Presentazione di PowerPoint

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Attività di analisi dati e simulazione Monte Carlo
Domenico Giordano Università INFN di
Bari Collaborazione CMS
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Lesperimento CMS
Il rivelatore CMS è un general pourpose
detector ottimizzato per la ricerca del bosone
di Higgs e di nuova fisica

• Oggetti ricostruiti
• ?, e/?/?, ETmiss, b, t, jets
• Requisiti sperimentali
• Ermeticità e ampia copertura in h
• Alta granularità
• Preciso sistema di rivelazione di muoni
  (trigger pT meas. - e.g. H ? ZZ? 4m)
• Ottimo calorimetro elettromagnetico (eccellente
  identificazione e/g, buona risoluzione dEnerg.
  - e.g. H ?gg)
• Buona ermeticità del calorimetro adronico, per la
  misura di jet ed ETmiss (e.g. H ?tt)
• Sistema di tracciamento efficiente con elevata
  risoluzione nella misura di pT e dei vertici di
  interazione (e.g. H ? ZZ? 4l, H ?bb)
• Alta selettività del sistema di trigger

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La fisica del LHC

• La sezione durto dei processi fisici che
  avvengono nelle interazioni pp (Ecm14TeV) varia
  di molti ordini di grandezza.
• Inelastic s(pp) 55 mb
• heavy-flavor factory
• s(bb) 500 mb s(tt) 1 nb
• vector-bosons factory
• s(H) O(10 pb) (mH200 GeV)
• I processi di nuova fisica hanno bassa sezione
  durto (Higgs production)
• ? Potere di reiezione O(1013) (H-gt?? 120 GeV)

tracks with pt gt 2 GeV
tracks with pt gt 25 GeV
4
Strumenti di analisi dati

• Per realizzare efficacemente il programma di
  fisica di CMS è necessario un processo di RD non
  solo dei rivelatori (es. preced. talk) ma anche
  degli strumenti di analisi.
• Lo sviluppo degli strumenti di analisi può essere
  suddiviso
• Studio delle prestazioni dei rivelatori,
  attraverso misure in laboratorio e nei test
  con fasci di particelle (test beam)
• Realizzazione del modello di analisi
• -Flusso di dati dallacquisizione alla
  produzione dei risultati di fisica -
• ricostruzione (e simulazione) degli eventi fisici
  
• procedure di calibrazione, allineamento,
  monitoraggio delle prestazioni dei rivelatori
• controllo della qualità dei dati
• riduzione dei dati ad un sottoinsieme di oggetti
  di interesse fisico (elettroni, muoni, b-tagging,
  tau-tagging)
• valutazione delle potenzialità di scoperta di
  nuova fisica/ misura di grandezze fisiche
• Validazione del software in condizioni
  sperimentali simili a quelle finali di CMS
• catena completa acquisizione/conversione
  formato/riduzione/analisi dati

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Studio delle prestazioni dei rivelatori

• Effetto di eventi altamente ionizzanti nei
  rivelatori al silicio
• Studio delle prestazioni degli RPC

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Eventi Altamente Ionizzanti nei Rivelatori al
Silicio
HIPs (Highly Ionising Particles) sono il
prodotto di interazioni adroniche nel silicio (p
da minimum bias)

• Elevato deposito di energia nei sensori al
  silicio comporta
• Ampio segnale sulle strisce che raccolgono la
  carica prodotta
• Abbassamento del livello della baseline del
  chip di lettura molto al di sotto del valore
  nominale

(1)
(2)
baseline
Conseguenza di un evento di HIP
Temporanea inefficienza del chip nei 200-400 ns
successivi allevento
Sono stati effettuati due test con fasci di
particelle per comprendere leffetto di HIP nelle
condizioni di intensità ed energia delle
particelle simili a quelle future di CMS
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Studio degli eventi di HIP

• Misure
• Probabilità degli eventi di HIP
• Tempo di recupero del chip
• Inefficienza del chip dopo un evento di HIP
• Effetti sullefficienza di ricostruzione di
  traccia nel tracciatore (simulazione)

Mod.1
Mod.2
Mod.3
(3)
inefficienza (1-e) di rivelazione di una
particella al minimo di ionizzazione (mip) nella
regione interessata dallevento di HIP
Mod.4

• Ricostruzione di tracce di mip attraverso
  lapparato sperimentale
• estrapolazione della posizione attesa sul modulo
  in esame
• ricerca del cluster nellintorno della posizione
  attesa

