Mikko Voutilainen, CERN research fellow. Jetit, Hiukkasfysiikan kesäkoulu, Tvärminne,

Transkriptio

1 Hiukkasfysiikan kesäkoulu, Tvärminne Jetit research fellow 1 / 45

2 Määritelmä Jetti eli hiukkasryöppy on kapea kartio hadroneita sekä muita hiukkasia, joita syntyy kvarkin tai gluonin hadronisoituessa hiukkasfysiikan tai raskasionifysiikan kokeessa. Kvanttikromodynamiikan värivankeuden takia värivarausta kantavat hiukkaset, kuten kvarkit, eivät voi esiintyä vapaassa muodossa. Tästä johtuen ne fragmentoituvat hadroneiksi ennenkuin ne on mahdollista havaita, muodostaen hiukkasryöppyjä. Nämä hiukkasryöpyt täytyy mitata hiukkasilmaisimella, jotta niiden ominaisuuksista voidaan määrittää alkuperäisen kvarkin ominaisuuksia. Jet 1 Jet 3 Jet 2 Wikipedia on Jet (particle Physics) 2 / 45

3 Sisältö Teoria: partonista partikkeleiksi (10 ) Jettialgoritmit (10 ) Jettien mittaaminen kokeellisesti (10 ) Jettikalibraatio, resoluutio, b-taggaus (10 ) Esimerkkeja jettimittauksista (5 ) 3 / 45

4 Partonit Kvarkkien ja gluonien lähteitä QCD-prosessit (protonin partonit) parintuotanto gluoniemissio Parintuotanto (e + e - kokeissa) Gluoniemissio Raskaiden hiukkasten (top, Z, W, Higgs) hajoaminen xf(x,q 2 ) protonin rakenne H1 PDF 2000 ZEUS-S PDF CTEQ6.1 gluoni xg( 0.05) Q 2 =10 GeV 2 u v -kvarkki xu V QCD xs( 0.05) s-kvarkki d v -kvarkki xd V top-kvarkin hajoaminen x 4 / 45

5 Partonikuuro Värivaratut hiukkaset emittoivat voimakkaasti gluoneita, joista uusia jettejä Mallinnus partonikuurona ja/tai korkean kertaluvun QCD-diagrammeilla (N x LO) Pythia Monte Carlo - generaattori: LO matriisielementti + partonikuuro 5 / 45

6 Hadronisaatio Hadronisaatiossa partonikuuron muutamista partoneista muodostetaan kymmeniä tai satoja lopputilan havaittavia hiukkasia Mallinnus teorian ohjaamaa, mutta fenomenologista: esim. säilymislait Erilaisia lähestymistapoja: Säiemalli (Pythia) Klusterimalli (Herwig) Malleissa voi olla paljonkin parametrejä, joita viritetään sovittamalla mallia dataan 6 / 45

7 Hadronisaatio : Lundin malli Värivarattu hiukkanen säteilee gluoneita Gluonien itseisvuorovaikutus sitoo säteilyn vuoputkeksi Vuoputki kytkee hiukkasen toisiin värivarattuihin hiukkasiin Fragmentaatiossa vuoputki katkeaa vetämällä tyhjiöstä uuden kvarkki-antikvarkkiparin : Lund string model 7 / 45

8 Vuoputki QCD:ssä 8 / 45

9 Vuoputki QCD:ssä 8 / 45

10 Hadronisaatio: klusterit Herwig seuraa värivarauksen kulkua fragmentaatiossa Hiukkaset syntyvät väriklustereina Värikytkennät tulevat luonnollisesti 9 / 45

11 Jettialgoritmit Jotta alkuperäisen kvarkin ja gluonin ominaisuuksia voidaan mitata, täytyy hiukkaset klusteroida kimpuiksi, jotka vastaavat alkuperäistä partonia Jettialgoritmit invertoivat hadronisaation ja partonikuuron Haasteita: Klusteroida kaikki hiukkaset samasta partonista (physics showering) Välttää muiden hiukkasten klusterointi (underlying event) Teoreettisesti stabiili (collinear, infrared safe) Kokeellisesti stabiili (pile-up, noise) Algoritmit kahta perustyyppiä: Kartioalgoritmit Rekombinaatioalgoritmit Loistava yhteenveto: Towards Jetography, G.Salam et al.: Brook-jetography.pdf arxiv: / 45

