Konrad Jende Jana Kraus. W path Datenanalyse. German Teachers Program CERN, April

Transkript

1 Konrad Jende Jana Kraus W path Datenanalyse German Teachers Program CERN, April

2 2 Ausblick MINERVA Event Display Teilchenidentifikation mit ATLAS Ereignisklassifikation ( erzeugte Teilchen in einer Kollision ) Datenanalyse Zusammensetzung des Protons Suche nach dem Higgs-Teilchen Diskussion der Resultate (12:00-12:30 in ) Masterclasses 2012

3 3 Einführung in MINERVA Masterclass INvolving Event Recognition Visualised with Atlantis Ein Masterclasses Werkzeug für SchülerInnen zum Kennenlernen des ATLAS Experiments am CERN Basiert auf einem der offiziellen ATLAS Event Displays Masterclasses 2012

4 4 Komponenten des ATLAS Detektors Myon- Detektor Hadronisches Kalorimeter Elektromagn. Kalorimeter Spurdetektor Solenoid Transition Radiation Tracker Pixel- und SCT- Detektor Spurdetektor Misst Ladung und Impuls elektrisch geladener Teilchen im magnetischen Feld (Solenoid) Elektromagn. Kalorimeter Misst Energie von Elektronen, Positronen und Photonen Hadronisches Kalorimeter Misst Energie von Hadronen (aus Quarks zusammengesetzt) wie Protonen, Neutronen, Pionen Myonendetektor -Misst elektr. Ladung und Impuls von Myonen und Antimyonen im magnetischen Feld (Toroid)

5 5 MINERVA Event Display Das Event Display das Sie zur Teilchenidentifikation verwenden werden

6 6 MINERVA Event Display ATLANTIS Canvas Fenster (rot umrahmt) und ATLANTIS GUI Fenster (blau umrahmt)

7 7 MINERVA Event Display ATLANTIS Canvas ATLANTIS Canvas Fenster (rot umrahmt) zeigt Ereignis im ATLAS- Detektor in verschiedenen projektiven Ansichten Nutzen Sie alle Ansichten um ein vollständiges Bild einer Kollision im ATLAS- Detektor zu gewinnen!

8 8 MINERVA Event Display ATLANTIS Canvas Ansichten aller Detektoren Spurdetektoren Elektromagnetisches Kalorimeter Hadronisches Kalorimeter Myonen- Detektoren

9 9 MINERVA Event Display ATLANTIS Canvas Ansichten aller Detektoren Spurdetektoren Elektromagnetisches Kalorimeter Hadronisches Kalorimeter Myonen- Detektoren

10 10 MINERVA Event Display ATLANTIS Canvas Ansichten aller Detektoren Spurdetektoren Elektromagnetisches Kalorimeter Hadronisches Kalorimeter Myonen- Detektoren

11 11 MINERVA Event Display ATLANTIS Canvas Ansichten aller Detektoren Spurdetektoren Elektromagnetisches Kalorimeter Hadronisches Kalorimeter Myonen- Detektoren

12 12 MINERVA Event Display ATLANTIS Canvas Unten Seitenansicht des Detektors (R-z Projektion) Teilchen aller Regionen im Detektor werden dargestellt

13 13 MINERVA Event Display ATLANTIS Canvas Links oben Strahlrohransicht des Detektors (x-y Projektion) Warnung: Nur Teilchen in der Zentralregion werden hier dargestellt (sonst würden Teilchen in Vorwärtsrichtung die Sicht überdecken)

14 14 MINERVA Event Display ATLANTIS Canvas Rechts oben Lego plot ( abgerollte Kalorimeteroberfläche ) Veranschaulicht Energiedepositionen in allen Regionen des elektromagnetischen und hadronischen Kalorimeters in eta (η) und phi (Φ) Richtung

15 15 MINERVA Event Display ATLANTIS Canvas Φ Rechts oben Lego plot ( abgerollte Kalorimeteroberfläche ) -η 0 η Φ +η Veranschaulicht Energiedepositionen in allen Regionen des elektromagnetischen und hadronischen Kalorimeters in eta (η) und phi (Φ) Richtung

16 16 MINERVA Event Display ATLANTIS GUI ATLANTIS GUI (blau umrahmt) ermöglicht das Ändern von Einstellungen u n d A n s i c h t e n d e s Ereignisses und liefert Informationen über Spuren und Kalorimetereinträge. Dateimanagement und Ereignisselektion W e r k z e u g l e i s t e z u r Interaktion mit dem Ereignis A u s g a b e f e n s t e r f ü r Informationen über Spuren, Kalorimetereinträge, Teilchen und Objekte

