ~ BHSE · X


Ефикасност селекције сигнала и елиминације физичког фона добијене применом асиметричних критеријума

Ефикасност селекције сигнала

Лептонски фон ефикасност


Хадронски фон ефикасност


1. 30<||<75 mrad 64.99 % 42.11 % 41.95 %

2. Erel>0.8 98.50 % 90.74 % 96.57 %

All cuts (1,2) 64.33 % 93.69 % 97.48 %

B/S 1.87 x 10 -3


Закључак

• Са становишта сепарације физичког фона могуће је формирати критеријуме селекције за које је губитак сигнала статистички прихватљив ~ 20 % , а компонента релативне систематске грешке мерења луминозности мања од 10 -4

• Постоје систематски ефекти, пре свега ЕМ дефлекција, чије је непознавање, у реалним експериментални условима, извор доминантне компоненте систематске грешке, јер множи BHSE реда процента

• Ово указује на неопходност симултаног третирања доминантних систематских ефеката (резолуција детектора, физички фон, BHSE) у циљу формулисања оптималних критеријума селекције при којима ће укупна систематска грешка мерења луминозности бити мања од 10 -4

Documents

Физички фон у мерењу луминозности на Међународном линеарном колајдеру (ILC)