Wykład 7: Współczesne eksperymentyhep.fuw.edu.pl/u/zarnecki/wce12/wyklad07.pdf · -zasada...

Wszech swiat cz astek elementarnych

Wykład 7:Współczesne eksperymenty

prof. A.F.Zarnecki

Zakład Czastek i Oddziaływan FundamentalnychInstytut Fizyki Doswiadczalnej

Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 7: Współczesne eksperymenty 28 marca 2012 – p.1/45

Detekcja cz astek

• Przypomnienie- Kolajdery czastek- Podstawowe typy detektorów

• Budowa detektora uniwersalnego (hybrydowego)- zasada budowy- przykładowe konstrukcje

• Co rejestruja detektory- Co jest obserwowanym wynikiem zderzenia?

• Zbieranie i analiza danych- układ wyzwalania- przechowywanie i analiza danych

• Symulacje Monte Carlo

Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 7: Współczesne eksperymenty 28 marca 2012 ⇒ – p.2/45

Kolajdery

LEP/LHCNajwiekszym zbudowanym dotadakceleratorem był LEP. Zbudowanyw CERN pod Genewa miał obwódok. 27 km.W tym samym tunelu działa obec-nie akcelerator LHC.Przeciwbiezne wiazki protonów oenergii 4 TeV (docelowo 7 TeV)W kazdej docelowo 2800 "paczek"po 1011 protonów.

Docelowo zderzenia co 25 ns(40 milionów na sekunde)

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 7: Współczesne eksperymenty 28 marca 2012 ⇒ – p.3/45

Kolajdery


Kolajdery

Przeciwbiezne wiazki pro-tonów w LHC maja miecdocelowo energie 2×7 TeV(1 TeV = 1000 GeV)

Intensywnosc wiazek bedzietak duza, ze oczekujemyprodukcji do 1000 “nowych”czastek (np. czastek Higgsa)na godzine !

Przypadków produkcji tychczastek beda poszukiwacdwa eksperymenty: ATLAS iCMS


Detekcja cz astek

JonizacjaU podstaw działania przewazajacej wiekszosci detektorów czastekelementarnych lezy zjawisko jonizacji:

Czastka naładowana przechodzac przez osrodek oddziałujeKulombowsko z elektronami i oddaje im czesc swojej energii“wybijajac” je z atomów.


Detekcja cz astek

Detektory półprzewodnikoweCoraz powszechniej uzywane.

Bardzo rózne technologie, m.in. CCD(uzywane w fotografii cyfrowej)

Bardzo precyzyjny pomiarpozycji czastek (rzedu µm)

Mierzone punkty przejscia wiazki czastek

przez piec warstw "teleskopu":

Niestety wciaz drogie...


Detekcja cz astek

Detektory gazowe

TPCKomoraprojekcjiczasowej

Przypadekzderzeniaciezkichjonów

detektorSTARprzy RHIC


Detekcja cz astek

KalorymetryWysokoenergetyczny elektron lub foton wpadajac do detektorawywołuje kaskade składajaca sie z N ∼ E czastek

Mierzac liczbe czastek lub całkowita długosc torów (całkowitajonizacje) mozemy dokładnie okreslic energie czastki poczatkowej

Kalorymetr jednorodny

np. blok scyntylatora

Kalorymetr próbkujacy

warstwy detektora na przemian zgestym absorberem


Detekcja cz astek

Kalorymetry

Symulacja rozwojukaskady hadronowej(pomiar energii protonu)


Współczesne eksperymenty

Detektory s a jak ogry...

Ogry sa jak cebula...Cebula ma warstwy...

Ogry maja warstwy...

Detektory maja warstwy...



Struktura warstwowa

Współczesne eksperymentyfizyki wysokich energii(zwłaszcza te na wiazkachprzeciwbieznych) sa naogółzbudowane z wielu róznorod-nych elementów.

Ułozone jeden za drugim detektory umozliwiaja optymalny pomiarwszystkich rodzajów czastek i ich (zwykle czesciowa) identyfikacje.



