Title: Ricostruzione di elettroni e fotoni in ATLAS e CMS
1Ricostruzione di elettroni e fotoni in ATLAS e CMS
- Introduzione i calorimetri elettromagnetici di
ATLAS e CMS e loro prestazioni su fascio - Ricostruzione di elettroni e fotoni
- Problematiche di ricostruzione sperimentale
materiale di fronte al calorimetro - Efficienze varie e performances
- Identificazione di elettroni e fotoni isolati
- Elettroni e fotoni come trigger
- Calibrazione dei detector con eventi di fisica
2Ricostruzione di e/? richieste dalla fisica
- Benchmark H?gg (accessibile per MH?150 GeV) e H
? 4e - s(M) dominata da risoluzione sperimentale per
Higgs di bassa massa - Fondamentale quindi avere una buona risoluzione
in energia e angolo - termine stocastico a lt 5-10 GeV1/2
- temine di noise blt 200-300 MeV
- termine costante clt 0.5-0.7
- Misura direzione dello sciame
- s(?)?50 mrad/?(E/GeV)
3Altre richieste della fisica
- Inoltre
- Ricostruzione in un ampio spettro di energia (da
pochi GeV per fisica del B e soft-electron
tagging alla scala del TeV per nuova fisica) - Elettroni e fotoni utilizzati come canali di
trigger ad LHC - Separazione e/jet eccellente (105)
- Separazione eccellente g/jet (103), in
particolare g/p0 per p0 isolati di alto pT - Necessario un ampio intervallo di accettanza
geometrica - Precisione scala dellenergia 0.1
- 0.02 per misure di precisione, e.g. MW
4Calorimetri Elettromagnetici
ATLAS
CMS
VS
5ATLAS il calorimetro elettromagnetico
- Calorimetro a campionamento Pb-LAr
intrinsecamente rad-hard - 3 sampling longitudinali strips, middle, back
- Posizionato al di fuori del solenoide
- Granularità molto fine in ? delle strips
- Presampler (? lt 1.8)
- 200000 canali !!
Geometria a fisarmonica
Back
Sampling Granularity ?? x ?? Depth
Presampler 0.025 X 0.1
Strips 0.003 X 0.1 5X0
Middle 0.025 X 0.025 16X0
Back 0.05 X 0.025 2 to 10 X0
Middle
Strips
Presampler
6ATLAS il calorimetro elettromagnetico
- Goal risoluzione a10, c0.7
- Ermeticità la geometria con elettrodi e
assorbitori piegati a fisarmonica - garantisce una copertura totale senza zone
morte nella coordinata azimutale - Copertura in eta
- 0 lt ? lt 1.475 Barrel
- 1.375 lt ? lt 3.2 Endcap
- Zone morte
- 1.4 lt ? lt 1.55 Transizione barrel / endcap
-
- Calibrazione stabile il calorimetro ha ? 200000
canali di lettura. - Ogni canale viene calibrato mediante una rete
di calibrazione elettronica
7ATLAS EM prestazioni su fasciolinearità e
risoluzione
Dati di testbeam 2002
Linearita del calorimetro (barrel) ? 0.1
(escluso il punto a 10 GeV) Meglio dello ? 0.1
tra 20 180 GeV
- Risoluzione del calorimetro
- Sampling term(a) Barrel 10 Endcap lt12.5
- Noise elettronico 250 MeV (cluster 3x3)
- Local constat term(c) 0.2
Trattandosi di un calorimetro a sampling bisogna
introdurre uno schema di calibrazione dei samples
capace di ottimizzare la risoluzione mantenendo
la linearità
- E fondamentale una eccellente descrizione MC
del rivelatore per definire la parametrizzazione
della calibrazione dei samples - Esportabilita dello schema ad ATLAS deve
considerare gli effetti del materiale di fronte
al calorimetro (anche in questo caso la stima
sarà effettuata sia sui dati che sul MC)
8ATLAS EM prestazioni su fasciouniformità e
termine costante globale
Endcap testbeam 2002
- Maggiore contributo al termine costante globale
dato dalluniformità della risposta dei canali - Si è dimostrato che grazie ad unattenta
costruzione sistema di calibrazione
dellelettronica si riesce ad ottenre
ununiformita locale (in un settore ?? x ??