12 Miksi jettialgoritmi on tärkeä Kyllähän jetit näkee Tässä selvästi(?) kaksi Montako jettiä näet tässä? Haluatko oikeasti toistaa tämän kysymyksen 109 kertaa? 11 / 45

13 Miksi jettialgoritmi on tärkeä Kyllähän jetit näkee Tässä selvästi(?) kaksi Montako jettiä näet tässä? Haluatko oikeasti toistaa tämän kysymyksen 109 kertaa? 12 / 45

14 Miksi jettialgoritmi on tärkeä Kyllähän jetit näkee Tässä selvästi(?) kaksi Montako jettiä näet tässä? Haluatko oikeasti toistaa tämän kysymyksen 10 9 eventille? 13 / 45

15 Kartioalgoritmit Kartioalgoritmit kokeilijoille intuitiivisiä ja periaatteessa kokeellisesti vakaita, joten Tevatronilla suosittuja Teoreettisesti ongelmallisia: infrared and collinear unsafe Kokeellisia pulmia: aloitus (seeding), päällekkäiset jetit (split-merge procedure) monta implementaatiota pinta-ala ei oikeasti enää kartion ala Kartioalgoritmien split-merge J. Kvita 14 / 45

16 Rekombinaatioalgoritmit Rekombinaatioalgoritmit teoreettisesti vakaita ja helppoja implementoida Koettu hankaliksi hadronitörmäyttimillä: perustyypin k T -algoritmin ala ei tarkkaan määritetty, joten pile-upin ja detektorikohinan poisto hankalaa; hidas Hiukkaset yhdistetään pareittain aloittaen aina lähimmistä (d ij -metriikassa) Algoritmeja useita riippuen siitä, kuinka hiukkasten p T :tä painotetaan laskettaessa d ij 15 / 45

17 Anti-k T Anti-k T on uusi rekombinaatioalgoritmi, joka tuottaa täydellisiä kartiojettejä Vastaa sekä kokeilijoiden että teoreetikoiden toiveita; käytössä sekä CMS että Atlas-kokeilla ensisijaisena algoritmina heti LHC:n startista saakka FastJet implementaatiot poistivat myös hitausongelman: nopein! 16 / 45

18 Anti-k T toiminnassa 17 / 45

19 Anti-k T toiminnassa 18 / 45

20 Anti-k T toiminnassa 19 / 45

21 Anti-k T toiminnassa 20 / 45

22 Jetit kokeellisesti Ilmaisimet eivät pysty täysin erottelemaan yksittäisiä hiukkasia jeteissä Jettien rekonstruktio voidaan tehdä käyttäen yhtä tai useampaa ilmaisinta kalorimetrit : calorimeter jets jälki-ilmaisin : track jets jälki-ilmaisin ja kalorimetrit: Jet-Plus-Tracks, Particle Flow CMS-koe on ottanut käyttöön kaikki edellä mainitut tyypit 21 / 45

23 Keskimääräinen 100 GeV jetti: 60% varattuja hadroneita 22% fotoneita (pi0 to gamgam) 15% neutraaleita hadroneita 3% elektroneita (gam to ee) n. 0.5% myoneita ja neutriinoita... mutta vaihtelua paljon Sähkömagneettinen kalorimetri: fotonit hyvin, hadronit heikosti Hadroninen kalorimetri: hadronit kelvollisesti (matala p T heikko) Jälki-ilmaisin: ainoastaan varatut hadronit, elektronit, myonit, mutta nämä kaikki (erittäin) hyvin Jettien rakenne 22 / 45