17 17 MINERVA Event Display ATLANTIS GUI Dateimanagement Um Ereignisse zu laden auf File und Read events locally klicken Um von Ereignis zu Ereignis zu gelangen, klickt man auf die blauen Pfeile rrechts neben fem Dateinamenfenster. Werkzeugleiste Anzeige von Info zu Zoom/Bewegen/ ausgewählten Objekten Rotation FishEye Transformation (zur besseren Auswahlwerkzeug Ansicht im inneren Detektor)

18 18 MINERVA Event Display ATLANTIS GUI Karteikarten Anwendung von Auswahlkriterien Wichtige Einstellungen Ausgabefenster Zeigt Dateinamen des Ereignisses und stellt Informationen zu ausgewählten Objekten dar. Ermöglicht die Bestimmung von elektr. Ladung, transversalem Impuls,

19 19 Transversale Energie und Impuls Vor der Kollision bewegen sich die Protonen entlang der z-richtung durch den ATLAS-Detektor Der Impuls in x- und y-richtung ist 0. Dieser muss erhalten bleiben und sollte nach der Kollision ebenfalls 0 sein. Die Gesamtenergie kann nicht gemessen werden, da Teilchen nahe des Strahlrohres (sich in Vorwärtsrichtung bewegend) nicht detektiert werden können und deren Energie verloren geht. x Bessere Messung: transversale oder seitwärtige Komponente (x-y) Interessante Ereignisse beinhalten Teilchen mit großer transversaler Energie (E T ) und großem transversalem Impuls (p T ) y z

20 20 Erklaerung: Fehlende Energie Vor der Kollision bewegen sich die Protonen entlang der z- Richtung durch den ATLAS- Detektor Der Impuls in x- und y-richtung ist 0. Dieser muss erhalten bleiben und sollte nach der Kollision ebenfalls 0 sein. Werden Neutrinos erzeugt, sieht der Detektor sie nicht. Wenn aber alle Impulse aller in einem Ereignis detektierbaren Teilchen in x-y-richtung vektoriell aufaddiert werden gibt es ein Defizit dies ist gerade der fehlende transversale Impuls. x y z

21 21 MINERVA Teilchen Impuls und elektr. Ladung Wie bestimmt man den transversalen Impuls und die elektrische Ladung? Hier ist das Problem: bestimme die elektrische Ladung und den transversalen Impuls des Elektrons/Positrons in diesem Ereignis. Klicke auf das Finger -Symbol aus der Werkzeugleiste, klicke auf die Spur des Teilchens, um es auszuwählen (verändert die Farbe von orange zu grau) und schaue auf das Ausgabefenster Charge = 1 bedeutet elektr. pos. Geladen. Charge = -1 bedeutet elektr. negativ geladen.

22 22 MINERVA Wineklmessung Wie misst man Winkel zwischen Teilchen mit dem Event Display? Erste ausgewählte Spur Zweite ausgewählte Spur Und hier ist ein weiteres Problem: bestimme den Winkel zwischen den Spuren zweier Teilchen in der transversalen Ebene. Halte die P-Taste der Tastatur gedrückt und wähle die beiden Spuren aus. Der Winkel zwischen beiden Spuren in der transversalen Ebene wird im Ausgabefenster angezeigt. (grün umrahmt).

23 23 Teilchen/Objekt Identifikation Jets Myon Neutrino Elektron Elektron: Spur im Inneren Detektor Gestoppt innerhalb des elektromagnetischen Kalorimeters Myon: Spur im Inneren Detektor Wenige Energiedepositionen und Wechselwirkungen in beiden Kalorimetern; kann nicht gestoppt werden Orange Spuren in den aeusseren Myonenkammern Neutrino: Fehlender transversaler Impuls(rot gestrichelte Linie) Jets: Teilchenbündel im Inneren Detektor Energiedepositionen in beiden Kalorimetern, insbesondere im hadronischen Kalorimeter Verwende die Animation auf folgender Webseite zur eigenen Untersuchung: Try both the side view and end view!