0.2 x 0.4) dellordine di 0.5 - Sarà poi possibile intercalibrare in-situ diverse
regioni con eventi di fisica (Z?ee-) per
ottenere un termine costante globale (c)0.7
0.59
0.52
0.57
Barrel P13 Barrel P15
RMS 0.57 0.64
9CMS il calorimetro elettromagnetico
- Omogeneo a cristalli
- Tungstato di piombo PbW04
- ?75000 cristalli
- allinterno del solenoide
- campo magnetico B4 T
- Detector compatto
- 25 X0 in 22 cm
- Alta granularita
- contenimento laterale RMolière 22 mm
- faccia del cristallo 22 mm (1 RMolière) x 22 mm
- Cristallo PbW04
- veloce 80 della luce emessa dal cristallo
- in 25 ns
- radiation hard
- Preshower
- endcap 1.653lt?lt2.6
- migliorare separazione ?/?0
10CMS il calorimetro elettromagnetico
- Goal risoluzione a2.5, c0.5
- Ermeticità garantita da geometria non pointing
(3 in ? e ?) - Copertura in ?
- 0 lt ? lt 1.479 Barrel
- 1.55lt ? lt 3 Endcap
- Readout
- APD Barrel
- VPT Endcap
- Monitoring laser
- PbWO4 perde trasparenza (lt3-4) quando irraggiato
- Segnale laser permette di seguire la calibrazione
del singolo canale (lt0.2)
11CMS alcuni contributi alla risoluzione
- Termine costante contributi
- Intercalibrazione
- stabilita temperatura (lt 0.1 oC)
- stabilita tensione APD ( 30 mV)
- uniformita longitudinale di raccolta della luce
(lt 0.35/ X0) - Seguire la variazione della risposta del
cristallo con monitoring laser (lt0.3)
0.04C
2 months
0.35/ X0
Uniformità LY (/X0)
12CMS prestazioni su fascio
Dati di testbeam 2004
Risoluzione che soddisfa pienamente gli
obiettivi di disegno
Typical resolution
13Differenze rispetto ai test su fascio materiale
di fronte al calorimetro
- Situazione reale complicata dalla presenza del
materiale dovuto ai sistemi di tracking - ATLAS pixel, microstrips di Si, straw tubes (con
funzionalita TRD) - CMS pixel e microstrips
-
CMS
- ATLAS ha il magnete solenoidale e il criostato di
fronte al calorimetro (molto vicino al
calorimetro) ma ha un campo magnetico inferiore
(2T contro 4T) rispetto a CMS
elettroni Pt 30 GeV nel barrel
ATLAS
Materiale si traduce in conversione di fotoni
(50 dei ? dallH converte in rlt80 cm)
bremsstrahlung di elettroni
CMS
1.4 X0
0.8 X0
14Ricostruzione di elettroni e fotoni schema
generale
- Elettroni e fotoni hanno bisogno di una
ricostruzione rapida in quanto utilizzati come
oggetti di trigger - La ricostruzione di elettroni e fotoni parte
dallidentificazione di depositi di energia nei
calorimetri EM (fatto tramite algoritmi di
clustering) - Separazione elettroni e fotoni basata sul
matching tra tracce e cluster. Per avere una
separazione rapida a livello di trigger è
possibile utilizzare un set ridotto di
informazioni. Ad esempio CMS sfrutta il matching
con i primi layer del tracker per separare
elettroni e fotoni. - Gli algoritmi devono tenere conto degli effetti
combinati del materiale di fronte al calorimetro
e del campo magnetico.
