Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Co najpierw zmierzą eksperymenty przy akceleratorze LHC? Bożena Boimska IPJ - Fizyka otwarcia LHC Seminarium Fizyki Wysokich Energii, UW 26.01. 2007.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Co najpierw zmierzą eksperymenty przy akceleratorze LHC? Bożena Boimska IPJ - Fizyka otwarcia LHC Seminarium Fizyki Wysokich Energii, UW 26.01. 2007."— Zapis prezentacji:

1 Co najpierw zmierzą eksperymenty przy akceleratorze LHC? Bożena Boimska IPJ - Fizyka otwarcia LHC Seminarium Fizyki Wysokich Energii, UW

2 2 Plan Wprowadzenie Akcelerator LHC i jego eksperymenty Pomiary: całkowity i elastyczny przekrój czynny krotność cząstek pęd poprzeczny produkcja jetów analiza underlying event Podsumowanie

3 3Wprowadzenie p p Zderzenia p+p przy LHC: procesy miękkie (low-p T ) – opis przez modele fenomenologiczne npQCD procesy twarde (high-p T ) - opis przez pQCD Po uruchomieniu LHC (dla niższej świetlności) - fizyka minimum bias: Badanie procesów zachodzących z dużymi przekrojami czynnymi (ogólnie, charakteryzują się niższymi p T ). Dlaczego interesujące? obszar energii do tej pory nie badany zrozumienie tła dla sygnałów high-p T (HIGGS, SUSY,...): - wkład od nakładania się przypadków w detektorze (~25 przypadków minimum bias na przecięcie wiązek) - wkład od tzw.underlying event możliwość testowania modeli teoretycznych a także dostrojenie generatorów Monte-Carlo

4 4 Minimum bias – co to jest? Całkowity przekrój czynny: Przypadek minimum bias – przypadek dla całkowicie inkluzywnego trygera Eksperymentalnie: minimum bias zwykle wiązane z przypadkami NSD (non single diffractive (c+d)), czasami z przypadkami nieelastycznymi (a+b+c+d)

5 5 Large Hadron Collider zderzenia p-p przy s = 14TeV przecięcie wiązek co 25 ns (40 MHz) low-luminosity: L 2 x cm -2 s -1 ( L 20 fb -1 /rok) high-luminosity: L cm -2 s -1 ( L 100 fb -1 /rok) jesień 2007 ( 2-3 tygodnie): Run pilotażowy - głównie techniczny ale też fizyka. Min. bias, s = 900 GeV, świetlność ~ cm -2 s : Pierwszy run fizyczny s = 14 GeV, stopniowe dochodzenie do low- luminosity Run time: 10 7 s/rok Kolejne lata: s = 14 GeV, dochodzenie do high- luminosity

6 6 Eksperymenty przy LHC ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) & CMS (Compact Muon Solenoid) - dedykowane badaniom p+p - zoptymalizowane dla dużych p T i high-luminosity ALICE (A Large Ion Collider Experiment) - dedykowany badaniom HI - różne typy detektorów - zoptymalizowany dla niskich świetlności, wysokich krotności - idealny do badań fizyki małych p T - bardzo dobra identyfikacja cząstek (szczególnie w obszarze centralnym) LHC–B fizyka b TOTEM (zintegrowany z CMS) całkowity przekrój czynny, rozpraszanie elastyczne, dyfrakcja (wyznaczenie świetlności akceleratora)

7 7 ALICE - dedykowany badaniom HI (ma też program p+p) ATLAS i CMS – dedykowane badaniom zderzeń p+p

8 8 Detektor CMS Wewnętrzny układ śladowy detektory krzemowe Pixels, Microstrips |η|< 2.5 Kalorymetry (ECAL i HCAL) Scintillating PbWO 4 crystals, Plastic scintillator/brass sandwich |η|< 3 ziarnistość: x ~ x rozdzielczość energetyczna: ECAL: HCAL: Stacje mionowe Drift Tube Chambers, Cathode Strip Chambers, Resistive Plate Chambers Detektor ATLAS zbudowany podobnie do CMS pseudopospieszność: = - ln (tg /2)

