Поиск аномального рождения событий с лептонами и фотонами высокой энергии на Теватроне Логинов Андрей Борисович

Содержание к диссертации

Введение 1

1 Мотивация 4

1. Стандартная Модель, Суперсимметрия, или что-то еще? 4

2. Поиск но виду события 5

3. Лептон-фотонные события 5

4. Результаты предыдущей стадии эксперимента, Run I 7

5. Событие-кандидат ее77?т 7

6. Поиск событий вида 77+Х 8

7. От 77 ^к ^7^: Поиск событий вида ^у + X 8

2 Эксперимент CDF па ускорительном комплексе Теватрон 9

8. Теватрон 9

9. Экспериментальная установка CDF 11

10. Координатная система 12

11. Трековая система 13

12. Калориметрия 16

13. Мюонные системы 20

14. Система измерения времени пролета частиц 23

15. Черепковские счетчики светимости 23

16. Триггер и система сбора данных 24

3 Программный пакет визуализации событий CDF Run II Event Display 26

17. Введение 26

18. Обзор 27

19. Реальные объекты 27

20. Графические объекты 28

21. Виды 28

22. Операции над объектами 29

3. Модульная структура 30

4. Графический интерфейс 30

5. Контроль данных в процессе сбора 32

6. Дисплеи 32

1. Виды г - ф и г - z 32

2. ВидЛсго 34

3. Трехмерные изображения 35

4. Другие виды 36

7. Реальные события 38

8. Заключение 38

4 Отбор событий вида І'у + Х 39

1. Данные, используемые для анализа 39

2. Обзор критериев отбора и стратегии поиска 39

5 Идентификация мюонов. Контрольные образцы. 43

5.1 Критерии идентификации мюонов 43

3. Строгие критерии идентификации для CMUP и СМХ мюонов 43

4. Дополнительные мюоны: CMUP и СМХ 46

5. Дополнительные мюоны: бессегментные 46

5.2 Контрольные образцы для мюонов 47

6. Z -+ fi+fi- 48

7. W± -> yv 49

8. Сравнение событий в контрольных образцах. Графики стабильности. . 50

6 Идентификация электронов. Контрольные образцы. 53

6.1 Критерии идентификации электронов 53

9. Строгие критерии идентификации для электронов в центральном калориметре 54

10. Дополнительные электроны в центральном калориметре 56

11. Дополнительные электроны в торцевом калориметре 57

6.2 Контрольные образцы для электронов 57

12. Z⁰ —> е⁺е~: для электронов в центральном калориметре 58

13. Z⁰ —> е⁺е~: для электронов в торцевом калориметре 59

14. W^± -> гЧ 60

15. Сравнение событий в контрольных образцах. Графики стабильности. . 62

7 Идентификация фотонов. Контрольный образец. 65

16. Критерии идентификации фотонов 65

17. Контрольный образец е7 67

8 Рассчет потерянной поперечной энергии(Рт) ^и Нт 69

18. Рассчет Р_т 69

19. Рассчет Яг 69

9 Предсказания Стандартной Модели 69

9.1 Введение: вычисление матричных элементов 69

2. Симулированные данные: W-y, Zj, IV77 ^и ^77 70

3. NLO/LO поправки ('К-факторы'), примененные к Wj, Z7, W-yy, ^77 МС . . 70

4. Проверки 73

1. Сравнение образцов на уровне генератора 73

2. Сравнение образцов после добавления фрагментации и излучения ... 74

9.5 Дибозонные процессы Wj и Z/y* + 7 как источник ^ + X событий 74

3. Ожидания от Wj 74

4. Ожидания от Zh* + 7 76

9.6 Трибозонные процессы TV77 и Z77 ^как источник 7 + X событий 76

5. 1^77 77

6. Z77 78

7. Сумма вкладов от CM Wj, Z7, W77 и Z77 79

8. Wj и Zy. W* —» 7^±v или Z-^>t⁺t~ где т —» evv или /iw 80

10 Фон от неверной идентификации 80

10.1 Неверно идентифицированные фотоны ('лже-фотоны') 81

1. Лже-фотоны из адронных струй 81

2. Лже-фотоны из тормозного излучения электронов 83

10.2 Неверно идентифицированные электроны ('лже-электроны') 85

10.2.1 Лже-электроны из фотонных конверсии 86