24 Kalorimetrijetit Kalorimetrijetit ovat perinteinen suurenergiafysiikan työkalu Kalorimetrit (ECAL, HCAL) mittaavat hadronit hyvin, kun hiukkasten energia on riittävän korkea Matalalla energialla huono resoluutio ja hiukkaset taipuvat magneettikentässä 23 / 45

25 Track-jetit Jälki-ilmaisin mittaa varattujen hiukkasten p T :n erittäin tarkasti, kun p T riittävän matala ja hiukkaset sopivasti erillään Hyvä suuntatarkkuus varatulle komponentille, ei juurikaan detektorikohinaa, hyvä erottelu yhtäaikaisille törmäyksille Mittaa vain 60% jetin energiasta ja variaatio suurta : energiaresoluutio huono Suurienergiset jetit erittäin kollimoituja, joten rekonstruktio heikkenee 24 / 45

26 Jet+Tracks JPT-algoritmi korjaa kalorimetrijettien energiaa jälki-ilmaisimen avulla Kohonnut responssi parantaa myös resoluutiota ja suuntatarkkuutta Suhteellisen yksinkertainen tapa yhdistää tiedot eri ilmaisimista 25 / 45

27 Particle Flow PF yhdistää ilmaisimet optimaalisesti: Heuristiikka lajittelee ja erottelee hiukkaset (varatut/neutraalit hadronit, fotonit) Energian mittaus kullakin energia-alueella parhaiten toimivalla ilmaisimella Jetit klusteroidaan yksittäin rekonstroiduista ja kalibroiduista hiukkasista 26 / 45

28 Particle Flow CMS-koe on ideaalinen Particle Flow:n käyttöön Jälki-ilmaisin mittaa varatut hadronit erittäin hyvin matalalle p T :lle ECALin paikkaresoluutio ja tarkkuus fotoneille erittäin hyvä Voimakas magneettikenttä erottelee varatut hiukkaset hyvin neutraaleista 27 / 45

29 Ilmaisinten linkitys ECAL- ja HCAL-klusterit linkitetään jälkiin ja toisiinsa geometrisesti Huom: ECALin segmentaatio on 5x5 vrt. HCAL 1x1 HCAL klusteri jälki ECAL klusteri 28 / 45

30 Linkitysten siivous Ylimääräiset linkit siivotaan selvissä tapauksissa jälkeen linkittämättömät ECAL-klusterit fotoneita HCAL-jälki -linkeistä pidetään vain lähin HCAL+ECAL energiaa verrataan jälkeen: E(HCAL+ECAL)*kalibraatiot +/- resoluutio = E(jälki) => pidetään vain jälki E(HCAL+ECAL)*C - S > E(jälki) => (1) ECAL ylijäämä fotoni, (2) HCAL neutraali hadroni E(HCAL+ECAL)*C + S < E(jälki) => CAL-jälki linkityksiä palautetaan vastapainoksi 29 / 45

31 Hiukkasten kalibraatio Lajiteltujen hiukkasten tai hiukkasklustereiden energia kalibroidaan lopuksi Päällekkäisten hiukkasten energiaa kalibroitaessa suositaan aina fotoneita, koska (1) niitä on enemmän kuin neutraaleita hadroneita, (2) kalibraatio on pienempi, joten moka ei huononna jettiresoluutiota yhtä paljon Käytännössä neutraalien hadronien energian ECAL-osuus jää kalibroimatta, joten jeteille tarvitaan lopuksi vielä pieni kokonaisenergian korjaus 30 / 45

32 Jetit analyyseissä Yleiset ominaisuudet: nelivektori, lukumäärä sekä energiaresoluutio ja kalibraatiotarkkuus Jetin maku (gluoni, uds, c, b) sisärakenteesta esim. neuroverkoilla ja hyödyntäen b-tagia Ilmaisimet mittaavat eri hiukkaslajeja ja hiukkasten energoita hyvin eri tarkkuuksilla, joten mittaustarkkuus riippuu sisärakenteesta Sisäinen rakenne periytyy alkuperäisestä partonista, mutta riippuu hadronisaatiosta, jonka mallintaminen haastavaa Jettien ominaisuuksia voidaan kokeellisesti tarkastella kokonaisuutena käyttäen minimum bias, dijet, fotoni+jet, Z+jet, ja top-eventtejä hadroninen top rahkalla 2 b-kvarkkia s 1 c-kvarkki 3 u,d,s-kvarkkia n gluonia sekoitetaan hyvin ja annetaan jäähtyä d jet u jet 31 / 45