9 9 ITS Low p T tracking Vertexing TRD Electron ID (TR) TOF PID HMPID PID high p T PMD γ multiplicity FMD Charged multiplicity TPC Tracking, PID (dE/dx) PHOS γ, π 0 Not shown: T0, V0, ZDC Detektor ALICE MUON μ-pairs L3 Magnet Budowa bardziej złożona

10 10 ALICE Akceptacja geometryczna i identyfikacja Identyfikacja cząstek dla szerokiego zakresu pędów: (~ 100 MeV/c – ~ 100 GeV/c) Akceptacja w dla różnych detektorów 3 2

11 11 Porównanie eksperymentów rozdzielczość pędowa ~1 – 2% p T < 20 GeV/c ALICE J.P. Revol, ALICE-PUB ALICE: małe p T, PID CMS & ATLAS: b. duże p T, hermetyczne kalorymetry

12 12 Eksperyment TOTEM T1: 3.1 < < 4.7 (CSC) T2: 5.3 < < 6.5 (GEM) T1 T2 CASTOR (CMS) RP1 (147 m) RP2 (180 m) RP3 (220 m) ~10 m ~14 m detektory krzemowe wewnątrz jednostek zw. Roman Pot – RP: detekcja protonów rozproszonych pod małymi kątami (~kilka rad) brzeg detektora ~1mm od wiązki FIZYKA: Pomiar całkowitego przekroju czynnego (dokładność 1%) Rozpraszanie elastyczne dla zakresu < -t (p ) 2 < 10 GeV 2 Dyfrakcja (razem z CMS) Teleskopy T1 i T2 : detekcja przypadków nieelastycznych

13 13 Plany runów K.Eggert, hep-ex/ Wyznaczenie tot z dokładnością 1% dla *= 1540 m (Wstępny pomiar dla *=90m -> dokładność ~kilka %) * - amplituda oscylacji betatronowych. Określa parametry poprzeczne wiązki. Dla * =1540m: mała rozbieżność kątowa wiązki ~0.3 rad, duży rozmiar wiązki ~0.4 mm (=> mała liczba paczek w wiązce => mała świetlność)

14 14 Całkowity przekrój czynny - tot CDF E GeV UA4: CDF: 1.8 TeV CDF: E710: E811: Niezgodność E811 - CFD: 2.6 Dopasowanie do danych hadronowych wykonane przez współpracę COMPETE (niebieska linia). Przewidywana wartość dla LHC: Przewidywania modeli (czarne linie): mb [PRL (2002)] CEL: pomiar tot z dokładnością 1% (~1mb)

15 15 Pomiar tot Znając tot można wyznaczyć świetlność akceleratora: TOTEM zmierzy tot wykorzystując Twierdzenie Optyczne bez wykorzystywania informacji o świetlności (luminosity independent method) Metoda wcześniej użyta m.in. przez eksperymenty: E710,E811,CDF = Re f(0)/Im f(0) z Twierdzenia Optycznego:

16 16 Rozpraszanie elastyczne pp 14 TeV BSW model -t [GeV 2 ] d /dt [mb / GeV 2 ] t p 2 2 pQCD diffractive structure nuclear region Coulomb-nuclear interference Coulomb region Coulomb region: photon exchange, d /dt 1/|t| 2 Coulomb-nuclear interference: photon-Pomeron interference => nuclear region: Pomeron exchange, d /dt exp(-B|t|) diffractive structure: pQCD: triple-gluon exchange, d /dt |t| -8 |t | (GeV 2 ) Wyznaczenie tot : pomiar rozpraszania elastycznego dla nuclear region. Dla *= 1540 m |t min |=0.002 GeV 2

17 17 Pomiar tot METODA: Błąd 1. Zmierzyć całkowitą liczbę przypadków N el +N inel 0.8% (po jednym dniu dla L= cm -2 s -1 ) 2. Zmierzyć rozpraszanie elastyczne dla małych t, a następnie wykonać ekstrapolację do t=0 0.5% (stat. 0.07%) 3. nie jest znane, z przewidywań COMPETE dla LHC: (z dopasowania do danych) 0.2% To całkowity błąd na tot 1%

18 18 Rozpraszanie elastyczne od ISR do TeVatronu proton-protonproton-antyproton 31 GeV 53 GeV (x10 -2 ) 62 GeV (x10 -4 ) 546 GeV (x10 -6 ) 630 GeV (x10 -8 ) 1.8TeV (x ) 1.96TeV Desgrolard et al., hep-ph/ M.Deile et al., hep-ex/ Co zmierzy TOTEM dla 14 TeV?

