Физички фон у мерењу луминозности на Међународном линеарном колајдеру (ILC) M. Пандуровић И. Божовић-Јелисавчић И. Смиљанић М. Мудринић Ј.Мамужић
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
LDC Концепт великог детектора
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)
Међународни линеарни колајдер ILC Лептонски колајдер (e+e-) Номинални дизајн: - енергија 500 GeV у систему центра масе (1 TeV) - номинална луминозност - 2 10 34 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
ILC Reference Design Report
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)
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
Дизајн LCAL Електромагнетни сендвич калориметар 30 дискова - сензор силикон, волфрам апсорбер Z=2270 mm од интеракционог места Угаони опсег X-угао 14 mrad = 44 155 mrad (чеони судар = 26-155 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
Симулација детектора и генерисање догађаја Детектор је симулиран програмом BARBIE V4.1 (Geant3), на 500 GeV у систему центра маса, угаони опсег детектора 26-82 mrad, сензорске равни наизменично сегментиране (парне: радијално - 64 прстена, непарне: поларно - 120 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
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]
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
сигнал фон leptonic bck. hadronic bck. leptonic bck. hadronic bck.
сигнал фон leptonic bck. hadronic bck. leptonic bck. hadronic bck.
Ефикасности селекције и елиминације Ефикасност селекције сигнала Лептонски фон - ефикасност елиминације Хадронски фон - ефикасност елиминације 1. Δθ <0.06 deg 81.87 % 95.20 % 95.27% 2. Δφ < 5 deg 97.96 % 89.53 % 90.42 % 3. E bal < 0.1 E min 90.61 % 94.58 % 95.45 % 4. E rel > 0.75 99.08% 88.73 % 95.96 % ( 1,2,3 ) B/S ( 1,2,4 ) B/S 1.3 10-4 80.6 % 2.6 10-4 80.8 % 99.38 % 99.26 % 99.78 % 99.47 % ΔL/L ~ (B/S) Δσ B ~ 10-6
Пројекције погодака на прву раван сензора за лептонски (лево) и хадронски фон (десно), пре (горе) и након селекције(доле) (критеријуми 1+2+3)
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
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)
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)
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
Ефикасност селекције сигнала Лептонски фон ефикасност елиминације Хадронски фон ефикасност елиминације 1. 30< θ <75 mrad 64.99 % 42.11 % 41.95 % 2. E rel >0.8 98.50 % 90.74 % 96.57 % All cuts (1,2) 64.33 % 93.69 % 97.48 % B/S 1.87 x 10-3 Ефикасност селекције сигнала и елиминације физичког фона добијене применом асиметричних критеријума
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
Distribucije theta, phi, energije bhabha
Fajnmanovi dijagrami Bhabha dogajaja S- kanal - anihilacija T-kanal rasejanje sa izmenom virtuelnog fotona odnosi grananja na visokim energijama, pri malim ugovima > 99 % < 1%