Co najpierw zmierzą Co najpierw zmierzą eksperymenty przy eksperymenty przy akceleratorze LHC?akceleratorze LHC?

BożenaBożena BoimskaBoimskaIPIPJJ

- Fizyka „otwarcia” LHC- Fizyka „otwarcia” LHC

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

WprowadzenieWprowadzenie

p

pZderzenia 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?

inelaselastot

Całkowity przekrój czynny:

difndifddifselastot ...

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• zderzenia p-p przy √s = 14TeV• przecięcie wiązek co 25 ns (40 MHz)

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”

• Run time: 107 s/rok

Kolejne lata: √s = 14 GeV, dochodzenie do „high-luminosity”

6

Eksperymenty przy LHCATLASATLAS ( (AA TToroidal oroidal LLHC HC AApparatupparatuSS) & ) & CMSCMS ( (CCompact ompact MMuon uon

SSolenoid) olenoid) - dedykowane badaniom p+p- dedykowane badaniom p+p- zoptymalizowane dla dużych p- zoptymalizowane dla dużych pTT i „high-luminosity” i „high-luminosity”

ALICEALICE ( (A LA Large arge IIon on CCollider ollider EExperiment) xperiment) - dedykowany badaniom HI - dedykowany badaniom HI - różne typy detektorów- różne typy detektorów- zoptymalizowany dla niskich świetlności, wysokich krotności - zoptymalizowany dla niskich świetlności, wysokich krotności - idealny do badań fizyki małych p- idealny do badań fizyki małych pTT- bardzo dobra identyfikacja cząstek - bardzo dobra identyfikacja cząstek (szczególnie w obszarze centralnym)(szczególnie w obszarze centralnym)

LHC–BLHC–B fizyka bfizyka b

TOTEMTOTEM (zintegrowany z CMS)(zintegrowany z CMS)całkowity przekrój czynny, rozpraszanie elastyczne, dyfrakcja całkowity przekrój czynny, rozpraszanie elastyczne, dyfrakcja

(wyznaczenie świetlności akceleratora)(wyznaczenie świetlności akceleratora)

7

ALICE - dedykowany badaniom HI (ma też program p+p)

ATLAS i CMS – dedykowane badaniom zderzeń p+p

8

Detektor CMS

Wewnętrzny układ śladowydetektory krzemowe Pixels , Microstrips |η|< 2.5

Kalorymetry (ECAL i HCAL) Scintillating PbWO4 crystals,Plastic scintillator/brass sandwich

|η|< 3ziarnistość: x ~ 0.087 x 0.087rozdzielczość energetyczna:ECAL:

HCAL:

Stacje mionowe Drift Tube Chambers, Cathode Strip Chambers, Resistive Plate Chambers

Detektor ATLAS zbudowany podobnie do CMS pseudopospieszność: = - ln (tg /2)

9

ITSLow pT trackingVertexing

TRDElectron ID (TR)

TOFPID

HMPIDPID (RICH) @ high pT

PMDγ multiplicity

FMDCharged multiplicity

TPCTracking, PID (dE/dx)

PHOSγ, π0

Not shown: T0, V0, ZDC

Detektor ALICE

MUON μ-pairs

L3 Magnet

Budowa bardziej złożona

10

ALICE Akceptacja geometryczna i

identyfikacja

Identyfikacja cząstek dla szerokiego zakresu pędów:

(~ 100 MeV/c – ~ 100 GeV/c)

Akceptacja w dla różnych detektorów

separation @ 3 separation @ 2

11

Porównanie eksperymentów

rozdzielczość pędowa ~1 – 2% pT< 20 GeV/c

ALICE

J.P. Revol , ALICE-PUB-2002-02

ALICE: małe pT, PID

CMS & ATLAS: b. duże pT, hermetyczne kalorymetry

12

Eksperyment TOTEM

T1:3.1 << 4.7 (CSC)

T2: 5.3 < < 6.5 (GEM)

T1 T2 CASTOR (CMS)

RP1 (147 m) RP2 (180 m) RP3 (220 m)

~10 m

~14 m detektory krzemowe wewnątrz jednostek zw. ‘Roman Pot’ – RP:detekcja protonów rozproszonych pod małymi kątami (~kilka rad) brzeg detektora ~1mm od wiązki

FIZYKA: Pomiar całkowitego przekroju czynnego (dokładność 1%) Rozpraszanie elastyczne dla zakresu 10 -3 < -t (p )2 < 10 GeV2

Dyfrakcja (razem z CMS)

Teleskopy T1 i T2 : detekcja przypadków nieelastycznych

13

Plany ‘runów’

K.Eggert, hep-ex/0602025

Wyznaczenie tot z dokładnością 1% dla *= 1540 m(Wstępny pomiar dla *=90m -> dokładność ~kilka %)

