La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Ricostruzione delle tracce di muone nello spettrometro dellesperimento ATLAS Luca Spogli 25 febbraio 2004.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Ricostruzione delle tracce di muone nello spettrometro dellesperimento ATLAS Luca Spogli 25 febbraio 2004."— Transcript della presentazione:

1 Ricostruzione delle tracce di muone nello spettrometro dellesperimento ATLAS Luca Spogli 25 febbraio 2004

2 Sommario Introduzione Lapparato sperimentale ATLAS Lo spettrometro per muoni Ricostruzione dei muoni Ricostruzione nello spettrometro (MOORE) Ricostruzione combinata (MUID) Parametrizzazione del materiale inerte Prestazioni Muoni singoli H 4 MOORE in altri ambiti Conclusioni

3 Nel Modello Standard delle interazioni elettrodeboli il meccanismo di generazione delle masse introduce la presenza del bosone di HIGGS. La sua scoperta è fondamentale per verificare la consistenza della teoria. Debole previsione teorica per la sua Massa ( < 1 TeV/c 2 ). Limiti sperimentali attuali ( da LEP ): M HIGGS > GeV /c 2 al 95% C.L. per la ricerca diretta nel Modello minimale Limiti indiretti dalle altre grandezze osservabili (v. figura) Il Bosone di HIGGS /c 2 ]

4 PRODUZIONE DEL BOSONE DI HIGGS Energie nel c.d.m. finora raggiunte non sufficienti alla scoperta Necessità di costruire una nuova macchina con maggiore s Sezione durto di produzione (funzione della massa) dellordine dei pb Necessaria una macchina ad alta luminosità

5 Large Hadron Collider Collisore protone - protone Energia nel centro di massa di 14 TeV (7+7) Circonferenza di 27 km protoni per pacchetto 2835 pacchetti distanziati di 25 ns Luminosità di progetto cm -2 s -1 ~20 eventi sovrapposti (Pile-up) + Difficoltà di estrazione segnale dal fondo tot (p - p) 100 mb R tot =10 9 Hz tot (gg H) 100 pb 1 / 10 9

6 Come rivelare lHiggs I canali sperimentalmente più puliti sono quelli con i leptoni nello stato finale. H ZZ 4 è uno dei più puliti (Golden Channel) Regione di massa intermedia (130 GeV < m H < 2 m Z ) H WW ( * ), H ZZ* Regione di grande massa (m H > 2 m Z ) H WW, H ZZ Regione di piccola massa (m H <130 GeV/c 2 ) H bb

7 Lapparato ATLAS Spettrometro per µ Calorimetro elettromagnetico Solenoide Calorimetro in avanti Toroide dellendcap Toroide del barrel Rivelatore interno Calorimetro adronico Schermatura dalle radiazioni

8 Lapparato ATLAS Apparato sperimentale in grado di investigare un ampio spettro di misure fisiche Lunghezza di 46 m, diametro di 22 m Struttura a strati concentrici, 2 endcaps, barrel Inner Tracker, calorimetri, spettrometro per muoni Inner Tracker contenuto in un solenoide (max 2 T), spettrometro per m integrato in un toroide (air core, max 3.9 T nel barrel, 4.1 T negli endcaps) 10 8 canali di elettronica Spettrometro per µ Calorimetro elettromagnetico Solenoide Calorimetro in avanti Toroide dellendcap Toroide del barrel Rivelatore interno Calorimetro adronico Schermatura dalle radiazioni

9 Convenzioni Direzione z lungo lasse dei fasci x-y definiscono il piano trasverso alla direzione dellasse dei fasci Lasse x positivo punta al centro dellanello LHC, asse y positivo verso lalto Coordinate cilindriche più utili :,, R Pseudorapidità : – = -ln(tan( /2)) X Y Z

