Fehlende transversale Energie - Signalrekonstruktion am LHC -

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1 Fehlende transversale Energie - Signalrekonstruktion am LHC - Lisa Mövius Sommerakademie Neubeuern 2008, AG 2

2 Gliederung l Einleitung l Bestimmung von E miss bzw. E T,miss l Rekonstruktion fehlender E T, Trigger am Beispiel: l SUSY-Suche l Extra Dimensionen l Zusammenfassung

3 Einleitung: fehlende transversale Energie l Nicht elektromagnetisch oder stark wechselwirkende Teilchen: kein Signal im Detektor l Bsp: Neutrinos, Neutralinos, dunkle Materie, neue skalare Felder, neue Physik, l Energie- und Impulserhaltung?

4 Einleitung: fehlende transversale Energie l Impulserhaltung: r r = 0 p i i= alle Teilchen ( p, ) x i py, i = r, 0 i= alle Teilchen l Impulsdisbalance: r r p i = p i= sichtb.t. miss ( p, ) x, i py, i i= sichtb.t. = r p T, miss l Fehlende transversale Energie: r E miss = p miss T : E, miss : = pt, miss r

5 Einleitung: e + e - - & Hadron- Collider l e + e - - Collider: l e + & e - : Leptonen l kein longitudinales Signal l E miss komplett bestimmbar l Invar. Masse bestimmbar l Hadron - Collider: l Hadronen l großes longitudinales Signal l Nur E T,miss bestimmbar l Invar. Masse nicht bestimmbar

6 Einleitung: E T,miss Messung am CMS CMS: Hadroncalorimeter Energy towers: winkelabhängige E-Messung Bestimmung:Summiere über Detektorzellen mit Energie E n und polarem, azimutalem Winkel θ n,φ n E T, miss = E sinθ cosθ xˆ + E sinθ sinϕ yˆ = E n x, miss xˆ + E n y, miss yˆ n n n n Aus [1], Figure 11.2: The η,φ segmentation of the CMS hadron calorimeter

7 E T,miss im CMS l Probleme: l pile-up Collisions l Unterschied Photon- u. Muon-Empfindlichkeit (Kombination ECAL und HCAL) l Spurkrümmung im 4T Magnetfeld l Chancen: l Exzellente Zellsegmentierung im Kalorimeter l Gute Hermitizität l Gute Abdeckung kleiner Winkel

8 E T,miss Messgenauigkeit l Empirische Formel: σ = C ET 1/2 GeV l Bsp.: C konst. Faktor, hängt direkt von Jet-Auflösung ab l UA1, jet-aufl.: l CDF, Run I: σ x 0.8 E GeV 1/2 1/2 T σ x = σ y = 0.4 E T GeV E 1/2 = 0.47 GeV T l CMS? l Jet-Aufl.: 1.25 E GeV 1/2 ( ) 1/2 T σ E GeV x T l Minimum bias event, kein pile-up, Schauerfluktuationen dominant

9 Aus [1], Figure 11.10: minimum bias events with no pile-up. The resolution is 6.1 GeV in agreement with expectations based on a stochastic term and a noise contribution of 3.8 GeV Aus [1], Figure 11.11: soft QCD events (0<p T <15GeV) with pile-up. The resolution is 9.9 GeV in agreement with expectations based on the study with minimum bias events.

10 E T,miss Messgenauigkeit Aus [1], Figure 11.12: Missing transverse energy resolution vs. E T for QCD soft events, 0 < p T < 15 GeV/c, (squares) and minimum bias events (open circles). Lowluminosity pile-up is included in both cases.

11 E T,miss Korrektur E T,miss Korrektur durch Jetenergie- Korrektur (Linearisierung) Aus [1], Figure 11.18: Missing transverse energy resolution before (open circles) and after jet corrections (filled circles) for inclusive t t events vs. reconstructed E T,miss.