15ATLAS algoritmi di clustering
- Atlas sta sviluppando e confrontando due diversi
algoritmi - Sliding window algorithm (studiati da lungo
tempo) usano una finestra di dimensione fissa
(asimmetrica, maggiore in ?) ottimizzata per
diverse categorie di particelle. Tipiche
dimensioni ?x? in termini di samples middle - 3x3, 3x5, 5x5 fotoni non convertiti
- 3x7 elettroni e fotoni convertiti
- Topological clustering algorithm (più recente)
i cluster sono costruiti raggruppando celle che
sono topologicamente neighbors - Necessarie correzioni applicate allenergia ed
alla posizione ricostruite per stimare energia e
direzione iniziali di elettroni e fotoni - Per lo sliding window algorithm
- Dipendono dal tipo di particella, dallenergia e
dalla posizione (?,?) - Per il topological cluster
- Le correzioni dipendono anche dalle soglie
- Le correzioni per ora sono stimate sui MC. Sarà
poi possibile valutarle sui dati (ad esempio
utilizzando Z?ee-)
16ATLAS risoluzione in energia
Effetto del materiale molto importante nella
regione di transizione (non può essere utilizzata
per misure precisione)
elettroni
fotoni
Termine stocactico a (/vGeV)
Termine stocactico a (/vGeV)
17ATLAS direzione dei fotoni
- Bassa luminosità
- Possibilità di combinare in ? le misure delle
strip e del middle la misura del vertice dall
Inner Detector (?z40 ?m) - Alta luminosità
- Nessun uso del vertice dallID. Solo uso del
calorimetro (ruolo fondametale delle strips).
Possibilità di misurare la z del vertice primario
dalla direzione dei ?
lt??gt ? 50 mrad/?E
- H???
- 13.3 mm
- ?(LHC) 56 mm
Vertice primario dalla direzione dei ?
18CMS algoritmi di clustering
- CMS utilizza per elettroni e fotoni convertiti
algoritmi dinamici di clustering - Hybrid Algorithm
- ottimizzato per il barrel (sfrutta la geometria
?-?) - Island Algorithm
- ottimizzato per gli endcap (considera anche
lenergia rilasciata nel preshower 3X0) - Vengono denominati SuperCluster in quanto
costituiti da cluster di cluster - Anche in questo caso necessarie correzioni per
- effetti del materiale di fronte al calorimetro
- contenimento trasversale
19CMS ricostruzione di elettroni
- Un altro ingrediente fondamentale per la
ricostruzione di elettroni è la ricostruzione
della traccia associata allelettrone ed il
matching con il cluster - CMS migliorato recentemente gli algoritmi di
tracciamento ottimizzandoli nel caso di elettroni - Si può avere una misura diretta della quantità di
bremsstrahlung emessa da un elettrone nel
tracciatore utilizzando la differenza di impulso
tra la traccia al vertice e la traccia al
calorimetro - Usando questa misura ed il matching tra la
traccia e il cluster è possibile classificare gli
elettroni in diverse categorie. - Questa informazione può rivelarsi molto utile in
analisi quali H?4e per identificare eventi golden
(con migliore risoluzione di massa)
Efficienza di ricostruzione gt90 per pTgt7 GeV
20CMS risoluzione in energia
Elettroni
Fotoni
La risoluzione in energia è diversa per elettroni
appartenti a diverse categorie
A bassa energia (lt20 GeV) è conveniente combinare
la misura di impulso del tracker e quella del
calorimetro
Per fotoni non convertiti si ripristinano
condizioni tipo test beam (ricostruzione
dellenergia con matrice 5x5)
21CMS direzione dei fotoni
- CMS ha bisogno della misura del vertice primario
per misurare la direzione dei fotoni - Negli eventi H??? a bassa luminosità
il
vertice può essere identificato con
efficienza del 90 - Ad altà luminosità lefficienza di
identificazione
del vertice scende intorno al
60 - Se ci sono conversioni il vertice può essere
ricostruito a partire dalle conversioni
? 43 ?m
z reco vtx z true vtx (cm)
rconvlt18 cm
18 ltrconvlt58 cm
22ATLAS separazione e/jet
EM cluster-track matching (after LVL1 only, low
lumi)
- Separazione e/jet basata su
- Variabili che descrivano lo sviluppo laterale e
longitudinale dello sciame - Leakage nel calorimetro adronico
- Associazione traccia-cluster
- Numero di hit nel TRT
- Possono essere utilizzati differenti metodi
statistici per combinare queste informazioni - Semplici tagli, reti neurali, likelihood ed altre
tecniche - Risultati tipici
- Bassa luminosità ?(e)73.5, R(j)2x105
- La separazione di elettroni da pioni e la bontà
della descrizione del MC è stata anche studiata
al test beam
jets
electrons
Fraction of TRT hi-threshold hits
E/p
23ATLAS separazione ?/jet
Variabili utilizzate
- Sviluppo laterale dello sciame nel sample middle
- Leakage nel calorimetro adronico
- Fine segmentazione in ? delle strips per
discriminare ? e ?0 isolati (R?0 ? 3-4 con ?? ?
