Co najpierw zmierzą eksperymenty przy akceleratorze LHC? - Fizyka „otwarcia” LHC Bożena Boimska IPJ Seminarium Fizyki Wysokich Energii, UW 26 .01. 2007

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

Wprowadzenie p Dlaczego interesujące? Zderzenia p+p przy LHC: procesy miękkie (low-pT) – opis przez modele fenomenologiczne npQCD procesy twarde (high-pT) - opis przez pQCD Po uruchomieniu LHC (dla niższej świetlności) - fizyka „minimum bias”: Badanie procesów zachodzących z dużymi przekrojami czynnymi (ogólnie, charakteryzują się niższymi pT). Dlaczego interesujące? obszar energii do tej pory nie badany zrozumienie „tła” dla sygnałów high-pT (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

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)

Large Hadron Collider • zderzenia p-p przy √s = 14TeV • przecięcie wiązek co 25 ns (40 MHz) • Run time: 107 s/rok low-luminosity: L ≈ 2 x 1033cm-2s-1 (L ≈ 20 fb-1/rok) high-luminosity: L ≈ 1034cm-2s-1 (L ≈ 100 fb-1/rok) jesień 2007 ( 2-3 tygodnie): „Run pilotażowy” - głównie techniczny ale też fizyka. Min. bias , √s = 900 GeV, świetlność ~ 1029cm-2s-1 2008: Pierwszy run fizyczny √s = 14 GeV, stopniowe dochodzenie do „low-luminosity” Kolejne lata: √s = 14 GeV, dochodzenie do „high-luminosity”

Eksperymenty przy LHC ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) & CMS (Compact Muon Solenoid) - dedykowane badaniom p+p - zoptymalizowane dla dużych pT 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 pT - 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)

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

Detektor CMS Pixels , Microstrips |η|< 2.5 |η|< 3 Wewnętrzny układ śladowy detektory krzemowe Pixels , Microstrips |η|< 2.5 Kalorymetry (ECAL i HCAL) Scintillating PbWO4 crystals, Plastic scintillator/brass sandwich |η|< 3 ziarnistość: Dh x Df ~ 0.087 x 0.087 rozdzielczość energetyczna: ECAL: HCAL: Stacje mionowe Drift Tube Chambers, Cathode Strip Chambers, Resistive Plate Chambers pseudopospieszność:  = - ln (tg /2) Detektor ATLAS zbudowany podobnie do CMS

Detektor ALICE TOF HMPID PID PID (RICH) @ high pT TRD Electron ID (TR) L3 Magnet TOF PID HMPID PID (RICH) @ high pT TRD Electron ID (TR) PMD γ multiplicity FMD Charged multiplicity ITS Low pT tracking Vertexing MUON μ-pairs TPC Tracking, PID (dE/dx) PHOS γ, π0 Not shown: T0, V0, ZDC Budowa bardziej złożona

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

Porównanie eksperymentów J.P. Revol , ALICE-PUB-2002-02 ALICE rozdzielczość pędowa ~1 – 2% pT< 20 GeV/c ALICE: małe pT, PID CMS & ATLAS: b. duże pT, hermetyczne kalorymetry

Eksperyment TOTEM T1: 3.1 < h < 4.7 (CSC) T2: 5.3 < h < 6.5 (GEM) T1 T2 CASTOR (CMS) RP1 (147 m) RP2 (180 m) RP3 (220 m) Teleskopy T1 i T2 : detekcja przypadków nieelastycznych ~10 m detektory krzemowe wewnątrz jednostek zw. ‘Roman Pot’ – RP: detekcja protonów rozproszonych pod małymi kątami (~kilka mrad) brzeg detektora ~1mm od wiązki ~14 m FIZYKA: Pomiar całkowitego przekroju czynnego (dokładność 1%) Rozpraszanie elastyczne dla zakresu 10 -3 < -t  (p  )2 < 10 GeV2 Dyfrakcja (razem z CMS)

Plany ‘runów’ Wyznaczenie tot z dokładnością 1% dla b*= 1540 m K.Eggert, hep-ex/0602025 Wyznaczenie tot z dokładnością 1% dla b*= 1540 m (Wstępny pomiar dla b*=90m -> dokładność ~kilka %) b* - amplituda oscylacji betatronowych. Określa parametry poprzeczne wiązki. Dla b* =1540m: mała rozbieżność kątowa wiązki ~0.3 mrad, duży rozmiar wiązki ~0.4 mm (=> mała liczba paczek w wiązce => mała świetlność)

Całkowity przekrój czynny - tot 546 GeV UA4: CDF: 1.8 TeV CDF: E710: E811: Niezgodność E811 - CFD: 2.6s CDF E811 Dopasowanie do danych hadronowych wykonane przez współpracę COMPETE (niebieska linia). Przewidywana wartość dla LHC: [PRL 89 201801 (2002)] Przewidywania modeli (czarne linie): 90-120 mb CEL: pomiar tot z dokładnością 1% (~1mb)

