ERKENNUNG VON TAU-LEPTONEN MIT DEM VERBESSERTEN TRIGGER DES ATLAS-FLÜSSIGARGON- KALORIMETERS

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1 Institut für Kern- und Teilchenphysik Jun.-Prof. Dr. Arno Straessner ERKENNUNG VON TAU-LEPTONEN MIT DEM VERBESSERTEN TRIGGER DES ATLAS-FLÜSSIGARGON- KALORIMETERS Bachelor-Vortrag Robert Wolff Dresden,

2 Der Large Hadron Collider (LHC) Abbildung: Schematischer Aufbau des LHC. Quelle: CERN. Juli 212: Nachweis eines Higgs-Bosons Bisher: Proton-Proton-Kollisionen mit Schwerpunktsenergie 8 TeV, Ab 215: 14 TeV TU Dresden, Folie 2 von 24

3 Das ATLAS-Experiment Abbildung: Schematischer Aufbau des ATLAS-Detektors. Quelle: CERN. TU Dresden, Folie 3 von 24

4 Triggerraten, Motivation Level-1-Upgrade Abbildung: Erwartete Level-1-Triggerraten aus Monte-Carlo-Simulation, L = 1 34 cm 2 s 1. Quelle: ATLAS (ATL-COM-LARG ). TU Dresden, Folie 4 von 24

5 Zellen in back layer =,5,245 2X trigger tower =,1 = 1,7X 4,3X =, ,8 mm 4 = 147,3 mm 15 mm 47 mm 16X trigger tower =,982 Quadratische Zellen in middle layer =,245 37,5 mm 8 = 4,69 mm =,31 =,25 Streifen-Zellen in front layer Abbildung: Skizze dreier Schichten eines elektromagnetischen Kalorimetermoduls des ATLAS-Detektors. Quelle: ATLAS (JINST 3 S83, 28). TU Dresden, Folie 5 von 24

6 Tau-Leptonen mittlere Lebensdauer: (29,6 1,) 1 15 s ) Nachweis anhand ihrer Zerfallsprodukte Masse: 1,777 GeV, (etwa das 355-Fache des Elektrons) 35 % leptonische Zerfälle, nicht von sonstigen Leptonen unterscheidbar 65 % hadronische Zerfälle: insbesondere in Pionen oder Kaonen hohe Transversalimpulse der Zerfallsprodukte ) schmalereres Schauerprofil als Teilchenjets aus Prozessen der QCD TU Dresden, Folie 6 von 24

7 Ziele meiner Arbeit viele Größenordnungen höheren Wirkungsquerschnitts des Untergrunds und hardwarebedingte Triggerbandbreitenbegrenzung ) möglichst gute Unterdrückung des Untergrunds zur Unterscheidung: Schauerprofile (Energieverteilungen) untersuchen und zur Beschreibung geeignete Variablen entwickeln Auswahl der Teilchen mittels Likelihood-Methode Ermittlung von Nachweiseffizienzen für die hadronisch zerfallenden Tau-Leptonen und den Untergrund TU Dresden, Folie 7 von 24

8 Datensätze aus ATLAS-Upgrade-Simulation Schwerpunktsenergie p s = 14 TeV mittlere Anzahl an Proton-Proton-Kollisionen hi = Datensatz (1646.PythiaZee no filter): 269 Z-Bosonen-Zerfälle in Elektron-Positron-Paare H Z (b) Z-Zerfall in e +, e 1. Datensatz (15334.HerwigVBFH12tautaulh): 29 Higgs-Boson-Zerfälle in je ein hadronisch und ein leptonisch zerfallendes Tau-Lepton e e (a) Higgs-Zerfall in +, 3. Datensatz (15568.ttbar Pythia): 242 Topquark-Antitopquark-Paar- Produktionen, liefert großen Teil der (Teilchen-)Jets TU Dresden, Folie 8 von 24

9 j Kartierung der Superzellen untersuchter Bereich: jj 1,4 Abstand zweier Koordinaten: R = q φ j η Abbildung: Energieverteilung in middle layer für Beispiel-Event. TU Dresden, Folie 9 von 24

10 Klassifizierung interessanter Regionen (ROIs) ROIs aus bisherigem Level-1-Triggersystem Unterschieden wird zwischen: ElectronType (e+/-,, leptonisch zerfallende +/-) TauHadronType (hadronisch zerfallende +/-) JetType (Teilchenjets) R,13 (Abstand ROI zu nächstgelegenem Teilchen oder Jet) n ElectronType 8 JetType 7 TauHadronType TU Dresden, Folie 1 von 24 R

11 e e e Vergleich der Schauerprofile j φ j η j φ j η j φ j η ElectronType TauHadronType JetType Unterscheidung schwierig! TU Dresden, Folie 11 von 24

