Fisica del B in CMS Quale strategia si pensa di utilizzare per il 2007: Possibili scenari Lucia Silvestris (INFN-Bari) Collaborazione CMS Commissione Nazionale Scientifica I Frascati Frascati 4-Febbraio 2003 Fisica del B in un esperimento multi-purpose Fisica del B in un esperimento multi-purpose Alcuni canali di “Benchmark” Alcuni canali di “Benchmark” Conclusioni Conclusioni

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 2 LHC & Fisica del B LHC & Fisica del B LHC pp 14 TeV 1 st Aprile 2007 Luminosita’ di picco: 2x10 33 cm -2 s -1 -> cm -2 s -1 Luminosita’ di picco: 2x10 33 cm -2 s -1 -> cm -2 s -1 Interazioni/BX: ~3 -> ~18 Interazioni/BX: ~3 -> ~18 Fill ~ 10 hours: expected ~ 2 drop in L during fill Fill ~ 10 hours: expected ~ 2 drop in L during fill Altissima statistica (anche a bassa Luminosita’): Altissima statistica (anche a bassa Luminosita’): Se la sezione d’urto 500  barn ~ O( ) b coppie/anno B u (40%), B d (40%), B s (10%), B c and b-barioni (10%) Programma per la fisica del B Programma per la fisica del B Misure di violazione di CP nei decadimenti del B sin2  tramite B d  J/  K s  s  2 tramite B s  J/   B 0 s Mixing Decadimenti rari del B Quanti eventi sono triggerati per la fisica del B? Quanti eventi sono triggerati per la fisica del B? Il maggiore challenge negli esperimenti di collisioni pp e’ la strategia di trigger.

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 3 CMS: un rivelatore “multi-purpose” 13x6 m Solenoid: 4 Tesla field tracking up to  ~ 2.4 tracking up to  ~ 2.4 Muon system in return yoke First muon chamber just after solenoid extend level arm for pt measurement extend level arm for pt measurement Staged Scenario for start-up (M. della Negra 10/02) 1. ME4 staged 2. 3 rd forward pixel disks missing 3. Descoped HCAL (reduced no. of longitudinal samplings) 4. Descoped ME1/1a (3 ch in one, muon trigger up to |  | = 2.1) ECAL & HCAL inside solenoid 22 m long, 15 m diameter, ton Detector

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 4 Il Software di CMS Generazione degli eventi PYTHIA Generazione degli eventi PYTHIA Descrizione del rivelatore e tool simulazione Geant3 Descrizione del rivelatore e tool simulazione Geant3 Geometria e Materiali nei vari-sottorivelatori aggiornata (2002) Geometria e Materiali nei vari-sottorivelatori aggiornata (2002) Effetti dovuti ad interazioni multiple ed a pile-up dovuto a rivelatori con tempi di risposta piu’ lenti Effetti dovuti ad interazioni multiple ed a pile-up dovuto a rivelatori con tempi di risposta piu’ lenti Risposta dei rivelatori (digitizzazione, rumore …) Risposta dei rivelatori (digitizzazione, rumore …) Simulazione del primo livello di trigger Simulazione del primo livello di trigger Ricostruzione Ricostruzione tracce (esistono differenti algoritmi, Kalman Filter, Deterministic Anneling Filter, Gaussan Sum Filter) tracce (esistono differenti algoritmi, Kalman Filter, Deterministic Anneling Filter, Gaussan Sum Filter) vertici vertici cluster cluster Algoritmi di HLT per tutti i tipi di selezioni ( , e, , b jets, B esclusivi) I risultati presentati sono riportati nel DAQ TDR LHCC CMS TDR 6 15 dicembre Pochi canali di “Benchmark” studiati per la fisica del B. Produzione 2.5 M eventi ~20% = 0.7 M eventi prodotti in Italia

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 5 Architettura del Trigger & DAQ Trigger a due livelli: Lvl-1 e HLT 40 MHZ 100 KHz 100 Hz Questa architettura consente differenti scenari di staging Ogni slice corrisponde a 12.5 KHz

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 6 Architettura del Trigger & DAQ 4 slice (50KHZ) Trigger a due livelli: Lvl-1 e HLT 40 MHZ 100 KHz 100 Hz Questa architettura consente differenti scenari di staging Ogni slice corrisponde a 12.5 KHz 4 slices del DAQ previste nel 2007 => 50 KHZ