12 Bsp: Signaloptimierung D0-Detektor

13 E T,miss in der SUSY-Suche l Zerfall der sparticles 2 Neutralinos (LSP) l LSP stabil, nicht detektierbar E miss l nur E T,miss bestimmbar 2m N ~ 1 SUSY-Signale allgemein: n Leptonen + m Jets + E T,miss (entweder n oder m können Null sein) Problem:!viele mögliche SM-Untergründe (W,Z Neutrinos)

14 E T,miss in der SUSY-Suche Problem:!SM-Untergründe (W,Z Neutrinos) Identifiziere Signale, deren Untergrund reduziert werden kann: 1) Jets + E T,miss (ohne einz. Leptonen) 2) Trilepton-Signal 3) Same-charge Dilepton-Signal

15 E T,miss Rekonstruktion am Bsp. 3j+E T,miss l Suche nach 3jet-Events mit großer E T,miss l E T,miss aus 2 LSP (Squark, Gluino Zerfälle) l Jets aus hadronischen Zerfällen der Squarks und/oder Gluinos l SM Untergründe: W+j, Z+j, top-antitop, di-bosons, single tops, QCD jets l msugra: M 0 = 60 GeV/c 2,M 1/2 = 250 GeV/c 2 A 0 = 0, µ > 0 and tanβ = 10 (LM1 test point)

16 E T,miss Rekonstruktion am Bsp. 3j+E T,miss

17 E T,miss Rekonstruktion am Bsp. 3j+E T,miss 1. Hardware Trigger: l L1: E T,miss > 46 GeV, central jet mit E T > 88 GeV l HLT: E T,miss > 200 GeV 2. Clean-up l Mind. 1 Primärer Vertex l F em > 0.1 (event electromagnetic fraction) und F Ch < (event charged fraction) um fake jets auszuschließen 3. SUSY Signatur l Mind. 3 jets mit ET 30 GeV im Bereich η < 3.0 l Leading jet im central tracker Bereich η < 1.7

18 E T,miss Rekonstruktion QCD Untergrund Aus [2]

19 E T,miss Rekonstruktion QCD Untergrund Effizienz: 90% für das SUSY Signal 85% des QCD Signals entfernt

20 E T,miss Rekonstruktion W/Z/top-Antitop Untergrund l SUSY Event hat kein explizites Lepton indirect lepton veto l Leading track in einem 92% event: für das p SUSY T 15 Signal GeV/c l Σp T (in Kegel R=0.35) / p T < 10% l Event abgelehnt Effizienz ILV (I): 50% des W/Z+j Signals entfernt

21 Effizienz ILV(II) 87% für das SUSY Signal 90% des W ev+ 2j Signals entfernt Kumulierte Effizienz: 80% für das SUSY Signal 50-90% des W/L+j Signals entfernt 40% des top-antitop Signals entfernt

22 E T,miss Rekonstruktion Signal/Untergrund Optimierung l Bedingung an führende jets: 180 bzw. 110 GeV l H T = E T(2) +E T(3) +E T(4) +E T,miss > 500 GeV

23 E T,miss Rekonstruktion Ergebnis Gesamteffizienz: 13% für das SUSY Signal Signal/Untergrund ~ 26

24 E T,miss in der Suche nach extra Dimensionen l Graviton-Produktion: Photon+Graviton l Graviton nicht detektiert, E T,miss l möglicher Suchkanal: einzelnes Photon + E T,miss Aus [3]

25 Suche nach extra Dimensionen: Trigger und Eventauswahl l Charakterisierung des γ+e T,miss Signals: l ein einzelnes Photon mit hohem Transversalimpuls im zentralen Detektorbereich l Hoher p T,miss in entgegengesetzter Richtung in der azimutalen Ebene mit gleicher p T -Verteilung l Topologische Kriterien und Untergrundreduktion: l E T,miss 400 GeV l Photon: p T 400 GeV/c l η < 2.4 l φ (E T,miss, γ) > 2.5 l Track Veto für Teilchen mit p T > 40 GeV/c (Untergrund hochenergetischer geladener Teilchen wie e±, µ±, jets) l Isolated Lepton Likelihood Kriterium (Untergrund harter Photonen aus Jets oder fake photons auf Jets)

26 Simulationsergebnisse

27 Zusammenfassung l Definition von E T,miss l Messung, Detektortuning l Beispiele für Signalrekonstruktion: SUSY- Suche, Suche nach extra Dimensionen

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Quellen: [1] CMS Technical Design Report, Volume I: Detector performance and Software CERN/LHCC , [2] CMS Technical Design Report, Volume II: Physics Performance, CERN/LHCC , [3] G. Kribs: TASI 2004 Lectures on the Phenomenology of Extra Dimensions