Co najpierw zmierza eksperymenty przy akceleratorze LHC?

1
Co najpierw zmierza eksperymenty przy
akceleratorze LHC?
- Fizyka otwarcia LHC

• Bozena Boimska
• IPJ

Seminarium Fizyki Wysokich
Energii, UW
26 .01. 2007
2
Plan

• Wprowadzenie
• Akcelerator LHC i jego eksperymenty
• Pomiary
• calkowity i elastyczny przekrój czynny
• krotnosc czastek
• ped poprzeczny
• produkcja jetów
• analiza underlying event
• Podsumowanie

3
Wprowadzenie

• Zderzenia pp przy LHC
• procesy miekkie (low-pT)
  opis przez modele fenomenologiczne
  npQCD
• procesy twarde (high-pT)
  - opis przez pQCD

Po uruchomieniu LHC (dla nizszej swietlnosci)
- fizyka minimum bias

Badanie procesów zachodzacych z duzymi
przekrojami czynnymi (ogólnie, charakteryzuja sie
nizszymi pT).

• Dlaczego interesujace?
• obszar energii do tej pory nie badany
• zrozumienie tla dla sygnalów high-pT (HIGGS,
  SUSY,...)
  - wklad od nakladania sie
  przypadków w detektorze (25 przypadków minimum
  bias na przeciecie wiazek) - wklad od
  tzw.underlying event
• mozliwosc testowania modeli teoretycznych a
  takze dostrojenie generatorów Monte-Carlo

4
Minimum bias co to jest?
Calkowity przekrój czynny

• Przypadek minimum bias przypadek dla
  calkowicie inkluzywnego trygera
• Eksperymentalnie
  
  minimum bias zwykle wiazane z przypadkami
  NSD (non single diffractive (cd)), czasami z
  przypadkami nieelastycznymi (abcd)

5
Large Hadron Collider
zderzenia p-p przy vs 14TeV
przeciecie wiazek co 25 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)

jesien 2007 ( 2-3 tygodnie) Run pilotazowy -
glównie techniczny ale tez fizyka. Min. bias
, vs 900 GeV, swietlnosc 1029cm-2s-1 2008

Pierwszy run fizyczny

vs 14 GeV, stopniowe dochodzenie do
low-luminosity
Kolejne lata vs 14 GeV, dochodzenie do
high-luminosity
6
Eksperymenty przy LHC
ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) CMS
(Compact Muon Solenoid) - dedykowane badaniom
pp - zoptymalizowane dla duzych pT i
high-luminosity ALICE (A Large Ion Collider
Experiment) - dedykowany badaniom HI - rózne
typy detektorów - zoptymalizowany dla niskich
swietlnosci, wysokich krotnosci - idealny do
badan fizyki malych pT - bardzo dobra
identyfikacja czastek (szczególnie w obszarze
centralnym) LHCB fizyka b TOTEM
(zintegrowany z CMS) calkowity przekrój czynny,
rozpraszanie elastyczne, dyfrakcja (wyznaczenie
swietlnosci akceleratora)
7
ATLAS i CMS dedykowane badaniom
zderzen pp
ALICE - dedykowany badaniom HI (ma tez program
pp)

8
Detektor CMS
Wewnetrzny uklad sladowy detektory krzemowe
Pixels , Microstrips ?lt 2.5
Kalorymetry (ECAL i HCAL) Scintillating PbWO4
crystals, Plastic scintillator/brass sandwich
?lt
3 ziarnistosc Dh x Df 0.087 x
0.087 rozdzielczosc energetyczna ECAL HCAL
Stacje mionowe Drift Tube Chambers, Cathode
Strip Chambers, Resistive Plate Chambers

pseudopospiesznosc ? - ln (tg ?/2)
Detektor ATLAS zbudowany podobnie do CMS
9
Detektor ALICE
Not shown T0, V0, ZDC
Budowa bardziej zlozona
10
ALICE Akceptacja geometryczna i identyfikacja
Akceptacja w h dla róznych detektorów
separation _at_ 3s
separation _at_ 2s