10 ATLAS: lo spettrometro per muoni Requisiti: buona risoluzione nella misura dellimpulso nellintervallo tra 6 GeV/c e 1 TeV/c; capacità di trigger su eventi con uno o più in un vasto range di p T ; necessità di operare per molti anni ad alto flusso ed elevato fondo; CAMPO MAGNETICO toroidale in aria RIVELATORI DI POSIZIONE: buona risoluzione sul singolo punto 3 stazioni di misura TRIGGER con camere apposite problemi di invecchiamento

11 Lo spettrometro per muoni Equipaggiato con camere di trigger e di precisione Tre regioni –| | < 1 barrel –1.0<| |<1.4 regione di transizione –1.4<| |<2.7 endcap Magneti in aria Prestazioni di progetto – pt/pt qualche % fino a 100 GeV/c – pt/pt 10% a 1TeV/c MDT RPC TGC CSC ECT =1 =1.4

12 Lo spettrometro per muoni Barrel diviso in 16 settori in (piccoli e grandi) Equipaggiato con camere di trigger e di precisione La struttura aperta dei magneti consente di minimizzare leffetto dello scattering multiplo Curvatura dei –| | < 1 dal toroide del barrel –1.4<| |<2.7 dai magneti degli endcaps –1.0<| |<1.4 regione di transizione Performances di progetto – pt/pt qualche % fino a 100 GeV/c – pt/pt 10% a 1TeV/c ECT MDT RPC MDT RPC Inner Detector Calorimeters TGC CSC ECT =1 =1.4

13 Le camere di trigger Barrel RPC (Restistive Plate Chambers): su entrambi i lati delle camere MDT (v. dopo) nelle stazioni middle e sopra o sotto le stazioni MDT esterne. Identificazione dellurto tra i pacchetti di protoni, trigger dei e misura della seconda coordinata ( ). Il sistema di trigger copre la regione | |<2.4 Endcap TGC (Thin Gap Chambers) : 3 stazioni vicino alle stazioni MDT middle. MWPC (con fili paralleli a quelli delle MDTs ) con strips di read-out ortogonali ai fili per la misura della seconda coordinata Risoluzione in tempo 1 ns Risoluzione spaziale in 1 cm

14 Le camere di precisione MDT (Monitored Drift Chambers) –Tubi a deriva con un diametro di 3 cm ed una lunghezza variabile da 70 cm a 630 cm –I tubi disposti in multistrati di 3 (4 per le stazioni interne) –Risoluzione di singolo filo 80 m CSC (Cathode Strip Chambers) Regione degli endcap, 2 < | | < 2.7, alta radiazione MWPC con strip di lettura catodiche segmentate ortogonali ai fili anodici Risoluzione spaziale 60 m m, piccolo tempo di deriva (30 ns), risoluzione temporale 7 ns Misura della coordinata trasversa da strisce catodiche parallele ai fili anodici Misura di precisione nel piano di curvatura

15 Ricostruzione dei muoni Un muone lascia una traccia di hit allinterno dello spettrometro del rivelatore Ricerca della traccia associata agli hit Fit per ottenere la miglior stima dellinsieme dei parametri che descrivono la traiettoria della particella –Curva in 3D 5 parametri: a 0, z 0,, cot, ± 1/P T –Il risultato del fit sono le migliore stime dei parametri della traccia e le loro matrici di covarianza in un qualsiasi punto lungo la traiettoria –La traccia può essere estrapolata al vertice

16 Strategia di ricostruzione dei muoni: Ricerca della traccia associata agli hit Fit per ottenere la miglior stima dellinsieme dei parametri che descrivono la traiettoria –Curva in 3D 5 parametri: a 0, z 0,, cot, ±1/P T –Risultato del fit: stime dei parametri di traccia e delle matrici di covarianza in un qualsiasi punto lungo la traiettoria –La traccia può essere estrapolata al vertice Passaggio di un muone nello spettrometro Camere illuminate (hit)