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 7 Trigger di primo Livello: Lvl-1 Lvl-1 processori specializzati 40 MHz Utilizzano le informazioni dai calorimetri e dai rivelatori di muoni Risoluzioni grossolane –0.087x0.087  celle calorimetriche –Ridotta risoluzione per i muoni TriggerThreshold (  =95%) (GeV) Indiv. Rate (kHz) Cumul rate (kHz) 1e/ , 2e/  29, , 2  14, , 2  86, jet,3- jets, 4-jets 177,86, Jet * Miss- E T 88 * e * jet21 * Min-bias Total Rate: 50 kHz. Fattore 3: condizione del fascio, Incertezze sui processi fisici etc.. => allocati 16 kHz Soglie di Lvl-1 ottimizzate per garantire un ampio programma di fisica includendo trigger specifici per calibrazione e monitoraggio. Selezione Fisica del B al Lvl-1 basata sui trigger leptonici ( Selezione Fisica del B al Lvl-1 basata sui trigger leptonici ( 1 , 2 

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 8 Lvl-1 Trigger: Stream Muoni Low Lumi  < kHz DAQ 4 kHz for  14, 3; =3.6 kHz  W =89.6 %  Z =99.8 %  Bs  =25.5 % Integrated muon rates above threshold Rate dominato da decadimenti di ,K fino a 4 GeV e da decadimenti di b-, c-quark da 4 a 25 GeV  < 2.1

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 9 Secondo livello di Trigger:High Level Trigger Dopo High Level trigger solo l’0.1% degli eventi deve sopravvivere. In quale modo posso rigettare gli eventi usando il minore tempo di CPU? Questo puo’ essere interpretato come: o o Ricostruzione veloce e molto appross. o o La minima quantita’ di ricostruzione ma accurata o o Una mistura delle due precedenti DAQ Hz Mass storage Ricostruzione e analisi HLT track finding In media un evento ~ 300 msec normalizzata a 1 GHz PIII Lo stesso SW sara’ utilizzato per HLT e off-line : gli algoritmi devono essere di alta qualita’ gli algoritmi devono essere sufficientemente veloci Gli eventi rigettati dall’HLT sono persi !! 40 MHZ 100 KHz

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 10 Qualita’ degli algoritmi: Efficienza di ricostruzione tracking Single  Single  Jets Degradation due tracker material No significant degradation compared to single pions Jets E T = GeV Fake Rate < 1 %

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 11 Risoluzione in IP trans. ~ 20  m Per tracce con P t ~ 10GeV Qualita’ degli algoritmi Strategia di Tracking di CMS Il rivelatore a pixel si trova attorno Al punto di interazione 4.2 – 15 cm e cm in z Occupancy per cella e’ ~ Pixel utilizzato come seeding per il tracking Radius ~ 110cm, Length/2 ~ 270cm 3 disks TID 6 layers TOB 4 layers TIB 9 disks TEC rivelatori Silicon strip :  R  =  m, cell size ~ 10 cm 2 rivelatori Pixel:  R , z =  m, cell size ~ 150  m 2

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 12 Qualita’ degli algoritmi: ricostruzione dei vertici primari Ad alta luminosita’, the trigger primary vertex e’ trovato in >95% degli eventi Vertici Primari: rivelatore a pixel Fast 50msec/1GHz  = 26  m Pixel - Resolution in z (cm) Beam spread Beam spread ± 5.6 cm

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 13 Qualita’ degli algoritmi: ricostruzione dei vertici secondari H 0 (130)->4  B s  B s  J/    (x)  m12.12 ± ± ±0.95  (z)  m19.18 ± ± ±1.4 CPU time msec Risoluzione dei vertici secondari con Kalman Filter H 0 (130)->4  B s  B s  J/  

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 14 Algoritmi sufficientemente veloci: Ricostruzione delle tracce parziale Ad HLT non siamo necessariamente interessanti alla risoluzione ottimale. Good track parameter resolution puo’ essere ottenuta utilizzando 4 o piu’ hits Full tracker performance

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 15 Qualita’ degli algoritmi: ricostruzione dei muoni  Lvl-1, Lvl-2, Lvl-3 Copertura in Eta limitata to 2.1 (Limite degli RPC, and ME1/1a delle CSC che non L1)  =0.11  =0.013 Lvl-2 Lvl-3 barrel camere a mu Camere a mu + tracciatore

