1

Calibración del Calibración del Momento de los Momento de los

Muones con Muones con mesones J/mesones J/ en en

CMSCMSMaría Cepeda HermidaMaría Cepeda Hermida

Dirigido por: Dra. Begoña de la Cruz Martínez (CIEMAT) Dra. Isabel Josa Mutuberría (CIEMAT)

2

OutlineOutline

LHC y CMSLHC y CMS El sistema detección de muones en CMSEl sistema detección de muones en CMS Producción y Reconstrucción del J/Producción y Reconstrucción del J/ en CMS en CMS Efectos que influyen en la masa reconstruidaEfectos que influyen en la masa reconstruida Calibración del momento de los muonesCalibración del momento de los muones Resolución de la medida del momentoResolución de la medida del momento ConclusionesConclusiones

3

LHCLHC Luminosidad nominal: 1034cm-2s-1

Energía en centro de masas: 14 TeV

Bmax=8.3 Teslas

Fecha prevista para su puesta en marcha: Primavera 2008 (Luminosidad inicial L=1032cm-2s-1)

Colisiones cada 25 ns;100 MB de información generados en cada colisión

Colisionador Hadrónico:Colisionador Hadrónico:p-p, p-Pb, Pb-Pbp-p, p-Pb, Pb-Pb

4

Compact Muon Solenoid Compact Muon Solenoid (CMS)(CMS)

(4 T)(4 T)

Detector Central de Trazas

HCAL(Calorímetro Hadrónico)

ECAL (Calorímetro

Electromagnético)

Hierro de retorno

del campo magnético

Espectrómetros de muones

Imán Solenoidal

Peso total: 12500 TmDiámetro: 15 mLongitud: 21.5 mCampo Magnético: 4 T

5

El sistema de El sistema de detección de detección de

muones de CMSmuones de CMS

6

Uno de los principales objetivos de diseño de Uno de los principales objetivos de diseño de CMS.CMS.

PPresentes en muchos resentes en muchos canales de relevancia física (H (HZZZZ44, Z’, Z’, , física de Bs…)física de Bs…)

Señales limpias: Hay más Hay más de 10 longitudes de interacción hasta llegar a las cámaras solamente s y s.

Detección de MuonesDetección de Muones Sistema de detección de muones redundante y eficiente:

Alta resolución en medida de momento:

~1.5% para 100 GeV

7

Detección de Muones Detección de Muones (2)(2)

Detección de Muones Detección de Muones (2)(2)

Medida precisa punto paso del muón (precisión pT)

Medida precisa punto paso del muón (precisión pT)

8

Reconstrucción de Reconstrucción de muonesmuones

La reconstrucción y medida del momento de los muones se La reconstrucción y medida del momento de los muones se lleva cabo en tres pasos, utilizando toda la información de los lleva cabo en tres pasos, utilizando toda la información de los subsistemas de detectores de CMSsubsistemas de detectores de CMS

1. LOCAL

2. STANDALONE

3. GLOBAL

9

Medida del momento de Medida del momento de muonesmuonesMedida del momento transverso (pMedida del momento transverso (ptt) a partir de la ) a partir de la

curvatura (curvatura () en el campo magnético (B): ) en el campo magnético (B): pptt[GeV]=0,3[GeV]=0,3[m]·B[T][m]·B[T]

Efectos que influyen en la medida del Efectos que influyen en la medida del momento:momento:

• Error intrínsecoError intrínseco• Interacción de las partículas con los Interacción de las partículas con los

detectoresdetectores: Multiple Scattering (MS), (MS), Pérdidas de Energía, , aparición de impactos espúreos

• Desconocimiento de la geometría Desconocimiento de la geometría real del detector real del detector ((Desalineamiento), ), incertidumbres en el Campo Magnético aplicado

pkp

p

p

p

p

p

p

p

p

p

p

Total

PEMSIntTotal

Efectos de resolución y/o escala en la medida del momento de los muones en el estado final se traducen en incertidumbres en las

cantidades derivadas (p.ej. masa invariante)

10

CalibraciónCalibración CMS está desarrollando la estrategia a seguir para calibrar el momento de los muones con los

datos, utilizando como patrón partículas de masa conocida., utilizando como patrón partículas de masa conocida.

