LHC/CMS kokeen simulointi

1. Veikko Karimäki Fysiikan tutkimuslaitos Fysiikan jatkokoulutuskurssilla 2010 LHC/CMS kokeen simulointi

2. Sisältö pääpiirteissään • MC menetelmät - johdanto • MC menetelmät suurenergiafysiikassa: • Monte Carlo - eventtien generointi • Monte Carlo - detektorivasteen simulointi • LHC/CMS -kokeet

3. MC menetelmät - johdanto • Kehittäjä Stanislaw Ulam Manhattan-projektissa • Aluksi vain akateemista mielenkiintoa – tietokoneet vasta tulossa • On osoittautunut erittäin hyödylliseksi tietokoneaikana • Sovelluksia laajalti: luonnontieteet, taloustieteet, ...

4. Monte Carlo menetelmät - perusajatus • Perusajatus: monimutkaisten ja pitkien laskutoimitusten sijasta, suorittaa suuri määrä ”kokeita” käyttäen satunnaislukuja ja tilastoida tapahtumien piirteitä • Erityisen sopiva hiukkasfysiikassa: ilmiöt satunnaisprosesseja

5. Generoi satunnaispisteitä peittävän suorakaiteen sisään. Laske pisteet, jotka osuvat alueeseen S=(Nhit/Ntotal)*S(rectangle) Yksinkertainen esimerkki: pinta-alan laskeminen • Peitä kuvio hilalla, laske kuvion sisään osuvien hilakoppien lukumäärä, saat arvion pinta-alasta

6. Comte de Buffon 1707-1788 • Neulan pudotuskoe: ensimmäinen Monte Carlo simulointi • P (neula osuu viivalle) = • Piin likiarvon laskeminen! • Huom: simulointiprosessi <==> integrointi yleisemminkin

7. Miksi kokeita simuloidaan? • HEP koelaitteistot tavattoman kalliita • Ilmaisimen optimointi tärkeätä ennen kuin voidaan ryhtyä rakentamaan • Simulointiohjelmisto sisältää kaiken oleellisen tiedon ilmaisuun vaikuttavista hiukkasprosesseista • Ilmaisimen tehokkuus voidaan tutkia ja suunnittelua korjata tarpeen vaatiessa • Voidaan havainnollistaa mitä ilmaisimessa tapahtuu ja nähdä mahdolliset virheet • Ja (tärkeätä): simuloinneissa mukana koko tunnettu hiukkasfysiikka – vertaamalla dataan pyritään löytämään uusia ilmiöitä analyysivaiheessa

8. Global Sketch of HEP Experiment ~1990 (CMS) Determine Physics Goal Simulation Study Beam/Detector Decide subdetectors Electronics R&D Subdetector R&D Software R&D Beam test Readout Trigger(hardware) Simulation code Trigger(software) Rawdata recording Data reconstruction Skimming/MDST Analysis tools Database Caliibration Monitoring System Integration Cosmic rays Beam commissioning System debugging System Calibration Data Taking Momentum/Energy/Mass PID/Lifetime/BF Resolution/Efficiency/background Systematic study Data Analysis Publish Results ~2010

9. Simulointeihin perustuvia CMS design raportteja

10. Suurenergia-fysiikassa • Jako kahdentyyppiseen MC-simulointiin: • Eventtien (reaktioiden) generointi ja prosessien vaikutusalojen laskeminen (teoreettisempi) • Detektorisimulointi: geometria, tracking, response, ...

11. Keskeiset ohjelmistotyökalut • Eventtien generointi: Pythia • Detektorisimulointi: Geant4 • Analysointi: ROOT • Koekohtaiset, esim: CMSSW (sisältää ’kaiken’) • Pythia, Geant ja ROOT vapaasti asennet-tavissa esim. kotikoneelle (miel. Linux)

12. Pythia6 - FORTRAN home.thep.lu.se/~torbjorn/pythiaaux/recent.html

13. PYTHIA8 - C++ home.thep.lu.se/~torbjorn/Pythia.html

14. PYTHIA omalle koneelle • http://home.thep.lu.se/~torbjorn/pythiaaux/recent.html (Fortran) • Pythia lähdekoodi ja manuaali (download) • g77 – kääntäjä tarvitaan • http://www.helsinki.fi/~karimaki/CMHEP/Lectures/lectureNotes.pdf (löytyy ohjeita) • Yksinkertaisin pääohjelma: • PROGRAM MAIN • CALL PYLIST(12) • END • Listaa tunnetut alkeishiukkaset ja niiden ominaisuudet • Löytyy sovellusesimerkkejä

15. Muita eventtigeneraattori koodeja • HERWIG – aluksi e+e-, hadronit myöhemmin • ISAJET – general purpose • ISASUSY – super symmetric particle production • Alpgen • CompHEP • TopReX – top hajoamiset