• Identyfikacja czastek dla szerokiego zakresu
  pedów
• ( 100 MeV/c 100 GeV/c)

11
Porównanie eksperymentów
J.P. Revol , ALICE-PUB-2002-02
ALICE
rozdzielczosc pedowa 1 2 pTlt 20 GeV/c
ALICE male pT, PID CMS ATLAS b. duze pT,
hermetyczne kalorymetry
12
Eksperyment TOTEM
Teleskopy T1 i T2 detekcja przypadków
nieelastycznych
10 m
detektory krzemowe wewnatrz jednostek zw. Roman
Pot RP detekcja protonów rozproszonych pod
malymi katami (kilka mrad) brzeg detektora
1mm od wiazki
14 m

• FIZYKA
• Pomiar calkowitego przekroju czynnego
  (dokladnosc 1)
• Rozpraszanie elastyczne dla zakresu 10 -3 lt
  -t ? (p ? )2 lt 10 GeV2
• Dyfrakcja (razem z CMS)

13
Plany runów
K.Eggert, hep-ex/0602025
Wyznaczenie ?tot z dokladnoscia 1 dla b
1540 m (Wstepny pomiar dla b90m -gt dokladnosc
kilka )
b - amplituda oscylacji betatronowych. Okresla
parametry poprzeczne wiazki. Dla b 1540m



mala rozbieznosc katowa
wiazki 0.3 mrad,

duzy rozmiar wiazki 0.4 mm (gt mala
liczba paczek w wiazce gt mala swietlnosc)
14
Calkowity przekrój czynny - ?tot
546 GeV UA4 CDF 1.8 TeV
CDF E710 E811
Niezgodnosc E811 - CFD 2.6s
CDF
E811
Dopasowanie do danych hadronowych wykonane przez
wspólprace COMPETE (niebieska linia).
Przewidywana wartosc dla LHC
PRL 89 201801 (2002)
Przewidywania modeli (czarne linie) 90-120 mb
CEL pomiar ?tot z dokladnoscia 1 (1mb)
15
Pomiar ?tot
TOTEM zmierzy ?tot wykorzystujac Twierdzenie
Optyczne bez
wykorzystywania informacji o swietlnosci
(luminosity independent method) Metoda wczesniej
uzyta m.in. przez eksperymenty E710,E811,CDF
z Twierdzenia Optycznego
? Re f(0)/Im f(0)
Znajac ?tot mozna wyznaczyc swietlnosc
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/t2 Coulomb-nuclear
interference photon-Pomeron interference gt r
nuclear region Pomeron
exchange, ds/dt ? exp(-Bt) 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 ? p2 q2
Wyznaczenie ?tot pomiar rozpraszania
elastycznego dla nuclear region.
Dla b 1540 m tmin0.002 GeV2
17
Pomiar ?tot
METODA
Blad 1. Zmierzyc calkowita liczbe
przypadków NelNinel 0.8
(po jednym dniu dla L1.6
.1028cm-2s-1) 2. Zmierzyc rozpraszanie
elastyczne dla malych t, a nastepnie
wykonac ekstrapolacje do t0
0.5 (stat. 0.07) 3. r nie jest
znane, z przewidywan COMPETE dla LHC
(z dopasowania do danych)

0.2
To calkowity blad na ?tot 1
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
b18 m (5)
-t GeV2
L 3.6 x 1032 cm-2 s-1
1 day (1) (5)
Pomiar dla 0.002lttlt8 GeV2
20
Pomiar krotnosci czastek
ALICE, ATLAS, CMS maja w obszarze centralnym
detektory o wysokiej ziarnistosci pixel
detectors. Pomiar krotnosci czastek naladowanych
poprzez zliczanie hitów.
ALICE
pomiar krotnosci czastek naladowanych w szerokim
zakresie h (9 jednostek) ITS Pixel (dla
obszaru centralnego hlt1.5) i FMD (Forward
Multiplicity Detector)
Uwaga pomiar pedu na podstawie informacji z TPC
i wewnetrznego systemu sladowego - ITS , dla
hlt1
ATLAS i CMS
pomiar krotnosci dla obszaru centralnego hlt2.5
21
Rozklady dNch/dhZaleznosc od energii
hadrony naladowane
inelastic

