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Der Status von CMS & mögliche Messungen

mit den ersten LHC-Daten

DPG-Tagung, Freiburg7. März 2008

Katja Klein1. Physikalisches Institut B, RWTH Aachen

Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen 2

Compact Muon Solenoid Experiment

YB = Yoke BarrelYE = Yoke Endcap

2880 Wissenschaftler in 184 InstitutenDeutsche Institute: 3 x AC, DESY, HH, KA

D

D

Artikel über CMS-Detektor eingereicht beim Journal of Instrumentation


• 4T bei 19kA 4 Windungslagen• Supraleitender Al-verstärkter NbTi-Leiter • 220t Kaltmasse bei 4.5K (Helium)• Rückflussjoch aus 10 000t Eisen• 2006 erfolgreich getestet• Finale Abkühlung hat begonnen• Test mit Strom im April; B = 3.8 – 4.0T im Juni 6.3m

12.5

mR

≈30

cm

Aluminium

Aluminium-legierung

NbTi-Leiter32 Adern

Der Solenoid‐Magnet

Abkühlung des Magneten

3 Wochen

Tmin

Tmax

Stromzyklen19kA,4T

„Heavy Lowering“


• Oberirdische Konstruktion hohe Flexibilität• 15 Elemente mit Massen im Kilotonnenbereich • Ablassen per Schwerlastkran in 9m/h• Start: Hadron Forward im November 06• Ende des „Heavy Lowerings“: YE-1 im Jan 08

Kran

YE-1

Der Tracker


2.5 m

5.8 m

200m2 (Streifen) + 1m2 (Pixel) Siliziumfläche Viele Lagen Redundanz & robustes Tracking Strahlenbelastung für 10 LHC-Jahre: 1013 - 1015 neq cm-2

⇒ Betrieb bei < −10°C (Min. von Strahlenschäden) Myonen mit pT = 100 GeV, || < 2.0:

pT/pT ≈ 1-3%, σ(d0) ≈ 10μm, 99% Eff.

Der Streifen‐Tracker


• 15 148 Module• Modulares Design, mehrere Supportstrukturebenen• Herausforderungen: Strahlenhärte, Material-Budget, mechanische Präzision / Alignment!

• Nach Integration > 99% gute Streifen!1 X0

x/X0

Endkappe

Siliziumsensoren- 6“ Wafer- Pitch 80-205 μm- 320 / 500 μm dick

Hybrid mit Auslesechips- 0.25 μm CMOS (strahlenhart)- Analoge Auslese!- Zeitkonstante 25ns

≈20

cm

Streifen‐Tracker: Status


• März 07: alle Subdetektoren am CERN in Supportröhre eingebaut• Bis Juli 07: intensiver 15%-Slice-Test am CERN ( nächste Folien)• Sommer/Herbst 07: Verlegung von Services auf YB0• Dezember 07: Einbau des Streifen-Trackers in CMS (Präzision ±1mm)• Verkabelung (980 Kühlrohre, 3350 opt. Fasern, 2330 Kabel) ist zu > 50% fertig!

YB0

Tracker‐Commissioning im Slice Test


• Test von ca. 15% des Trackers• Alle Subdetektoren beteiligt

• −15°C < TKühlflüssigkeit < +15°C

• 47 Millionen Cosmic-Trigger

• 3 Spuralgorithmen untersucht;modifiziert für kosmische Myonen

Signal / Rauschen (benötigt: 10)

500 μm Sensor

98.4% EffizienzSpureffizienz im Outer Barrel, gegen θ

98%

Hiteffizienz pro Lage

99.8%

Innerbarrel

Outerbarrel

• Gute Impaktparameterauflösung für sekundäre Vertices von b- und -Zerfällen• Seeds für Spurfindung


Forward Pixel:- 2 x 2 Disks: z = ± 34.5, ± 46.5 cm- 18 Millionen Pixel

Barrel Pixel:- 3 Lagen: R = 4.4, 7.3, 10.2 cm- 48 Millionen Pixel

Der Pixel‐Detektor

Sensor

Chips0.25 μm CMOS

Elektronik-Platine

• Hybrid-Technologie • n+ Pixel (100 μm (r-) x 150 μm (z)) auf n-Substrat• Ladungsteilung zw. Pixeln wegen Lorentzwinkel (Barrel) und Geometrie (Forward)plus analoge Auslese 15-20 μm Ortsauflösung