* - amplituda oscylacji betatronowych. Określa parametry poprzeczne wiązki. Dla * =1540m: mała rozbieżność kątowa wiązki ~0.3 rad, duży rozmiar wiązki ~0.4 mm (=> mała liczba paczek w wiązce => mała świetlność)

14

Całkowity przekrój czynny - tot

CDF

E811

546 GeV UA4: CDF:

1.8 TeV CDF: E710: E811:

Niezgodność E811 - CFD: 2.6

mb 1.41.2 2.1 5.111

tot

Dopasowanie do danych hadronowych wykonane przez współpracę COMPETE (niebieska linia). Przewidywana wartość dla LHC:

Przewidywania modeli (czarne linie): 90-120 mb

[PRL 89 201801 (2002)]

CEL: pomiar tot z dokładnością 1% (~1mb)

mb 5.1 9.61 totmb 93.0 29.61 tot

mb 24.2 03.80 totmb 1.3 8.72 tot

mb 41.2 42.71 tot

15

Pomiar tot

02

2

116

t

eltot dt

dNL

inelasticelastictot NN Linelel

teltot NN

dtdN

02

)/(116

Znając tot można wyznaczyć świetlność akceleratora:

TOTEM zmierzy tot wykorzystując Twierdzenie Optyczne bez wykorzystywania informacji o świetlności (luminosity independent method)Metoda wcześniej użyta m.in. przez eksperymenty: E710,E811,CDF

0

22

)/()(

161)(

tel

inelel

tot

inelel

dtdNNNNNL

= Re f(0)/Im f(0)

z Twierdzenia Optycznego:

16

Rozpraszanie elastyczne

pp 14 TeVBSW model

-t [GeV2]

d/d

t [m

b / G

eV2 ]

t p2 2

pQCD

diffractive structure

nuclear region

Coulomb-nuclear interferenceCoulomb region

Coulomb region: photon exchange, d/dt 1/|t|2 Coulomb-nuclear interference: photon-Pomeron interference => nuclear region: Pomeron exchange, d/dt exp(-B|t|) diffractive structure:pQCD: triple-gluon exchange, d/dt |t|-8

|t | (GeV2)10-4

10-3

10-3

0.8

2

Wyznaczenie tot : pomiar rozpraszania elastycznego dla „nuclear region”.Dla *= 1540 m |tmin|=0.002 GeV2

17

Pomiar tot

METODA: Błąd1. Zmierzyć całkowitą liczbę przypadków Nel+Ninel 0.8% (po jednym dniu dla L=1.6 .1028cm-2s-1)

2. Zmierzyć rozpraszanie elastyczne dla małych t, a następnie wykonać ekstrapolację do t=0 0.5% (stat.

0.07%)

3. nie jest znane, z przewidywań COMPETE dla LHC: (z dopasowania do danych) 0.2%

To całkowity błąd na tot 1%

inelel

teltot NN

dtdN

02

)/(116

18

Rozpraszanie elastyczneod ISR do TeVatronu

proton-proton

proton-antyproton31 GeV

53 GeV (x10-2)

62 GeV (x10-4)546 GeV (x10-6)

630 GeV (x10-

8)1.8TeV (x10-10)

1.96TeV

Desgrolard et al., hep-ph/0001149 M.Deile et al., hep-ex/0602021

Co zmierzy TOTEM dla 14 TeV?

19

Rozpraszanie elastyczne - LHC

* = 1540 m(1)

L = 3.6 x 1032 cm-2 s-1

pp 14 TeV(BSW model)

-t [GeV2]

d/d

t [m

b / G

eV2 ]

~1 day(1) (5)

104 per binof 10-3 GeV2

M.Deile et al., hep-ex/0602021

L = 1.6 x 1028 cm-2 s-1

*=18 m

(5)

Pomiar dla 0.002<|t|<8 GeV2

20

Pomiar krotności cząstek

Uwaga: pomiar pędu na podstawie informacji z TPC i wewnętrznego systemu śladowego - ITS , dla

pomiar krotności cząstek naładowanych w szerokim zakresie (~9 jednostek): ITS Pixel (dla obszaru centralnego ) i FMD (Forward Multiplicity Detector)

pomiar krotności dla obszaru centralnego

ALICE, ATLAS, CMS mają w obszarze centralnym detektory o wysokiej ziarnistości – pixel detectors. Pomiar krotności cząstek naładowanych poprzez zliczanie „hitów”.