33 Energiakalibraatio Jettien energia voidaan kalibroida suhteessa referenssiobjektiin keskimääräinen kohina (offset) minimum bias eventeistä, törmäyksillä ja ilman absoluuttinen energia referenssialueessa (barrel) suhteessa fotoniin tai Z-bosoniin vastakkainen jetti (barrel) energia suhteessa referenssialueeseen käyttäen dijet eventtejä Absoluuttisen ja suhteellisen energian mittaus hyödyntää poikittaisen liikemäärän säilymistä referenssi: fotoni tai Z(ee,mumu) Responssi määritetään suhteessa simuloituun partikkelijettiin: R jet = <p T,reco >/<p T,ptcl > 32 / 45

34 Tyypillinen responssi Kalorimetrijettien responssi tippuu matalalla p T :llä hyvin alas JPT ja Particle Flow jettien energiavaje (1-R) on noin 15% tästä (R yli 0.9) Kalibraatiotarkkuus kalorimetrijeteille D0- ja CDF-kokeissa n % 33 / 45

35 Jettien responssi Energia mitataan loppujen lopuksi ionisaation avulla. Ongelma vain on siinä, että sähkömagneettiset ja hadroniset hiukkaset (yleensä) ionisoivat hyvin eri tehokkuudella: Text Mitä pidempi kuuro (suurempi E), sitä suurempi f pi0. Lisäksi h/e<<1 hadronien osuus energiasta 34 / 45 (määritelmä)

36 Jettien resoluutio Resoluutiota rajoittaa detektorin suunnittelu ja fysiikka. Dual-readout kalorimetri voisi erotella EM ja had. sektorit, mutta vaatii tuplasti valonmonistimia (eli kallis); jäljellä silti neutronien fluktuaatiot Täytyy myös muistaa, että hadronikalorimetrin edessä on EM kalorimetri. Hadroneille hyvä ECAL on harvoin hyvä fotoneille Fluktuaatiot neutraalien pionien pi 0 määrässä Kompensaatio (kuten D0/kokeessa) auttaa 35 / 45 Fluktuaatiot neutronien määrässä myös hyvin tärkeitä

37 Dijet eventit Suhteellinen kalibraatio ja energiaresoluutio määritetään dijet eventeillä Mitattujen liikemäärien ero johtuu pääasiassa energiaresoluutiosta Menetelmän bias kolmansista jeteistä ja hadronisaatiossa jetin ulkopuolelle päätyneistä hiukkasista; voidaan korjata 36 / 45

38 Resoluutiomittaus Jettiparin liikemäärien erotus tyypillisesti hyvin Gaussinen Korjaus ylimääräisille jeteille lineaarinen 3. jetin p T -rajan funktiona Pieni jämäkorjaus generaattoritasolla taustaeventistä tulevien (underlying event) ja kartion ulkopuolelle päätyneiden (out-of-cone) hiukkasten takia 37 / 45

39 Energiaresoluutio Jettien energiaresoluutio on tyypillisesti 5--20% Energiaresoluutio paranee, kun hiukkasten määrä ja energia lisääntyy ja kunkin yksittäisen energiamittauksen osuus vähenee (stokastinen termi) Matalalla p T :llä parannusta jälki-ilmaisimen hyödyntämisestä CMS (simulaatio) )/p!(p T T y < 0.4, y < 0.8 probe ref Dijet DATA R cone = 0.7 D0 (data) / p T [GeV/c]

40 b-taggaus b-kvarkit ovat usein vihje mielenkiintoisista hajoamisista (top, Higgs) b-taggaus käyttäen esim. b-hadronin sekundääriverteksiä, b-hadronin hajoamisessa syntyviä leptoneita (myonia) tai hiukkasten impaktiparametrejä Journal of Physics: Conference Series 110 (2008) / 45