17 Ricostruzione dei muoni CSC MDT RPC TGC Attraversando ATLAS un è rivelato in 2 sistemi di tracciamento ad alta precisione: rivelatore di vertice e spettrometro per muoni Calorimetri EM e adronico Spettrometro per muoni: misure precise ad alto p T Calorimetri: E loss >3GeV Inner Detector: misure precise a basso p T ma richiede identificazione Campo solenoidale Campo toroidale inomogeneo: Richiede propagazione precisa Problemi per di basso impulso

18 Ricerca delle regioni di attività nella proiezione R-Z allinterno delle MDTs (CSCs) Per ogni -Segment, sono trovate le MDT associate e ed è costuito un RZ Segments (collezioni di hit z). Strategia di ricostruzione rpc MDT Ricerca delle regioni di attività nella proiezione A partire dalle misure degli RPC e TGC vengono creati dei - Segments CSC MDT RPC TGC

19 Pattern recognition e fit della traccia MDT mutilayer Ricostruzione di segmenti di traccia locali nelle MDT Calcolo della distanza di deriva, migliore retta tra le tangenti alle circonferenze di deriva Combinazione dei segmenti di traccia Fit di traccia Lo scattering multiplo e lenergia persa nel materiale inerte dello spettrometro per muoni sono consedarati nel fit (v. dopo) I parametri della traccia (a0, z0,, cot, 1/pt ) e la relativa matrice di covarianza sono espressi al primo punto di misura nello spettrometro a muoni

20 Ricostruzione combinata Estrapolazione della traccia al vertice Calorimetro parametrizzato in piani di diffusione Energia depositata nei calorimetri Re-fit: i parametri della traccia sono espressi al vertice Combinazione tra le tracce dello spettrometro e del tracciatore interno Fit della traccia combinata

21 MuonIdentification Method Moore track parameters are propagated to the beam-axis –multiple scattering parameterised as scattering planes in calorimeters –energy loss from truth, or from Calo Reconstruction, or from parametrization as function of (,p) Refit –muon track parameters expressed at vertex Muon/ID tracks matching with a 2 cut- off – 2 based on track covariance matrices and on the difference in track parameters Combined track fit calorimeters Muonspectrometer inner layer Beam spot Energy loss and multiple scattering

22 Ricostruzione combinata Migliora i parametri misurati della traccia Per avere la miglior risoluzione possibile sulla misura del momento Riduzione delle code nella risoluzione dello spetrometro a muoni, dovute soprattutto alle fluttuazioni dellenergia depositata nei calorimetri Migliora la determinazione della carica per muoni ad alto impulso Migliora lefficienza di identificazione dei muoni Riduzione della probabilità di ricostruire fakes, soprattutto in presenza di background di caverna Ricostruzione di muoni a basso impulso che non raggiungono le stazioni al centro e più esterne dello spettrometro Reiezione dei m di decadimento da K e p reichiedendo che le tracce abbiano origine dal vertice Discriminazione di muoni in jet adronici dagli adroni. Una buona indentificazione dei m non isolati è richiesta per un efficiente b- tagging Permette una migliore comprensione dellapparato sperimentale Test della calibrazione dei calorimetri Cross check dei risultati dallinner detector e dallo spettrometro

23 Ricostruzione dei muoni Due software package sono stati sviluppati in OO/C++ MOORE (Muon Object Oriented REconstruction) Ricostruzione nello spettrometro per muoni MUID (MUon IDentification) Estrapolazione al vertice e ricostruzione combinata Caratteristiche Codice integrato in ATHENA Geometria del detector, meccanismi di descrizione e gestione dei dati, servizi di calibrazione, database... Utilizza altri packages di ricostruzione in ATHENA Struttura modulare, codice flessibile Si presta ad essere utilizzato, ampliato ed integrato in modo semplice Event Filter Ricostruzione ai TestBeam

24 DATI SIMULATI Campioni prodotti per il DC1 Campioni di muoni singoli con p T fissato (da 1 GeV/c fino a 1 TeV/c) Campioni di muoni singoli con p T =100 GeV/c con background sovrapposto H 4

25 Test di robustezza del codice Processamento di un campione ad alta statistica per controllare eventuali problemi del programma MOORE ha ricostruito ~10 6 eventi Muoni singoli in tutto il range di p T (v. DC1)

26 Materiale Inerte Strutture di supporto, cavi elettrici, materiale del magnete… Diffusione coulombiana multipla Degradazione in energia Necessità di considerare il contributo del materiale inerte! Non è ancora disponibile un servizio Athena con la descrizione dettagliata della geometria di questo materiale.