ALICE:

ATLAS i CMS:

21

Rozkłady dNch/dZależność od energii

„Run pilotażowy” przy 900GeV dla LH C – możliwość porównania z wynikami UA5

inelastic

Wzrost produkcji cząstek z energią zderzenia dla całego zakresu Spadek widoczny dla dużych pseudopospieszności - efekt kinematyczny

hadrony naładowane

22

Produkcja cząstek w obszarze centralnym dN/dη|η=0

Zależność od energii

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 ln2 wynik procesów twardych (np. PLB121,209(1983))

Odstępstwa od zależności ln(s) widoczne już przy energii SPS (900GeV)

hadrony naładowane

23

LHC

C.Roda, HCP2006

Rozkłady dNch/dPrzewidywania modeli dla energii LHC

„non single diffractive”

. 200 GeV

1.8TeV

14TeV

Dla LHC, znaczne różnice w przewidywaniach (dla rozkładów dNch/d i dNch/d Dla obszaru centralnego: - PYTHIA wzrost ln2(s), PHOJET wzrost ln(s) - przewidywana produkcja: 5-7 cząstek na jednostkę pseudo-pospieszności

24

<Nch> vs. Energia

Żeby zmierzyć całkowitą krotność cząstek (Nch) eksperyment musi mieć dobre pokrycie przestrzeni fazowej (pT,y). Nch otrzymane poprzez scałkowanie rozkładu dN/dη.

M. Demarteau FERMILAB-Conf-92/103

Dopasowanie do danych (√s<550GeV) daje zależność typu ln2(s)

<N<Nch>=2.99-0.23ln(s)+0.168 >=2.99-0.23ln(s)+0.168 lnln22(s(s))

dla Tevatronu (√s =1.8TeV): średnio ok. 40 cząstek naładowanych

Proste wytłumaczenie: 1) energie na tyle niskie, że dN/dη|η=0 jeszcze ~ ln(s) 2) η kinematycznie dozwolone rośnie ~ ln(s) 3) rozkład dN/dη płaski (w zerowym przybliżeniu) -> <Nch> ~ln2(s)

Ile cząstek zobaczymy przy energii LHC?

Dla LHC pomiar taki może wykonać eksperyment ALICE.

25

Rozkłady krotnościBadanie skalowania KNO

1972:Skalowanie KNO

kształt rozkładu nie zależy od energii

Z.Koba,H.B.Nielsen, P.Olesen Nucl.Phys.B 40, 317 (1972)

nn

n1)s(Pn

Pn - prawdopodobieństwo, że przypadek ma krotność n<n> - wartość średnia dla rozkładu Pn

z=n/<n>

C. F

ugles

ang,

La

Thuil

e M

ultipa

rt. D

yn. 1

93-2

10 (1

989)

widoczna zależność od energii: -> łamanie skalowania KNO

UA5

26

Kształt rozkładu krotności

dla energii 900GeV: dopasowanie NBD (negative binomial distribution) nie dobre

C. Fuglesang, La Thuile Multipart. Dyn. 193-210 (1989)

„non single diffractive”

zależy od energii

UA5

200 GeV

546 GeV

900 GeV

UA5 900 GeV

Co wydarzy się dla wyższych energii? Czy też suma dwóch NBD czy będą jeszcze jakieś inne wkłady?

dobre dopasowanie dla sumy dwóch NBD ->dwa wkłady: od fizyki miękkiej i od mini-jetów

Wyniki z LHC użyte do sprawdzenia przewidywań modeli (generatorów MC)

27

Rozkłady pędu poprzecznegoZależność od energii

M.J.Tannenbaum nucl-ex/0507020

małe pT (<~2GeV/c) – „miękka” fizyka zależność eksponencjalna (exp(-BpT)) słaba zależność od energii opis fenomenologicznyduże 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

zderzenia proton+(anty-)protonhadrony naładowaneobszar centralny

28

Średni pęd poprzeczny

Zależność od energii<p<pTT> - pierwszy moment rozkładu pędu > - pierwszy moment rozkładu pędu poprzecznegopoprzecznego

wzrost <pT> z energią

<p<pT>=0.4-0.030ln(>=0.4-0.030ln(√ s)+0.0053 s)+0.0053lnln22((√ ss))

LHC

Z dopasowania do danych –UA1 fit: oraz przewidywań modeli :

hadrony naładowaneobszar centralny

dla energii LHC cząstki naładowane będą miały <pT> ~ 0.6 GeV/c

29

Średni pęd poprzeczny Zależność od krotności cząstek

hadrony naładowane

<pT> wyznaczony dla danego zakresu

Podwójna zależność: - od energii zderzenia - od krotności cząstek naładowanych

Dla wyższych energii: szybki wzrost <pT> z krotnością efekt tłumaczony wzrostem produkcji mini-jetów z energią

W.Kittel, Acta Phys. Pol.B12,35(2004)

Dla niższych energii (<60GeV): <pT> maleje z krotnością efekt kinematyczny

ALICE może wykonać taki pomiar dla obszaru centralnego |η|<1 (tam gdzie TPC)

