Download Calibración del Momento de los Muones en CMS

Calibración del Momento
de los Muones con
mesones J/ en CMS
María Cepeda Hermida
Dirigido por:
Dra. Begoña de la Cruz Martínez (CIEMAT)
Dra. Isabel Josa Mutuberría (CIEMAT)
1
Outline







LHC y CMS
El sistema detección de muones en CMS
Producción y Reconstrucción del J/ en CMS
Efectos que influyen en la masa reconstruida
Calibración del momento de los muones
Resolución de la medida del momento
Conclusiones
2
LHC



Luminosidad nominal: 1034cm-2s-1
Energía en centro de masas: 14 TeV
Bmax=8.3 Teslas
Colisiones cada 25 ns;
100 MB de información
generados en cada colisión
Colisionador Hadrónico:
p-p, p-Pb, Pb-Pb
 Fecha prevista para su puesta en marcha: Primavera 2008
3
(Luminosidad inicial L=1032cm-2s-1)
Compact Muon Solenoid (CMS)
Espectrómetros de muones
Imán Solenoidal
Hierro de
(4 T) retorno
del campo
magnético
Detector Central
de Trazas
ECAL
(Calorímetro
Electromagnético)
HCAL
(Calorímetro Hadrónico)
Peso total: 12500 Tm
Diámetro:
15 m
Longitud:
21.5 m
Campo Magnético:4 4 T
El sistema de detección
de muones de CMS
5
Detección de Muones
Uno de los principales objetivos de diseño de CMS.
 Presentes en muchos canales de relevancia
física (HZZ4, Z’, física de Bs…)
 Señales limpias: Hay más de 10 longitudes de
interacción hasta llegar a las cámaras  solamente s
y s.
Sistema de detección de
muones redundante y
eficiente:
Alta resolución en
medida de momento:
~1.5% para 100 GeV
6
Detección de Muones (2)
Medida precisa punto paso
del muón (precisión pT)
7
Reconstrucción de muones

La reconstrucción y medida del momento de los muones se lleva cabo en tres
pasos, utilizando toda la información de los subsistemas de detectores de CMS
2. STANDALONE
3. GLOBAL
1. LOCAL
8
Medida del momento de muones
Medida del momento transverso (pt) a partir de la curvatura () en el
campo magnético (B):
pt[GeV]=0,3[m]·B[T]
Efectos que influyen en la medida del momento:
• Error intrínseco
• Interacción de las partículas con los detectores:
Multiple Scattering (MS), Pérdidas de
Energía, aparición de impactos espúreos
• Desconocimiento de la geometría real del
detector (Desalineamiento), incertidumbres en
el Campo Magnético aplicado
p
p

p Total
p

Int
p
p

MS
p
p
PE
p

 kp   
p Total
p
Efectos de resolución y/o escala en la medida del momento de los muones en el estado
final se traducen en incertidumbres en las cantidades derivadas (p.ej. masa invariante)
9
Calibración

CMS está desarrollando la estrategia a seguir para calibrar el momento
de los muones con los datos, utilizando como patrón partículas de
masa conocida.
Bajo momento: J/, …

Alto momento: Z
Para ello se estan realizando estudios Monte Carlo :
En concreto, este trabajo se centra en la calibración del
momento de los muones utilizando la resonancia J/
10
Producción y Reconstrucción
de mesones J/
en CMS
11
Producción de J/ en el LHC
Resonancia cc
MPDG=3.0969160.000011 GeV
= 93.4 2.1 keV
Br(J/- +) =5.93%
Dos fuentes:


Directa (en el vértice primario, ppJ/ X)  P=5.522·107nb
Indirecta (en vértices secundarios, en un 99% provenientes de bJ/ X).
 NP=5.783·105 nb
Gran estadística ya en los primeros días de toma de datos
L=10 pb-1 ( 105 s de toma de datos)  1010 J/
(106 en el volumen fiducial del detector)
Permitirá calibrar la escala del momento de los
muones (en su rango más bajo) 12
Caracterización de la muestra

Estudio con muestras Montecarlo  Generadas con Pythia
Datos
normalizados
para 10 pb-1
   
   ln  tan  
2

 
Simulación del
paso por el
detector con
GEANT4
Reconstrucción
con el software
oficial de la
colaboración
(CMSSW)
13
Reconstrucción del J/ en CMS

Selección de Candidatos de J/: 2 muones de pt>3GeV y
2.4 con M(2.8 , 3.4) GeV
Sucesos/10 pb-1
Non Prompt
Prompt
Generados
655·103
Seleccionados
71·103
2843·103
354·103
14
Espectros Reconstruidos del J/
15
Masa reconstruida de par de muones
M   2m  2 pt pt
(1)
( 2)
cos
(1)

 
 
  ( 2)  sinh  (1) sinh  ( 2)
Desviación de 22 MeV con respecto al valor recogido en el PDG
16
Efectos que influyen en la
masa reconstruida
17
Campo Magnético


Pruebas del imán de CMS en 2006 (sondas NMR y Hall)  mapa del campo
magnético con una precisión del 0.07% en el interior del solenoide y hasta un 1%
en el espectrómetro de muones.
Habrá sondas monitorizando el campo magnetico durante la toma de datos.
pt  0.3    B
pt
pt