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

Rozpraszanie elastyczne Coulomb region |t | (GeV2) 10-4 10-3 0.8  2 Coulomb-nuclear interference Coulomb region: photon exchange, ds/dt  1/|t|2 Coulomb-nuclear interference: photon-Pomeron interference => r nuclear region: Pomeron exchange, ds/dt  exp(-B|t|) diffractive structure: pQCD: triple-gluon exchange, ds/dt |t|-8 nuclear region ds/dt [mb / GeV2] diffractive structure pQCD pp 14 TeV BSW model -t [GeV2]  t  p2 q2 Wyznaczenie tot : pomiar rozpraszania elastycznego dla „nuclear region”. Dla b*= 1540 m |tmin|=0.002 GeV2

Pomiar tot To całkowity błąd na tot 1% METODA: Błąd 1. Zmierzyć całkowitą liczbę przypadków Nel+Ninel 0.8% (po jednym dniu dla L=1.6 .1028cm-2s-1) 2. Zmierzyć rozpraszanie elastyczne dla małych t, a następnie wykonać ekstrapolację do t=0 0.5% (stat. 0.07%) 3. r nie jest znane, z przewidywań COMPETE dla LHC: (z dopasowania do danych) 0.2% To całkowity błąd na tot 1%

Rozpraszanie elastyczne od ISR do TeVatronu Desgrolard et al., hep-ph/0001149 M.Deile et al., hep-ex/0602021 proton-proton proton-antyproton 31 GeV 53 GeV (x10-2) 62 GeV (x10-4) 546 GeV (x10-6) 630 GeV (x10-8) 1.8TeV (x10-10) 1.96TeV Co zmierzy TOTEM dla 14 TeV?

Rozpraszanie elastyczne - LHC M.Deile et al., hep-ex/0602021 104 per bin of 10-3 GeV2 ds/dt [mb / GeV2] pp 14 TeV (BSW model) b* = 1540 m (1) L = 1.6 x 1028 cm-2 s-1 b*=18 m (5) -t [GeV2] L = 3.6 x 1032 cm-2 s-1 ~1 day (1) (5) Pomiar dla 0.002<|t|<8 GeV2

Pomiar krotności cząstek ALICE, ATLAS, CMS mają w obszarze centralnym detektory o wysokiej ziarnistości – pixel detectors. Pomiar krotności cząstek naładowanych poprzez zliczanie „hitów”. ALICE: pomiar krotności cząstek naładowanych w szerokim zakresie h (~9 jednostek): ITS Pixel (dla obszaru centralnego |h|<1.5) i FMD (Forward Multiplicity Detector) Uwaga: pomiar pędu na podstawie informacji z TPC i wewnętrznego systemu śladowego - ITS , dla |h|<1 ATLAS i CMS: pomiar krotności dla obszaru centralnego |h|<2.5

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

Produkcja cząstek w obszarze centralnym dN/dη|η=0 Zależność od energii hadrony naładowane dN/dη|η=0=a+b×ln(s) - przewidziane przez Feynmana: PRL23,1415(1969) dN/dη|η=0=a+b×ln(s)+c×ln2(s) człon z ln2 wynik procesów twardych (np. PLB121,209(1983)) Odstępstwa od zależności ln(s) widoczne już przy energii SPS (900GeV)

Rozkłady dNch/dh Przewidywania modeli dla energii LHC „non single diffractive” C.Roda, HCP2006 14TeV . 1.8TeV 200 GeV Dla LHC, znaczne różnice w przewidywaniach (dla rozkładów dNch/dh i dNch/dh|h=0 ) Dla obszaru centralnego: - PYTHIA wzrost ln2(s), PHOJET wzrost ln(s) - przewidywana produkcja: 5-7 cząstek na jednostkę pseudo-pospieszności

<Nch> vs. Energia M. Demarteau FERMILAB-Conf-92/103 Dopasowanie do danych (√s<550GeV) daje zależność typu ln2(s) Proste wytłumaczenie: 1) energie na tyle niskie, że dN/dη|η=0 jeszcze ~ ln(s) 2) Dη kinematycznie dozwolone rośnie ~ ln(s) 3) rozkład dN/dη płaski (w zerowym przybliżeniu) -> <Nch> ~ln2(s) <Nch>=2.99-0.23ln(s)+0.168 ln2(s) dla Tevatronu (√s =1.8TeV): średnio ok. 40 cząstek naładowanych Ile cząstek zobaczymy przy energii LHC? Żeby zmierzyć całkowitą krotność cząstek (Nch) eksperyment musi mieć dobre pokrycie przestrzeni fazowej (pT,y). Nch otrzymane poprzez scałkowanie rozkładu dN/dη. Dla LHC pomiar taki może wykonać eksperyment ALICE.

