Ricostruzione delle tracce di muone nello spettrometro dell’esperimento ATLAS Il lavoro di questo tesi ha come oggetto la ricostruzione delle tracce di.

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1 Ricostruzione delle tracce di muone nello spettrometro dell’esperimento ATLAS
Il lavoro di questo tesi ha come oggetto la ricostruzione delle tracce di muone nello spettrometro dell’esperimento atlas sito ai laboratori del cern di ginevra 25 febbraio 2004 Luca Spogli

2 Sommario Introduzione L’apparato 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 Dopo una breve descrizione delle motivazioni teoriche che hanno portato alla realizzazione dell’esperimento, verrà descritto l’apparato sperimentale, con particolare riguardo allo spettrometro per muoni, e il processo di ricostruzione delle tracce al suo interno, realizzata con due programmi MOORE e MUID. Verranno in seguito descritte le prestazioni su eventi fisici simulati, l’utilizzo in altri ambiti ed infine verranno tratte le conclusioni

3 Il Bosone di HIGGS 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/c2 ). Limiti sperimentali attuali ( da LEP ): MHIGGS > GeV /c2 al 95% C.L. per la ricerca diretta nel Modello minimale Nel modello standard elettrodebole la descrizione di come le particelle acquistino massa è affidata al meccanismo di higgs al quale è connesso l’esistenza del bosone di Higgs. La teoria non dà previsione del valore della sua massa, sebbene fornisca un debole limite superiore. Gli esperimenti finora non ne hanno scoperto l’esistenza, riuscendo solo a porre un limite inferiore. Si hanno inolte ulteriori limiti proveniente da misure di altre grandezze. Limiti indiretti dalle altre grandezze osservabili (v. figura) /c2]

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 d’urto di produzione (funzione della massa) dell’ordine dei pb Le energie nel centro di massa degli acceleratori finora realizzati non sono state quindi sufficienti. E’ allora necessario costruire un nuovo anello di collisione in grado di raggiungere maggiore energia. Inoltre la sezione d’urto di produzione dell’higgs è molto piccola, dell’ordine dei picobarn. Quindi è necessario che il nuovo acceleratore riesca a raggiungere un alta luminosità Necessaria una macchina ad alta luminosità

5 Large Hadron Collider ~20 eventi sovrapposti (Pile-up) +
Collisore protone - protone Energia nel centro di massa di 14 TeV (7+7) Circonferenza di 27 km 1011 protoni per pacchetto 2835 pacchetti distanziati di 25 ns Luminosità di progetto 1034 cm-2 s-1 tot (p - p)  100 mb  Rtot =109 Hz tot (ggH)  100 pb  1 / 109 Per tali motivazioni è in via di realizzazione il large hadron collider. Si tratta di un anello di collisione protone protone in grado di raggiungere un’energia nel centro di massa pari a 14 TeV. Alcune caratteristiche della macchina sono qui riportate, insieme ad una figura che mostra l’anello e gli esperimenti. Da queste caratteristiche, e considerando che la sezione d’urto protone protone è di circa 100 millibarn, si evince che la frequenza di interazioni ad LHC sarà circa di 10 alla 9 hertz. Poiché la sezione d’urto di produzione dell’higgs è circa 100 picobarn, si avrà un evento di higgs ogni miliardo di interazioni. Quanto detto genera due problemi: un gran numero di eventi sovrapposti ed una grande difficoltà di estrazione del segnale dal fondo ~20 eventi sovrapposti (Pile-up) + Difficoltà di estrazione segnale dal fondo

6 Come rivelare l’Higgs Regione di piccola massa (mH<130 GeV/c2) H  bb Regione di massa intermedia (130 GeV < mH< 2 mZ) H  WW(*), H ZZ* Regione di grande massa (mH > 2 mZ ) H  WW, H ZZ L’higgs può essere rivelato attraverso i suoi prodotti di decadimento, che dipendono fortmente dal valore della sua massa. Per questo, come si può vedere in figura, è possibile dividere in tre zone. Una di piccola massa, dove il decadimento preferito è in coppie b b barra, una di massa intermedia, dove il decadimento avviene in coppie di bosoni ww o zz dei quali uno è virtuale, ed una di grande massa, dove il decadimento è in coppie di bosoni mediatori deboli entrambi reali. Essendo queste particelle pesanti, avranno vite medie brevi e decadranno nuovamente. Quello che sarà possibile rivelare saranno gli ulteriori prodotti di decadimento. Quelli con stati finali leptonici saranno i più puliti ed in particolare il canale h->4mu è uno dei favoriti per la scoperta. I canali sperimentalmente più puliti sono quelli con i leptoni nello stato finale. H  ZZ  4m è uno dei più puliti (“Golden Channel”)