B

B

 0.07%
B
Incertidumbre en la masa del J/ debida a la incertidumbre en el campo magnético:
M = 3 MeV
18
Dispersión Múltiple

Para momento bajo es el factor dominante en la
resolución

A partir de una estimación del material que deben
atravesar los muones en su recorrido por el detector
central de trazas  ángulo de dispersión de Molière 
Desplazamiento estimado respecto a la trayectoria
original
13.6 MeV
X 
X 


0 
Z
1  0.038 ln

cp
Xo 
X0 


X/X0
p (GeV)
0 (mrad)
d (mm)
0
0.35
3
2.576
3.1
1.5
1.76
3
6.143
18.7
Efecto promedio incorporado en los algoritmos de reconstrucción
19
Desalineamiento


Pequeños errores en la posición de los
distintos elementos  posibles errores
de medida
Una vez el detector funcione a pleno
rendimiento, los sistemas de
alineamiento de CMS proporcionarán
una medida muy precisa de la posición
de cada uno de sus subsistemas.


A partir de los datos de prueba del
detector (Survey, MTCC), se ha
estimado la magnitud de estos errores
para distintas luminosidades integradas
Para 10 pb-1
Detector de Trazas  Error < 250 m
Muones  Error en z < 3 mm 20
Calibración del Momento
de los muones
21
Parametrización del Momento


La estrategia de calibración del momento reconstruido se basa en comparar la
masa invariante del sistema de dimuones con la masa del J/ en el PDG
Se minimiza esta diferencia de masas, suceso a suceso, en términos de un 2 para
obtener funciones de corrección del momento
pt
corregido
M   2m  2 pt pt
(1)
( 2)
N
 2 (a, b, c)  
i 1
M = 3.11663  0.00007 GeV
 = 0.04228  0.00006 GeV
 pt  a  bpt  cpt
cos
M p
t
(1)
(1)

2
 
 
  ( 2)  sinh  (1) sinh  ( 2)

, pt , a, b, c i  M PDG
( 2)

2
 i2
M = 3.09842  0.00007 GeV
 = 0.04127  0.00007 GeV
22
Parametrización del Momento
Factores de corrección dependientes de la zona del detector considerada
a (GeV)
b
c (GeV-1)
<0.8
0.0650.006
-0.0230.002
0.00110.006
0.8<  <1.3
0.0250.05
-0.0080.002
0.00040.0001
 >1.3
0.0100.001
-0.00100.0007
0.000190.00007
23
Resolución en la
medida del momento
24
Parametrización de la Resolución

En un estudio Monte Carlo, la resolución en la medida de momento se estima a
partir de la anchura de la distribución de residuos:
pt 1 pt ( sim )  1 pt (reco)

pt
1 pt ( sim )
 pt  kpt   


pt
Con datos reales no disponemos de esta información: Se puede calcular la
resolución a partir de la distribución de la anchura en masa del sistema de
dimuones.
25
Parametrización de la Resolución

Anchura en masa en función de la dependencia funcional de la
resolución:
M    2m 
2
M   
M    2m 
2
M   

2M  
2M  
2
  pt ( 1 )    p t ( 2 ) 
 (1)    ( 2 ) 
 p   p

 t   t 
2
2
2

 





2
2


( 2)
2
 p (1)   2  


  pt
 ( 2)  



t
(
1
)
p   
p  

t


 t  

 


Se divide el espacio de fases de
momento transverso de los
dos muones en 10 cajas y se
calcula la anchura de la
distribución M en cada una
de ellas.


pt(2)
GeV
10
8
6
3
3
6
8
10 pt(1) 26
GeV
Parametrización de la Resolución

Minimización 2 para calcular estos parámetros ,  y :
 ( ,  ,  ) 
2
10cajas
M  ,  ,    M 
i 1
 i2

i

2

=1.8·10-7 5·10-5 GeV-1 (~Intrínseco)
 =0.01687 0.0007 (~Dispersión Múltiple)
=0.03216 0.0006 GeV (~Pérdidas de Energía)
27
Conclusiones

El desarrollo de estrategias de calibración del momento de los muones es una
tarea prioritaria del grupo de muones de CMS.

Se han estudiado algunos de los factores que influyen en la medida del
momento de los muones: dispersión múltiple, pérdidas de energía, campo
magnético y desalineamiento del detector.

Se ha elegido la resonancia J/ como patrón de calibración en la región de
momento bajo. Para ello se ha utilizado una muestra de sucesos Monte Carlo
J/+, en el marco del software oficial de la colaboración CMS.


Generación y simulación
Reconstrucción y selección  análogamente a como se hará con datos reales

Se ha calibrado el momento transverso ajustando la masa reconstruida del par
de muones al valor de la masa en el PDG.

Se ha parametrizado la resolución en el momento transverso a partir de la
anchura de la distribución de la masa invariante de los dimuones
28
Conclusiones

Los efectos más significativos son la dispersión múltiple
y las pérdidas de energía. El desalineamiento y la
resolución intrínseca del detector son despreciables.

Extensión del trabajo:




Actualizaciones del software de CMS.
Nuevos escenarios de desalineamiento.
Otros posibles efectos.
Región de momento más alto  bosón Z.
29