Mod.5
Mod.6
Segnale
Canali di lettura
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Algoritmo di ricostruzione di traccia
Le frecce puntano agli estemi del primo modulo
La configurazione sperimentale realizzata ad hoc
per eseguire questo studio ha reso necessario lo
sviluppo di un adeguato algoritmo di tracciamento
al fine di avere
alta efficienza algoritmica di ricostruzione
Inefficienza media (h750) di rivelazione di
una mip nei 750 ns successivi ad una HIP
h750
9
Studio delle prestazioni degli RPC
Lefficienza di ricostruzione e la risoluzione
degli RPC possono essere valutate eseguendo un
test di tracciamento con raggi cosmici.

• Lalgoritmo di ricostruzione di traccia
• Ricerca dei cluster
• Ricostruzione delle tracce
• Filtro di eventi (esclude eventi con sciami
  e.m.)

Misure di risoluzione spaziale differenze tra
il punto di impatto calcolato con il fit e la
coordinata del relativo cluster di strisce
ricostruito nel rivelatore
smis 8.6 mm (steor 7.9 mm)
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Il modello danalisi

• Catena di analisi dati MC (e dei dati reali dal
  2007)
• Studi di trigger
• Tool di Visualizzazione
• Studio di canali di fisica
• Effetto del disallineamento del sistema di
  tracciamento

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Simulazione/Ricostruzione/Analisi
Generazione
Generazione Monte Carlo (PYTHIA) delle
interazioni protone-protone (Ecm 14 TeV) con
produzione degli stati finali richiesti dallo
studio

• Simulazione della propagazione della particelle
  nel rivelatore (GEANT)
• interazione radiazione-materia (materiale attivo
  e passivo)
• decadimento delle particelle instabili
• effetto del campo magnetico solenoidale

Simulazione

• ORCA
• simulazione dei segnali del rivelatore (Digis)
• simulazione della risposta del trigger
• ricostruzione dellinformazione fisica per
  lanalisi finale
• Visualizzazione degli eventi

Digitizzazione Ricostruzione
Calibrazione
Analisi

• Selezione degli eventi, utilizzando oggetti di
  alto livello (4-vettori, vertici) per la misura
  di grandezze fisiche (es. massa invariante)
• Studio delle prestazioni del sistema
  (calibrazione, monitoring)

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Simulazione del rivelatoreStudi sul trigger

• Una simulazione affidabile dellesperimento è
  possibile solo attraverso la modellizzazione
  accurata del comportamento di ogni
  sottorivelatore.
• Per questo è determinante lo studio delle
  prestazioni dei rivelatori e limplementazione
  software delle caratteristiche misurate
  sperimentalmente (rumore, rapporto S/N,
  efficienza, divisione di carica, probabiltà di
  eventi di HIP, ).

Es. di applicazione
Studio dellefficienza del trigger di L1 degli
RPC.
Confronto di due algoritmi di selezione dei
candidati muoni a L1, al fine di ridurre la
probabilità di coincidenze accidentali dovute al
rumore del rivelatore
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Tool di visualizzazione (event display)
La collaborazione CMS sta realizzando uno
strumento di visualizzazione chiamato IGUANACMS
(basato su IGUANA), che fornisce una
rappresentazione 2D e 3D del rivelatore e degli
eventi fisici attraverso una GUI.

• Il tool di visualizzazione è utile per
• accedere alla geometria del rivelatore e alla
  mappa del campo magnetico
• monitorare ciascun sottorivelatore, sino al
  singolo canale di lettura (temperature, tensioni,
  canali morti)
• accedere e modificare interattivamente i
  parametri di funzionamento (calibr., tensioni,
  punti di lavoro)
• visualizzare gli eventi ricostruiti

Il gruppo CMS di Bari è attivamente coinvolto
nella realizzazione del pacchetto di
visualizzazione e monitoring del tracciatore.
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Visualizzazione degli eventi
Il tool di visualizzazione è inserito nel
framework generale di CMS per cui si interfaccia
facilmente con il tool di simulazione (OSCAR) e
di ricostruzione (ORCA)
Esso permette di visualizzare tutti gli oggetti
ricostruiti e/o simulati hit, digi, tracce,
vertici, etc
Gli hit delle particelle misurati su ciascun
piano di rivelazione sono visualizzati insieme ai
rivelatori stessi e alle tracce ricostruite
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Studio Monte Carlo di canali di fisica H
-gtZZ-gt2e2m
Obiettivo
Valutare la probabilità di scoperta del bosone di
Higgs attraverso il decadimento H ? ZZ() ?
ee-µµ- (golden channel)
114.4

