minimum bias e underlying event ad lhc thanks to p.bartalini, c.buttar, l.fanò, r.field, m. grothe,...

Minimum Bias e Underlying Event Minimum Bias e Underlying Event ad LHCad LHC

Thanks to P.Bartalini, C.Buttar, L.Fanò, R.Field, M. Grothe, A.Moraes, P. Skands, etc.

Filippo Ambroglini

(Università di Perugia)

24/10/0624/10/06 Filippo Ambroglini - MCWS FrascatiFilippo Ambroglini - MCWS Frascati 22

Interazioni p-p @ LHC Interazioni p-p @ LHC

protone protone

Interazione principale

ISR e FSR

Creazione dei Jet

Frammentazione e Adronizzazione

MPI

Beam Remnant


protone protone

Minimum Bias e Underlying EventMinimum Bias e Underlying Event

•Tutta l’attività di una singola interazione particella-particella oltre al processo “interessante”.

•Initial State Radiation (ISR).•Final State Radiation (FSR).•Spettatori.•MPI interazioni partoniche multiple [T. Sjöstrand et al. PRD 36 (1987) 2019]

•UE è correlato al relativo processo “interessante”.

•Condivide il vertice di interazione.•L’attività dell’underlying event cresce con la scala di energia del evento associato

•Pedestal effect.•Non è sempre qualcosa di “fastidioso” !

•Ricostruzione del vertice in H.

•UE ≠ MB ma alcuni aspetti e concetti sono simili

•Studio di Molteplicità & Pt delle tracce cariche.

Generica interazione protone-protone.Elastici + Inelastici (inclusi Diffrattivi). ~ 100 mb @ LHC.

Soft. Low PT, low Multiplicity.All’LHC, molte interazioni MB possono aver luogo in un singolo beam crossing. <Nint> = Linst * s.

MB può anche essere registrato se sono prodotte altre interazioni in grado di attivare il trigger. Pile-up effect.

Che cosa si osserverebbe con un detector/trigger completamente inclusivo.

elastica singolo diffrattiva doppio diffrattiva inelastica


Studio del Minimum BiasStudio del Minimum Bias

• La misura collegata all’analisi del MB è la misura del numero di tracce cariche in funzione di eta (Nchg vs ) e dello spettro in Pt

– La misura dipende:•dalle prestazioni del rivelatore

•dalle condizioni di trigger


Tuning MonteCarloTuning MonteCarlo

√s (GeV)

dN

chg/

dη

at

η=

0

LHC

Stesso generatore due diverse parametrizzazioni forniscono una predizione per LHC che differisce di ~ 30%

[R.Field]

[A.Moraes et al.]


Tuning di PythiaTuning di Pythia

PYTHIA 6.227 CTEQ5L

5.0

1.0

1

4.0

1.0

1.0

0.25

1.8 TeV

0.95

0.9

0.4

0.5

2.0 GeV

4

1

Tune A

1.01.251.25PARP(62)

1.00.20.2PARP(64)

5.015.015.0PARP(93)

1.02.12.1PARP(91)

111MSTP(91)

1.0

0.16

1.0 TeV

0.66

0.33

0.5

0.5

1.8 GeV

4

1

ATLAS

2.5

0.16

1.96 TeV

1.0

1.0

0.4

0.5

1.9409 GeV

4

1

Tune DWT

0.5PARP(83)

0.4PARP(84)

0.25PARP(90)

1.0PARP(86)

1.8 TeVPARP(89)

2.5

1.0

1.9 GeV

4

1

Tune DW

PARP(67)

PARP(85)

PARP(82)

MSTP(82)

MSTP(81)

Parameter

•Tune A: tuning di CDF sui dati del run1 specifico sulle variabili del UE•Tune Atlas: tuning effettuato sui dati di UA5 ed ottimizzato per la descrizione del MB•Tune DW: Tune A + tune della distribuzione in Pt dello Z •Tune DWT: basato sul Tune DW ma con la dipendenza dall’energia (PARP(90) ) del Tune Atlas

Z-Boson Transverse Momentum

0.00

0.04

0.08

0.12

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Z-Boson PT (GeV/c)