Der Pixel‐Detektor: Status


• Installation geplant für Mai, nach dem Ausheizen des Strahlrohrs

• Installation über Schienensystem• 2 Wochen vorgesehen für Installation

Barrel Pixel: - alle Module sind montiert & getestet- Produktion der Servicezylinder läuftForward Pixel: - alle Halbzylinder sind fertig u. am CERN- erster Halbzylinder am CERN getestet

1. Barrel-Halbzylinder

Forward-Halbzylinder

Tracker Alignment

• Für Spurfindung (100 μm) & optimale Spurauflösung (≈10 μm)• Strategie: Alignment in mehreren Stufen

- Daten aus geometrischen Vermessungen geben Startwerte O(100 μm)- Laser-Alignment-System für Relativbewegung großer Strukturen (10-100 μm)- Spur-Alignment: anfangs Cosmics & Beam Halo, später Min. Bias, Z μμ, W μ

• 3 Algorithmen werden untersucht (Millipede II, Kalman-Filter, HIP)• Alignment des Trackers (ca. 50 000 Parameter) in 2h mit 2GB Memory!


CMS Note 2008/008: Millipede II, 0.5 fb-1, Z μμ + single μ‘s + 25 000 cosmics:

Residuenin rφ

χ2/ndof

Detektorelemente im MC gaussisch / uniform verschmiertFirst data scenario: Alignment nur durch Lasersystem und Vermessung+ Alignment auf 15 μm für Pixel

Das elektromagnetische Kalorimeter

Katja Klein (RWTH Aachen) 12Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

Endkappen (EE)- 1.479 < |η| < 3.0- 2 x 2 „Dees“- 2 x 7 324 Kristalle- 2.9cm x 2.9cm x 22cm- 24.7 X0- Vakuumphototrioden

Barrel (EB)- |η| < 1.479 - 36 Supermodule- 61 200 Kristalle- 2.2cm x 2.2cm x 23cm- 25.8 X0- Avalanche Photodioden

Preshower zur 0-Unterdrückung- 1.653 < |η| < 2.6- Bleiabsorber/Siliziumstreifendetektoren- 2 Lagen 2 X0

• Benchmark‐Kanal: H γγ• Anforderungen:‐ Exzellente Energieauflösung‐ Hohe Granularität‐ Strahlenresistenz‐ Schnelligkeit

Die PbWO4‐Kristalle

Katja Klein (RWTH Aachen) 13Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

• Hohe Dichte: 8.28 g/cm3

• Kurze Strahlungslänge: 0.89cm• Kleiner Moliereradius: 2.2cm• Schnell: 80% des Lichts wird in 25ns emittiert

• Geringe Lichtausbeute: 4.5 e− / MeV bei +18°C• Lichtausbeute stark temperaturabhängig: −2.1% / °C bei +18°C T‐Stabilisierung auf 0.05°C nötig!

• 1700 Kristalle / Supermodul• Quasiprojektive Geometrie

Supermodul

Status von ECAL Barrel

• April 2007: letztes Supermodul gebaut• Juli 2007: alle Supermodule in CMS installiert; Rate 1 Supermodul / Tag• Alle Supermodule verkabelt und getestet• 25/36 Supermodule simultan betrieben


Status von ECAL Endcap


• Bei Kristallproduktion Priorität auf EB EE ist spät!• Lieferung der Kristalle bis Ende März• Circa 70% der Superkristalle (5x5) gebaut• Dee1 & 2 mit Kristallen bestückt, Verkabelung läuft• Plan: Einbau EE1 im Mai 08, Einbau EE2 ab Juli 08• Plan: Einbau des Preshowers mit EE2

Dee1

ECAL Interkalibration

• Lichtausbeute der Kristalle variiert um 15%, Signal der Vakuumphototrioden um 25%• Homogenität und Stabilität wichtig für Energieauflösung Interkalibration• Alle Supermodule interkalibriert mit kosmischen Myonen (deponierte Energie ≈ 250 MeV)• 25% der Supermodule interkalibriert mit Teststrahl-Elektronen (120 GeV) Interkalibration mit kosmischen Myonen erreicht 1.5% Genauigkeit