• Wzrost produkcji czastek z energia zderzenia dla
  calego zakresu h
• Spadek widoczny dla duzych pseudopospiesznosci -
  efekt kinematyczny

Run pilotazowy przy 900GeV dla LH C mozliwosc
porównania z wynikami UA5
22
Produkcja czastek w obszarze centralnym
dN/d??0 Zaleznosc od energii
hadrony naladowane
Odstepstwa od zaleznosci ln(s) widoczne juz przy
energii SPS (900GeV)
23
Rozklady dNch/dhPrzewidywania modeli dla energii
LHC
non single diffractive
C.Roda, HCP2006
14TeV
.
1.8TeV
200 GeV

• Dla LHC, znaczne róznice w przewidywaniach (dla
  rozkladów dNch/dh i dNch/dhh0 )
• Dla obszaru centralnego
• - PYTHIA wzrost ln2(s), PHOJET wzrost
  ln(s)
• - przewidywana produkcja 5-7
  czastek na jednostke pseudo-pospiesznosci

24
ltNchgt vs. Energia
M. Demarteau FERMILAB-Conf-92/103
Dopasowanie do danych (vslt550GeV) daje zaleznosc
typu ln2(s)
Proste wytlumaczenie
1) energie na tyle niskie,
ze dN/d??0 jeszcze ln(s) 2) D?
kinematycznie dozwolone rosnie ln(s) 3)
rozklad dN/d? plaski (w zerowym przyblizeniu)
-gt ltNchgt ln2(s)
ltNchgt2.99-0.23ln(s)0.168 ln2(s)
dla Tevatronu (vs 1.8TeV)
srednio ok. 40 czastek naladowanych
Ile czastek zobaczymy przy energii LHC?
Zeby zmierzyc calkowita krotnosc czastek (Nch)
eksperyment musi miec dobre pokrycie przestrzeni
fazowej (pT,y). Nch otrzymane poprzez scalkowanie
rozkladu dN/d?.
Dla LHC pomiar taki moze wykonac eksperyment
ALICE.
25
Rozklady krotnosciBadanie skalowania KNO

• 1972
• Skalowanie KNO
• ksztalt rozkladu Y nie zalezy od energii
• Z.Koba,H.B.Nielsen, P.Olesen Nucl.Phys.B 40, 317
  (1972)

Pn - prawdopodobienstwo, ze przypadek ma krotnosc
n ltngt - wartosc srednia dla rozkladu Pn zn/ltngt
UA5
widoczna zaleznosc od energii -gt
lamanie skalowania KNO
C. Fuglesang, La Thuile Multipart. Dyn. 193-210
(1989)
26
Ksztalt rozkladu krotnosci
C. Fuglesang, La Thuile Multipart. Dyn. 193-210
(1989)
non single diffractive
UA5
900 GeV
546 GeV
zalezy od energii
UA5 900 GeV
200 GeV
dla energii 900GeV dopasowanie NBD (negative
binomial distribution) nie dobre
dobre dopasowanie dla sumy dwóch NBD -gtdwa
wklady
od fizyki miekkiej i od mini-jetów
Co wydarzy sie dla wyzszych energii? Czy tez suma
dwóch NBD czy beda jeszcze jakies inne wklady?
Wyniki z LHC uzyte do sprawdzenia przewidywan
modeli (generatorów MC)
27
Rozklady pedu poprzecznegoZaleznosc od energii

zderzenia proton(anty-)proton hadrony
naladowane obszar centralny
M.J.Tannenbaum nucl-ex/0507020