Detektor uniwersalnyTen schemat opisuje wiekszosc współczesnych eksperymentów przykolajderach (LEP, HERA, Tevatron, LHC, ILC):

Kolejno od srodka detektora:• detektor wierzchołka

jak najblizej osi wiazki, okresla gdzie zaszło zderzenie,identyfikuje rozpady czastek krótkozyciowych(tzw. wierzchołki wtórne)najczesciej detektor półprzewodnikowy

• detektory sladowepomiar torów czastek naładowanych, wyznaczenie pedówczastek z zakrzywienia w polu magnetycznymnajczesciej detektory gazowe(minimalizuje oddziaływania czastek w detektorze)



Detektor uniwersalny

• kalorymetr elektromagnetycznypomiar energii elektronów i fotonówgesty materiał absorbujacy lawine czastek(miedz, ołów, wolfram)

• kalorymetr hadronowypomiar energii hadronów (protony, neutrony, piony, kaony)gesty materiał absorbujacy lawine czastek; lawina hadronowajest wielokrotnie dłuzsza od elektromagnetycznej.

• detektory mionoweidentyfikacja mionów - jedyne czastki naładowane, które mogaprzejsc przez kalorymetry bez duzych strat energii



+−

+−

+−

γ

ν

ο

kalorymetryd. sladoweTPCVTX e.−m. hadronowy

det.

µ

, p...

n, K...

π

e

mionowe

,



Schemat detektora CMS



Przypadki rejestrowane w detektorze CMS



OPAL

Detektor OPAL,akcelerator LEP,zderzenia wiazekprzeciwbieznyche+e−


Co rejestruj a detektory

W akceleratorze LEP zderzano elektrony i pozytony przy energiidostepnej

√s = 90 − 210GeV .

Co jest wynikiem zderzenia? Co pokazuje nam detektor?

Najprostszy przypadek

e+e− −→ e+e−




√s = 90 − 210GeV .

Co jest wynikiem zderzenia? Co pokazuje nam detektor?

Najprostszy przypadek

e+e− −→ µ+µ−




√s = 90 − 210GeV .

W około 10% przypadków widzimy powstajace elektrony lub miony

A jak interpretowac takiprzypadek?




√s = 90 − 210GeV .

W około 10% przypadków widzimy powstajace elektrony lub miony

A jak interpretowac takiprzypadek?

Produkowanych jest wieleczastek, ale układaja sie wwyrazne “strugi”(ang.: jety)


Hadronizacja

W zderzeniu powstaje parakwarków: e+e− → qq


Hadronizacja


Kwarki oddalaja sie odsiebie, rosnie oddziały-wanie kolorowe


Hadronizacja



Dochodzi do emisji glu-onów


Hadronizacja




Gluony konwertuja na parykwark-antykwark


Hadronizacja




Gluony konwertuja na parykwark-antykwark

Kwarki i antykwarki for-muja “białe” hadrony




√s = 90 − 210GeV .

W prawie 90% przypadków widzimy powstajace jety hadronowe.

Naogół powstaja 2 jety




√s = 90 − 210GeV .

W prawie 90% przypadków widzimy powstajace jety hadronowe.

Naogół powstaja 2 jetyAle mozliwe tez:

e+e− −→ qqg




√s = 90 − 210GeV .

Dla√

s > 2MW mozliwa produkcja par bozonów W±

Trzy mozliwe diagramy:

W przedstawionym przypadku

W+ → qq 2jety

W− → e− + νe

neutrino rekonstruujemy z zasady zachowania energii i pedu



ZEUS

Detektor ZEUS,akceleratorHERA,zderzenia wiazekprzeciwbieznyche±p



Compact Muon Solenoid - CMS



ATLAS: przypadek produkcji bozonu W przy energii 7 TeV



W detektorze CMSprzy LHC mamynadzieje zobaczyctakie przypadki:

Produkcja BozonuHiggsa i rozpadH → ZZ → µ+µ−µ+µ−

symulacja !!!