• Ultimative Interkalibration in situ: W e über Tracker-pT oder 0 γγ


Vergleich: cosmics / e−

Interkalibrationmit Cosmics

Ring‐#

1%

2%

η0 1.48

( )2 22

22.8% 0.12 0.3%( )( )

GeVE E GeVE GeVσ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞ = + +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠

ECAL Energieauflösung


Stochastischer Term:- Fluktuationen in der lateralen

Verteilung des Schauers- Photostatistik- Fluktuationen im Preshower-Absorber

Rauschterm:- Elektronik & Digitalisierung- Pile-up

Konstanter Term:- Variation in longitudinaler

Lichtssammlungseffizienz- Interkalibration

e− -TeststrahlZentraler Einfall

Zufälliger Einfall

120 GeV e−

Teststrahl (e−):

Das hadronische Kalorimeter


• Hauptabsorber: Messing (70% Cu, 30% Zn) wegen Verfügbarkeit• Detektor: 70 000 Kacheln aus Plastikszintillator (Strahlenhärte, Langzeitstabilität)• Erwartete rohe Energieauflösung für Pionen (Teststrahl): σ/E = 120%/√E ⊕ 6.9%

Hadron Barrel (HB)- 16 Lagen Szintillator- 5.8 λ / sinθHadron Endkappe (HE)- 19 Lagen Szintillator- 10 λ

Hadron Outer (HO) Calorimeter als „Tail Catcher“- Spule und Joch als Absorber- 1-2 Lagen Szintillator

Hadron Forward (HF)- Dosis: 5 MGy bei |η| = 5- Stahlabsorber- Quartzfibern

HCAL: Status


• HB: im März 07 installiert, komplett verkabelt und getestet• HE: HE+ verkabelt & im Test, HE– (seit Jan 08 in Kaverne) wird verkabelt • HF: beide voll verkabelt, HF+ getestet; HF– wird aktuell getestet• HO: seit Dez 07 komplett im Pit, komplett verkabelt, 20% getestet

HB HE HF auf Platform

Das MyonsystemMyonen als saubere Signatur „neuer Physik“ Identifikation, Impulsmessung, Trigger Angestrebte Präzision: r –Auflösung ≈ 100 μm Hohe Rekonstruktions- und Triggereffizienz


Endkappe (ME) (0.9 < |η| < 2.4) :• Hohe Myon‐ & Untergrundrate: ≤ 1kHz/cm2

• B‐Feld groß und nicht uniform Kathodenstreifenkammern (CSCs)

3 ‐ 4 Lagen, 468 Kammern, 5000m2

Barrel (MB) (|η| < 1.2) :• Niedrige Myon‐ & Untergrundrate• B‐Feld klein und im Joch verlaufend Driftröhren (DTs)4 Lagen, 250 Kammern

In MB und ME: ≈ 700 Widerstandsplattenkammern (RPCs) als dedizierte Triggerkammern

Driftröhrenkammern (Drift Tubes)


Aufbau:• 5 Elektroden pro Driftzelle• Driftzellen angeordnet in Superlagen (SL)• Pro Kammer: 2 r-SL und 1 z-SL (Lagen 1-3)• Gas: 85% CO2, 15% Argon• Driftzeit: 380 ns• Verstärkung: 105

Herausforderungen:• Dichtigkeit: 1000ppm O2 ändert Driftzeit um 2%;10-20 ppm werden erreicht

• Mechanische Präzision: 100 μm

r

r

z

Status Driftröhren

• Juni 06: Kammerproduktion beendet

• Oktober 07: Kammereinbau komplett

• Sektortests (je 4 Kammern) mit kosmischen Myonen durchgeführt nächste Folie; > 99.8% gute Kanäle

• Verkabelung fast komplett(bis auf Niederspannungsnetzteile)

• Auslese kompletter Wheels hat begonnen (YB0, YB+1)


Inbetriebnahme der Driftröhren


Driftzelleneffizienz > 98%Spurrekonstruktionseffizienzfür > 6 -Hits

Gemeinsame Auslese von allen Kammern in YB0:

Resultate aus Sektortests (4 Kammern):

Kathodenstreifen & Widerstandsplatten


• Alle CSC Kammern gebaut –kein einziger Draht (von 2 Mill.) gerissen!