Rozkłady krotności Badanie skalowania KNO 1972: Skalowanie KNO kształt rozkładu Y nie zależy od energii Z.Koba,H.B.Nielsen, P.Olesen Nucl.Phys.B 40, 317 (1972) Pn - prawdopodobieństwo, że przypadek ma krotność n <n> - wartość średnia dla rozkładu Pn z=n/<n> UA5 widoczna zależność od energii: -> łamanie skalowania KNO C. Fuglesang, La Thuile Multipart. Dyn. 193-210 (1989)

Kształt rozkładu krotności C. Fuglesang, La Thuile Multipart. Dyn. 193-210 (1989) „non single diffractive” UA5 900 GeV 546 GeV zależy od energii UA5 900 GeV 200 GeV dla energii 900GeV: dopasowanie NBD (negative binomial distribution) nie dobre dobre dopasowanie dla sumy dwóch NBD ->dwa wkłady: od fizyki miękkiej i od mini-jetów Co wydarzy się dla wyższych energii? Czy też suma dwóch NBD czy będą jeszcze jakieś inne wkłady? Wyniki z LHC użyte do sprawdzenia przewidywań modeli (generatorów MC)

Rozkłady pędu poprzecznego Zależność od energii zderzenia proton+(anty-)proton hadrony naładowane obszar centralny M.J.Tannenbaum nucl-ex/0507020 małe pT (<~2GeV/c) – „miękka” fizyka zależność eksponencjalna (exp(-BpT)) słaba zależność od energii opis fenomenologiczny duże pT – „twarda” fizyka hadrony - fragmenty jetów z rozpraszania na składnikach (partonach) zależność potęgowa (pT-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<pT<100GeV/c

Średni pęd poprzeczny Zależność od energii <pT> - pierwszy moment rozkładu pędu poprzecznego hadrony naładowane obszar centralny wzrost <pT> z energią LHC Z dopasowania do danych –UA1 fit: oraz przewidywań modeli : <pT>=0.4-0.030ln(√ s)+0.0053ln2(√ s) dla energii LHC cząstki naładowane będą miały <pT> ~ 0.6 GeV/c

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

Pomiary widm dla cząstek zidentyfikowanych Badania dla różnych cząstek w stanie końcowym J.P. Revol ALICE-PUB-2002-02 Przykład: <pT> vs. Nch CDF, √s = 1.8 TeV wzrost <pT> z krotnością cząstek efekt różny dla różnych cząstek ALICE może wykonać taki pomiar dla obszaru centralnego |η|<1 (tam gdzie TPC)

Pomiary widm dla cząstek zidentyfikowanych Dla małych pT również CMS będzie mógł identyfikować cząstki. Na podstawie informacji z krzemowych detektorów pixelowych: F.Sikler CMS meeting 12.2006 p K p Cząstki zrekonstruowane. Kolory - obszar, gdzie możliwa identyfikacja przy pomocy dE/dx. Rekonstrukcja torów i identyfikacja cząstek: - piony i kaony pT<1GeV/c - protony pT<2GeV/c

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

Rekonstrukcja jetów h f Znalezienie stożka, w którym zawarty jest jet. W rzeczywistości, na płaszczyźnie (h,f) 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 h f ET=E.sinq –energia poprzeczna Energia poprzeczna jetu: suma wkładów wewnątrz R

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

Korelacje jet - jet Korelacje azymutalne Rozkłady Dfdijet - czułe na ‘efekty radiacyjne’ Obszar centralny M.Zieliński, Czech.J.Phys.54(2004) Analiza eksperymentu DO: proton+antyproton √s =1.96 TeV Dfdijet = |fjet1 -fjet2| „cone-jet finder”: Korelacje azymutalne między dwoma jetami o największych pT: jet1 o największym pT =pTmax jet2 z pT>40GeV Testowanie modeli teoretycznych Testowanie i „dostrajanie” generatorów MC ISR – initial state radiation

„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”.

Przykład analizy „underlying event” (UE) „Underlying Event” w fizyce jetów: Analiza eksperymentu CDF: Obszar poprzeczny „czuły” na UE Phys. Rev. D, 65 092002 (2002) Df = f - fljet „cone-jet finder”: znajdujemy jet o największym pT – „leading jet” definiujemy obszar poprzeczny patrzymy na cząstki naładowane z obszaru poprzecznego pT>0.5 GeV |η|<1 Dla obszaru poprzecznego można badać różne wielkości: - liczbę cząstek (Nchg) sumę pędów poprzecznych cząstek maksymalny pT cząstek, etc.

„Underlying event” w fizyce jetów Liczba cząstek vs. pęd poprzeczny jetu: Phys. Rev. D, 65 092002 (2002) Transverse < Nchg > LHC Początkowo wzrost <Nchg>, potem „plateau” Dane z CDF użyte do „dostrojenia” generatorów MC (PYTHIA –tuned) x 3 x1.5 Przewidywania dla LHC (PHOJET, PYTHIA) Dane z LHC: -> dalsze „dostrojenie” generatorów Pt (leading jet in GeV) Tevatron

Podsumowanie LHC ruszy w 2007 roku Już przy niskiej świetlności możliwych wiele pomiarów run pilotażowy 900GeV swietlność ~ 1029cm-2s-1 (~2 tygodnie = 106 sek) scałkowana świetlność 0.1 pb-1 pierwszy run fizyczny 14TeV swietlność ~ 1033cm-2s-1 (~107 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 ET>100 GeV ( /1mb) produkcja 7x109 przypadków zarejestrowane(100Hz) 108 przypadków p+p 14TeV L= 10 fb-1 produkcja 1015 przypadków 1010 przypadków

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