W path Datenanalyse German Teachers Program CERN, June 6 2012 Konrad Jende Boris Lemmer.

W path Datenanalyse

German Teachers ProgramCERN, June 6 2012

Konrad Jende

Boris Lemmer

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 (12:15-13:00 in 160-1-009)

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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

SolenoidTransition Radiation Tracker

Pixel- und SCT-Detektor


Das Event Display – das Sie zur Teilchenidentifikation verwenden werden

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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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Ansichten aller Detektoren …

Spurdetektoren

Elektromagne-tisches Kalorimeter

Hadronisches Kalorimeter

Myonen-Detektoren

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9



Spurdetektoren



Myonen-Detektoren

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Spurdetektoren



Myonen-Detektoren

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Spurdetektoren



Myonen-Detektoren


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)

13MINERVA 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


+η-η

0

Φ

ηΦ


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 (blau umrahmt) ermöglicht das Ändern von Einstellungen und Ansichten des Ereignisses und liefert Informationen über Spuren und Kalorimetereinträge.

Dateimanagement und Ereignisselektion

Werkzeugleiste zur Interaktion mit dem Ereignis

Ausgabefenster für Informationen über Spuren, Kalorimetereinträge, 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

Zoom/Bewegen/Rotation

Auswahlwerkzeug

Anzeige von Info zu ausgewählten Objekten

FishEye Transformation (zur besseren Ansicht im inneren Detektor)

17MINERVA Event Display – ATLANTIS GUI

Ausgabefenster

Karteikarten

Anwendung von Auswahlkriterien

Wichtige Einstellungen

Zeigt Dateinamen des Ereignisses und stellt Informationen zu ausgewählten Objekten dar.

Ermöglicht die Bestimmung von elektr. Ladung, transversalem Impuls, …

18MINERVA 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)

xx

yyzz

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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.

xx

yyzz

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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 transversalen 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

Erste ausge-wählte Spur

Zweite ausgewählte

Spur

Zweite ausgewählte

Spur

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Teilchen/Objekt Identifikation

Myon

ElektronJets

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 = ElektronCharge = 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 = muonCharge = 1 = anti-muon

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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

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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.

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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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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

WW KandidatTrue

Ereignis-identifikation

Untergrund

Start

False

False

False

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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 = MyonCharge = 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 = electronCharge = 1 = positron

Um herauszubekommen, ob es von

einem W+ oder W- Boson kommt.

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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.

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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

34

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

Platz für Striche zu Untergrundereignissen

Letzte Spalte zum 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!

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Datenanalyse: Protonstruktur

Masterclass 2011

Data Analysis: Diskussion der Higgs- Search

Histogramm

HWW

Signal zu Untergrund

Schritte einer Selektion

Übereinstimmung

Unsicherheiten & Entdeckung

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MINERVA Masterclass Resources

Main Minerva websitehttp://atlas-minerva.web.cern.ch/atlas-minerva/

ATLAS Experiment public websitehttp://atlas.ch/

Learning with ATLAS@CERNhttp://www.learningwithatlas-portal.eu/en

The Particle Adventure (Good introduction to particle physics)http://www.particleadventure.org/

LHC@InternationalMasterclasseshttp://kjende.web.cern.ch/kjende/de/index.htm

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W path Datenanalyse German Teachers Program CERN, June 6 2012 Konrad Jende Boris Lemmer.

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