7 L’apparato ATLAS Calorimetro elettromagnetico Spettrometro per µ Calorimetro in avanti Solenoide Toroide dell’endcap Il rivelatore atlas ha come scopo fondamentale la scoperta del bosone di Higgs. Esso ha una struttura cilindrica a strati successivi. Vicino alla zona d’interazione è posto il rivelatore di vertice, immerso in un campo magnetico solenoidale di circa 2 tesla, successivamente si ha il sistema calorimetrico, mentre lo strato più esterno è lo spettrometro per muoni, immerso in un campo magnetico toroidale di circa 4 tesla generato da appositi magneti superconduttori. Nella zona vicina al fasci si trova anche un schermatura per le radiazioni. Rivelatore interno Toroide del barrel Calorimetro adronico Schermatura dalle radiazioni

8 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) 108 canali di elettronica L’apparato ATLAS Calorimetro elettromagnetico Spettrometro per µ Calorimetro in avanti Solenoide Toroide dell’endcap Rivelatore interno Toroide del barrel Calorimetro adronico Schermatura dalle radiazioni

9 Convenzioni Z Y X Direzione z lungo l’asse dei fasci
x-y definiscono il piano trasverso alla direzione dell’asse dei fasci L’asse x positivo punta al centro dell’anello LHC, asse y positivo verso l’alto Coordinate cilindriche più utili : , , R Pseudorapidità :  = -ln(tan(/2)) Z Y X

10 ATLAS: lo spettrometro per muoni buona risoluzione sul singolo punto
Requisiti: capacità di trigger su eventi con uno o più  in un vasto range di pT; TRIGGER con camere apposite buona risoluzione nella misura dell’impulso nell’intervallo tra 6 GeV/c e 1 TeV/c; CAMPO MAGNETICO toroidale in aria RIVELATORI DI POSIZIONE: buona risoluzione sul singolo punto 3 stazioni di misura necessità di operare per molti anni ad alto flusso ed elevato fondo; problemi di invecchiamento Vediamo più in dettaglio lo spettrometro. Dato l’alto numero di eventi nel rivelatore, bisognerà riuscere a triggerare la presenza di muoni nello spettrometro, questo viene fatto con camere apposite. Inoltre lo spettrometro deve essere in grado di offrire una buona risulozione in impulso nel range riportato in figura. Per questo i muoni vengono curvati da un campo magnetico e ci sono camere di precisione ad alta risoluzione. Inoltre lo spettrometro deve essere in grado di operare in regime di alto flusso per molti anni e quindi sopperire a problemi di invecchiamento.

11 Lo spettrometro per muoni
h=1 MDT RPC h=1.4 TGC 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 ECT CSC In questa slide vediamo più in dettaglio la struttura dello spettrometro. Nella figura superiore è riportato il piano r-z dello spettrometro, parallelo all’asse del fascio, mentre in basso il piano x-y. In entrambi sono visibili i tre strati di camere. La geometria dei rivelatori nel piano r-z permette di distinguere tre zone: barrel, endcap e una zona di transizione. La simmetria cilindrica nel piano x-y permette di distinguere invece in otto settori. Tutto lo spettrometro è immerso in un campo magnetico generato da toroidi in aria, dei quali vediamo una visione tridimensionale. La risoluzione sull’impulso trasverso è quella riportata

12 Lo spettrometro per muoni
MDT RPC ECT 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 l’effetto 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 Calorimeters Inner Detector h=1 MDT RPC h=1.4 TGC ECT CSC