30

Pomiary widm dla cząstek zidentyfikowanych

CDF, √s = 1.8 TeV

wzrost <pT> z krotnością cząstek

J.P. Revol ALICE-PUB-2002-02

Badania dla różnych cząstek w stanie Badania dla różnych cząstek w stanie końcowymkońcowym

<p<pTT> vs. N> vs. Nchch

Przykład:

efekt różny dla różnych cząstek

ALICE może wykonać taki pomiar dla obszaru centralnego |η|<1 (tam gdzie TPC)

31

Pomiary widm dla cząstek zidentyfikowanych

Rekonstrukcja torów i identyfikacja cząstek: - piony i kaony pT<1GeV/c - protony pT<2GeV/c

Cząstki zrekonstruowane. Kolory - obszar, gdzie możliwa identyfikacja przy pomocy dE/dx.

F.Sikler CMS meeting 12.2006

Dla małych pT również CMS będzie mógł identyfikować cząstki.Na podstawie informacji z krzemowych detektorów pixelowych:

K

p

32

Badanie produkcji jetów

Eksperymentalnie jety definiowane przy użyciu informacji z kalorymetrów, w których nastąpił depozyt energii cząstek należących do jetu

Twarde oddziaływanie partonów: partony rozproszone pod dużymi kątami

Po hadronizacji : jety cząstek skolimowane wokół kierunków rozproszonych partonów

33

Rekonstrukcja jetówZnalezienie stożka, w którym zawarty jest jet. W rzeczywistości, na płaszczyźnie () poszukuje się okręgu o promieniu R: 22 R

R tak dobrane by wewnątrz okręgu zdeponowana była energia całego jetu: R zbyt małe - cząstki ‘stowarzyszone’ z twardym rozproszeniem będą wykluczone R 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

ET=E.sin–energia poprzeczna Energia poprzeczna jetu: suma wkładów wewnątrz R

34

Inkluzywne przekroje czynne na producję jetów

Obszar centralny

1800GeV

630GeV 546GeV

Dobra zgodność z obliczeniami teoretycznymi

1.96TeV

M.Zieliński, Czech.J.Phys.54(2004)

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

35

Korelacje jet - jet Korelacje azymutalne

Testowanie modeli teoretycznych

M.Zieliński, Czech.J.Phys.54(2004)

Testowanie i „dostrajanie” generatorów MC

ISR – initial state radiation

Rozkłady dijet - czułe na ‘efekty radiacyjne’

Analiza eksperymentu DO:proton+antyproton √s =1.96 TeV

dijetjet1jet2|

„cone-jet finder”: 7.022 R

Obszar centralny

Korelacje azymutalne między dwoma jetami o największych pT: jet1 o największym pT =pT

max

jet2 z pT>40GeV

36

„Underlying Event” (UE)

Hard Scattering

PT(hard)

Outgoing Parton

Outgoing Parton

Initial-State Radiation

Final-State Radiation

Hard Scattering

PT(hard)

Outgoing Parton

Outgoing Parton

Initial-State Radiation

Final-State Radiation

„Jet”

“beam remnants”

soft multiple parton interactions

„Jet”

Proton Proton

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 EventUnderlying Event”” w fizycew fizyce jet jetów:ów:

Phys. Rev. D, 65 092002 (2002)

7.022 R

ljet

Obszar poprzeczny „czuły” na UE

Analiza eksperymentu CDF:

„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

Przewidywania dla LHC (PHOJET, PYTHIA) Dane z LHC: -> dalsze „dostrojenie” generatorów

LHC

Tevatron

x1.5

x 3T

rans

vers

e <

Nch

g >

Pt (leading jet in GeV)

Liczba cząstek vs. pęd poprzeczny jetu:Liczba cząstek vs. pęd poprzeczny jetu:

Początkowo wzrost <Nchg>, potem „plateau”

Dane z CDF użyte do „dostrojenia” generatorów MC (PYTHIA –tuned)

Phys. Rev. D, 65 092002 (2002)

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 900GeV L= 0.1 pb-1 Min. Bias (70/100mb) jet ET>100 GeV ( /b)produkcja 7x109

przypadków zarejestrowane(100Hz) 108

przypadkówp+p 14TeV L= 10 fb-1

produkcja 1015 przypadków 1010 przypadków

40

Podsumowanie

Informacja dla nowego obszaru energii Zrozumienie „tła” dla procesów zachodzących rzadko Testy modeli teoretycznych i „dostrojenie” generatorów MC

Jedne z pierwszych pomiarów:- całkowity i elastyczny przekrój czynny - krotności cząstek - rozkłady pędu poprzecznego - produkcja jetów - analizy „underlying event”