24 24 Teilchenidentifikation Elektron / Positron Spur im Inneren Detektor Hohe Energiedepositionen im elektromagnetischen Kalorimeter (Teilchen wird dort gestoppt) Erinnere Dich, Teilchenspur anklicken und Informationen ablesen, um elektrische Ladung und transversalen Impuls festzustellen Charge = -1 = Elektron Charge = 1 = Positron

25 25 Teilchenidentifikation Myon/ Antimyon Spur im Inneren Detektor Spur in den Myonendetektoren Wenig Aktivität im elektromagnetischen und hadronischen Kalorimeter (Energiedepositionen und Spuren sind auf einer Bahn) Erinnere Dich, Teilchenspur anklicken und Informationen ablesen, um elektrische Ladung und transversalen Impuls festzustellen Charge = -1 = muon Charge = 1 = anti-muon

26 26 Teilchenidentifikation Neutrinos Neutrinos werden indirekt durch die Berechnung des fehlenden transversalen Impulses nachgewiesen. Dargestellt durch rot gestrichelte Linie Dicke der Linie repräsentiert die Höhe des fehlenden transversalen Impulses Einfach ist dieser Wert auch abzulesen durch die Information im Lego Plot Fehlender Impuls muss mind. 25 GeV betragen, um ein Neutrino- Kandidaten anzunehmen

27 27 Teilchenidentifikation Jets Jets entstehen durch das Auseinanderlaufen von Quarks oder dem Abstrahlen von Gluonen Teilchenbündel im Inneren Detektor (viele Spuren) Richtig viel Aktivität im elektromagnetischen Kalorimeter Und auch richtig viel Aktivität im hadronischen Kalorimeter Myon-Kammerhits, wenn entweder die Hadronen zu energiereich und nicht stoppbar oder wenn Mesonen sich in Myonen umwandeln.

28 28 Übung 1: Teilchenidentifikation Verwende den Link: kjende/de/wpath_exercise 1.htm In der Uebung gibt es vier Ereignisse, jedes mit einem Satz an Teilchen, die identifiziert werden sollen Nutze alle vier Ansichten des Ereignisses: Kannst Du Myonen, Antimyonen, Elektronen, Positronen, Neutrinos/ Antineutrinos oder Jets finden? Setze ein Häkchen in die Box eines jeden Teilchens, dass Du in einem Ereignis siehst. Durch Drücken von Check bekommst Du eine Rückmeldung.

29 29 Start True MET>25 GeV Ereignisidentifikation False Entscheidungen, die für jedes Ereignis getroffen werden müssen True Enthält genau ein Lepton False Lepton l = Elektron, Positron, Myon, Antimyon True PT(l)>20 GeV True Enthält genau zwei elektrisch entgegengesetzt geladene Leptonen False True Lepton isoliert von Jets True PT(l 1 )>25 GeV PT(l 2 )>15 GeV False W Kandidat True Beide Leptonen sind aus der selben Familie False Untergrund True MET>40 GeV WW Kandidat WW Kandidat

30 30 Ereignisidentifikation - Signal W - µ - +ν µ or W + µ + +ν µ Es gibt GENAU EIN Myon oder Antimyon, welches isoliert (bedeutet: es taucht nicht in einem Jet auf) ist und einen transversalen Impuls (p T ) von MEHR ALS 20 GeV. Außerdem wird ein fehlende transversaler Impuls (MET) von MINDESTENS 25 GeV im Ereignis verlangt. Elektrische Ladung und Impuls können durch Anklicken bestimmt werden... Charge = -1 = Myon Charge = 1 = Antimyon Um herauszubekommen, ob es von einem W + oder W - Boson kommt.

31 31 Ereignisidentifikation - Signal W - e - +ν e or W + e + +ν e Es gibt GENAU EIN Elektron oder Positron, welches isoliert ist und Einen transversalen Impuls (p T ) von MEHR ALS 20 GeV hat. Außerdem verlangt man einen fehlenden transversalen Impuls (MET) von MINDESTENS 25 GeV im Ereignis. Elektrische Ladung und Impuls können durch Anklicken bestimmt werden... Charge = -1 = electron Charge = 1 = positron Um herauszubekommen, ob es von einem W + oder W - Boson kommt.

32 32 Ereignisidentifikation - Signal WW l - +ν l +l + +ν l (l kann sein Elektron, Myon, Positron, Antimyon) Enthaelt GENAU ZWEI Leptonen mit ENTGEGENGESETZTER elektrischer Ladung, sind isoliert und das Lepton mit höherem transversalen Impuls muss mindestens einen transversalen Impuls von 25 GeV haben, während das Lepton mit niedrigerem transversalen Impuls einen transversalen Impuls von mindestens 15 GeV aufweisen muss. Es wird außerdem ein fehlernder transversaler Impuls verlangt abhaengig von der Art der involvierten Leptonen: von mind. 40 GeV wenn beide Leptonen aus der gleichen Familie kommen von mind. 25 GeV im anderen Fall.

