w path - teilchenwelt
TRANSCRIPT
W path Datenanalyse German Teachers Program CERN, April 4 2012
Konrad Jende
Jana Kraus
Masterclasses 2012
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 503-1-001)
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Masterclasses 2012
Einführung in MINERVA
§ Ein Masterclasses Werkzeug für SchülerInnen zum Kennenlernen des ATLAS Experiments am CERN
§ Basiert auf einem der offiziellen
ATLAS Event Displays
Masterclass INvolving Event Recognition Visualised with Atlantis
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Komponenten des ATLAS Detektors
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)
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Myon-Detektor�
Hadro-nisches Kalori-meter�
Elektromagn. Kalorimeter�
Spurdetektor�
Solenoid�Transition Radiation Tracker�
Pixel- und SCT-Detektor�
MINERVA Event Display
Das Event Display – das Sie zur Teilchenidentifikation verwenden werden
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MINERVA Event Display
ATLANTIS Canvas Fenster (rot umrahmt) und ATLANTIS GUI Fenster (blau umrahmt)
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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!
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MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas
Ansichten aller Detektoren …
Spurdetektoren
Elektromagne-tisches Kalorimeter
Hadronisches Kalorimeter
Myonen-Detektoren
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9 MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas
Ansichten aller Detektoren …
Spurdetektoren
Elektromagne-tisches Kalorimeter
Hadronisches Kalorimeter
Myonen-Detektoren
10 MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas
Ansichten aller Detektoren …
Spurdetektoren
Elektromagne-tisches Kalorimeter
Hadronisches Kalorimeter
Myonen-Detektoren
11 MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas
Ansichten aller Detektoren …
Spurdetektoren
Elektromagne-tisches Kalorimeter
Hadronisches Kalorimeter
Myonen-Detektoren
MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas
Unten
Seitenansicht des Detektors (R-z Projektion)
• Teilchen aller Regionen im Detektor werden dargestellt
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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)
13 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
14 MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas
+η -η
0
Φ
η Φ
15 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
MINERVA Event Display – ATLANTIS GUI
ATLANTIS GUI (b lau umrahmt) ermöglicht das Ändern von Einstellungen u n d A n s i c h t e n d e s Ereignisses und l iefert Informationen über Spuren und Kalorimetereinträge.
Date imanagement 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, K a l o r i m e t e r e i n t r ä g e , Teilchen und Objekte
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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
Dateimanagement
Z o o m / B e w e g e n /Rotation
Auswahlwerkzeug
Anzeige von Info zu ausgewählten Objekten
FishEye Transformation (zur besseren Ansicht im inneren Detektor)
17 MINERVA Event Display – ATLANTIS GUI
Ausgabefenster
Karteikarten
A n w e n d u n g v o n Auswahlkriterien
Wichtige Einstellungen
Zeigt Dateinamen des Ereignisses und stellt Informationen zu ausgewählten Objekten dar.
Ermöglicht die Bestimmung von elektr. Ladung, transversalem Impuls, …
18 MINERVA Event Display – ATLANTIS GUI
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.
§ Bessere Messung: transversale oder „seitwärtige“ Komponente
(x-y) § „Interessante“ Ereignisse beinhalten
Teilchen mit großer transversaler Energie (ET) und großem transversalem Impuls (pT)
x
yz
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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
yz
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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 t ransversa len 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.
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MINERVA – Wineklmessung
Wie misst man Winkel zwischen Teilchen mit dem Event Display?
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).
Erste ausge-
wählte Spur
Zweite ausgewählte
Spur
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Teilchen/Objekt Identifikation
Myon
Elektron Jets
Neutrino
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:
http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_teilchenid1.htm
Try both the side view and end view!
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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
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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
25 Teilchenidentifikation – Myon/ Antimyon
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
26 Teilchenidentifikation – Neutrinos
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.
27 Teilchenidentifikation – Jets
Übung 1: Teilchenidentifikation
§ 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.
§ Verwende den Link: http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_exercise
1.htm § In der Uebung gibt es vier
Ereignisse, jedes mit einem Satz an Teilchen, die identifiziert werden sollen
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MET>25 GeV
Enthält genau ein Lepton
Enthält genau zwei elektrisch
entgegengesetzt geladene Leptonen
PT(l)>20 GeV
PT(l1)>25 GeV
PT(l2)>15 GeV Lepton isoliert
von Jets
W Kandidat
WW Kandidat
True False
True
True
True
True
True
True
False
False
False
False
Entscheidungen, die für jedes Ereignis getroffen werden müssen
Lepton l = Elektron, Positron, Myon, Antimyon
Beide Leptonen
sind aus der selben Familie
MET>40 GeV WW Kandidat
True
Ereignis-identifikation
Untergrund
Start 29
Ereignisidentifikation - Signal
W-→µ-+νµ or W+→µ++νµ
Es gibt GENAU EIN Myon oder Antimyon,
welches isoliert (bedeutet: es taucht nicht in einem Jet auf) ist und
einen transversalen Impuls (pT) 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.
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W-→e-+νe or W+→e++νe
Es gibt GENAU EIN Elektron oder Positron,
welches isoliert ist und
Einen transversalen Impuls (pT) 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.
31 Ereignisidentifikation - Signal
WW→l-+νl+l++νl (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.
32 Ereignisidentifikation - Signal
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
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Ereignisidentifikation - Untergrund
Multi-Jet-Events
Es gibt Jets im Ereignis ein fehlender transversaler Impuls (MET) von WENIGER ALS 25 GeV wird verlangt
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Ereignisidentifikation - Untergrund
Übung 2: Klassifizieren von Ereignissen
§ Nutze den Link: http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_exercise2.htm
§ Er beschreibt alles weitere. Die Übung besteht aus 10 zu identifizierenden Ereignissen, die jeweils einer der folgenden Eventkategorien zuzuordnen sind: § W+→e++νe § W-→e-+νe § W+→µ++νµ § W-→µ-+νµ § WW-→l-+νl+l++νl § 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!
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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..
§ 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), ΔΦll.
§ Notiere Ereignisnummer und Winkel. § Am Ende überprüfst Du die ausgewählten Ereignisse noch mindestens
einmal kritisch.
Aufgabe 1 – Entdecke die Protonstruktur!
Aufgabe 2 – Finde die Higgs-Teilchen!
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§ 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
§ 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
§ http://www.editgrid.com/user/masterclass/Analysis_2012
Struktur der Datenstichprobe
Was benötigst Du ...
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Datenanalyse: Zusammensetzung des Protons & Higgs-Suche
Wichtiger Buchstabe – steht für das Datenpaket, was analysiert werden soll
Mit Strichen auszufüllen
Ereignisnummer und Winkel eintragen
P l a t z f ü r S t r i c h e z u Untergrundereignissen L e t z t e S p a l t e z u m Zusammenzählen
Was muss alles eingetragen werden …
38 Datenanalyse: Strichliste
Masterclass 2011
� 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!
39 Datenanalyse: Protonstruktur
Masterclass 2011
Data Analysis: Diskussion der Higgs- Search
§ Histogramm
§ HàWW
§ Signal zu Untergrund
§ Schritte einer Selektion
§ Übereinstimmung
§ Unsicherheiten & Entdeckung
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MINERVA Masterclass Resources
Main Minerva website http://atlas-minerva.web.cern.ch/atlas-minerva/
ATLAS Experiment public website
http://atlas.ch/
Learning with ATLAS@CERN http://www.learningwithatlas-portal.eu/en
The Particle Adventure (Good introduction to particle physics)
http://www.particleadventure.org/
LHC@InternationalMasterclasses http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/index.htm
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