90) - Reiezione finale ?/jet
- gt103 per efficienza sui ? ?80
Rejection factor
eg 90
Emin(g)/E(p0)
24CMS separazione e/jet
- Anche per CMS le variabili utilizzate sono
- Sviluppo laterale dello sciame
- Leakage nel calorimetro adronico
- Matching traccia-cluster
- E possibile ottimizzare i parametri di
identificazione per diverse categorie di
elettroni - Tecniche multivariate attualmente in fase di
studio - Risultati preliminari
- Per 90 efficienza su elettroni 6x104 reiezione
sui jets
25CMS separazione g/?0
- CMS conta invece di utilizzare una rete neurale
che usa come input variabili sullo sviluppo
laterale dello sciame (sfruttando la fine
segmentazione di ECAL). Negli endcaps alla rete
neurale vengono aggiunte le informazioni del
preshower - Fotoni convertiti si sfrutta anche il matching
tra le tracce ed i cluster
Eff. Endcap 90
Eff. Barrel 90 pT gt 20 GeV reiezione
3 pT gt 35 GeV reiezione 2
26Isolamento
- Altro ingrediente fondamentale sia del trigger
che di molte analisi è lisolamento - Diverse tecniche di isolamento possibili
- Isolamento nel tracciatore
- Isolamento in ECAL
- Isolamento in HCAL
- Risultati migliori ottenuti combinando le
diverse tecniche e ottimizzati in maniera diversa
nelle diverse analisi - Risulati tipici sono una reiezione su jets dovuta
allisolamento di circa 50 per efficienze del 90
Isolamento con il tracker nel caso di elettroni
(CMS)
Risultati combinando diverse tecniche di
isolamento per i fotoni (CMS)
27ATLAS CMS trigger e/?
ATLAS
CMS
Esempio a L21033 cm-1 s-1
Oggetto di Trigger Soglia (GeV) Rate (Hz) Soglia (GeV) Rate (Hz)
Elettrone Isolato 25 40 23 21
Doppio Elettrone Isolato 15 40 12 2
Fotone Isolato 60 25 80 4
Doppio Fotone Isolato 20 25 30, 20 2
- Caveat 1 le soglie vanno considerate per il
momento in maniera indicativa. Molti i motivi per
I quali le soglie e leselezioni potrebbero
cambiare
- Algoritmi che migliorano costantemente
- Comprensione del detector in fase di
commissioning
- Caveat 2 Allo stesso modo vanno considerate
anche le rates
- Sezione durto dei jets, underlying event
potrebbero indurre sistematiche dellordine del
10
Efficienza del trigger sulla fisica
ATLAS H(m130) -gt ZZ -gt 4e
CMS
L Trigger Efficienza ()
e25i 96.5 0.2
21033cm-1s-1 2e15i 95.8 0.2
Efficienza calcolata su tagli di preselezione
28Calibrazione/Commissioning
- I calorimetri al giorno 0
- La calibrazione sarà la sfida maggiore per la
comprensione di questi detector - Non solo intercalibrazione ma anche
- Correzioni algoritmiche agli algoritmi di
ricostruzione al materiale di fronte al
calorimetro (la stima sul MC può essere usata
solo come approssimazione) - Scala assoluta dellenergia
- Principali canali usati da entrambi gli
esperimenti Z ? e e- (1 Hz bassa lumi), W ? e?