27 Parametrizzazione del Materiale Inerte Aggiungere prima del fit finale le informazioni sullo spessore attraversato (T X0 ) e sulla energia persa E loss

28 Strategia di parametrizzazione Definizione di una segmentazione in / /L dello spettrometro A BBC Stima di T X0 e della perdita di energia in ciascun bin 5 centri diffusori (3 allingresso di ogni stazione + 2 alluscita delle stazioni interne) Pull sui parametri di traccia per calibrare la parametrizzazione

29 Parametrizzazione: prestazioni Pt = 20 GeV/c Pt = 6 GeV/c | | < 1 | | > 1 Singoli Muoni (DC1) a p T fissato 1/p Tgen -1/p Tric 1/pt

30 Inner Detector Combinazione di tracciatori a semiconduttore ad alta risoluzione spaziale e di un tracciatore a transizione di radiazione 6.7 m Pixels : 140 milioni, R =12 m, z =60 m Pixels : 140 milioni, R =12 m, z =60 m SCT : strips a semiconduttore, R =18 m, z =580 m SCT : strips a semiconduttore, R =18 m, z =580 m TRT : 140k straw tube, =170 m 1.15 m

31 Muoni singoli: efficienza vs p T Efficienza di plateau ~95% Efficienza per bassi pt Solo con E>3-4 GeV/c raggiungono lo spettrometro Non raggiungono le stazioni più esterne poche misure Scattering multiplo e effetti del campo magnetico inomogeneo pattern recognition più difficile Efficienza della ricostruzione combinata per alti pt Pattern recognition disturbata da possibili shower e.m. che accompagnano i ad alto pt Pt(GeV/c)

32 Perdita di efficienza a basso a causa del crack centrale necessario per il passaggio di cavi e servizi Seconda coordinata dei CSC mancante nella simulazione bassa efficienza per | |>2 Tracciamento nel campo magnetico difficile 1<| |<1.5 a causa del campo magnetico inomogeneo calo di efficienza per i a basso pt Muoni Singoli - Efficienza vs /c

33 Muoni Singoli - Efficienza vs Efficienza per bassi pt Solo con E>3-4 GeV/c raggiungono lo spettrometro Luso dei segmenti di traccia delle stazioni più interne potrebbe aumentare lefficienza fino al 90% Non raggiungono le stazioni più esterne poche misure Scattering multiplo e effetti del campo magnetico inomogeneo pattern recognition più difficile

34 Muoni Singoli - Efficienza vs MOORE/MUID p T = 6 GeV MOORE MUID SA MUID Comb p T = 20 GeV MOORE/MUID Efficienza uniforme con MOORE MUID SA MUID Comb (rad)

35 Risoluzione su 1/p T Counts

36 Risoluzione su 1/p T vs p T La misura dellinner detector domina sotto 10 GeV/c Lo spettrometro per domina a alti pt

37 Velocità di esecuzione Macchina 2GHz, 1GB di RAM, 512 cache Quasi sempre inferiore ai 100 ms per evento p T = 8 GeV/c p T = 50 GeV/c p T = 300 GeV/c Time (ms)