• La ricerca attraverso questo canale di
  decadimento
• è favorita nellampia regione di massa compresa
  tra 130 e 600 GeV per la chiara evidenza
  sperimentale dello stato finale 2e2m
• coinvolge in modo combinato tutti i rivelatori
  di CMS
• (Tracker, ECAL, Sistema di muoni, in parte
  HCAL)

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Campioni di Segnale e fondo
Eventi di segnale
Lo spettro di massa da 115 a 600 GeV è
scansionato utilizzando 18 dataset ( 10K eventi
ciascuno) per le seguenti masse dellHiggs
H160

• 10 da 115 GeV a 200 GeV
• 8 da 250 GeV a 600 GeV

Eventi di fondo
Processi con produzione di almeno 2 elettroni e 2
muoni nello stato finale
ZZ
pp ? ZZ() ? ee-µµ-

• Fondo Irriducibile

• Fondo Riducibile

tt

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Procedura danalisi
Simulazione completa generazione degli eventi,
propagazione nel rivelatore (GEANT), risposta del
rivelatore (ORCA). Ricostruzione degli eventi
(come se fossero dati veri!!) Selezione di
Trigger, Ricostruzione offline, Fit del vertice,
Isolamento

• Generazione dei campioni di segnale e fondo
  (PYTHIA, CompHEP)
• Selezione di trigger L1 HLT
• Ricostruzione dei 4 leptoni
• Correzione sulla misura denergia degli elet.
• Identificazione degli elettroni
• Ricostruzione e Selezione del Vertice
• Isolamento dei leptoni (basato sulle tracce)
• Individuazione delle variabili cinematiche per
  discriminare segnale/fondo
• Procedura di Ottimizzazione dei tagli di
  selezione da applicare alle variabili cinematiche
  al fine di massimizzare la reiezione dei fondi
• Valutazione della significatività di scoperta

HLT eff.
Isolamento
MH 150 GeV
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Tagli Cinematici
I principali parametri cinematici di selezione
sono

• Impulso trasverso dei 4 leptoni pTi
• Massa invariante delle coppie ee, mm
• Massa invariante dello stato 2e2m

Segnale
fondo
ZZ
tt
Zbb
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Effetto della selezione
MH 130 GeV

• Distribuzioni di massa invariante dello stato
  ee-µµ-
• Per eventi di segnale e fondo
• prima (1) e dopo (2) lapplicazione dei tagli
  ottimizzati

MH 200 GeV
Minimo periodo di presa dati (Luminosità
integrata) necessario per avere significatività
di scoperta SL gt 5s
SLgt 5s (Prob. Scoperta 50)
MH 450 GeV
18 mesi
12 mesi
6 mesi
3 mesi
GeV
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Studi di Disallineamento
Nel 1 periodo di presa dati la posizione dei
rivelatori di tracciamento (tracciatore al
silicio sistema di muoni) non sarà nota con
esattezza incertezze O(100 mm) sulla posizione
dei moduli del tracker (first data tacking)
Influenza le prestazioni della ricostruzione di
traccia (efficienza, risoluzione)

• Dopo la costruzione sarà quindi necessario
• eseguire una procedura di allineamento, prima
  con laser e cosmici e in seguito utilizzando i
  dati stessi (Z-gt2m, W-gtmn)
• monitorare e ripristinare lallineamento
  raggiunto

Effetto del disallineamento nella misura di
impulso
Lattuale simulazione di CMS permette di stimare
leffetto del disallineamento sulla ricostruzione
di traccia e quindi sulle misure di fisica in
programma (potenzialità di scoperta, misura di
massa, b-tagging, violazione CP) (Attività del
gruppo CMS di Bari)
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Attività future (domani!!!)
Magnet Test Cosmic Challenge

• Test combinato di tutti i sottorivelatori di CMS
  (tracker, calorimetri, sistema di muoni)
  assemblati in situ (pozzo 5)
• i rivelatori sono collocati in corrispondenza di
  una porzione di CMS
• in campo magnetico di 4 T prodotto dal solenoide
  superconduttore di CMS
• rivelazione di raggi cosmici