Para ello se estan realizando estudios Para ello se estan realizando estudios Monte Carlo :

En concreto, este trabajo se centra en la calibración del momento de los muones

utilizando la resonancia J/

Bajo momento: J/, …

Alto momento: Z

11

Producción y Producción y Reconstrucción de Reconstrucción de

mesones J/mesones J/en CMSen CMS

12

Producción de J/Producción de J/ en el en el LHCLHC

Dos fuentes: Dos fuentes: Directa (en el vértice primario, pp (en el vértice primario, ppJ/J/ X) X)

P=5.522·107nb Indirecta (en vértices secundarios, en un 99% (en vértices secundarios, en un 99%

provenientes de bprovenientes de bJ/J/ X). X). NP=5.783·105 nb

Gran estadística ya en los primeros días de toma de datosGran estadística ya en los primeros días de toma de datosL=10 pb-1 ( 105 s de toma de datos) 1010 J/

(106 en el volumen fiducial del detector)

Resonancia cc

MPDG=3.0969160.000011 GeV = 93.4

2.1 keVBr(J/- +) =5.93%

Permitirá calibrar la escala del momento de los muones (en su

rango más bajo)

13

Caracterización de la Caracterización de la muestramuestra

Estudio con muestras Montecarlo Estudio con muestras Montecarlo Generadas con Generadas con PythiaPythia

Simulación del paso

por el detector

con GEANT4

Reconstrucción con el

software oficial de la

colaboración (CMSSW)

Datos normalizados para 10 pb-1

2tanln

14

Reconstrucción del J/Reconstrucción del J/ en CMSen CMS

Selección de Candidatos de J/Selección de Candidatos de J/: : 2 muones de pt>3GeV y 2.4 con M(2.8 , 3.4) GeV

Sucesos/10 Sucesos/10 pbpb-1-1

Generados Generados SeleccionadoSeleccionadoss

Non PromptNon Prompt 655·10655·1033 71·1071·1033

PromptPrompt 2843·102843·1033 354·10354·1033

15

Espectros Reconstruidos del Espectros Reconstruidos del J/J/

16

Masa reconstruida de par Masa reconstruida de par de muonesde muones

Desviación de Desviación de 22 MeV con respecto al valor recogido en el PDG con respecto al valor recogido en el PDG

)2()1()2()1()2()1( sinhsinhcos22 tt ppmM

17

Efectos que Efectos que influyen en la masa influyen en la masa

reconstruidareconstruida

18

Campo MagnéticoCampo Magnético Pruebas del imán de CMS en 2006 (sondas NMR y Hall) Pruebas del imán de CMS en 2006 (sondas NMR y Hall)

mapa del campo magnético con una precisión del 0.07% en el mapa del campo magnético con una precisión del 0.07% en el interior del solenoide y hasta un 1% en el espectrómetro de interior del solenoide y hasta un 1% en el espectrómetro de muones.muones.

Habrá sondas monitorizando el campo magnetico durante la Habrá sondas monitorizando el campo magnetico durante la toma de datos.toma de datos.

%07.0

3.0

B

B

p

p

Bp

Bt

t

t

Incertidumbre en la masa del J/Incertidumbre en la masa del J/ debida a la incertidumbre en el campo debida a la incertidumbre en el campo magnético:magnético:

M = 3 MeV

19

Dispersión MúltipleDispersión Múltiple Para momento bajo es el factor dominante Para momento bajo es el factor dominante

en la resolución en la resolución

A partir de una estimación del material A partir de una estimación del material que deben atravesar los muones en su que deben atravesar los muones en su recorrido por el detector central de trazas recorrido por el detector central de trazas ángulo de dispersión de Molière ángulo de dispersión de Molière Desplazamiento estimado respecto a la Desplazamiento estimado respecto a la trayectoria originaltrayectoria original

00 ln038.01

X

X

X

XZ

cp o MeV13.6

Efecto promedio incorporado en los algoritmos de Efecto promedio incorporado en los algoritmos de reconstrucción reconstrucción

X/XX/X00 pp (GeV)(GeV) 00 (mrad) (mrad) d (mm)d (mm)

00 0.350.35 33 2.5762.576 3.13.1

1.51.5 1.761.76 33 6.1436.143 18.718.7

20

DesalineamientoDesalineamiento Pequeños errores en la Pequeños errores en la

posición de los distintos posición de los distintos elementos elementos posibles errores posibles errores de medidade medida

Una vez el detector funcione a Una vez el detector funcione a pleno rendimiento, los pleno rendimiento, los sistemas de alineamiento de sistemas de alineamiento de CMS proporcionarán una CMS proporcionarán una medida muy precisa de la medida muy precisa de la posición de cada uno de sus posición de cada uno de sus subsistemas.subsistemas.