13 Le camere di trigger Risoluzione in tempo  1 ns
Identificazione dell’urto tra i pacchetti di protoni, trigger dei  e misura della seconda coordinata (). Il sistema di trigger copre la regione ||<2.4 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. 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 Le camere di trigger sono deputate all’identificazione dell’incrocio fra i pacchetti di protoni, al trigger dei mu ed in atlas forniranno anche il valore della coordinata spaziale nel piano x-y. Nella regione del barrel vi sono le camere a piatti resistive. Sono dei piani di bakelite separati da del gas sensibile poste opportunamente sullo strato mediano e su quello esterno dello spettrometro. Nella regione degli endcap si trovano le tgc, camere proporzionali a multifilo. L’intero sistema è in grado di fornire una risoluzione temporale di circa un nanosecondo ed una risoluzione spaziale di circa un cm Risoluzione in tempo  1 ns Risoluzione spaziale in f 1 cm

14 Le camere di precisione
Misura di precisione nel piano di curvatura 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 mm, piccolo tempo di deriva (30 ns), risoluzione temporale  7 ns Misura della coordinata trasversa da strisce catodiche parallele ai fili anodici Le camere di precisione sono deputate alle misure nel piano di curvatura. Nella regione del barrel vi sono le camere a deriva monitorate. Sono un’insieme di tubi a deriva posti in multistrati e in grado di fornire una risoluzione di circa 80 micron. Nella regione ad eta maggiore di due, gli mdt sono sostituiti dalle cathodic strip chambers, in grado di sopportare l’alto tasso di radiazione previsto in questa regione

15 Ricostruzione dei muoni
Un muone lascia una traccia di hit all’interno dello spettrometro del rivelatore Ricerca della traccia associata agli hit Fit per ottenere la miglior stima dell’insieme dei parametri che descrivono la traiettoria della particella Curva in 3D  5 parametri: a0, z0, , cot, ±1/PT 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:
Passaggio di un muone nello spettrometro Camere illuminate (hit) Strategia di ricostruzione dei muoni: Ricerca della traccia associata agli hit Fit per ottenere la miglior stima dell’insieme dei parametri che descrivono la traiettoria Curva in 3D  5 parametri: a0, z0, , cot, ±1/PT 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 Un muone che attraversi lo spettrometro lascia traccia del suo passaggio sotto forma di hit nelle camere. Per ricostruire la traiettoria effettuata dal muone è necessario ricostruire la traccia associata a questi hit. Si può quindi realizzare un fit sugli hit per ottenere la stima dei parametri che definiscono la traccia

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

18 Strategia di ricostruzione
Ricerca delle regioni di attività nella proiezione  A partire dalle misure  degli RPC e TGC vengono creati dei “- Segments” rpc Ricerca delle regioni di attività nella proiezione R-Z all’interno delle MDTs (CSCs) Per ogni “-Segment”, sono trovate le MDT associate e ed è costuito un RZ Segments (collezioni di hit z) . CSC MDT RPC TGC rpc Dato il gran numero di eventi e’ necessario che il processo di ricostruzione venga guidato dalle camere di trigger. Il primo passo è la determinazione delle regione di attività dello spettrometro. A partire dalle misure degli rpc e delle tgc. Si costruiscono così i segmenti in phi, in corrispondenza dei quali vengono poi associati gli hit degli mdt e costruite delle collezioni di hit in z. Quindi si ottengono delle regioni di attività identificate nello spettrometro rpc MDT

19 Pattern recognition e fit della traccia
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 MDT mutilayer Fit di traccia Lo scattering multiplo e l’energia 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 Successivamente, per ciascuna camera MDT, vengono calcolcate le circonferenze di deriva per ciascun tubo identificato. Per ogni coppia di tubi vengono calcolate le quattro tangenti alle circonferenze di deriva e valuta quale tra essa è quella che ha residuo minore con gli altri cerchi deriva. Vengono così costruiti dei segmenti locali per ciascun mdt. Successivamente questi segmenti vengono combinati ed infine sull’insieme di hit viene realizzato un fit il cui risultato sono i parametri di traccia e la matrice di covarianza fra essi. Prima del fit finale è possibile aggiungere degli hit speciali che, come vedremo successivamente, considerano il contributo del materiale inerte dello spettrometro

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 Dopo aver ricostruito la traccia nello spettrometro è possibile combinarla con le informazione derivanti dagli rivelatori di atlas. E’ possibile infatti dapprima propagare all’indietro la traccia fino al vertice d’interazione, parametrizzando il calorimetro con dei piani di diffusione, e considerando l’energia persa in essi. Ed infine si possono combinare le tracce ricostruite nello spettrometro con quelle ricostruite nel rivelatore di vertice, eseguendo un fit globale su tutti gli hit così collezionati.

