Studi di Minimum Bias e Underlying Event ad LHC

1. Studi di Minimum Bias e Underlying Event ad LHC F.Ambroglini, P.Bartalini, L.Fanò (members of the MBUE@CMS group)

2. Filippo Ambroglini - IFAE Sommario • Perché effettuare studi di MB e UE • Introduzione alla terminologia • Osservabili e strategie di Misura per UE a LHC

3. Filippo Ambroglini - IFAE Motivazioni allo studio del Minimum Bias e dell’Underlying Event • Studio della “soft” QCD • I Modelli forniscono una connessione profonda ad aspetti fondamentali delle collisioni adrone-adrone • Struttura degli adroni, Fattorizzazione delle interazioni Tuning dei Modelli Monte Carlo • Comprensione del rivelatore • Occupanze, Backgrounds etc. • Calibrazione di tools di primaria importanza • Jet Energy, Missing Energy, Jet Vetoes, Vertex Reconstruction, Photon/Lepton Isolation

4. Filippo Ambroglini - IFAE Minimum Bias (MB) • Generica interazione particella-particella. • Elastici + Inelastici (inclusi Diffractivi). ~ 100 mb @ LHC.  Soft. Low PT, low Multiplicity. • Che cosa si osserverebbe con un detector/trigger completamente inclusivo. • All’LHC, molte interazioni MB possono aver luogo in un singolo beam crossing. <Nint> = Linst * s.  MB può anche essere registrato se sono prodotte altre interazioni in grado di attivare il trigger.  Pile-up effect. I rivelatori di tracciatura possono essere utilizzati per distinguere tracce associate a diversi vertici primari. Situazione più complessa a livello dei calorimetri: è necessario impiegare metodologie di energy flow.

5. Filippo Ambroglini - IFAE Underlying Event (UE) • Tutta l’attività di una singola interazione particella-particella oltre al processo “interessante”. • Initial State Radiation (ISR). • Final State Radiation (FSR). • Spectators. • MPI interazioni partoniche multiple [T. Sjöstrand et al. PRD 36 (1987) 2019] • UE è correlato al relativo processo “interessante”. • Condivide il vertice di interazione. • L’attività dell’underlying event cresce con la scala di energia del evento associato Pedestal effect. • Non è sempre qualcosa di “fastidioso” ! Ex. Ricostruzione del vertice inHgg. • UE ≠ MB ma alcuni aspetti e concetti sono simili • Studio di Multiplicità & PT delle tracce cariche.

6. Filippo Ambroglini - IFAE Strategie per la misura del UE ad LHC Jet carichi: La topologia dell’interazione p-p viene desunta dall’informazione sulle tracce cariche, ricostruendo i jet con ICA (input  particelle cariche senza massa) Il jet carico più energetico definisce una direzione nel piano f La regione trasversa è particolarmente sensibile al UE Osservabili prinicipali: • dN/dhdf, densità di carica • d(PTsum)/dhdf, densità di energia Produzione D-Y di coppie di muoni: Le osservabili sono le stesse di quelle definite per i jet carichi solo si vanno a valutare in tutto il piano f (dopo aver rimosso la coppia di m tutto il resto è UE)

7. Filippo Ambroglini - IFAE Studi a livello generatore (Jet carichi) dN/dhdf La crescita per PT>50 GeV/c è dovuta alle radiazioni dei gluoni (ISR+FSR) dPTsum/dhdf PT>0.9 |h|<1

8. Filippo Ambroglini - IFAE Studi a livello generatore (D-Y) dN/dhdf dPTsum/dhdf PT>0.5 |h|<1 PT>0.9 |h|<1 PY-Atlas Tune ottimizzato per MB ha una distribuzione di PT più sofficeche ilPY-DW(fatto a CDF) ottimizzato per UE HERWIG è un utile modello senza MPI

9. Filippo Ambroglini - IFAE Trigger per UE in Jets • Attualmente non si ha un trigger specifico per il MB. • Trigger dedicato: • trigger sui p0, trigger sulle torri calorimetriche, jet soffice, forward trigger… • Utilizzando altre stream: • In questo modo tutte le altre interazioni di PU diventano eventi di segnale unbiased • Durante il pilot run (pp/X-bunch <1) sarà comunque indispensabile avere un trigger dedicato • Per questi studi sono state utilizzate le seguenti soglie di trigger, richiedendo almeno 1 jet calorimetrico con • PT>20 GeV/c (MB trigger) • PT>60 GeV/c • PT>120 GeV/c

10. Filippo Ambroglini - IFAE Studi a livello di dati ricostruiti (Jet carichi) - Distibuzioni di densità transverse transverse toward away away away toward away dNch/dhdf VS Df dPTsum/dhdf VS Df MB JET60 JET120 PT>0.9 |h|<1

11. Filippo Ambroglini - IFAE Studi a livello di dati ricostruiti (Jet carichi) - regione trasversa <Nch>/DhDf <PTsum>/DhDf PT>0.9 |h|<1 MC MB JET60 JET120 PT jet1 GeV/c PT jet1 GeV/c • Gli eventi sono stati pesati con le sezioni d’urto: • le barre di errore sono dominate dall’incertezza statistica • Luminosità è arbitraria ma scalata correttamente per ogni trigger • Buono l’accordo delle distribuzioni fra MC e RECO • Le differenze sono compatibili con le correzioni aspettate per i jet carichi e l’efficienza e fake delle tracce.

