Физички фон у мерењу луминозности на Међународном линеарном колајдеру (ILC) M. Пандуровић И. Божовић-Јелисавчић И. Смиљанић М. Мудринић Ј.

Transcript

1 Физички фон у мерењу луминозности на Међународном линеарном колајдеру (ILC) M. Пандуровић И. Божовић-Јелисавчић И. Смиљанић М. Мудринић Ј.Мамужић

2 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

3

4 LDC Концепт великог детектора

5 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)

6

7 Међународни линеарни колајдер ILC Лептонски колајдер (e+e-) Номинални дизајн: - енергија 500 GeV у систему центра масе (1 TeV) - номинална луминозност cm -2 s -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

8 ILC Reference Design Report

9 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 Z 0, 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)

10 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 L int =N bha /σ B L int =(N exp -N bck )/ε σ B На малим угловима, ефикасни пресек Bhabha догађаја dσ/dθ 32 π α 2 / (s θ 3 ) ΔL/L ~ Δθ / θ min rad. B.Pawlik L

11 Дизајн LCAL Електромагнетни сендвич калориметар 30 дискова - сензор силикон, волфрам апсорбер Z=2270 mm од интеракционог места Угаони опсег X-угао 14 mrad = mrad (чеони судар = 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

12 Симулација детектора и генерисање догађаја Детектор је симулиран програмом BARBIE V4.1 (Geant3), на 500 GeV у систему центра маса, угаони опсег детектора mrad, сензорске равни наизменично сегментиране (парне: радијално - 64 прстена, непарне: поларно сектора) тзв. strip design Сигнал чине 10 5 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 10 6 лептонских (e + e - e + e - l + l - ) (l=e,μ) i 10 5 хадронских (e + e - e + e - qq) (q=u,d,s,c,b) догађаја сa укупним ефикасним пресеком (2.68±0.03) nb

13 Особине сигнала и физичког фона 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 сигнала од физичког фона Продукцијом четворофермиона механизмом неутралних струја доминира тзв. мултипериферални Feynmann-ов дијаграм (10 3 пута вероватнији) Високоенергетски излазни пар e + e - одлази дуж beam-pipe, док нискоенергетски ff пар има ширу дистрибуцију по поларном углу BCAL LCAL BCAL LCAL Energy E [Gev] [GeV] θ [deg]

14 Раздвајање сигнала и физичког фона Карактеристична Bhabha топологија омогућава успостављање критеријума за разликовање сигнала од физичког фона Колинеарност Δθ < 0.06 deg Компланарност Δϕ < 5 deg Енергетски баланс E F(R) -E B(L) < 0.1 E min, E min =min(e F(R) -E B(L) ) Релативна енергија (E F +E B )/2E beam >0.75 Претпостављена је идеална реконструкција трагова, као и 100 % ефикасност реконструкције

15 сигнал фон leptonic bck. hadronic bck. leptonic bck. hadronic bck.

16 сигнал фон leptonic bck. hadronic bck. leptonic bck. hadronic bck.

17 Ефикасности селекције и елиминације Ефикасност селекције сигнала Лептонски фон - ефикасност елиминације Хадронски фон - ефикасност елиминације 1. Δθ <0.06 deg % % 95.27% 2. Δφ < 5 deg % % % 3. E bal < 0.1 E min % % % 4. E rel > % % % ( 1,2,3 ) B/S ( 1,2,4 ) B/S % % % % % % ΔL/L ~ (B/S) Δσ B ~ 10-6

18 Пројекције погодака на прву раван сензора за лептонски (лево) и хадронски фон (десно), пре (горе) и након селекције(доле) (критеријуми 1+2+3)

19 Заузетост система за очитавање B.Pawlik signal bck. pad дизајн LCAL strip дизајн Bhabha(сигнал) signal bck. strip дизајн of LCAL strip дизајн Bhabha + beamstrahlung B. Pawlik

20 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)

21 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 θ (која је реда 10-2 mrad)

22 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 -E rel >0.8-30< θ <75 mrad (наизменично примењеним на e + и e - ), смањењује се BHSE ефекат на ~1% ΔL/L ~ BHSE X

23 Ефикасност селекције сигнала Лептонски фон ефикасност елиминације Хадронски фон ефикасност елиминације 1. 30< θ <75 mrad % % % 2. E rel > % % % All cuts (1,2) % % % B/S 1.87 x 10-3 Ефикасност селекције сигнала и елиминације физичког фона добијене применом асиметричних критеријума

24 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

25 Distribucije theta, phi, energije bhabha

26 Fajnmanovi dijagrami Bhabha dogajaja S- kanal - anihilacija T-kanal rasejanje sa izmenom virtuelnog fotona odnosi grananja na visokim energijama, pri malim ugovima > 99 % < 1%