33 33 Ereignisidentifikation - Untergrund Z µ - +µ + (or Z e - +e + ) Es gibt ZWEI elektrisch ENTGEGENGESETZT GELADENE Leptonen (aus der gleichen Familie), welche isoliert sind und das Lepton mit höherem transversalen Impuls muss mindestens einen transversalen Impuls von 25 GeV haben, während das Lepton mit niedrigerem transversalen Impuls einen transversalen Impuls von mindestens 15 GeV aufweisen muss. ein fehlender transversaler Impuls (MET) von WENIGER ALS 25 GeV wird verlangt

34 34 Ereignisidentifikation - Untergrund Multi-Jet-Events Es gibt Jets im Ereignis ein fehlender transversaler Impuls (MET) von WENIGER ALS 25 GeV wird verlangt

35 35 Übung 2: Klassifizieren von Ereignissen Nutze den Link: Er beschreibt alles weitere. Die Übung besteht aus 10 zu identifizierenden Ereignissen, die jeweils einer der folgenden Eventkategorien zuzuordnen sind: W + e + +ν e W - e - +ν e W + µ + +ν µ W - µ - +ν µ WW - l - +ν l +l + +ν l Background from jets, Z e + e -, Z µ + +µ - Lade die Ereignisse ( exercise2.zip ) in ATLANTIS Unterscheide zwischen Signal und Untergrund! Vergleiche auf der Webseite!

36 36 Datenanalyse: Zusammensetzung des Protons & Higgs-Suche Wähle alle Signalereignisse (mit einem W Teilchen) aus den 50 Ereignissen Deiner Datenstichprobe aus. Bestimme die elektrische Ladung des W-Teilchens. Zähle die W + and W - Ereignisse und bestimme das Verhältnis aus der Anzahl elektrisch positiv geladener W Teilchen zu der Anzahl elektrisch negativ geladener W-Teilchen (R±). Behalte alles durch die Eintragungen auf Deiner Strichliste im Auge.. Aufgabe 1 Entdecke die Protonstruktur! Aufgabe 2 Finde die Higgs-Teilchen! Bekomme eine Idee wie das Higgs-Teilchen (insofern es existiert) gefunden werden kann. Simulierte Ereignisse wurden unter die echten Daten gemischt. Finde sie heraus und messe den Winkel zwischen den beiden elektrisch geladenen Leptonen in der transversalen Ebene (welche den W-Teilchen entspringen), ΔΦ ll. Notiere Ereignisnummer und Winkel. Am Ende überprüfst Du die ausgewählten Ereignisse noch mindestens einmal kritisch.

37 37 Datenanalyse: Zusammensetzung des Protons & Higgs-Suche Struktur der Datenstichprobe Wir analysieren das W data sample no. 2 (enthält 1000 Ereignisse) Es ist in 20 kleinere Pakete, mit A bis T bezeichnet, untergliedert. Jedes dieser Sub-Sample enthält 50 Ereignisse Was benötigst Du... Event display (installiert auf dem Laptop) Starte atlantis vom Desktop Datenstichprobe Lade das entsprechende Datenpaket aus dem Ordner in das Event Display Strichliste (ausgedruckt) Link zur Kombinationstabelle

38 38 Datenanalyse: Strichliste Was muss alles eingetragen werden Wichtiger Buchstabe steht für das Datenpaket, was analysiert werden soll Mit Strichen auszufüllen Ereignisnummer und Winkel eintragen Platz für Striche zu Untergrundereignissen L e t z t e S p a l t e z u m Zusammenzählen

39 39 Datenanalyse: Protonstruktur Proton wechselwirkt nicht als Ganzes Verschiedene Methoden der Produktion Zerfall 1/3 aller W-Teilchen zerfallen in ein Lepton und Neutrino (Elektron, Myon, Tau) Protonen sind schwierig bei hohen Energien! Masterclass 2011

40 40 Data Analysis: Diskussion der Higgs- Search Histogramm Hà WW Signal zu Untergrund Schritte einer Selektion Übereinstimmung Unsicherheiten & Entdeckung Masterclass 2011

41 41 MINERVA Masterclass Resources Main Minerva website ATLAS Experiment public website Learning with The Particle Adventure (Good introduction to particle physics)