Poszukiwania bozonu Higgsa a nastepnie pomiar jego parametrówjest jednym z głównych tematów badan w LHC.

Najbardziej obiecujacy jest kanał:

pp → H → Z◦Z◦ → l+l−l+l−

gdyz naładowane leptony (e± i µ±)mozna łatwo zidentyfikowac (kalorymetrelektromagnetyczny, komory mionowe)

Ale wciaz nie jest to łatwe zadanie!

symulacja !!!



Rozkład masy niezmienniczej par mionów rekonstruowanych wdetektorze CMS, w danych w roku 2010. Jesli para mionów powstałaz rozpadu jakiejs czastki to masa niezmiennicza odpowiada jej masie.



Do tej pory znalezione w ATLAS i CMS przypadki, w którychwidoczne sa dwa bozony Z◦ w rozpadzie na dwa miony, niepozwalaja rozstrzygnac czy widzimy bozon Higgsa.

Ale mamy nadzieje, ze na ostateczne wyjasnienie do konca 2012.⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 7: Współczesne eksperymenty 28 marca 2012 ⇒ – p.33/45


Przy kazdym przecieciu paczekzderzac sie bedzie kilkadziesiatpar protonów.

W prawie kazdym zderzeniuwyprodukowane beda noweczastki.

Koło miliarda oddziaływan nasekunde!

Jak wybrac te ciekawe?



Układ wyzwalaniaSygnały z detektora sana biezaco “podgladane”przez dedykowane układyelektroniczne.

Tylko “ciekawe” sygnałysa czytane z detektora.

Te przypadki sa dalejprzepuszczane przezspecjalne programy - “fil-try”, które maja odrzucacwszystkie smieci.

Zapisujemy tylko to, coma szanse byc ciekawe!

particle mass (GeV)

σ rate ev/yearLHC √s=14TeV L=1034cm -2s-1

barn

mb

µb

nb

pb

fb

50 100 200 500 1000 2000 5000

GHz

MHz

kHz

Hz

mHz

µHz

1

10

10 2

10 3

10 4

10 5

10 6

10 7

10 8

10 9

10 10

10 11

10 12

10 13

10 14

10 15

10 16

LV1 input

max LV2 inputmax LV1 output

max LV2 output

σ inelastic

bb–

tt–

WW→lν

Z

Z→l+l-

ZSM→3γ

gg→HSM

qq–→qq

–HSM

HSM→ZZ(*)→4l

HSM→γγ h→γγtanβ=2-50

ZARL→l+l-

Zη→l+l-scalar LQ

SUSY q~q~+q

~g~+g

~g~

tanβ=2, µ=mg~=mq

~

tanβ=2, µ=mg~=mq

~/2



Układ wyzwalania

Aby wybrac ciekawe przypadki trzeba sie imbardzo dokładnie przyjzec. Ale zaden układnie byłby w stanie przeanalizowac dokładnie40 milionów przypadków na sekunde!

Rozwiazanie: system wielopoziomowy!

Poziom 1: bardzo szybki (dedykowana elek-tronika), odrzuca 99.9% oczywistych smieci.Poziom 2: analizuje podstawowe parametryprzypadku, wybiera 1% do dalszej analizyPoziom 3: pełna analiza i ostateczna decyzja



Układ wyzwalania schemat



Układ wyzwalania

Najtrudniejszy Poziom 1.

Decyzje trzeba podjacw ok. 3 µs (przez tyleczasu dane sa pamietanew rejestrach elektronikiodczytu).

Dominuje czas potrzebnyna przesyłanie informacji!



Zbieranie irekonstrukcja danych

Ilosc zbieranych danychdawno przekroczyła mozli-wosci pojedynczego kom-putera.

1 przypadek to MB danych

zbieramy miliony przypadków

Do niedawna mozna to byłotrzymac i przetwarzac w jed-nym miejscu...