• März 07: letzte Kammer eingebaut • Plus-Seite: komplett verkabelt, 100% der Kammern angeschaltet und im Test

• Minus-Seite wird verkabelt

• Sep 07: letzte RPC Kammer installiert• Barrel: voll verkabelt (Ausnahme Netzteile) und zu ≈ 80% in Betrieb genommen

• Endkappe: Verkabelung und Testen läuft

Trigger & Datennahme


• Level1-Trigger: Hardware größtenteils installiert• High Level Trigger: 14 kHz im April 08, 36 kHz im Sep., 100 kHz 2009• DAQ-Installation in Service-Kaverne: 100%• Datenübertragung zur Oberfläche: > 90%• Event Builder: 50% installiert • Größe der betriebenen DAQ-Partition: 5%

40 MHz

100 Hz

100 kHz

L1Trigger

High Level Trigger

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

May June July August September November

HELumiHOHBTrk FEDs/RIBCSC (no HV)RPCEBDTHF

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

MTCC GREM GREJ GREJ' GREA GRES GREN

Global Run

Frac

tion

DT

CSC

RPC

EB

EE

ES

HB

HE

HF

HO

Strips

• Seit Mai 07: Globale Runs am Monatsende• Inbetriebnahme der Detektoren und Aufnahme von kosmischen Myonen• Inbetriebnahme aller Aspekte der Datennahme (Data AcQuisition, DAQ)

- Zentrale DAQ: Hard- und Software- Globaler Trigger: Level 1 (Myonkammern, Kalorimeter) und High Level Trigger- Software: Online Datenqualitätskontrolle (DQM), Event Display, Run Control, …- Datenfluss: Rekonstruktion auf Tier0, Datentransport zu Tier1s- Datenrate, Stabilität, Synchronisation, …

Global Runs


Bruchteil jedesSub-Detektors in DAQ

50% HF, HE

HB

Beteiligte Subdetektoren

H EL u m iH OH BT r k F E D s / R I BC S C ( n o H V )R P CE BD TH F

Global Runs


Myon in HCAL Barrelund Drift Tubes;Trigger von Widerstandsplattenkammern

Luftschauer in HCAL Barrelund Drift Tubes

Mögliche erste Messungen am LHC


1 nb

• Hypothese: 0 < ∫L ≤ 1 fb-1 in 2008⇒ Hier einige Beispiele von Analysen,

die mit L < O(1 fb-1) möglich sind

• Aktuell große Anstrengungen, Analysen für erste Daten vorzubereiten- Robuste Rekonstruktion der Objekte- Kalibration, Alignment, b-Tagging- Effizienzen und Untergrund aus Daten

• Nur Resultate, die public sind!(Quelle i.d.R. CMS Physics-TDR (2006))

• Physik-Potential von Atlas & CMS ist sehr ähnlich

1/(2πpT) d2N/dηdpTInclusive

QCD: Spektren geladener Hadronen


CMS PAS QCD_07_001

• Minimum Bias = inelastische Kollision ohne harte Wechselwirkung• Verständnis ist wichtig:

- Minimum Bias ist Untergrund für alle anderen Kanäle- Verbesserung der Modellierung in Simulationen- Strahlendosen, Occupancy, …

• Minimum oder zero bias Trigger (≈ 1 Hz Bandbreite)• Großteil der Spuren hat pT < 1GeV spezielles Tracking• Separation von , K und p durch dE/dx im Silizium-Tracker (!)

d2N/dydpTPionen

Log(dE/dx)

Elektroschwache Physik (W, Z)


• σZ ≈ 50 nb, σW ≈ 150 nb • Schnell große saubere Samples bekannter Masse, ideal zur Kalibration:

- Z ee : Kalibration des ECALs (Energieskala und Interkalibration)- Z μμ, W μ : Myon-Impulsskala, Alignment von Tracker und Myonsystem

Bsp. Z μμ & W μ für 10pb-1

(CMS PAS 2007/002):• Isolierte Myonen• Effizienzen aus (MC-)Daten bestimmt: Tag & Probe- Selektion eines Signalsamples, ohne die zu

untersuchende Eigenschaft zu fordern- Selektion des „Tag“-Myons mit harten Schnitten- die Effizienz wird für das „Probe“-Myon bestimmt