19 19 Rozpraszanie elastyczne - LHC * = 1540 m (1) L = 3.6 x cm -2 s -1 pp 14 TeV (BSW model) -t [GeV 2 ] d /dt [mb / GeV 2 ] ~1 day (1) (5) 10 4 per bin of GeV 2 M.Deile et al., hep-ex/ L = 1.6 x cm -2 s -1 * =18 m (5) Pomiar dla 0.002<|t|<8 GeV 2

20 20 Pomiar krotności cząstek Uwaga: pomiar pędu na podstawie informacji z TPC i wewnętrznego systemu śladowego - ITS, dla pomiar krotności cząstek naładowanych w szerokim zakresie (~9 jednostek): ITS Pixel (dla obszaru centralnego ) i FMD (Forward Multiplicity Detector) pomiar krotności dla obszaru centralnego ALICE, ATLAS, CMS mają w obszarze centralnym detektory o wysokiej ziarnistości – pixel detectors. Pomiar krotności cząstek naładowanych poprzez zliczanie hitów. ALICE: ATLAS i CMS:

21 21 Rozkłady dN ch /d Zależność od energii Run pilotażowy przy 900GeV dla LH C – możliwość porównania z wynikami UA5 inelastic Wzrost produkcji cząstek z energią zderzenia dla całego zakresu Spadek widoczny dla dużych pseudopospieszności - efekt kinematyczny hadrony naładowane

22 22 Produkcja cząstek w obszarze centralnym dN/dη| η=0 Zależność od energii dN/dη| η=0 =a+b×ln(s) -przewidziane przez Feynmana: PRL23,1415(1969) dN/dη| η=0 =a+b×ln(s)+c×ln 2 (s) -człon z ln 2 wynik procesów twardych (np. PLB121,209(1983)) Odstępstwa od zależności ln(s) widoczne już przy energii SPS (900GeV) hadrony naładowane

23 23 LHC C.Roda, HCP2006 Rozkłady dN ch /d Przewidywania modeli dla energii LHC non single diffractive. 200 GeV 1.8TeV 14TeV Dla LHC, znaczne różnice w przewidywaniach (dla rozkładów dN ch /d i dN ch /d Dla obszaru centralnego: - PYTHIA wzrost ln 2 (s), PHOJET wzrost ln(s) - przewidywana produkcja: 5-7 cząstek na jednostkę pseudo-pospieszności

24 24 vs. Energia Żeby zmierzyć całkowitą krotność cząstek (N ch ) eksperyment musi mieć dobre pokrycie przestrzeni fazowej (p T,y). N ch otrzymane poprzez scałkowanie rozkładu dN/dη. M. Demarteau FERMILAB-Conf-92/103 Dopasowanie do danych (s<550GeV) daje zależność typu ln 2 (s) = ln(s) ln 2 (s) = ln(s) ln 2 (s) dla Tevatronu (s =1.8TeV): średnio ok. 40 cząstek naładowanych Proste wytłumaczenie: 1) energie na tyle niskie, że dN/dη| η=0 jeszcze ~ ln(s) 2) η kinematycznie dozwolone rośnie ~ ln(s) 3) rozkład dN/dη płaski (w zerowym przybliżeniu) -> ~ln 2 (s) Ile cząstek zobaczymy przy energii LHC? Dla LHC pomiar taki może wykonać eksperyment ALICE.