• male pT (lt2GeV/c) miekka fizyka
• zaleznosc eksponencjalna (exp(-BpT))
• slaba zaleznosc od energii
• opis fenomenologiczny

• duze pT twarda fizyka
• hadrony - fragmenty jetów z rozpraszania na
  skladnikach (partonach)
• zaleznosc potegowa (pT-n)
• silna zaleznosc od energii
• opis przez pQCD (niepewnosci w PDF, funkcjach
  fragmentacji)

Z dopasowania do danych -gt ustalenie parametrów
modeli teoretycznych.
ALICE
Informacja z TPC i ITS ?lt1,
0.1GeV/cltpTlt100GeV/c
28
Sredni ped poprzeczny Zaleznosc od energii
ltpTgt - pierwszy moment rozkladu pedu poprzecznego
hadrony naladowane obszar centralny
wzrost ltpTgt z energia
LHC
Z dopasowania do danych UA1 fit
oraz
przewidywan modeli
ltpTgt0.4-0.030ln(v s)0.0053ln2(v s)
dla energii LHC czastki naladowane beda mialy
ltpTgt 0.6 GeV/c
29
Sredni ped poprzeczny Zaleznosc od krotnosci
czastek
W.Kittel, Acta Phys. Pol.B12,35(2004)
Podwójna zaleznosc - od
energii zderzenia - od
krotnosci czastek naladowanych
hadrony naladowane

• Dla nizszych energii (lt60GeV)
• ltpTgt maleje z krotnoscia efekt
  kinematyczny

• Dla wyzszych energii
• szybki wzrost ltpTgt z krotnoscia efekt tlumaczony
  wzrostem produkcji mini-jetów z energia

ltpTgt wyznaczony dla danego zakresu h
ALICE moze wykonac taki pomiar dla obszaru
centralnego ?lt1 (tam gdzie TPC)
30
Pomiary widm dla czastek zidentyfikowanych
Badania dla róznych czastek w stanie koncowym
J.P. Revol ALICE-PUB-2002-02
Przyklad
CDF, vs 1.8 TeV
ltpTgt vs. Nch

• wzrost ltpTgt z krotnoscia czastek

• efekt rózny dla róznych czastek

ALICE moze wykonac taki pomiar dla obszaru
centralnego ?lt1 (tam gdzie TPC)
31
Pomiary widm dla czastek zidentyfikowanych
Dla malych pT równiez CMS bedzie mógl
identyfikowac czastki. Na podstawie informacji z
krzemowych detektorów pixelowych
F.Sikler CMS meeting 12.2006

p
K
p
Czastki zrekonstruowane. Kolory - obszar, gdzie
mozliwa identyfikacja przy pomocy dE/dx.
Rekonstrukcja torów i identyfikacja czastek
-
piony i kaony pTlt1GeV/c
- protony pTlt2GeV/c
32
Badanie produkcji jetów
Eksperymentalnie jety definiowane przy uzyciu
informacji z kalorymetrów, w których nastapil
depozyt energii czastek nalezacych do jetu
Po hadronizacji jety czastek skolimowane wokól
kierunków rozproszonych partonów
Twarde oddzialywanie partonów partony
rozproszone pod duzymi katami
33
Rekonstrukcja jetów
Znalezienie stozka, w którym zawarty jest jet.
W rzeczywistosci, na plaszczyznie (h,f)
poszukuje sie okregu o promieniu R
R tak dobrane by wewnatrz okregu zdeponowana byla
energia calego jetu

R zbyt male - czastki
stowarzyszone z twardym rozproszeniem beda
wykluczone

R zbyt duze - dojda czastki z tzw.
underlying event

• Przypadek twardego oddzialywania
• dwa jety wiazki pozostalosc z poczatkowych
  protonów po twardym rozproszeniu
• dwa lub wiecej jetów pochodzacych z hadronizacji
  partonów, które ulegly twardemu rozproszeniu

h
f
ETE.sinq energia poprzeczna
Energia poprzeczna jetu suma wkladów
wewnatrz R
34
Inkluzywne przekroje czynne na producje jetów
Obszar centralny
M.Zielinski, Czech.J.Phys.54(2004)
1.96TeV
1800GeV
630GeV
546GeV