Elektroschwache Physik (W, Z)

Z μμ

W μ

• W rekonstruiert aus transversaler Masse(Myon-pT & MET)

• QCD-BG im W-Kanal aus Daten (Matrix-Methode)

• Dominanter systematischer Fehler: Impulsskala (≈ 3%)

Top‐Physik


Paarproduktion: σ = 830 pb in NLO ca. 1 Ereignis / s bei 1033 cm-2s-1

t Wb mit BR ≈ 100% Topologie hängt vom W-Zerfall ab- bb qq qq (46%) : Kinematik rekonstruierbar, aber hoher QCD-BG und Kombinatorik

Nützlich zur Kalibration von b-tagging und Jet-Energieskala- bb l qq (44%) : „Goldener Kanal“ zur Massenbestimmung- bb l l (10%) : sehr sauber, hohes S/B, aber keine direkte Massenbestimmung

Isoliertes LeptonpT > 20 GeV

MET > 20 GeV

3 Jets mit pT > 40 GeV1 Jet mit pT > 20 GeV

Bsp. Semi-leptonischer Kanal(Atlas preliminary)

Mt aus 3-Jet-Kombination mit größtem ∑pT

Atlas preliminary

Kein b-Tag!

• Starke Produktion von Gluinos & SquarksTyp. Wirkungsquerschnitt @ NLO: 10 pb

• Lange Zerfallsketten:

⇒ Jets + Leptonen + missing ET

• Meist minimale Modelle (mSUGRA)• Trotzdem großer Parameterraum Wahl von Benchmark-Punkten

• Strategie von CMS: Suche nach „Low mass“-SUSY an 10 LM-Punkten

• Hohe Sensitivität inclusiver Kanäle schon bei 1fb-1, aber: BG muss verstanden sein!

5 Reichweite

Supersymmetrie


CMS P-TDR (2006)Keine K-Faktoren

m0 = skalare Masse an GUT- Skalam1/2 = Gaugino-Masse an GUT-Skala

Bsp. LM1: Leptonen + Jets + MET


M0 = 60 GeVM1/2 = 250 GeVSign(μ) = +1A0 = 0tan () = 10

σ = 52 pbBR ( ) = 11%0 0

2 1l l l lχ χ± ±→ →∓ ∓

Idee: Rekonstruktion des kinemat. Endpunktes aus der invarianten Masse von e+e- und μ+μ-

- Selektion von 2 isol. Leptonen, ≥ 2 Jets, MET- Untergrund: QCD, ttbar, W + Jets, Z + Jets

Viele Vorteile gegenüber inclusiven Kanälen:• Klare Signatur• Untergrund ist i.d.R. flach und kann durch stat.Subtraktion von e+μ- und μ+e- eliminiert werden

• Kante nicht sehr sensitiv auf Normierung des BGsund theoretische Unsicherheiten Fit (1 fb-1): Stat. Fehler ≈ 0.5 GeV, syst. Fehler ≈ 1 GeV

1 fb-1CMS Note 2006/133

• Höhere Signifikanz bei Kombination Atlas/CMS – nicht realistisch für 2008• Resultate zum SM-Higgs erst 2009/2010• Gleiche Schlussfolgerung für MSSM-Higgs

SM Higgs


P-TDR (2006)Incl. K-factors

1 fb-1

Zusammenfassung


• Vorbereitungen für Installation des Strahlrohrs (März/April) laufen • Ende Mai muss der Detektor geschlossen werden• Cosmic-Run bei vollem Magnetfeld im Juni• Kompletter Detektor für niedrige Luminosität soll Mitte 2008 bereit sein

• Installation abgeschlossen bis auf ECAL Endkappen & Pixel• Momentan läuft die Verkabelung & die Inbetriebnahme auf Hochtouren• Hervorragende Qualität der Detektoren in Integration & Commissioning

• Möglichst robuste Physik-Analysen werden vorbereitet• Auch mit kleinen integrierte Luminositäten ist interessante Physik möglich:- 10 pb-1 – 100 pb-1: Minimum Bias, Jets, W, Z, Top …- 100 pb-1 – 1fb-1: Hinweise auf SUSY …

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