PT

Dis

trib

uti

on

1/N

dN

/dP

T

CDF Run 1 Data

PYTHIA Tune DWCDF Run 1

published

1.8 TeV

Normalized to 1

s = 2.1

[R.Field]


Confronto MC e dati Confronto MC e dati

Confronto Tune DW (linea continua) e Tune DWT (linea tratteggiata) con i dati di CDF

Confronto Tune ATLAS con i dati di CDF

[R.Field]

[R.Field] Preliminary

Preliminary


Studi per il Pilot RunStudi per il Pilot Run

Preliminary Preliminaryd

N/d

Preliminary

Tune ATune DWTune DWTTune AtlasUA5 Data

P-Pbar @ 900 GeV/cNovembre 2007Non proprio alle condizioni nominali

previste…• 900 GeV CME • 75 ns• 1 -> 156 pacchetti/fascio

• 1010 -> 4*1010 protoni/paccehtto

• Luminosità 1027 -> 2*1031

• <1 ev/bunch-crossing

Abbiamo confrontato le predizione ottenute con i diversi tuning di Pythia con i dati raccolti da UA5. Predizioni considerando MB formato da HS e DD (Trigger di UA5).Discrepanze fra il Tuning di Atlas ed i tuning di “CDF” sono in accordo con quanto fino ad ora visto dei vari confronti.Atlas Alta Molteplicità e basso <Pt> (tunanto per il MB)DWT Bassa Molteplicità e Alto <Pt> (tunanto per UE)

Per meglio comprendere dove l’origine delle discrepanze abbiamo studiato la seguente funzione : dN/d = x(dNdd/d)+(1-x)(dNhs/d)

Comprendere in che misura le interazioni DD influiscono sulla nostra misura e se il contributo è dipendente dal tuning usato


Problematiche sperimentaliProblematiche sperimentali[R.Field] Preliminary

dN

/d

dN

/d

Pt> 0 GeV/c

Pt> 0.9 GeV/c

Preliminary

Preliminary

Il problema per effettuare questa misura è nel limite sul Pt minimo delle tracce che ci viene imposto della risoluzione degli apparati sperimentali.<Pt> tracce MB ~ 650 MeV/c @ 14 TeV/c<Pt> tracce MB ~ 500 MeV/c @ 900 GeV/c

Attualmente nelle configurazioni standar il Pt minimo è 1 Gev/cPoter scendere è fondamentale

altrimenti ricostruiamo solo il 10% della attività.• Si devono trovare setup che mantengano il giusto rapporto fra efficienza e purezza.• Si deve tener conto del Multiple Scattering• Sviluppo di metodi alternativi (semplice conteggio e non vera ricostruzione)


Misura del UE ad LHCMisura del UE ad LHCJet carichi:La topologia dell’interazione p-p viene desunta dall’informazione sulle tracce cariche, ricostruendo i jet con ICA (input particelle cariche senza massa)

Il jet carico più energetico definisce una direzione nel piano La regione trasversa è particolarmente sensibile al UE

Produzione D-Y di coppie di muoni:

Le osservabili sono le stesse di quelle definite per i jet carichi solo si vanno a valutare in tutto il piano

(dopo aver rimosso la coppia di tutto il resto è UE)

Osservabili principali:•dN/dd, densità di carica•d(PTsum)/dd, densità di energia


Jet carichi e Jet calorimetriciJet carichi e Jet calorimetrici

Confronto con i jet calorimetrici:• HLT i jet sono ricostruiti con le informazioni delle torri ed utilizzando in ICA (0.5)• Jet Carichi sono ricostruiti con ICA (0.7) usando come input le tracce in approssimazione massless

R fra il Jet carico più energetico ed il jet calorimetrico più vicino

Calibrazione e risoluzione Jet Carichi(PT REC-PT MC)/PT MC VS PT MC

PT>0.9 GeV/c

||<1


Studi a livello di ricostruzione (Jets)Studi a livello di ricostruzione (Jets)

dNch/dd VS dPTsum/dd VS PT>0.9||<1

toward away

transverse

away

MBJET60JET120

toward away

transverse

away

Densità di Tracce ed Energia

MB = almeno un jet calorimetrico con Pt>20 GeV/c

JET60 = almeno un jet calorimetrico con Pt>60 GeV/c

JET120 = almeno un jet calorimetrico con Pt>120 GeV/c



Regione Trasversa

<PTsum>/<Nch>/ PT>0.9||<1

PT jet1 GeV/c PT jet1 GeV/c

MCMBJET60JET120

•Gli eventi sono stati pesati con le sezioni d’urto:• le barre di errore sono dominate dall’incertezza statistica• Luminosità è arbitraria ma scalata correttamente per ogni trigger