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 (h,p) Refit muon track parameters expressed at vertex Muon/ID tracks matching with a c2 cut-off c2 based on track covariance matrices and on the difference in track parameters Combined track fit Muonspectrometer inner layer calorimeters Energy loss and multiple scattering Beam spot

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 dell’energia depositata nei calorimetri Migliora la determinazione della carica per muoni ad alto impulso Migliora l’efficienza 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 dell’apparato sperimentale Test della calibrazione dei calorimetri Cross check dei risultati dall’inner 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 Per realizzare tale ricostrtruzione sono stati sviluppati due programmi in linguaggio orientato agli oggetti c++. Moore è quello deputato al processo di ricostruzione nel solo spettrometro, mentre Muid, utilizza le tracce ricostruite da MOORE e ne realizza la ricostruzione combinata. Entrambi sono inseriti nel framework ufficiale dell’esperimento, athena, che è in grado di fornire una serie di servizi informatici quali la geometria dei rivelatori, e di gestire la dipendenza tra i vari programmi di atlas. Il fatto di essere scritti in c++ permette a moore e muid di essere estremamente modulari e di essere utilizzati in altri ambiti di interesse dell’esperimento

24 DATI SIMULATI Campioni prodotti per il DC1
Campioni di muoni singoli con pT fissato (da 1 GeV/c fino a 1 TeV/c) Campioni di muoni singoli con pT=100 GeV/c con background sovrapposto H4  Non essendo disponibili dati reali, è stata realizzata una massiccia produzione di dati simulati chiamata data challange. Sono state simulate diverse tipologie di eventi ed in questa tesi ci si è occupato principalmente di quelli evidenziati. DESCRIVERE!

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 Il primo fondamentale test che ha dovuto superare moore è stata la ricostruzione di un campione ad alta statistica per verificare la robustezza del codice. Moore ha superato il test, riuscendo a ricostruire circa un milione di eventi di muone singolo senza incorrere in alcun tipo di probelma del codice. Muoni singoli in tutto il range di pT (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! In atlas sono presenti strutture che sono necessarie all’esperimento ma non costituiscono materiale sensibile alla rivelazione. Questo materiale ha due effetti sul moto dei mu all’interno del rivelatore: la diffusione coulombiana multipla e la perdita di energia. E’ quindi necessario considerare il contributo di tale materiale ai fini della realizzazione di una buona ricostruzione. Non è ancora disponibile un servizio ufficiale in grado di fornire una mappa di questo materiale e quindi è stata realizzata una mappa apposita Non è ancora disponibile un servizio Athena con la descrizione dettagliata della geometria di questo materiale.

27 Parametrizzazione del Materiale Inerte
In questa diapositiva vediamo l’ammontare di materiale non sensibile espresso in termini di lunghezze di radiazione. La parametrizzazione consente di inserire prima del fit finale di traccia l’informazione del contributo del materiale inerte Aggiungere prima del fit finale le informazioni sullo spessore attraversato (TX0) e sulla energia persa Eloss

28 Strategia di parametrizzazione
B C Definizione di una segmentazione in //L dello spettrometro Stima di TX0 e della perdita di energia in ciascun bin 5 centri diffusori (3 all’ingresso di ogni stazione + 2 all’uscita delle stazioni interne) 1.2 1.8 3.1 3.6 5.4 7.8 Pull sui parametri di traccia per calibrare la parametrizzazione

29 Parametrizzazione: prestazioni
Pt = 6 GeV/c |h| < 1 |h| > 1 Pt = 20 GeV/c Singoli Muoni (DC1) a pT fissato 1/pTgen -1/pTric 1/pt Nonostante la mappa necessiti di ulteriori ottimizzazioni, le prestazioni sono già soddisfacenti.Le prestazioni vengono valutate controllando la distribuzione dei pull sui parametri di traccia. Dalla definizione di pull si evince che la distribuzione deve avere valor medio nullo e sigma pari a 1. Abbiamo riportato i pull su 1 su pt. Le ditribuzioni in nero fanno riferimento alla mappa del materiale inerte quelle in rosso no. Le distribuzioni in nero sono più strette, e questo è più evidente per muoni di basso pt, per i quali la perdita di energia e la diffusione multipla sono più influenti.