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 16 Tabella di High Level Trigger (low lumi) prevista per 2007 TriggerThreshold (  =90-95%) (GeV) Indiv. Rate (Hz) Cumul rate (Hz) 1e, 2e 29, , 2  80, (40*25) , 2  19, , 2  86, Jet * Miss- E T 180 * jet, 3-jet, 4-jet 657, 247, e * jet 19 * Inclusive b- jets Calibration/other10105 Rate Totale 105 Hz Scenario utilizzato per la partenza: Lvl-1 budget: 50 KHz Lvl-1 budget: 50 KHz Garantire la fisica di scoperta Garantire la fisica di scoperta tempo medio di CPU per gli algoritmi HLT 300 msec 1GHz tempo medio di CPU per gli algoritmi HLT 300 msec 1GHz Previsti miglioramenti in CPU nei codici di HLT. Questa e’ la migliore stima che puo’ essere fatta oggi. Indeterminazione sulla stima ~50%. Canale di FisicaEfficienza H(115 GeV)  77 % H(160 GeV)  WW*  2  92% H  ZZ  4  92% A/H(200 GeV)  2  45% SUSY (~0.5 TeV sparticles) ~60% With R P -violation~20% W  e 67% (fid: 60%) WW 69% (fid: 50%) Top  X72% Dove e’ la fisica del B?

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 17 Contenuto di Fisica nella stream  dopo HLT 30 Hz 4 kHz 30 Hz 4 kHz b/c  /K Z     W 30 Hz

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 18 Possibili Scenari allo start-up nel 2007 Scenario 1): Abbiamo sovrastimato il fattore di safety e utilizziamo solo 42 KHz Il lvl-1 di trigger e’ programmabile e quindi possiamo abbassare le soglie, aggiungere altri trigger per utilizzare completamente la banda disponibile Scenario 2): La macchina parte con una luminosita’ piu’ bassa abbassare le soglie del lvl-1, utilizzare la banda per la fisica del B e fare allo stesso tempo un debug del rivelatore Scenario 3): Alla partenza realizziamo che sono necessari 70 KHz Il Lvl-1 di trigger e’ programmabile, possiamo mascherare le zone rumorose e guardare attentamente alle interazioni beam-gas etc

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 19 Possibili Scenari allo start-up nel 2007 Scenario 4) Ottimizzazione del codice di HLT => minore CPU per evento. A parita’ di soglie sul Lvl-1 e di capacita’ totale di CPU per la filter farm aumentare lo storage => aumento di CPU per l’analisi! Scenario 5): Viene finanziata una slice del DAQ in piu’ (12.5 KHz) Si possano abbassare le soglie di lvl-1 e dedicare una buona frazione alla fisica del B. Nell’ DAQ TDR e’ stata messa in evidenza la possibilita’ di utilizzare il rivelatore di tracciamento al primo step negli algoritmi di HLT sulla piena banda passante di Lvl-1 Possibile grazie alla sistematica ottimizzazione del codice di Tracking e all’uso del tracking regionale e condizionale. Possibili studi di ottimizzazione del “menu” di trigger… Vediamo alcuni canali di “Benchmark”

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 20 Alcuni canali di benchmark: B s  Strategia HLT: a) L1  trigger: eventi a due muoni Pt >4 Gev/c e carica opposta b) Seeds usando pixel per tracce Pt >4 Gev/c e parametro d’impatto <1. mm c) vertice primario d) Filtro sui Seeds: constraint sul vertice primario Δη<0.5 Δφ<0.8 ±0.4 cm attorno alla direzione L1 μ e) Ricostruzione delle tracce: condizione di stop p t <4 5σ o hit=6 o σ(p t )/p t <0.02 f) Solo se ci sono due tracce di carica opposta determino la massa invariante con un taglio di 150 MeV/c 2 attorno a m Bs g) Determinazione del vertice secondario con  2 <20 CPU Time medio 240 msec 1GHz CPU => Potrebbe essere implementata ad HLT. Decadimenti FCNC b->s or b->d in SM attraverso loop-level => piccolo Br(B s  )=(3.5±1.0)x10 -9 B s  possono essere osservati solo ad LHC se non ci sono deviazioni rispetto SM! Possibilita’ di NF

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 21 Alcuni canali di benchmark: B s  Efficienza Lvl-1 Trigger Efficienza HLT Efficienza Globale Eventi/ 10fb -1 Trigger Rate 15.2%33.5%5.1%47<1.7Hz HLT Full Tracker Prospect: se una chiara Prospect: se Br(B s  )=(3.5±1.0)x10 -9 una chiara osservazione (5  dopo 3 anni bassa luminosita’ Risoluzione in massa Analisi 2000 not updated poca statistica per gli eventi di fondo