12 Trigger-Variablen und Likelihood-Methode I Entwicklung geeigneter Trigger-Variablen mit möglichst geringem Rechenaufwand (FPGA): Energiegewichteter Radius Verhältnis der Energien zwischen zwei Kalorimeterschichten Verhältnis von äußerer zu innerer Energie 1. Hälfte der Datensätze: Likelihood-Training: Berechnung der Variablen x i für alle Teilchen und Jets ) Verteilungen f (x i ) für die Teilchenklassen Daraus: Likelihood-Funktionen f (x i ) L i (x i ) = f (x i ) + f Untergrund (x i ) TU Dresden, Folie 12 von 24

13 f Energiegewichteter Radius genutzt auch mit experimentellen Daten aus dem Jahr 211 berechnet für front und middle* layer P Ri,3 i2a r EM = P Ri,3 E i2a i R i E i.2.18 ElectronType.16 JetType.14 TauHadronType r EM L r EM.9 Untergrund: ElectronType Untergrund: JetType r EM TU Dresden, Folie 13 von 24

14 f Verhältnis zwischen zwei Kalorimeterschichten im Beispiel berechnet für back zu middle layer l,m = E l E m E l : Energie im Bereich von =,7,7 um die heißeste Superzelle in Kalorimeterschicht l ElectronType JetType TauHadronType L ρ back, middle Untergrund: ElectronType Untergrund: JetType ρ back, middle ρ back, middle TU Dresden, Folie 14 von 24

15 f Verhältnis von äußerer zu innerer Energie berechnet für front und middle* layer oi = E ohne innere Superzellen E innere Superzellen = Eganz E innere Superzellen E innere Superzellen, E innere Superzellen : sieben zentrale Superzellen, E ganz: Energie im Bereich von =,7,7 um die heißeste Superzelle ElectronType JetType TauHadronType E ρ = outer area oi E inner area ρ oi L ρ oi Untergrund: ElectronType Untergrund: JetType ρ oi TU Dresden, Folie 15 von 24

16 Likelihood-Methode II 2. Hälfte der Datensätze: Test der Likelihood-Funktionen L i (x i ): Berechnung der insgesamt sieben Variablen x i Likelihoods aus den Likelihood-Funktionen L i (x i ) ) Verteilungen für Likelihoods L i Trennkraft für eine Variable oft relativ schwach ) Verstärkung durch multivariate Methode: hier finale Likelihood ) finale Likelihood-Verteilung f L (L) L = 7Y i=1 L i TU Dresden, Folie 16 von 24

17 Likelihood-Verteilung für Trigger-Variable oi L f.25.2 TauHadronType JetType Abbildung: Verteilung f L (L oi ) der Likelihood L, Untergrund: Jets, middle layer. oi L ρ oi TU Dresden, Folie 17 von 24

18 finale Likelihood-Verteilung, Untergrund Jets L f TauHadronType.35 JetType L Abbildung: Verteilung f L (L) der finalen Likelihood L, Untergrund: Jets. TU Dresden, Folie 18 von 24

19 f L Berechnung der Nachweiseffizienzen TauHadronType.35 JetType L für Likelihood-Schwellenwerte L schwell Berechnung der Nachweiseffizienzen Z Lmax "(L schwell ) = f L (L) L schwell für TauHadronType und gewählten Untergrund TU Dresden, Folie 19 von 24

20 Nachweiseffizienzen, Untergrund JetType ε JetType p < 3 GeV T 3 GeV p p T > 1 GeV T 1 GeV ε TauHadronType Abbildung: Untergrundeffizienz " JetType der Jets in Abhängigkeit von der Zieleffizienz " TauHadronType der hadronisch zerfallenden Tau-Leptonen. TU Dresden, Folie 2 von 24

21 Nachweiseffizienzen, Untergr. ElectronType ε ElectronType p < 3 GeV T 3 GeV p p T > 1 GeV T 1 GeV ε TauHadronType Abbildung: Untergrundeffizienz " ElectronType der ElectronType -Teilchen in Abhängigkeit von der Zieleffizienz " TauHadronType der hadronisch zerfallenden Tau-Leptonen TU Dresden, Folie 21 von 24

22 Zusammenfassung geplante Superzellen korrekt kartiert Identifizierung der ROIs erfolgreich mittels Likelihood-Methode z.b. bei Tau-Nachweiseffizienz von 6 % etwa 7 % der Jets unterdrückt (im Vergl. zu experimentellen Daten aus 211: Unterdrückung 9%) hadronisch zerfallenden Tau-Leptonen besser von Elektronen, etc. als von Jets seperiert feinere Granularität in den Superzellen hat positive Auswirkung, da verwendete Variablen (insb. r EM und oi dies ausnutzen. TU Dresden, Folie 22 von 24