•Buono l’accordo delle distribuzioni fra MC e RECO• Le differenze sono compatibili con le correzioni aspettate per i jet carichi e

l’efficienza e fake delle tracce.



Rapporto PT>0.9 / PT>0.5

MCMBJET60JET120

Rapporto di <PTsum>/Rapporto di <Nch>/

PT jet1PT jet1

•Gli eventi sono stati pesati con le sezioni d’urto:• le barre di errore sono dominate dall’incertezza statistica• Luminosità è arbitraria ma scalata correttamente per ogni trigger

•Perfetto l’accordo delle distribuzioni fra MC e RECO• Con questo approccio non dobbiamo più introdurre fattori di correzione

dovuti alla ricostruzione delle tracce e dei jet


Studio a livello di ricostruzione (D-Y)Studio a livello di ricostruzione (D-Y)

MCREC

<Nch>/ <PTsum>/

M(,) M(,)

MCREC

Regione Trasversa

•Si ha poca statistica per eventi con Z off-shell:• le barre di errore sono dominate dall’incertezza statistica• Luminosità è arbitraria ma scalata correttamente

•Buono l’accordo delle distribuzioni fra MC e RECO• Le differenze sono compatibili con le correzioni aspettate per le

correzioni alla masse dei dimuoni e l’efficienza e purezza delle tracce.


Studio a livello di ricostruzione (D-Y)Studio a livello di ricostruzione (D-Y)

Regione Trasversa – Muoni Isolati

•Muoni Isolati • nessuna traccia con Pt> 0.9 GeV/c in un cono di raggio

0.3 nel piano h-f attorno alla direzione del muone• 76.9% di efficienza per eventi D-Y•Nessun evento QCD supera la selezione

MC

<Nch>/<PTsum>/

MC


Sviluppi futuri analisi UESviluppi futuri analisi UE

• Ad LHC abbiamo processi diffrattivi "duri" del tipo pp->pXp, attribuibili in generale a DPE (Double Pomeron Exchange). – La sezione d'urto per questi processi duri DPE non e' trascurabile (O(1mb)).

• Un tipico pattern di un DPE e' avere due protoni nello stato finale (rivelabili con TOTEM o forward detector) e Large Rapidity Gaps (LRG) tra i protoni e X.– I rapidity gaps sono intervalli di rapidità praticamente vuoti (no or few

charged/neutral particles)– noi non vogliamo creare bias e quindi andremo solo a controllare la

presenza dei protoni • Allora X può essere un jet, e può essere usato per settare una scala di

energia (esempio PT del jet carico). Possiamo quindi comparare produzione di jet non diffrattiva (la maggior parte) e produzione di jet diffrattiva e studiare UE(PT_jet_carico).

• La cosa interessante, e' che in pratica NELL'EVENTO DIFFRATTIVO NON POSSONO ESSERCI MULTIPLE INTERACTIONS!!!

• Attraverso questa metodologia sperimentale possiamo meglio studiare gli effetti delle varie componenti dell‘UE (radiazione, remnants, multiple interactions).

• Per generare gli eventi duri DPE, plausibilmente useremo POMWIG (purtroppo nei MC standard questi processi non ci sono).

