W path - Teilchenwelt

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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Ansichten aller Detektoren …

Spurdetektoren

Elektromagne-tisches Kalorimeter

Hadronisches Kalorimeter

Myonen-Detektoren

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9 MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas


Spurdetektoren



Myonen-Detektoren



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)


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

η Φ


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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