(10 Hz bassa lumi) - Non va dimenticato che allinizio di LHC la
luminosità non sarà quella di disegno (bassa
statistica di W e Z), quindi - eventi minimum-bias (trigger random allinizio di
LHC?) - CMS conta di utilizzare lalta rate di ?0 ed ?0
come tool rapidi di calibrazione - Un altro task fondamentale in fase di
commissioning è la misura nei dati della quantità
di materiale da trasferire nelle simulazioni
dettagliate
Cosmici misure di LY in lab. Alcuni SM (5-6)
precalibrati su fascio (0.5) per valutare
effetti sistematici
ATLAS CMS
Uniformita 1 3
Scala assoluta 1-2 1-2
Uniformità intrinseca calibrazione elettronica
29ATLAS uso di Z?ee-
- Uniformità entro regioni ?? x ?? 0.2 x 0.4
(totale 448 regioni per ? lt 2.5) aspettata
0.5 - Lintercalibrazione tra le varie regioni può
essere effettuata con il canale Z?ee- con
precisione dello 0.3, per raggiungere un termine
constante globale ? 0.7. (sufficiente qualche
giorno alla luminosità nominale) - La Z può essere anche utilizzata per stimare
oltre alle intercalibrazioni anche i pesi da
assegnare ai samples longitudinali
30CMS strategia di calibrazione
scala assoluta
F rappresenta le correzioni algoritmiche in
generale funzione del tipo di particella e del
suo momento
Ampiezza raw del segnale per ogni canale
intercalibrazione
- La calibrazione in situ
- Sfruttare la simmetria in ? del detector per
intercalibrare gli anelli (possibile usare anche
eventi mimimum bias) - Uso di eventi Z?ee- per ottenere la scala
assoluta e intercalibrare vari settori - Uso del rapporto E/p con elettroni da W?e? per
intercalibrazione del singolo canale ed
allineamento - Eventi di Z???? tool alternativo per avere una
calibrazione con fotoni e valutare
indipendentemente gli effetti del materiale - ?0??? e ???? come tool rapido ed alternativo di
intercalibrazione che usa fotoni
- Laser monitoring
- Calibrare le variazioni short range della
trasparenza del cristallo (radiazione).
31Conclusioni
- ATLAS e CMS continuo lavoro di ottimizzazione
per il raggiungimento degli obiettivi di disegno
dei rispettivi calorimetri - Prestazioni su fascio di test in accordo con i
valori di disegno - Il materiale di fronte al calorimetro può
sensibilmente deteriorare le prestazione dei
calorimetri. Gli algoritmi ne tengono conto ma
cè spazio per ulteriore miglioramento. - Ottimizzazione della ricostruzione effettuata su
dati MC. Molto importanti i confronti diretti
effettuati tra dati e simulazione. Quelli fatti
fino ad ora hanno mostrato che laccordo è in
generale buono - Obiettivi fondamentali per il futuro
costruzione/commissioning, calibrazione e
comprensione degli effetti dovuti al materiale di
fronte al calorimetro - La partecipazione italiana a questi obiettivi
sarà fondamentale. In Italia cè esperienza sia
su hardware che argomenti di ricostruzione/calibra
zione
32BACKUP
33ATLAS Ricostruzione del segnale e problematiche
di readout
- Il guadagno di ogni cella viene calibrato
iniettando un segnale di calibrazione che simula
quello di fisica (0.2 precisione) - In realtà il segnale di fisica e di calibrazione
hanno - forma e ampiezze diverse (diverso punto di
iniezione - e diverso segnale iniettato)
34ATLAS Testbeam performance position resolution
- The combination of S1 and S2 ? position
measurements with longitudinal shower barycentres
gives an independent angular information
Angular resolution 55 mrad/?E
- H? ?? vertex reconstructed with 20-30 mm
accuracy - LHC interaction point ?Z56mm
35CMS Catena di trigger e/?
Soglia in ET sui candidati elettromagnetici
isolati
Ricostruzione calorimetrica, tagli in ET
Pixel matching
Fotoni Tagli in ET isolamento reiezione di ?0
Elettroni Associazione con le tracce, E/p, (Dh) ,
isolamento
36H?gg, H-gtZZ()?4e
- H???
- 110 Gev ?M1.37 GeV (?M/M1.2) ad alta L con
una accettanza dell80 nel mass bin (?1.4?) - 110 Gev ?M0.89 GeV (?M/M0.8) ad alta L con
una accettanza del 73 nel mass bin (? 1.9 GeV) - H?4e
- 130 GeV ?M1.54 GeV (?M1.81 GeV) a bassa (alta)
L con una accettanza dell83(85) nel mass bin
(?2?) - 130 GeV ?M1.29 GeV (? M/M 1.0) ad alta L con
una accettanza del 68 nel mass bin (?2 ?)