16. ROOT analyysiohjelmisto root.cern.ch

17. ROOT omalle koneelle • http://root.cern.ch • Imuroi versio 5.22 (esim) • Seuraa ohjeita • Hyvin toimiva asennus-skripti • Joukko tutoriaaliesimerkkejä • Todella monipuolinen ohjelmisto (histogrammit, sovitukset, math, ...) • Mahdollinen myös Windows-alustalle • Kts.myös: • www.helsinki.fi/~karimaki/CMHEP/Lectures/lectureNotes.pdf

18. Geant4 - ilmaisinsimulointi http://geant4.cern.ch/

19. LHC koelaitteistoja Atlas CMS Geant-simuloidut rakenteet

20. Mitä ilmaisinsimulointi on? • Ohjelmiston pitää voida tarkasti kuvata koelaitteisto (sekä materiaalit että geometria) • Ohjelmistoon pitää voida syöttää generoidutfysiikan eventit (kinematiikka) ja ”uittaa” (jäljittää) hiukkaset simuloidun ilmaisimen läpi • Hiukkasten ja väliaineen vuorovaikutukset pitää simuloida ottaen huomioon kaikki mahdolliset prosessitkoko kysymyk-seen tulevalla energia-alueella • Tallennetaan simuloinnin aikana tietoja tapahtuvista vuorovaikutuksista ja hiukkasten tuottamista signaaleista • Graafiset ja plottaus työkalut ovat tarpeen • … ja lisäksi paljon muuta …

21. Jäljestys (tracking) • Askelittain edeten lasketaan hiukkasradalla suureet x,y,z,t,Px,Py,Pz • Key role to measure each track momentum and event vertexing with precise vertex detector • Varatun hiukkasen kaareutuminen magn. kentässä • Energiahäviö jarrutussäteilyn johdosta • Energiahäviö ionisaatioprosessissa • Moninkertainen Coulombin sironta • Hiukkashajoamiset • Hadroniset vuorovaikutukset väliaineessa • ...

22. Transverse slice through CMS detector Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press “escape” to exit

23. Mahdolliset fysiikan prosessit Geant4 simuloi: Processes by hadrons Decay in flight Multiple scattering Ionization and -rays production Hadronic interaction Generation of Cerenkov light Processes by ± Decay in flight Multiple scattering Ionization and -rays production Ionisation by heavy ions Bremsstrahlung Direct (e+,e-) pair production Photonuclear interaction Generation of Cerenkov light • Processes by photon • (e+,e-) pair production • Compton collision • Photoelectric effect • Photo fission of heavy elements • Rayleigh effect • Processes by e± • Multiple scattering • Ionization and -rays production • Bremsstrahlung • Annihilation of positron • Generation of Cerenkov light • Synchrotron radiation

24. CMS laitteisto – Geant4 kuvaus

25. Pixel ilmaisin – Geant4 50 cm

26. Impulssin mittaustarkkuus simuloimalla CMS tracking system: suhteellinen tarkkuus Dp/p

27. Simulated tracker event

28. Simuloitu Higgsin hiukkanen hajoaa, CMS

29. Fast detector simulation • Tarkka simulointi Geant4:llä erittäin hidasta (ryöppyjen tracking) • Tarvitaan paljon simulointuja eventtejä • Puhutaan “full” and “fast” simuloinnista • “Fast simulation” on nopea mutta likimääräinen, voidaan käyttää alustaviin tutkimuksiin • Lopullinen analyysi edellyttää yleensä Geant4 (“täyttä”) simulointia

30. Yhteenveto - I • Simulointi: ilmaisimen suunnittelu ja optimointi • lmaisinkuvaus (Geant4) • Hiukkaseventit kuvattuun ilmaisimeen (jäljestys) • Ilmaisinsignaalien simulointi – mittauspisteitä jäljille • Jälkien hahmontunnistus ja rekonstruktio • Resoluutioiden, rekonstruktiotehokkuuden tutkimus • Uusi iteraatiokierros – parannettu ilmaisimen suunnitelma • Samalla kalibrointi-. rekonstruktio- ja analyysiohjelmistojen kehitystyötä

31. Yhteenveto - II • Simulointi: hiukkastörmäysten analyysi • Hiukkaseventtien generointi (tav. Pythia) • Ajo ilmaisimeen (”full simulation”), Geant4 • Simuloitujen törmäystapahtumien rekonstruktio • Fysikaalisten suureiden jakautumat (analyysi) • LHC-ajot • Mielenkiitoisten eventtien valintaprosessi (1-3 tason triggeröinti) • Tapahtumien analyysi, vertailu simuloitujen suureiden jakautumiin