25 25 Rozkłady krotności Badanie skalowania KNO 1972: Skalowanie KNO kształt rozkładu nie zależy od energii Z.Koba,H.B.Nielsen, P.Olesen Nucl.Phys.B 40, 317 (1972) P n - prawdopodobieństwo, że przypadek ma krotność n - wartość średnia dla rozkładu P n z=n/ C. Fuglesang, La Thuile Multipart. Dyn (1989) widoczna zależność od energii: -> łamanie skalowania KNO UA5

26 26 Kształt rozkładu krotności dla energii 900GeV: dopasowanie NBD (negative binomial distribution) nie dobre C. Fuglesang, La Thuile Multipart. Dyn (1989) non single diffractive zależy od energii UA5 200 GeV 546 GeV 900 GeV UA5 900 GeV Co wydarzy się dla wyższych energii? Czy też suma dwóch NBD czy będą jeszcze jakieś inne wkłady? dobre dopasowanie dla sumy dwóch NBD ->dwa wkłady: od fizyki miękkiej i od mini-jetów Wyniki z LHC użyte do sprawdzenia przewidywań modeli (generatorów MC)

27 27 Rozkłady pędu poprzecznego Zależność od energii M.J.Tannenbaum nucl-ex/ małe p T (<~2GeV/c) – miękka fizyka zależność eksponencjalna (exp(-Bp T )) słaba zależność od energii opis fenomenologiczny duże p T – twarda fizyka hadrony - fragmenty jetów z rozpraszania na składnikach (partonach) zależność potęgowa (p T -n ) silna zależność od energii opis przez pQCD (niepewności w PDF, funkcjach fragmentacji) Z dopasowania do danych -> ustalenie parametrów modeli teoretycznych. ALICE Informacja z TPC i ITS: |η|<1, 0.1GeV/c


28 28 Średni pęd poprzeczny Zależność od energii - pierwszy moment rozkładu pędu poprzecznego - pierwszy moment rozkładu pędu poprzecznego wzrost z energią = ln( s) ln 2 ( s) = ln( s) ln 2 ( s) LHC Z dopasowania do danych –UA1 fit: oraz przewidywań modeli : hadrony naładowane obszar centralny dla energii LHC cząstki naładowane będą miały ~ 0.6 GeV/c

29 29 Średni pęd poprzeczny Zależność od krotności cząstek hadrony naładowane wyznaczony dla danego zakresu Podwójna zależność: - od energii zderzenia - od krotności cząstek naładowanych Dla wyższych energii: szybki wzrost z krotnością efekt tłumaczony wzrostem produkcji mini-jetów z energią W.Kittel, Acta Phys. Pol.B12,35(2004) Dla niższych energii (<60GeV): maleje z krotnością efekt kinematyczny ALICE może wykonać taki pomiar dla obszaru centralnego |η|<1 (tam gdzie TPC)

30 30 Pomiary widm dla cząstek zidentyfikowanych CDF, s = 1.8 TeV wzrost z krotnością cząstek J.P. Revol ALICE-PUB Badania dla różnych cząstek w stanie końcowym Badania dla różnych cząstek w stanie końcowym vs. N ch vs. N ch Przykład: efekt różny dla różnych cząstek ALICE może wykonać taki pomiar dla obszaru centralnego |η|<1 (tam gdzie TPC)

31 31 Pomiary widm dla cząstek zidentyfikowanych Rekonstrukcja torów i identyfikacja cząstek: - piony i kaony p T <1GeV/c - protony p T <2GeV/c Cząstki zrekonstruowane. Kolory - obszar, gdzie możliwa identyfikacja przy pomocy dE/dx. F.Sikler CMS meeting Dla małych p T również CMS będzie mógł identyfikować cząstki. Na podstawie informacji z krzemowych detektorów pixelowych: K p

32 32 Badanie produkcji jetów Eksperymentalnie jety definiowane przy użyciu informacji z kalorymetrów, w których nastąpił depozyt energii cząstek należących do jetu Twarde oddziaływanie partonów: partony rozproszone pod dużymi kątami Po hadronizacji : jety cząstek skolimowane wokół kierunków rozproszonych partonów

33 33 Rekonstrukcja jetów Znalezienie stożka, w którym zawarty jest jet. W rzeczywistości, na płaszczyźnie ( ) poszukuje się okręgu o promieniu R: R tak dobrane by wewnątrz okręgu zdeponowana była energia całego jetu: R zbyt małe - cząstki stowarzyszone z twardym rozproszeniem będą wykluczone R zbyt duże - dojdą cząstki z tzw. underlying event Przypadek twardego oddziaływania: dwa jety wiązki – pozostałość z początkowych protonów po twardym rozproszeniu dwa lub wiecej jetów pochodzących z hadronizacji partonów, które uległy twardemu rozproszeniu E T =E. sin –energia poprzeczna Energia poprzeczna jetu: suma wkładów wewnątrz R

