Analyse und Simulation von Untergrundereignissen für den LFV-Zerfall mit dem ATLAS Experiment am LHC

Transkript

1 Analyse und Simulation von Untergrundereignissen für den LFV-Zerfall mit dem ATLAS Experiment am LHC Bericht über ein Praktikum am CERN im Juli/August 2008 Andreas Reiserer

2 Gliederung Der Zerfall τ-produktion im ATLAS-Detektor Untergrundereignisse Monte-Carlo-Simulationen Generation von Ereignissen Simulation mit ATHENA Simulation mit ATLFAST II Vergleich der unterschiedlichen Simulationsarten Entwicklung von Cuts Zusammenfassung und Ausblick

3 Der Atlas-Detektor

4 Der Zerfall Im SM verboten (Erhaltung der Leptonenzahl) SM mit Neutrinooszillationen: Sehr kleine Zerfallsrate (10-14)

5 Der Zerfall In gegenwärtig diskutierten Erweiterungen des SM: mit unterschiedlichen BR möglich Beispiele:

6 Der Zerfall Produktion von τ am LHC: Großer Wirkungsquerschnitt für τ-produktion, hohe Luminosität Zerfall beobachtbar? Reduktion der experimentellen Obergrenze des BR? Die meisten τ aus B- und D-Mesonen τ aus W- und Z-Zerfällen sind isoliert klare Signatur ETmiss in W-Zerfällen erlaubt gute Reduktion des Untergrundes

7 Der Zerfall Zwei Voraussetzungen: Erkennen des Eregnisses klare Signatur Konzentration auf τ aus W Zerfällen Monte-Carlo-Simulationen für hypothetischen Zerfall Simulation des Detektorverhaltens Ermittlung der Signatur der Ereignisse Effiziente Reduktion des Hintergrundes Monte-Carlo-Simulationen Welche Ereignisse weisen ähnliche Signatur auf? Gibt es gefährliche Hintergrundereignisse? Entwicklung von effizienten Cuts

8 Untergrundereignisse Eigentlich: Alle Ereignisse mit 2-4 Myonen im Endzustand Ausschluss vieler Ereignisse durch Forderungen: Myonenspuren aus selbem Vertex Invariante Masse in der Größenordnung der τ -Masse Alle drei Myonen in engem Kegel (Impuls-Erhaltung)

9 Untergrundereignisse potentiell gefährliche Untergrundereignisse: im Wesentlichen aus der Produktion von B- und D-Mesonen pp b b B x B y X ; 0.35 nb pp c c D x D y X ; 0.40 nb Hier: Konzentration auf b b -Ereignisse Groß angelegte Monte-Carlo-Simulation des Untergrunds Zwei Kanäle: Φ-Kanal pp B s... D s η-kanal pp B s... D s

10 Monte-Carlo-Simulation Generation (mit PYTHIA) Verwendung einer Tabelle mit allen bekannten Zerfällen Ausgabe: Vierer-Impulse und Teilchenart Simulation Ausbreitung der Teilchen im Detektor Berücksichtigung der WW mit Detektormaterial Digitalisierung Berechnung des Messignals aller Detektorbestandteile Rekonstruktion Rekonstruktion der Spuren Identifikation der Teilchen (unterschiedliche Algorithmen)

11 Generation BR der potentiell gefährlichen Untergrundereignisse: 10-6 einfach b b erzeugen und 3-μ-Filter anwenden nicht möglich (würde etwa 1Tag Rechenzeit pro Ereignis erfordern) Modifikation der erlaubten Zerfälle, sodass bevorzugt relevante Untergrundereignisse generiert werden (Vorsicht: bias) Wirkungsquerschnitt mit Hilfe von ursprünglicher Zerfallstabelle berechenbar

12 Übersicht über erlaubte und verbotene Zerfälle nur b b -Ereignisse erzeugt Erzwungener Zerfall von Bs in Ds Je nach Kanal: Zerfall von DsMesonen in Φ- oder η-resonanz (vgl. Tabelle) diese: Zerfall in zwei Myonen (+ γ ) Anwenden der angesprochenen Filter (>2 μ mit pt>2gev, ΔR) Generation von je Ereignissen im Φ- und η-kanal

13 Simulation Simulation: Ausbreitung der generierten Teilchen im Detektor Rechenzeitintensivster Teil von MC-Studien (10min/event) Daher: Entwicklung von ATLFAST II Vollständige Simulation von innerem Detektor und Myonspektrometer Vereinfachte Simulation der Calorimeter Für manche Fragestellungen nicht geeignet Falls anwendbar: Ersparnis von über 80% Rechenzeit Überprüfung der Anwendbarkeit durch Vergleich zwischen vollständiger und schneller Simulation eines Teilsamples (10% für Φ- und 2.5% für η-kanal)

14 Vergleich der schnellen mit der vollständigen Simulation

15 Vergleich der schnellen mit der vollständigen Simulation

16 Entwicklung von Cuts Viele Ereignisse mit kleinem Winkel zwischen den Myonen Cut: Winkel < 0.2 reduziert Untergrund stark

17 Entwicklung von Cuts Starker Peak um Φ-Masse (mφ 1020 MeV) Cut: Ausschluss von Ereignissen, bei denen die invariante Masse zweier Myonen im Bereich (mφ ± σ) liegt

18 Entwicklung von Cuts Viele Ereignisse unterhalb der η-masse (mη 548 MeV) kein scharfes Maximum, da Zur Entwicklung eines eventuellen Cuts muss erst die Auswirkung auf Signalereignisse geprüft werden

19 Entwicklung von Cuts Problem: Viele Ereignisse im Bereich von mτ ( 1777MeV) dennoch: Cut von (mτ ± 2σ) reduziert Hintergrund stark

20 Zusammenfassung Durchführung umfangreicher Monte-Carlo-Simulationen zum Studium des Hintergrundes für den LFV-Zerfall Gefährliche Hintergrundereignisse entstehen hauptsächlich aus Zerfall von Φ- oder η-resonanzen Generation von Datensätzen mit jeweils Ereignissen Durchführung der vollständigen Simulation für einen repräsentativen Teil der Ereignisse Vergleich mit ATLFAST II-simulierten Daten rechtfertigt Anwendbarkeit der schnellen Simulation

21 Ausblick Weitere Unersuchung des Hintergrundes nötig, insbesondere Ereignisse aus c c -Produktion Simulierte Daten ermöglichen die Entwicklung effektiver Cuts: alle Myonen in engem Raumwinkelbereich isolierte Myonen Veto bei Φ- und η-masse invariante Masse von drei Myonen etwa gleich der τ-masse Bei 100 fb-1: Reduktion der Obergrenze der relativen Zerfallsrate von bislang auf etwa möglich

22 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Literatur: ATLAS official website; Abruf: ; D.Adams et al., Muon Reconstruction and Identification Performance in ATLAS: Studies with Simulated Monte Carlo Samples; CSC NOTE ATLPHYS-PUB C. Amsler et al. (Particle Data Group), Physics Letters B667, 1(2008) ATLFAST II; Jörg von Loeben, Fist Study of the ATLAS Sensitivity to the LFV Decay ; Vortrag beim Exotics WG Meeting, CERN, R. Santinelli, M. Biasini : First study of the CMS sensitivity to the neutrinoless decay CMS Note 2002/037 PYTHIA 6.4 Physics and Manual; hep-ph/ v2 root 5.18,