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

31 Muoni singoli: efficienza vs pT
Pt(GeV/c) 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 In questa slide è riportata l’efficienza valutata con il solo moore e messa poi a confronto con quella di muid. L’efficienza è maggiore del 95 % per muoni con pt maggiori di 6 gev/c. Muoni di più bassa energia non riescono a raggiungere le stazioni più interne dello spetrrometro, ottenendo quindi meno informazioni che ne inficiano l’efficienza Efficienza della ricostruzione combinata per alti pt Pattern recognition disturbata da possibili shower e.m. che accompagnano i  ad alto pt

32 Muoni Singoli - Efficienza vs 
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 /c

33 Muoni Singoli - Efficienza vs 
Efficienza per bassi pt Solo  con E>3-4 GeV/c raggiungono lo spettrometro L’uso dei segmenti di traccia delle stazioni più interne potrebbe aumentare l’efficienza 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 MOORE/MUID MOORE MUID SA MUID Comb MOORE MUID SA MUID Comb pT = 6 GeV pT = 20 GeV (rad) (rad) Efficienza uniforme con 

35 Risoluzione su 1/pT Counts Counts Counts Counts

36 Risoluzione su 1/pT vs pT
La misura dell’inner detector domina sotto 10 GeV/c Lo spettrometro per m domina a alti pt L’andamento della risoluzione sul pt al variare del pt, riportata a destra, riproduce in maniera soddisfacente quella di progetto, a sinistra. La significativa differenza è solo per alti valori del pt, per i quali il contributo dell’allineamento delle camere e dell’autocalibrazione, non ancora inserito in moore, è predominante

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

38 Eventi con fondo m singoli pt= 100 GeV/c
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 Molteplicità di traccia aumenta con il fondo Counts Counts X1 No fondo #Trk #Trk Counts Counts m 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) X5 X2 #Trk #Trk

39 Eventi con fondo Counts No fondo X1 Pt(rec)/Pt(gen) Pt(rec)/Pt(gen) X2 X5 Pt(rec)/Pt(gen) Pt(rec)/Pt(gen) Efficienza sempre entro pochi percento a prescindere dal fondo Risoluzione non deteriorata dal fondo

40 Standard Model H4 m m m m t g mH = 130, 150, 180 GeV/c2 Z H
gg  H  ZZ(*)  mmmm mH = 130, 150, 180 GeV/c2 m Z m Criteri di selezione 4  ricostruiti 2  con pT>20Gev/c a||<2,5 2  con pT>7 Gev/c a ||<2,5 Massa invariante di 2  nel range mZm12  Z reale Massa invariante di 2  m>m34  Z reale/virt. Le prestazioni di moore e muid sono state anche valutate nella ricostruzione di un canale fondamentale di fisica come quello di decadimento dell’higgs in quattro muoni. Nell’ambito del data challenge sono stati simualti campioni di tale evnto per quattro differenti valori di massa e ricostruiti con dei criteri di selezione standard

41 Standard Model HZZ4 m mH=130 GeV/c2 sZ=2.83 GeV/c2 Ricostruzione della massa della Z con la ricostruzione combinata Z sempre più on mass shell con l’aumentare della massa del bosone di Higgs mH=150 GeV/c2 sZ=2.64 GeV/c2 Moore, non considerando il contributo della perdita di energia dei calorimetri, sottostima la massa invariante dei muoni. Per questo è necessario utilizzare la ricostruzione combinata. In figura sono riporate le masse invarianti delle coppie di mu, che, come deve essere, sono sul valore di massa del bosone z mH=180 GeV/c2 sZ=2.36 GeV/c2