34 34 Inkluzywne przekroje czynne na producję jetów Obszar centralny 1800GeV 630GeV 546GeV Dobra zgodność z obliczeniami teoretycznymi 1.96TeV M.Zieliński, Czech.J.Phys.54(2004) Dla energii LHC, w oddziaływaniach pp min.bias., dużo przypadków z jetami o dużych E T Produkcja jetów z dużymi E T silnie rośnie z energią Pomiar inkluzywnych przekrojów czynnych jetów: - ograniczenia na PDF - poszukiwanie nowej fizyki, np. ewentualnej struktury kwarków

35 35 Korelacje jet - jet Korelacje azymutalne Testowanie modeli teoretycznych M.Zieliński, Czech.J.Phys.54(2004) Testowanie i dostrajanie generatorów MC ISR – initial state radiation Rozkłady dijet - czułe na efekty radiacyjne Analiza eksperymentu DO: proton+antyproton s =1.96 TeV dijet jet1 jet2 | cone-jet finder: Obszar centralny Korelacje azymutalne między dwoma jetami o największych p T : jet1 o największym p T =p T max jet2 z p T >40GeV

36 36 Underlying Event (UE) beam remnants soft multiple parton interactions Dane min. bias będą użyte do analiz zwanych underlying event. Underlying Event – wszystkie cząstki w przypadku poza tymi, które pochodzą z procesu twardego, którym się interesujemy. Są to więc cząstki z pozostałości po wiązkach, a także pochodzące z initial-state radiation.

37 37 Przykład analizy underlying event (UE) Underlying Event w fizyce jetów:Underlying Event w fizyce jetów: Phys. Rev. D, (2002) ljet Obszar poprzeczny czuły na UE Analiza eksperymentu CDF: cone-jet finder: znajdujemy jet o największym p T – leading jet definiujemy obszar poprzeczny patrzymy na cząstki naładowane z obszaru poprzecznego p T >0.5 GeV | η | <1 Dla obszaru poprzecznego można badać różne wielkości: - liczbę cząstek (N chg ) - sumę pędów poprzecznych cząstek - maksymalny p T cząstek, etc.

38 38 Underlying event w fizyce jetów Przewidywania dla LHC (PHOJET, PYTHIA) Dane z LHC: -> dalsze dostrojenie generatorów LHC Tevatron x1.5 x 3 Transverse P t (leading jet in GeV) Liczba cząstek vs. pęd poprzeczny jetu: Początkowo wzrost, potem plateau Dane z CDF użyte do dostrojenia generatorów MC (PYTHIA –tuned) Phys. Rev. D, (2002)

39 39 Podsumowanie LHC ruszy w 2007 roku Już przy niskiej świetlności możliwych wiele pomiarów run pilotażowy 900GeV swietlność ~ cm -2 s -1 (~2 tygodnie = 10 6 sek) scałkowana świetlność 0.1 pb -1 pierwszy run fizyczny 14TeV swietlność ~ cm -2 s -1 (~10 7 sek) scałkowana świetlność 10 fb -1 Pomiary procesów z dużymi przekrojami czynnymi. p+p 900GeV L= 0.1 pb -1 Min. Bias (70/100mb) jet E T >100 GeV ( / b) produkcja 7x10 9 przypadków zarejestrowane(100Hz) 10 8 przypadków p+p 14TeV L= 10 fb -1 produkcja przypadków przypadków

40 40 Podsumowanie Informacja dla nowego obszaru energii Zrozumienie tła dla procesów zachodzących rzadko Testy modeli teoretycznych i dostrojenie generatorów MC Jedne z pierwszych pomiarów: - całkowity i elastyczny przekrój czynny - krotności cząstek - rozkłady pędu poprzecznego - produkcja jetów - analizy underlying event


Pobierz ppt "Co najpierw zmierzą eksperymenty przy akceleratorze LHC? Bożena Boimska IPJ - Fizyka otwarcia LHC Seminarium Fizyki Wysokich Energii, UW 26.01. 2007."

Podobne prezentacje


Reklamy Google