38 Eventi con fondo Collisioni primarie Background Minimum bias Eventi prodotti dalle interazioni adroniche soft Fondo di caverna Gas di particelle prodotte nelle interazioni tra gli adroni primari e il materiale del detector Spettrometro per muoni molto sensibile singoli pt= 100 GeV/c No fondo x0 Valore nominale in regime di alta luminosità x1 Fattore di sicurezza x2 (fondo di caverna) Fattore di sicurezza x5 (fondo di caverna) No fondo X1 X5 X2 Molteplicità di traccia aumenta con il fondo #Trk Counts

39 Eventi con fondo X2 No fondoX1 X5 Efficienza sempre entro pochi percento a prescindere dal fondo Risoluzione non deteriorata dal fondo Counts Pt(rec)/Pt(gen)

40 Standard Model H 4 g g t H Z Z gg H ZZ (*) m H = 130, 150, 180 GeV/c 2 Criteri di selezione 4 ricostruiti 2 con p T >20Gev/c a| |<2,5 2 con p T >7 Gev/c a | |<2,5 Massa invariante di 2 nel range m Z m 12 Z reale Massa invariante di 2 m >m 34 Z reale/virt.

41 Z =2.83 GeV/c 2 Z =2.64 GeV/c 2 Z =2.36 GeV/c 2 m H =130 GeV/c 2 m H =150 GeV/c 2 m H =180 GeV/c 2 Standard Model H ZZ 4 Ricostruzione della massa della Z con la ricostruzione combinata Z sempre più on mass shell con laumentare della massa del bosone di Higgs

42 Standard Model H ZZ 4 MOORE da solo sottistima la massa ricostruita MUID

43 H =2.14 GeV/c 2 H =1.88 GeV/c 2 m H =130 GeV/c 2 Inner detector MUID Combined m H =150 GeV/c 2 H =2.18 GeV/c 2 H =2.71 GeV/c 2 m H =180 GeV/c 2 MUID Combined MUID Combined Standard Model H 4 MUID Combined fornisce la larghezza minore

44 Moore e MuId come algoritmi di Event Filter in High Level Trigger (HLT) Il trigger di ATLAS prevede 3 livelli LVL1 hardware trigger Input 40 MHz, output ~ 75 kHz, latenza 2.5 s Trigger sul pt del muone Cerca regioni dattività interessanti (RoI) nei calorimetri e nello spettrometro a non combina le informazioni di più sottorivelatori LVL2 software trigger Output ~ 1 kHz, latenza ~ 10 ms Linput sono le RoIs dal primo livello Estrae le caratteristiche delle RoI per mezzo di algoritmi specializzati, ottimizzati per essere veloci EF software trigger Output ~ 100 Hz, latenza ~ 1 s Input dal LVL1/LVL2, devono prevedere la possibiltà di ricostruire solo nelle RoIs (seeding) ed essere in grado di convalidare ipotesi di trigger formate nello stadio precedente. Ha a disposizione lintero evento, compresi i dati per calibrazione ed allinemento HLT

45 Moore e MuId come algoritmi di Event Filter in High Level Trigger (HLT) Il trigger di ATLAS prevede 3 livelli LVL1 hardware trigger Input 40 MHz, output ~75 kHz, latenza 2.5 ms LVL2 software trigger Output ~1 kHz, latenza ~10 ms EF software trigger Output ~100 Hz, latenza ~1 s Input dal LVL1/LVL2, devono prevedere la possibiltà di ricostruire solo nelle RoIs (seeding) Ha a disposizione lintero evento, compresi i dati per calibrazione ed allinemento

46 Moore e MuId come algoritmi di Event Filter in High Level Trigger (HLT) MOORE e MUID sono stati adattati per funzionare nel framework di HLT Due modalità di funzionamento: Wrapped : pieno accesso allevento, equivalente al funzionamento offline Seeded : ricostruzione a partire dalle RoIs Non essendo ancora a disposizione loutput del LVL2 e del LVL1 endcap, il seeding per Moore/MuId è stato per il momento implementato a partire dalle RoI passate dal LVL1 del barrel RoI definita con ( ) = (0.2x0.2) Efficienza rispetto al LVL1 wrappedseeded Efficienza rispetto al LVL1