37ATLAS Separazione ?/?0
- Un setup particolare è stato realizzato sulla
linea di fascio H8 per - produrre ? di bremsstrahlung
- Coperto uno spettro 5-70 GeV con
- differenti Ebeam e correnti nel magnete
- Sovrapposti 2 ? per simulare ?0 con
- 50 GeV PT
Data ltRgt 3.54 ? 0.12 MC ltRgt 3.66 ? 0.10 eg
? 84 singolo fotone
38ATLAS calibrazione in situ Z?ee-
- Simulazione della calibrazione in situ
- Il calorimetro è stato diviso in regioni (?? x
?? 0.2 x 0.4) e un fattore di decalibrazione
?i è stato creato per ogni regione con 1.5 rms. -
- Per gli eventi con elettroni nelle regioni (i,j)
i coefficienti di (de)calibrazione possono
essere ricavati da un fit della distribuzione
ricostruita sulla lineshape di riferimento - Recenti test effettuati al particle level e in
fase di finalizzazione in full simulation (? 150k
evts) - Il goal di un global constant term ?0.3 può
essere ottenuto in alcuni giorni di presa dati a
bassa luminosità. - (Richiesto uno studio che includa più
dettagliatamente i principali effetti
sperimentali)
39CMS ? symmetry
endcap tracker region
Precisione con eventi minimum bias dipendente
dalla pseudorapidità a causa della non omogeneità
del materiale in phi
40CMS utilizzo di W e Z highlights
- Le Z possono essere utilizzate sia per ottenere
lintercalibrazione globale ma soprattutto per
stimare le correzioni algoritmiche
41ATLAS ricostruzione delle conversioni
- Conversioni a basso raggio/piccola z le piu
pericolose - Individuare le conversioni da fit tracce tracker
- Rlt40cm pixelstripsTRT
- Rgt40cm usa tracking ad hoc nel TRT
- Efficienza complessiva ? 86 (piatta in PT)
- Usare un cluster piu largo per ? convertiti
- ?x? 3x7 celle (? non convertiti 3x5 celle)
42CMS conversioni
43Stabilità nel tempo e temperatura (ATLAS)
-2 / ?K
- La dipendenza del segnale di fisica dalla
temperatura viene da - Densità dellArgon vs T -0.45 /K
- Velocità di Drift vs T -1.55 /K
- Una cella di referenza è stata illuminata durante
tutto il periodo di testbeam
Stability over 10 days 0.08
10 giorni
44PDFs determination using W bosons
- Measurement of W ? lepton rapidity distribution
can increase our knowledge of the PDFs useful
for many other measurements . - W-gte Rapidity distributions at GEN and DET Level
To Discriminate PDF Sets - W-gte Asymmetry and Ratio at GEN and DET Level To
possibly Minimise PDF Errors (under
investigation) - How accurate we need to be?
- Sensibility of the lepton pseudorapidity
distributions to the PDFs - Detector level distributions
- Systematic uncertainties first study on
misidentification but more sources need studies
(detector misalignments and efficiency,
backgrounds)
45W- -gt e- h Distributions at Generator Level
For the W- we will actually observe the leptons
from the decays
CTEQ61
MRST02
W- -gt e-
W- -gt e-
Error boxes are the full PDF Uncertainties
h
W- -gt e- events generated with HERWIG with
different PDFs (CTEQ61,MRST02,ZEUS02)) At y0 the
total uncertainty is 6 from ZEUS 4 from
MRST01E 8 from CTEQ6.1 ZEUS to MRST01 central
value diff. 5 We NEED to be more accurate
than 3
h
ZEUS02
W- -gt e-
h
46ATLAS detector simulation (AtlFast)
W and W- Rapidity
- Uncertainty in PDFs transferred to sizeable
variation in rapidity distribution of electrons - Limited by systematic uncertainties
- To discriminate between conventional PDF sets we
need to achieve an accuracy 3 on rapidity
distributions.
y
47W- -gt e- Full Simulation Detector and
Generator levels Comparison
Positron Pseudo-Rapidity
67K fully simulated events
h
Electron Pseudo-Rapidity
h