12. Filippo Ambroglini - IFAE Studi a livello di dati ricostruiti (Jet carichi) - regione trasversa Rapporto PT>0.9/PT>05 |h|<1 <PTsum>/DhDf MC MB JET60 JET120 PT jet1 GeV/c Le differenze fra MC e RECO vengono assorbite nel rapporto e non si devono più applicare correzioni

13. Filippo Ambroglini - IFAE Studi a livello di dati ricostruiti (D-Y) Regione trasversa MC REC MC REC <Nch>/DhDf <PTsum>/DhDf M(m,m) GeV/c M(m,m) GeV/c • Si ha poca statistica per eventi con Z off-shell: • le barre di errore sono dominate dall’incertezza statistica • Luminosità è arbitraria ma scalata correttamente • Buono l’accordo delle distribuzioni fra MC e RECO • Le differenze sono compatibili con le correzioni aspettate per i jet carichi e l’efficienza e fake delle tracce.

14. Filippo Ambroglini - IFAE Conclusioni • Quando LHC verrà acceso e avremo i primi dati “usabili” saremo in grado con gli attuali strumenti di effettuare misuare di UE sia utilizzando i jet carichi e per la prima volta in un collider adronico (CDF permettendo) utilizzando eventi D-Y

15. Backup slides

16. Filippo Ambroglini - IFAE Multiple Parton Interactions (MPI) d Impact Parameter The Pythia solution: [T. Sjöstrand et al. PRD 36 (1987) 2019] Multiple Parton Interactions ISR, FSR, SPECTATORS… • Non sufficienti per dare conto delle alte molteplicità osservate ai collider adronici Multiple high PT interactions osservate da AFS, UA2, CDF!!! Modello con parametro d’impatto variabile tra gli adroni; la materia adronica può essere descritta da Gaussiane Interazioni partoniche multiple in una singola collisione adronica Parametro principale: PT cut-off • Regolarizzazione delle sezioni d’urto per PT 0 • Può essere interpretato come l’inverso di una lunghezza di screening • Controlla il numero di interazioni partoniche e conseguentemente le molteplicità Introduce correlazioni IP nelle Multiple Parton Interactions! < Nint > = sparton-parton /sproton-proton Pedestal Effect

17. Filippo Ambroglini - IFAE Tuning MC ed estrapolazioni ad LHC • LHCb (Pythia6.134)[P. Bartalini et al., CERN 2000-004] • MPI con parametro d'impatto variabile e con cut-off running hanno successo nel riprodurre lo spettro di molteplicita‘ MB • CDF (Pythia6.206)[R. Field et al., PRD 65 (2003) 092002] • L'attivita' nella regione trasversa e' descritta da pythia “Tune A” altri modelli non hanno la stessa precisione • La sensibilita' all'attivita' underlying aumenta selezionando topologie di stato finale particolari: jets • ATLAS (Pythia6.214)[A.M.Moraes et al., hep-ph/0403100] • Ha il miglior accordo “globale” con i dati (sia MB che UE) • Il tuning di CDF funziona bene per descrivere l'UE al Tevatron ma l'accordo sul MB a bassa energia non e' buonissimo

18. Filippo Ambroglini - IFAE Studi a livello di dati ricostruiti (D-Y) (MmmRec – MmmMC)/MmmMC (MmmRec – MmmMC)/MmmMC VS MmmMC PT>0.9 |h|<1 M(m,m) Gev/c Lo spostamento sistematico della massa è da attribuirsi alla simulazione.

19. Filippo Ambroglini - IFAE Studi a livello di dati ricostruiti (D-Y) Regione trasversa (isolamento) <Nch>/DhDf <PTsum>/DhDf MC MC Reco Reco M(m,m) GeV/c M(m,m) GeV/c Criteri di isolamento per i muoni: • Nessuna traccia con PT > 0.9 GeV/c in un cono di raggio 0.3 nel piano h-f lungo la direzione del m Efficienza del 76.9% su eventi D-Y nessun evento di QCD (22) supera il taglio di isolamento L’attuale statistica che abbiamo a disposizione non ci consente di effettuare predizioni ragionevoli al di sopra dei 100 GeV/c