GRID dla LHC


GRID dla LHCKumputery na całym swiecie zostały połaczone w ogromna siec.

Głównym wezłem tej sieci jest CERN (poziom 0).

Poziom 1 stanowia najwieksze narodowe osrodki obliczeniowe naswiecie, połaczone bezposrednio z CERN.

Poziom 2 tworza regionalne centra obliczeniowe i duze uniwersytety,które łacza sie z wezłami poziomu 1.

Do poziomu 3 naleza poszczególne jednostki naukowe, wydziały itp.

Dla “zwykłego” uzytkownika wszystkie zasoby sieci (CPU i dyski)widoczne sa jako jedna całosc !!!

Łaczne zasoby dostepne do analizy danych LHC (tylko poziomy 0-2):1 800 000 procesorów, 170 000 TB przestrzeni dyskowej,170 000 TB tasm (archiwizacja) + bardzo szybkie łacza (!)


Symulacje

Zapotrzebowanie na moc obliczeniowa i przestrzen dyskowa wynikanie tylko z ilosci zbieranych danych.

Ich analiza we współczesnych eksperymentach jest niemozliwa bezwykorzystania metod symulacji komputerowej, tzw. Monte Carlo.

Przy pomocy programów Monte Carlo generujemy próbkisymulowanych przypadków, zarówno tych poszukiwanych czyli“sygnału” (np. Higgsa) jak i procesów tła.

Ich analiza pomaga nam zrozumiec działanie detektora, dobracwłasciwe ciecia na poziomie układu wyzwalania (!), ocenicefektywnosc rejestracji przypadków i dokładnosc ich rekonstrukcji.

Symulacja obejmuje wszystkie elementy: badane procesy fizyczne,oddziaływanie czastek w detektorze, odpowiedz detektora, algorytmysystemu wyzwalania.


Symulacje

Dlaczego potrzebujemy symulacji?

Symulacja nie jest sposobem na uproszczenie zagadnienia, czy“zakrycie” naszej niewiedzy.

Teoretycznie, wykorzystujac posiadane informacje moglibysmyprzedstawic oczekiwane wyniki pomiaru w postaci zbioru formułmatematycznych.

Ale ich policzenie w tradycyjny sposób byłoby praktycznie niemozliwe.

Metoda Monte Carlo jest sposobem na policzenie (przesumowanielub przecałkowanie) takich formuły z dowolna dokładnoscia,praktycznie ograniczona jedynie przez czas i szybkosc działaniakomputera.


Przykład

Jak policzyc pole powierzchni bardzo nieregularnej figury(np. zadanej przez skomplikowana formułe matematyczna).Sa dwa podejscia:w obu musimy znac obszar w którym zawarta jest figura

Sumowac powierzchnie małychelementów nalezacych do figury.

Policzyc jaki ułamek losowowybieranych punktów znajduje siewewnatrz figury.


Symulacje

W przypadku eksperymentów przy LHC tło do poszukiwanychsygnałów “nowej fizyki” jest bardzo duze - symulacje sa niezbedne.Poszukiwanie bozonu Higgsa w kanale H → γγ

Symulacja próbki 100fb−1 Dane ATLAS (4.9fb−1)

[GeV]γγm

100 110 120 130 140 150 160

Eve

nts

/ 1 G

eV

0

100

200

300

400

500

600

700

800

-1 Ldt = 4.9 fb∫ = 7 TeV, sData 2011,

ATLAS PreliminaryData

=130 GeV, 1xSMHMC m

Total background (Fit)

γγ→H

⇐ Wszechswiat czastek elementarnych Wykład 7: Współczesne eksperymenty 28 marca 2012 – p.45/45

Wykład 7: Współczesne eksperymentyhep.fuw.edu.pl/u/zarnecki/wce12/wyklad07.pdf · -zasada...

Documents

Transcript of Wykład 7: Współczesne eksperymentyhep.fuw.edu.pl/u/zarnecki/wce12/wyklad07.pdf · -zasada...