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

43 Standard Model H4 m MUID Combined fornisce la larghezza minore
mH=130 GeV/c2 mH=130 GeV/c2 sH=2.14 GeV/c2 sH=1.88 GeV/c2 Inner detector MUID Combined MUID Combined fornisce la larghezza minore mH=150 GeV/c2 sH=2.18 GeV/c2 sH=2.71 GeV/c2 mH=180 GeV/c2 MUID Combined In questa slide sono infine riportate riporate le distribuzioni di massa invariante per i tre valori di massa. Confrontata con quella ottenuta nel solo rivelatore di vertice, muid fornisce una 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 ms Trigger sul pt del muone Cerca regioni d’attività interessanti (RoI) nei calorimetri e nello spettrometro a m non combina le informazioni di più sottorivelatori LVL2 software trigger Output ~1 kHz, latenza ~10 ms L’input 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 l’intero 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 l’intero evento, compresi i dati per calibrazione ed allinemento Come precedentemente annunciato, l’alta modularità di moore e muid, permette l’adattamento in altri ambiti dei programmi. In particolare sono stati implementati come filtro di eventi nel trigger di alto livello di atlas. In questa slide è riportato uno spettro dei tempi di processamento di moore e muid quando utilizzati come filtro di eventi.

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 all’evento, equivalente al funzionamento offline Seeded : ricostruzione a partire dalle RoIs Non essendo ancora a disposizione l’output 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 (Dh,Df) = (0.2x0.2) Efficienza rispetto al LVL1 Efficienza rispetto al LVL1 wrapped seeded

47 Prestazioni temporali
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 dell’anno 2002 Solo MDT, trigger esterno Counts Moore è utilizzato come programma di ricostruzione dei dati provenienti dal sito di test nell’area h8 al cern. Il setup sperimentale dell’anno 2002 prevedeva l’istallazione di camere in modo tale da riprodurre la situazione che si avrà realmente quando verrà messo in funzione atlas. E’ stato fondamentale vagliare le capacità di moore su dati fisici reali. In figura è riportata una distribuzione dei residui all’interno delle camere installate

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 Counts FWHM ~80 m Moore è utilizzato come programma di ricostruzione dei dati provenienti dal sito di test nell’area h8 al cern. Il setup sperimentale dell’anno 2002 prevedeva l’istallazione di camere in modo tale da riprodurre la situazione che si avrà realmente quando verrà messo in funzione atlas. E’ stato fondamentale vagliare le capacità di moore su dati fisici reali. Ricordiamo che gli mdt sono tubi del raggio di 1,5 cm e che hanno una risoluzione di circa 80 micron In figura è riportata una distribuzione dei residui del fit per i segmenti di traccia di una delle camere installate

50 Conclusioni All’interno del software di ATLAS sono stati sviluppati dei pacchetti software in linguaggio OO per la ricostruzione dei muoni nello spettrometro e l’identificazione dei muoni utilizzando l’intero 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. L’utilizzo di MOORE su dati reali ha fornito risultati decisamente soddisfacenti

51 Architecture and Design
MooAlgs 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 RPC/TGC digits MooMakePhiSegments PhiSegments MooMakeRZSegments MDT digits MooMakeRoads CrudeRZSegments MooMakeiPatTracks MooRoads MooiPatTracks MooStatistics MooMakeNtuples Results : less dependencies, code is more maintainable, modular, easier to develop new reconstruction approaches Ntuples

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 ~107 events) cavern “background events” 105 H  4, A/H  2 106 Z for calibration ~107 events Productions to be done in Roma, Napoli, Lecce

53 Calorimetri Forward LAr E.M. Hadronic Tile Calorimetro E.M.
piombo – LAr h < 3.2 24X0 (barrel), 26X0 (endcap) DE/E=10%/E1/2 + 1% (E in GeV) Calorimetro adronico ferro + scintillatori (TILES) h < 1.6 Rame + LAr 1.5 < h < 3.2 DE/E=50%/E1/2 + 3% (E in GeV) Calorimetro Forward (LAr) 3.2 < h < 4.9 DE/E=100%/E1/2 + 10% (E in GeV) 4.25 m 13 m Forward LAr Hadronic LAr End Cap

54 Software offline in ATLAS
ATHENA ATLAS realization of a High Energy and Nuclear physics data analysis Architecture 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 Converter Algorithm Event Data Service Persistency Data Files Transient Event Store Detec. Data Transient Detector Store Message JobOptions Particle Prop. Other Services Histogram Transient Histogram Store Application Manager

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