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 22 Alcuni canali di benchmark: B s  J/   Br(B s  J/   )=(9.3±3.3)x10 -4 Trigger con J/  dilepton decay J/  ℓ + ℓ - (e or μ Br ≈ 6%) 3 resonanze: B s, J/  and extremely narrow  K + K - (Br ≈ 49%) Misura dell’angolo di fase  s  s = 2  = 2 2  SM predice  s ~ O(0.03) Possibilita’ di NF Strategia di HLT: La stessa per la ricostruzione della J/  (fase Lvl-2) mentre e’ richiesta piu’ CPU per la ricostruzione della Bs. I due steps seguenti (Lvl-3) a) a)Ricostruzione della  : tracking regionale attorno alla direzione della J/  e le tracce sono accettate se la massa invariante e’ 10 MeV rispetto alla massa della . b) b)Ricostruzione del Bs: accettate se la massa invariante del sistema J/   consistente con Bs entro 60 Mev. Ulteriore taglio sulla qualita’ del vertice secondario  2 <200

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 23 Alcuni canali di benchmark: B s  J/   Efficienza L1 Trigger Efficienza Lvl-2 Trigger Rate Lvl-2 Efficienza Globale Trigger Rate Eventi/ 10fb %13.7%14.5 Hz8.7%<1.7Hz83800 CPU time medio 260 msec 1GHz PIII fino a Lvl-2 => in time per HLT trigger CPU time medio fino a Lvl msec 1GHz PIII fino a Lvl-3, 400 msec ricostruzione della  => ulteriore ottimizzazione possibile a livello di riconoscimento dei seeds (regionale) J/  Risoluzione in massa  BsBsBsBs poca statistica per gli eventi di fondo

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 24 Alcuni canali di benchmark: B s  J/   ℓ+ℓ+ ℓ-ℓ- K+K+ K-K- L’ analisi angolare di Bs->J/  consente di determinare simultanemente  s,  s,  s e i parametri delle ampiezze degli stati di CP A||(t=0), A T (t=0), A 0 (t=0),  1,  2; utilizzando un maximum likelihood fit. ΔΓ s ΓsΓs |A || (0)||A  (0)|  s (x s =20)  s (x s =40) 8.0%0.5%0.6%2.0% ~ 600 K eventi in 30 ~ 600 K eventi in 30 fb -1 Analisi anni di bassa lumi 60 fb -1 Errore su ΔΓ s ΔΓ s ~ 10 %  s (x s =20) = radianti  s (x s =40) = 0.03 radianti CP - violation weak phase in Bs->J/  CERN-TH/ Hep-ph/

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 25 Alcuni canali di benchmark: B s  D s  Br(B s  D S     K K   ) ~ 5 x In un anno (20 fb -1 ) ~ 10 8 eventi prodotti oscillazioni B S -B S, misura della  m S, |V ts |/|V td |  m S limite sperimentale  14.4 ps -1 SM predice al 99% CL 14.8   m S  25.9 ps -1 Possibilita’ di NF Strategia di HLT: ricostruzione VP: ricostruzione delle tracce con P T > 5GeV/c ricostruzione delle tracce con 3 hits: - Seeds: pixel-lines with P T > 0.7GeV/c - 2 strati di Pixel a 4 and 7 cm e 1  Strip a 20cm - tracce con |z V -z PV | < 1.5mm tagli topologici :  R(KK)<0.3,  R(  <1.2,  R(D S  <3.0  M  < 15MeV,  M Ds < 75MeV,  M Bs < 270MeV tagli cinematici : P T (  )>2GeV, P T (D S )>4GeV, P T (D S )>5GeV Constraint sul vertice Ds: V T > 300  m,….. | Hel | > 0.4 Hel is a cos( ), where is an angle between D S and K in a rest frame of . Tagli su B S :  R(D S,  ) 0.6

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 26  BsBsBsBs DsDsDsDs Alcuni canali di benchmark: B s  D s  Risoluzione in massa HLT (usando solo 3 hits) 0 GeV20GeV30Gev0 GeV20GeV30GeV 4GeV 0.27 (50)0.15 (15)0.08 (5.7)11 (106)4.8 (34)2.3 (14) 5GeV 0.19 (33)0.10 (11)0.06 (4.2)8 (78)3.6 (28)2 (12) 6GeV 0.16 (26)0.082 (8.5)0.055 (3.6)7.4 (65)3.1 (24)1.5 (11) 7GeV 0.11 (18)0.062 (6.2)0.045 (2.7)5.6 (48)2.4 (20)1.3 (9.4) 10GeV (6.4)0.021 (2.5)0.014 (1.3)2 (20)1.0 (9.6)0.6 (5.3) 14GeV (3.2)0.010(1.3)0.008 (0.7)1 (11)0.5 (5.4)0.3 (3.4) Rates (KHz) # eventi (K) per 20 fb -1 E T jet PTPT Lvl-1 HLT CPU time medio 650 msec 1GHz PIII