[P.Bartalini, M.Grothe]


ConclusioniConclusioni• Per lo studio del UE ne è stata dimostrata la

fattibilità per eventi con Topologia D-Y e Di-Jet– Capaci di distinguere fra diversi tuning usando il

rapporto fra le variabili del UE ricostruite con diverse soglie per il Pt delle tracce

– Si sta indagando anche la possibilità di studiare UE attraverso eventi diffrattivi

• Per i primi risultati di fattibilità della misura del MB stiamo lavorando per diminuire la soglia del Pt minimo delle tracce (< 500 MeV/c)

• Si è continuato nello sviluppo dei Tuning per Pythia sia ATLAS che CMS hanno adottato il Tune DWT – Si stanno indagando i nuovi risultati ottenuti nel

confronto con i dati du UA5


Conclusioni Conclusioni

• Talk di P.Skands durante MC4LHC molti spunti interessanti su nuove modellizzazioni per descrivere UE http://home.fnal.gov/~skands/slides/cern06ue.ppt

• Il progresso teorico è in qualche modo più avanti rispetto a quello sperimentale. Pythia 6.3 e i relativi modelli UE, power shower etc. sono sul mercato da un pò, ma in pratica ancora nessuno li ha guardato.


[P.Skands]


Studi a livello generatore (Jets)Studi a livello generatore (Jets)

dN/dd

dPTsum/dd

PT>0.9||<1

La crescita perPT>50 GeV/c è dovuta alleradiazioni (ISR+FSR)


Studi a livello generatore (D-Y)Studi a livello generatore (D-Y)

PT>0.9||<1

PT>0.5||<1

Charged PTsum Density: dPT/dd

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

0 250 500 750 1000 1250 1500

Lepton-Pair Invariant Mass (GeV)

Ch

arg

ed P

Tsu

m D

ensi

ty (

GeV

/c)

HERWIG

PY-ATLAS

PY Tune DW

Charged Particles (||<1.0, PT>0.5 GeV/c)(excluding lepton-pair )

Generator Level14 TeV

Charged PTsum Density: dPT/dd

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

0 250 500 750 1000 1250 1500


Ch

arg

ed P

Tsu

m D

ensi

ty (

GeV

/c)



PY Tune DWT

PY Tune DW

PY-ATLAS

HERWIG

Charged Particle Density: dN/dd

0.0

0.4

0.8

1.2

0 250 500 750 1000 1250 1500


Cha

rged

Par

ticle

Den

sity



HERWIG

PY-ATLASPY Tune DW

PY Tune DWT

Charged Particle Density: dN/dd

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 250 500 750 1000 1250 1500


Cha

rged

Par

ticle

Den

sity


Charged Particles (||<1.0, PT>0.5 GeV/c)(excluding lepton-pair ) HERWIG

PY Tune DWPY-ATLAS

dN/dd dPTsum/dd


Studi a livello generatore (D-Y)Studi a livello generatore (D-Y)

Charged Particle Ratio: PTmin = 900 & 500 MeV/c

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 250 500 750 1000 1250 1500


Cha

rged

Par

ticle

Rat

io


Charged Particles (||<1.0, PT>0.5 & 0.9 GeV/c)(excluding lepton-pair )

PY-ATLAS

PY Tune DW

HERWIG

Charged PTsum Ratio: PTmin = 900 & 500 MeV/c

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 250 500 750 1000 1250 1500


Cha

rged

PTs

um R

atio


Charged Particles (||<1.0, PT>0.5 & 0.9 GeV/c)(excluding lepton-pair )

PY-ATLAS

PY Tune DW

HERWIG

dN/dd dPTsum/dd

M(,) M(,)

Rapporto 0.9/0.5 PT Tracce

PY-Atlas Tune ottimizzato per MB ha una distribuzione di PT più soffice che il PY-DW (fatto a CDF) ottimizzato per UEHERWIG è un utile modello senza MPI


Ricostruzione tracce “soffici”Ricostruzione tracce “soffici”Parametrizzazione Standard

L’algoritmo per la ricostruzione delle tracce come possiamo vedere da questi plot nella configurazione standard garantisce un’ efficienza > 90% ed una purezza < 1%

QCD con range Pt fra 20 e 30 GeV/c


Ricostruzione tracce “soffici”Ricostruzione tracce “soffici”Nuova Parametrizzazione

Modificando i parametri del algoritmo di ricostruzione delle tracce vediamo che diminuendo il Pt minimo a 500 MeV le prestazioni rimangono sempre su livelli accettabili con efficienza > 85% e purezza < 2%

QCD con range Pt fra 20 e 30 GeV/c

minimum bias e underlying event ad lhc thanks to p.bartalini, c.buttar, l.fanò, r.field, m. grothe,...

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