A partir de los datos de prueba A partir de los datos de prueba del detector (Survey, MTCC), del detector (Survey, MTCC), se ha estimado la magnitud de se ha estimado la magnitud de estos errores para distintas estos errores para distintas luminosidades integradasluminosidades integradas

Para 10 pbPara 10 pb-1-1

Detector de Trazas Error < 250 m

Muones Error en z < 3 mm

21

Calibración del Calibración del Momento de los Momento de los

muonesmuones

22

Parametrización del Parametrización del MomentoMomento

La estrategia de calibración del momento reconstruido se basa en La estrategia de calibración del momento reconstruido se basa en comparar la masa invariante del sistema de dimuones con la masa comparar la masa invariante del sistema de dimuones con la masa del J/del J/ en el PDG en el PDG

Se minimiza esta diferencia de masas, suceso a suceso, en términos de un 2 para obtener funciones de corrección del momento

M = 3.11663 0.00007 GeV = 0.04228 0.00006 GeV

M = 3.09842 0.00007 GeV = 0.04127 0.00007 GeV

N

i i

PDGitt

tt

tttcorregidot

McbappMcba

ppmM

cpbpapp

12

2)2()1(2

)2()1()2()1()2()1(

2

,,,,),,(

sinhsinhcos22

23

Parametrización del Parametrización del MomentoMomento Factores de corrección dependientes de la zona del Factores de corrección dependientes de la zona del

detector consideradadetector consideradaa (GeV) b c (GeV-1)

<0.8 0.0650.006

-0.0230.002 0.00110.006

0.8< <1.3

0.0250.05 -0.0080.002 0.00040.0001

>1.3 0.0100.001

-0.00100.000

7

0.000190.00007

24

Resolución en la Resolución en la medida del medida del momento momento

25

Parametrización de la Parametrización de la ResoluciónResolución En un estudio Monte Carlo, la resolución en la medida de En un estudio Monte Carlo, la resolución en la medida de

momento se estima a partir de la anchura de la distribución momento se estima a partir de la anchura de la distribución de residuos:de residuos:

Con datos reales no disponemos de esta información: Se Con datos reales no disponemos de esta información: Se puede calcular la resolución a partir de la distribución de la puede calcular la resolución a partir de la distribución de la anchura en masa del sistema de dimuones.del sistema de dimuones.

ttpt

t

tt

t

t

pkp

simp

recopsimp

p

p

)(1

)(1)(1

26

Parametrización de la Parametrización de la ResoluciónResolución Anchura en masa en función de la dependencia Anchura en masa en función de la dependencia

funcional de la resolución:funcional de la resolución:

2

)2(22)2(

2

)1(22)1(

2

2

)2(

)2(2

)1(

)1(2

2

2

2

2

t

t

t

t

t

t

t

t

pp

pp

M

mMM

p

p

p

p

M

mMM

Se divide el espacio de fases Se divide el espacio de fases de momento transverso de de momento transverso de los dos muones en 10 cajas los dos muones en 10 cajas y se calcula la anchura de la y se calcula la anchura de la distribución distribución M en cada en cada una de ellas. una de ellas.

3 6 8 10 pt(1) GeV3

6

8

10

pt(2) GeV

27

Parametrización de la Parametrización de la ResoluciónResolución

Minimización Minimización 22 para calcular estos parámetros para calcular estos parámetros , , y y : :

=1.8·10-7 5·10-5 GeV-1 (~Intrínseco) =0.01687 0.0007 (~Dispersión Múltiple)

=0.03216 0.0006 GeV (~Pérdidas de Energía)

cajas10

1i2

2

2 ,,),,(

i

iMM

28

ConclusionesConclusiones El desarrollo de estrategias de calibración del momento de los

muones es una tarea prioritaria del grupo de muones de CMS.

Se han estudiado algunos de los factores que influyen en la medida del momento de los muones: dispersión múltiple, pérdidas de energía, campo magnético y desalineamiento del detector.

Se ha elegido la resonancia J/ como patrón de calibración en la región de momento bajo. Para ello se ha utilizado una muestra de sucesos Monte Carlo J/+, en el marco del software oficial de la colaboración CMS.

Generación y simulación Reconstrucción y selección análogamente a como se hará con

datos reales

Se ha calibrado el momento transverso ajustando la masa reconstruida del par de muones al valor de la masa en el PDG.

Se ha parametrizado la resolución en el momento transverso a partir de la anchura de la distribución de la masa invariante de los dimuones

29

ConclusionesConclusiones Los efectos más significativos son la Los efectos más significativos son la

dispersión múltiple y las pérdidas de dispersión múltiple y las pérdidas de energía. El desalineamiento y la resolución energía. El desalineamiento y la resolución intrínseca del detector son despreciables.intrínseca del detector son despreciables.

Extensión del trabajo: Extensión del trabajo: Actualizaciones del software de CMS. Actualizaciones del software de CMS. Nuevos escenarios de desalineamiento.Nuevos escenarios de desalineamiento. Otros posibles efectos.Otros posibles efectos. Región de momento más alto Región de momento más alto bosón Z. bosón Z.