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 27 Alcuni canali di benchmark: B s  D s  Ottimizzazione delle soglie di Lvl-1 al fine di determinare Ottimizzazione delle soglie di Lvl-1 al fine di determinare  m S S = f( ,D 2 tag,  m S,  t, S, S/(S+B))  – effic. tagging, D tag = 1-2w -dilution,  t - proper time res., S – # eventi di segnale and B – eventi fondo 0.46 per low pt e 0.60 per high pt, D tag 0.46 per low pt e 0.60 per high pt,  t =70fs Lvl-1 Pt  >14 GeV Lvl-1 Pt  >14 GeV 3.2 KHz e’ necessario un pre-scale ed e’ necessario un pre-scale ed anche una limitazione sul HLT rate Possibili scenari (1 anno a bassa lumi ) Lvl-1 1KHz HLT 5Hz eventi di segnale =>  m S fino a 20 ps -1 Lvl-1 5KHz HLT 25 Hz 1500 eventi di segnale => sensitivita’  m S fino a 30 ps -1

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 28 Conclusioni Studio della violazione di CP e possibilita’ di evidenziare Nuova Fisica. studiando il ‘gold-plated’ channel: Bs->J  Studi di mixing del Bs => misura della sensitivita’ di  ms ben oltre i valori attesi dallo SM.  s puo’ essere misurata con precisione in Bs->J  Studio di decadimenti rari in particolare Bs->  per la sua semplice segnatura sara’ possibile effettuarlo anche ad alta luminosita’. Si potra’ determinare il branching ratio di Bs ->  che nello SM e’ dell’ ordine Br<(10 -9 ) B d  J/  K s, Studi di precisione dei parametri del “Triangolo di unitarieta’ “ tramite B d  J/  K s, B º  π + π - La strategia di Trigger di CMS sara’ modificata nel 2007 considerando la reale luminosita’ iniziale di LHC, lo stato dei rivelatori, del DAQ, del SW di ricostruzione etc… Ulteriori studi saranno fatti nei prossimi anni per il Computing e Physics TDR… i vari Data-Challenge …. CMS pur NON essendo un rivelatore costruito specificamente per studiare la fisica del B ha tutte le potenzialita’ per consentire un programma competitivo

Back-up slides

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 30 DAQ data flow and computing model HLT output Level-1 Event rate TriDAS TDR vol. I TriDAS TDR vol. II

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 31 HLT: CPU usage All numbers for a 1 GHz, Intel Pentium-III CPU – Trigger – CPU (ms) – Rate (kHz) – Total (s) – 1e/ , 2e/  – 160 – 4.3 – 688 – 1 , 2  – 710 – 3.6 – 2556 – 1 , 2  – 130 – 3.0 – 390 – Jets, Jet * Miss-E T – 50 – 3.4 – 170 – e * jet – 165 – 0.8 – 132 – B-jets – 300 – 0.5 – 150 Total: 4092 s for 15.1 kHz  271 ms/event Therefore, a 100 kHz system requires 1.2x10 6 SI95 Expect improvements, additions. Time completely dominated by muons (GEANE extrapolation) – will improve This is “current best estimate”, with ~50% uncertainty.

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 32 Robust Pattern Recognition

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 33 Misalignment Effect on Pattern Recognition Pattern recognition works efficiently and cleanly with misalignments of up to 1mm/1mrad, for W->  events at 2* times more than survey/laser alignment accuracy This is the starting point for alignment with tracks Placement accuracy and reproducibility with automatic pattern recognition

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 34 Geometry Modeling in Simulation Support structures Cable paths Care has been taken to model localized heavy material (e.g. Aluminum for cooling) separately Pixel module How the DAQ TDR data have been simulated

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 35 Tracker Data Rates estimates Data rates/FED typically below 100MB/s, compared to the limit of 200MB/s which the DAQ can tolerate microstrips However, the number of FED’s for the scheme shown above is 440, whereas only 256 DAQ switch inputs have been allocate to the Tracker Proposal to merge pairs of FED’s (FRL): 272 switch inputs, with maximum data rates below 140MB/s Uncertainties dominated by nature & cross-section for min. bias events; neutron back-scattering Detector response itself does not contribute significant uncertainty to the data rates

To B or not to B?Fisica del B in CMSL. Silvestris 36 Tracker: Track Reconstruction Generation of seeds (Seed Generator) Construction of trajectories for a given seed (Trajectory Builder) Ambiguity resolution (Trajectory Cleaner) Final fit of trajectories (Trajectory Smoother) Each component has one or more implementation. Three different algorithms are currently fully implemented: ( Combinatorial Track Finding, Connection Machine, Deterministic Annealing Filter)