• Dla energii LHC, w oddzialywaniach pp
  min.bias., duzo przypadków z jetami o duzych ET

• Produkcja jetów z duzymi ET silnie rosnie z
  energia

Pomiar inkluzywnych przekrojów czynnych jetów

- ograniczenia na PDF
- poszukiwanie
nowej fizyki, np. ewentualnej struktury kwarków

• Dobra zgodnosc z obliczeniami teoretycznymi

35
Korelacje jet - jet Korelacje
azymutalne
Rozklady Dfdijet - czule na efekty radiacyjne
Obszar centralny
M.Zielinski, Czech.J.Phys.54(2004)
Analiza eksperymentu DO protonantyproton vs
1.96 TeV
Dfdijet fjet1 -fjet2

• cone-jet finder

Korelacje azymutalne miedzy dwoma jetami o
najwiekszych pT

• jet1 o najwiekszym pT pTmax
• jet2 z pTgt40GeV

• 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 beda uzyte do analiz zwanych
underlying event.
Underlying Event wszystkie czastki w przypadku
poza tymi, które pochodza z procesu twardego,
którym sie interesujemy.
Sa to wiec czastki z pozostalosci po wiazkach,
a takze pochodzace z initial-state radiation.
37
Przyklad analizy underlying event (UE)
Underlying Event w fizyce jetów
Analiza eksperymentu CDF
Phys. Rev. D, 65 092002 (2002)
Obszar poprzeczny czuly na UE
Df f - fljet

• cone-jet finder

• znajdujemy jet o najwiekszym pT leading
  jet
• definiujemy obszar poprzeczny
• patrzymy na czastki naladowane z obszaru
  poprzecznego pTgt0.5 GeV
  ?lt1

• Dla obszaru poprzecznego mozna badac rózne
  wielkosci
• - liczbe czastek (Nchg)
• sume pedów poprzecznych czastek
• maksymalny pT czastek, etc.

38
Underlying event w fizyce jetów
Liczba czastek vs. ped poprzeczny jetu
Phys. Rev. D, 65 092002 (2002)
Transverse lt Nchg gt
LHC

• Poczatkowo wzrost ltNchggt, potem plateau
• Dane z CDF uzyte do dostrojenia generatorów MC
  (PYTHIA tuned)

x 3
x1.5

• Przewidywania dla LHC
• (PHOJET, PYTHIA)
• Dane z LHC
• -gt dalsze dostrojenie generatorów

Pt (leading jet in GeV)
Tevatron
39
Podsumowanie

• LHC ruszy w 2007 roku
• Juz przy niskiej swietlnosci mozliwych wiele
  pomiarów

run pilotazowy 900GeV
swietlnosc 1029cm-2s-1 (2 tygodnie 106
sek) scalkowana
swietlnosc 0.1 pb-1 pierwszy run fizyczny
14TeV swietlnosc
1033cm-2s-1 (107 sek)
scalkowana swietlnosc 10 fb-1
Pomiary procesów z duzymi przekrojami czynnymi.
pp 900GeV L 0.1 pb-1 Min. Bias
(70/100mb) jet ETgt100 GeV (
/1mb) produkcja
7x109 przypadków
zarejestrowane(100Hz) 108
przypadków pp 14TeV L 10 fb-1 produkcja
1015
przypadków 1010 przypadków
40
Podsumowanie

• Jedne z pierwszych pomiarów
• - calkowity i elastyczny przekrój czynny
  
  - krotnosci czastek
  
  - rozklady pedu poprzecznego
  
  - produkcja jetów
  
  - analizy
  underlying event

• Informacja dla nowego obszaru energii
• Zrozumienie tla dla procesów zachodzacych
  rzadko
• Testy modeli teoretycznych i dostrojenie
  generatorów MC