1 / 40

Co najpierw zmierzą eksperymenty przy akceleratorze LHC?

Co najpierw zmierzą eksperymenty przy akceleratorze LHC?. - Fizyka „otwarcia” LHC. Bożena Boimska IP J. Seminarium Fizyki Wysokich Energii, UW 26 .01. 2007. Plan. Wprowadzenie Akcelerator LHC i jego eksperymenty Pomiary:

dafydd
Download Presentation

Co najpierw zmierzą eksperymenty przy akceleratorze LHC?

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

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

  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. p p Wprowadzenie 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

  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. Large Hadron Collider •zderzeniap-p przy √s =14TeV •przecięcie wiązek co25 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”

  6. Eksperymenty przy LHC ATLAS (AToroidal 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)

  7. ATLASiCMS– dedykowane badaniom zderzeń p+p ALICE- dedykowany badaniom HI (ma też program p+p)

  8. Detektor CMS Wewnętrzny układ śladowy detektory krzemowe Pixels, Microstrips|η|< 2.5 Kalorymetry (ECAL i HCAL) Scintillating PbWO4 crystals, Plastic scintillator/brasssandwich |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

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

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

  11. 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

  12. T1:3.1 < h < 4.7 (CSC) T2: 5.3 < h < 6.5 (GEM) T1 T2 CASTOR (CMS) RP2 (180 m) RP1 (147 m) RP3 (220 m) Eksperyment TOTEM Teleskopy T1 i T2 : detekcja przypadków nieelastycznych ~10 m detektory krzemowe wewnątrz jednostek zw. ‘Roman Pot’ –RP: detekcjaprotonów 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 < 10GeV2 • Dyfrakcja (razem z CMS)

  13. Plany ‘runów’ K.Eggert, hep-ex/0602025 Wyznaczenie totz 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)

  14. Całkowity przekrój czynny - tot 546 GeVUA4: CDF: 1.8 TeVCDF: 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)

  15. Pomiar tot TOTEM zmierzy tot wykorzystując Twierdzenie Optycznebez 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totmożnawyznaczyć świetlność akceleratora:

  16. Rozpraszanie elastyczne Coulomb region • |t | (GeV2) • 10-4 • 10-3 • 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  p2q2 Wyznaczenie tot : pomiar rozpraszania elastycznego dla „nuclear region”. Dla b*= 1540 m |tmin|=0.002 GeV2

  17. Pomiar tot METODA: Błąd 1. Zmierzyć całkowitą liczbę przypadków Nel+Ninel0.8% (po jednym dniu dla L=1.6 .1028cm-2s-1) 2. Zmierzyć rozpraszanie elastyczne dla małych t, a następnie wykonać ekstrapolację do t=00.5%(stat. 0.07%) 3. r nie jest znane, z przewidywań COMPETE dla LHC: (z dopasowania do danych)0.2% To całkowity błąd natot1%

  18. 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?

  19. 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

  20. 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

  21. Rozkłady dNch/dhZależność 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

  22. 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 ln2wynik procesów twardych • (np. PLB121,209(1983)) Produkcja cząstek w obszarze centralnym dN/dη|η=0Zależność od energii hadrony naładowane Odstępstwa od zależności ln(s) widoczne już przy energii SPS (900GeV)

  23. Rozkłady dNch/dhPrzewidywania modeli dla energii LHC 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 wzrostln2(s),PHOJET wzrostln(s) • - przewidywana produkcja:5-7 cząstek na jednostkę pseudo-pospieszności

  24. <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=0jeszcze ~ 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.

  25. Rozkłady krotnościBadanie 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)

  26. 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)

  27. Rozkłady pędu poprzecznegoZależność 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

  28. Średni pęd poprzecznyZależność 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

  29. Średni pęd poprzecznyZależność 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)

  30. 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)

  31. Pomiary widm dla cząstek zidentyfikowanych Dla małych pTrównieżCMS 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

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

  33. Rekonstrukcja jetów 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 wykluczoneR 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

  34. 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

  35. Korelacje jet - jet Korelacje azymutalne RozkładyDfdijet- 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

  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. 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.

  38. „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

  39. 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 900GeVL= 0.1 pb-1Min. Bias (70/100mb) jet ET>100 GeV ( /1mb) produkcja 7x109przypadków zarejestrowane(100Hz) 108przypadków p+p 14TeVL= 10 fb-1 produkcja 1015przypadków 1010 przypadków

  40. 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

More Related