41 Jettien sekundääriverteksi b-hadronien pitkän eliniän takia jetin sisältä voidaan usein rekonstruoida sekundääriverteksi 40 / 45

42 Jettien inklusiivinen tuotto Perusmittauksia on jettien inklusiivinen tuotto Rajoittaa partonidistribuutioita QCD on tärkeä tausta useimmille analyyseille Useimmiten jetit syntyvät pareina vastakkain dy (pb/gev) T!/dp 2 d 7 10 y <0.4 (x32) DØ Run II s = 1.96 TeV -1 L = 0.70 fb R cone = 0.7 NLO pqcd +non-perturbative corrections CTEQ6.5M µ R = µ = p F T 0.4< y <0.8 (x16) 0.8< y <1.2 (x8) 1.2< y <1.6 (x4) 1.6< y <2.0 (x2) 2.0< y < p T 600 (GeV) 41 / 45

43 PDF, alpha-s Jettimittaukset rajoittavat mallien parametreja kuten partonidistribuutioita (PDF) ja vahvan vuorovaikutuksen kytkentävakiota (alpha-s) QCD on tärkeä tausta käytännössä kaikille analyyseille hadronitörmäyttimillä (vähintään underlying event, multi-parton interactions, hadronisaatio) 1.5 DØ Run II -1 L = 0.70 fb R cone = 0.7 NLO pqcd µ R = µ F = p +non-perturbative corrections T Data Systematic uncertainty data / theory (CTEQ6.5M) y < 0.4 NLO scale uncertainty < y < < y < 0.8 CTEQ6.5M with uncertainties MRST < y < < y < < y < p T (GeV) 42 / 45

44 b-jettien tuotto Tevatronin mittausten perusteella b-jettejä enemmän kuin Pythia, Herwig ja NLO ennustavat b-jettejä kaikista jeteistä on noin 2--4% Tärkeitä kanavia gluon-splitting, flavor excitation, flavor creation 43 / 45

45 Yhteenveto Tämän hetken huipputeknologiat: Pythia ja Herwig -Monte Carlo generaattorit anti-k T (R=0.5, R=0.7) algoritmi FastJet -implementaatio Particle Flow -rekonstruktio (CMS) Tyypillinen performanssi jeteille: jetit b-jetit muu Energiaresoluutio 5--20% (p T yli 30 GeV) Energiakalibraation virhe O(3%) fotoni+jeteillä b-taggaus 50%, tausta 1% Jettimittausten tavoitteita: Partonidistribuutioiden rajoittaminen, teoriaennustusten testaus Vahvan vuorovaikutuksen kytkentävakio MC-generaattoreiden mallinnuksen parannus For hadron collisions, regardless of what signal you are looking at, getting the QCD right is the most important thing., P. Richardson 44 / 45

46 Varakalvot 45 / 45

47 Taustamateriaalia Teoriapuhe Monte Carlo -generaattoreista (Herwigin author): theory.fnal.gov/jetp/talks/richardson.ppt Puhe hadronisaatiomalleista: Gavin Salamin sivuilla paljon jettimateriaalia: (erittäin hyvä puhe jettialgoritmeistä!) (helppo webbikäyttis parhaan algorithmin ja säteen valintaan) Puheita jettirekonstruktiosta (CMS): (Jet+Tracks) Käsikirja jettien responssiin ja resoluutioon Esitys Particle Flow -algoritmin toiminnasta 46 / 45

48 Vastareaktio Kun yhtäaikaisia törmäyksiä on useita, jetit alkavat sekoittua taustaan Vaikka tausta voidaan keskimäärin vähentää, vastareaktion takia jetti voi myös menettää hiukkasia tai saada niitä lisää samasta törmäyksestä Slide from M. Cacciari 47 / 45

49 Jet+Tracks kalibraatioista 48 / 45

50 PFlow kalibraatioista HCAL ECAL 49 / 45