23 Ausblick Erforschung weiterer Triggervariablen oder bessere Auswahl derselben Annäherung von Histogrammen durch Funktionen Berechnung der Trigger-Raten mittels 2-Jet-Simulationen (Nutzung neuer Datensätze) für wahre Nachweiseffizienz: schon bei der Generierung der ROIs gewisse Effizienz TU Dresden, Folie 23 von 24

24 Literatur The ATLAS Collaboration: Letter of Intent for the Phase-I Upgrade of the ATLAS Experiment. CERN-LHCC , 211. ( The ATLAS Collaboration: Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC. CERN-PH-EP , 212. ( The ATLAS Collaboration: Performance of the Reconstruction and Identification of Hadronic Decays in ATLAS with 211 Data. ATLAS-CONF , 212. ( The ATLAS Collaboration: The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider. JINST 3 S83, 28. ( ATLAS Liquid Argon Calorimeter Group: ATLAS Liquid Argon Calorimeters Trigger Electronics for LHC Phase-I upgrade. ATL-COM-LARG , ATU-SYS-ES-1, 213. ( J. Beringer u. a. (Particle Data Group): Particle Listings, tau. PR D86, 11 (212) and 213 partial update for the 214 edition ( TU Dresden, Folie 23 von 24

25 Matteo Cacciari, Gavin P. Salam und Gregory Soyez: The anti-k t jet clustering algorithm. JHEP 84:63, LPTHE-7-3, 28. ( Patrick Czodrowski: Triggering on hadronic Tau Decays in ATLAS: Algorithms and Performance. J. Phys.: Conf. Ser , 212. ( Christian Gumpert: TEfficiency A ROOT class for calculating efficiencies. 21. ( Dugan C. O Neil (the ATLAS Collaboration): Tau identification using multivariate techniques in ATLAS. J. Phys.: Conf. Ser , 212. ( Nikiforos Nikiforou, The ATLAS Collaboration: Performance of the ATLAS Liquid Argon Calorimeter after three years of LHC operation and plans for a future upgrade. ATL-LARG-PROC-213-3, 213. ( Particle Data Group: Monte Carlo Particle Numbering Scheme. Überarbeitet von J.-F. Arguin, L. Garren, F. Krauss, C.-J. Lin, S. Navas, P. Richardson und T. Sjostrand, 212. ( eingeschränkte Nutzung mit CERN-Nutzungsdaten TU Dresden, Folie 23 von 24

26 Backup-Folien TU Dresden, Folie 23 von 24

27 n Teilchen Jets R =, R Abbildung: Abstandsverteilung R der ROIs zu den nahegelegensten Jets oder Teilchen (Tau-Leptonen, Elektronen, Positronen) vor der Klassifizierung der ROIs. Fit mit Rayleigh-Verteilung f Rayleigh ( R). TU Dresden, Folie 23 von 24

28 n ElectronType 8 JetType 7 TauHadronType R Abbildung: Abstandsverteilung R der ROIs zu den nahegelegensten Jets oder Teilchen (Tau-Leptonen, Elektronen, Positronen) nach der Klassifizierung der ROIs, inklusive Beachtung der Grenze R max. Fit mit Rayleigh-Verteilung f Rayleigh ( R). TU Dresden, Folie 23 von 24

29 n ElectronType JetType TauHadronType Energiebereichsgrenzen E = 3 GeV & E = 1 GeV E jet, p [GeV] T Abbildung: Energieverteilung E der klassifizierten ROIs mit den Grenzen E min,roi und R max. TU Dresden, Folie 23 von 24

30 e -1 1 ElectronType JetType TauHadronType j = φ Abbildung: Vergleich der Schauerprofile bei j =, middle layer, (3 GeV p T, E jet 1 GeV), logarithmisch aufgetragen. j η TU Dresden, Folie 23 von 24

31 E scell E hottest scell j φ 4 6 j 5 η Abbildung: Energy shower profile for hadronically decaying tau leptons in middle layer for 3 GeV p T 1 GeV. TU Dresden, Folie 23 von 24

32 f ElectronType JetType TauHadronType E ρ = outer area oi E inner area ρ oi Abbildung: Relative frequency f of calculated test variable oi in front layer for 3 GeV p T 1 GeV, first half of samples. TU Dresden, Folie 23 von 24

33 f ElectronType JetType TauHadronType r EM Abbildung: Relative frequency f of calculated test variable r EM in front layer for 3 GeV p T 1 GeV, first half of samples. TU Dresden, Folie 23 von 24

34 f ElectronType JetType TauHadronType ρ layers Abbildung: Relative frequency f of calculated test variable layers = E front layer for E presampler 3 GeV p T 1 GeV, first half of samples. TU Dresden, Folie 23 von 24

35 f ElectronType JetType TauHadronType ρ layers Abbildung: Relative frequency f of calculated test variable layers = E middle layer E front layer 3 GeV p T 1 GeV, first half of samples. for TU Dresden, Folie 23 von 24