47 Moore e MuId come algoritmi di Event Filter in High Level Trigger (HLT) Prestazioni temporali Escludendo il 5% nelle code con alto tempo di esecuzione Tmax < 1 sec

48 Ricostruzione dei dati di H8 Test su dati fisici reali Setup sperimentale dellanno 2002 Solo MDT, trigger esterno Counts

49 Ricostruzione dei dati di H8 Test su dati fisici reali: MDT Tubi a deriva di raggio 1,5 cm Risoluzione di progetto ~80 m Ricostruzione delle tracce con MOORE FWHM ~80 m

50 Conclusioni Allinterno del software di ATLAS sono stati sviluppati dei pacchetti software in linguaggio OO per la ricostruzione dei muoni nello spettrometro e lidentificazione dei muoni utilizzando lintero apparato Lo studio delle prestazioni di questi pacchetti sia per muoni singoli che per canali di fisica (es. H ) mostrano risultati rispondenti alle aspettative Implementazioni per il tracciamento sono in via di sviluppo per migliorare le efficienze per muoni a basso pt, la velocità di esecuzione, ecc. Lutilizzo di MOORE su dati reali ha fornito risultati decisamente soddisfacenti

51 Architecture and Design MooMakePhiSegments RPC/TGC digits PhiSegments MooMakeRZSegments MDT digits MooMakeRoads CrudeRZSegments MooMakeiPatTracks MooRoads MooiPatTracks MooMakeNtuples Ntuples MooAlgs MooStatistics Each step is driven by an Athena top- algorithm Transient objects are passed via TDS Independent algorithms, the only coupling is through the transient objects Results : less dependencies, code is more maintainable, modular, easier to develop new reconstruction approaches

52 Atlas Data Challenges Massive production of simulated physics events Needed for –software validation Check the full chain: generation-simulation-offline reconstruction Data storage –high level trigger studies –detector performance studies –physics studies DC1 (July/August, October/November 2002 ) We are involved in muon final states events production –Single s for several energies (in total ~10 7 events) –cavern background events –10 5 H 4, A/H 2 –10 6 Z for calibration ~10 7 events Productions to be done in Roma, Napoli, Lecce

53 Calorimetri Hadronic Tile E.M. Hadronic LAr End Cap Forward LAr 4.25 m 13 m Calorimetro E.M. piombo – LAr < X 0 (barrel), 26X 0 (endcap) E/E=10%/E 1/2 + 1% (E in GeV) Calorimetro adronico ferro + scintillatori (TILES) < 1.6 Rame + LAr 1.5 < < 3.2 E/E=50%/E 1/2 + 3% (E in GeV) Calorimetro Forward (LAr) 3.2 < < 4.9 E/E=100%/E 1/2 + 10% (E in GeV)

54 Software offline in ATLAS Converter Algorithm Event Data Service Persistency Service Data Files Algorithm Transient Event Store Detec. Data Service Persistency Service Data Files Transient Detector Store Message Service JobOptions Service Particle Prop. Service Other Services Histogram Service Persistency Service Data Files Transient Histogram Store Application Manager Converter Necessità di un framework di sviluppo: applicazione generica nella quale gli sviluppatori inseriscono il codice, usando i meccanismi definiti dal framework, insiemi di funzionalità e strumenti, un vocabolario comune ATHENA ATLAS realization of a High Energy and Nuclear physics data analysis Architecture

55 Ricostruzione dei muoni: architettura e design Ogni passo è guidato da un algoritmo di athena Oggetti transienti passati via TDS Algoritmi indipendenti, lunico coupling è dato dagli oggetti transienti Meno dipendenze, codice più mantenibile, modulare, più semplice sviluppare nuovi approcci di ricostruzione


Scaricare ppt "Ricostruzione delle tracce di muone nello spettrometro dellesperimento ATLAS Luca Spogli 25 febbraio 2004."

Presentazioni simili


Annunci Google