• Finalità
• verificare la funzionalità del magnete
• effettuare una mappatura del c.m.
• valutare le tolleranze di posizione, eventuali
  disallineamenti dei rivelatori in c.m.
• effettuare il test di sistema di un apparato che
  ha la complessità di un piccolo esperimento
• verificare il software di CMS (acquisizione,
  monitoring, calibrazione, ricostruzione)

22
BackUp
23
The Large Hadron Collider
p-p collider Beam Energy 7
TeV Bunch Crossing Rate 40 MHz Luminosity L
(R L s) Low 2x1033 cm-2s-1 2x106
mb-1Hz High 1034 cm-2s-1 107
mb-1Hz Interaction Rate 1
GHz Interactions/Crossing 23 (_at_ High Lumi.)
basically minimum bias events

• Physics goals
• SM Higgs boson discovery
• Supersimmetry discovery
• B-physics, Top quark physics, Standard physics
  (QCD, EW)
• Heavy Ion physics

tracks with pt gt 2 GeV
tracks with pt gt 25 GeV
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La fisica del LHC

• Cross-sections of physics processes vary over
  many orders of magnitude
• Inelastic s(pp) 55 mb
• heavy-flavor factory
• s(bb) 500 mb s(tt) 1 nb
• vector-bosons factory
• s(H) O(10 pb) (mH200 GeV)
• Low cross sections for discovery physics (Higgs
  production)
• ? Rejection power O(1013) (H-gt?? 120 GeV)
• Huge event rate
• ? Highly Selective Trigger System

• Extreme demands on detectors
• high granularity
• high radiation environment
• high data-taking rate

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CMS Trigger Strategy
CMS DAQ requirements
Event size 1 Mbyte
(zero-suppr.) Readout network 1
Terabit/s Level-1 Output 100
kHz Mass storage 100
Hz Rejection Power O(105) 40 MHz -gt 100
Hz

• Level-1
• Custom synchronous processors
• - Pipelined structure
• Particle identification (e/g, muons, jets, MET )
  
• - Local pattern recognition and energy/momentum
  evaluation
• - Work on coarse granularity information from
  calorimeters and muon detectors
• - Actual Processing time 1 ms

Sistema Online
High Level Trigger (HLT) Asynchronous CPU
farms - Access to full event data - Finer
granularity, precise measurement -
Reconstruction and selection of e, g, m, jets,
MET, b, t-tagging - Matching between detectors
data recording
Analisi Offline
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HLT requirements

• Main requirements
• Satisfy CMS physics program with high efficiency
• Selection must be inclusive (to discover
  unexpected physics)
• Must not require precise knowledge of
  calibration/run conditions
• Efficiency must be measurable from data alone
• All algorithms/processors must be monitored
  closely

Advantages Benefit maximally from evolution of
computing technology Flexibility no built-in
design or architectural limitations maximum
freedom in what data to access and in
sophistication of algorithms Code is as close as
possible to offline reconstruction code Evolution
of algorithms, including response to unforeseen
backgrounds or unexpected physics Minimize
in-house elements cost maintainability
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Misura denergia degli elettroni

• La misura denergia degli elettroni ricostruiti
  utilizza linformazione combinata del tracker e
  del calorimetro e.m. al fine di migliorare la
  risoluzione energetica, limitata da
• risoluzione intrinseca dei rivelatori e degli
  algoritmi
• effetto dellemissione di fotoni di
  bremsstrahlung
• Le due misure sono complementari

ECAL
TK
Combinata
?

• Con la misura combinata
• Le variazioni della scala di energia sono ridotte
  a meno di 1
• Le code dovute alla bremsstrahlung si riducono
  rispetto alla ricostruzione calorimetrica o con
  il tracciatore

?
E 5-10 GeV
E 30-35 GeV
?
?
E 80-85 GeV
Esc/Etrue
Ptk/Etrue
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Il modello di calcolo di CMS

• La collaborazione CMS è attualmente impegnata
• nella definizione del modello di analisi (sulla
  base anche dellesperienza acquisita negli altri
  esperimenti)
• Sviluppo degli strumenti necessari per la
  realizzazione di un ambiente di calcolo
  distribuito su larga scala, in modo da gestire
• Diversi milioni di dati simulati
• PetaBytes/anno di dati reali (alla partenza
  dellesperimento!!!)
• decine di migliaia di CPU,
• permettere a molti ricercatori sparsi su varie
  aree geografiche di eseguire la loro analisi

Larchitettura distribuita fornita dalla Grid è
stata adottata per soddisfare alcuni di questi
requisiti