10.3 КХД ('не-VV/Z') фон 88

3. 'Не-W/Z'образец 89

4. Метод оценки КХД ('He-W/Z') фона 89

5. Результаты оценки КХД ('не-W/Z') фона 92

6. Модифицированный метод оценки КХД ('не-W/Z') фона 92

7. КХД ('не-ІГ) фон для W 95

10.4 W-*ti>, где r-*pv, и затем р-*жя 95

11 Систематические ошибки 97

8. Экспериментальные систематические ошибки 97

9. Теоретические систематические ошибки 97

10. Масштаб факторизации 97

11. Выбор PDF (функции распределения партонов) 97

12. К-фактор 98

11.3 Систематическая ошибка в определении светимости 99

12 События 1-у + X в данных 99

12.1 Определение категорий событий по топологии 99

2. Число обнаруженных событий 101

3. Временная стабильность 1у событий 105

13 Сравнение числа обнаруженных и ожидаемых 1у событий 107

1. ^уРт 107

2. Ыу 111

3. ^77 116

Заключение 116

Благодарности 118

А Приложение 119

А.1 Список Лептон-Фотонных событий 119

А.2 Дополнительные распределения для событий вида ^7^т 123

А.2.1 Распределения для [іу]Ет 123

А.2.2 Распределения для Є7Е_Т 123

А.З Дополнительные распределения для событий вида 1у 127

А.3.1 Распределения для црь^ 127

А.3.2 Распределения для ее7 127

А.4 Графики стабильности для Zj и Wj 133

А.5 СМХ и CMUP мюоны: сравнение изоляционных переменных 134

А.6 Проверка событий вида ццу, 'ne-Z' фоны 135

Список иллюстраций

4. Резопантное рождение смюона и последующий распад: событие вида yU7$T 6

5. Событие-кандидат eejj^_T из данных Run I 7

6. Схематический вид ускорительного комплекса Теватрон в лаборатории Фер-милаб 10

7. Продольный разрез экспериментальной установки CDF (Глава 2.2.1) 12

8. Трековая система эксперимента CDF 15

9. Кремниевый трековый детектор 1G

10. Слои центральной дрейфовой камеры (СОТ) 16

11. Секции CEM/CES/CHA 19

12. Проволоки и стрипы CES 19

13. Схематический вид PEM/PES/PHA 19

14. U и V слои в PES 19

15. т-ф вид модуля CMU 21

11. Расположение мюонных детекторов по ф и г/ 22

12. Центральная мюонная система: CMU, CMP, СМХ 22

13. Диаграмма триггерной системы эксперимента CDF 25

1. Графический интерфейс CDF Run II EVD 31

2. Графическая панель ограничений 32

3. СОТ Дисплей (Вид г - ф) 33

4. RZ Дисплей (Вид г - z) 34

5. Лего дисплей: Ет как функция ц — ф 35

6. Трехмерное изображение события и геометрии детектора CDF 36

7. Реальные события (интернет-страница для широкой публики) 37

4.1 Светимость С во временных интервалах стабильности 41

8. Распределение пот] — ф для мюонов 46

9. Контрольный образец Z⁰ —> ^⁺/і~ 50

10. Графики стабильности для Z⁰ -> ц⁺ц~ и W* —> \v 52

11. Распределения для электронов, недостоверных на основе положения a CES . . 56

12. Контрольный образец Z —> е⁺е~ 60

13. Контрольный образец Z⁰ —> е⁺е~ для электронов в торцевом калориметре . . 61

14. Графики стабильности для Z⁰ — е⁺е~ и W* —> e^±v 63

7.1 Распределения переменных для Z^a —> е⁺е~ и с + '7' образцов 68

15. Интегральное поперечное сечение из MadGraph и СОМРНЕР для evy и е⁺е"7 73

16. Интегральное поперечное сечение из MadGraph и СОМРНЕР для JVyy и Z-yy 74

17. Кинематические распределения для мюонного канала: MadGraph и Baur ... 75

18. Диаграммы для рождения Z^ и W~f 76

19. Распределение dN/dE^ относительно "Щ¹ для струй в ^-образце и j-образце 82

20. Лже-фотоны из адронных струй: (a) Fqcd'i (Ь) вероятность идентификации

струи как фотона /jtwe ^

3. Число и спектр ожидаемых событий с лже-фотонами из адронных струй ... 84

4. Распределения для одинаково и противоположно заряженных е⁺е~ пар .... 87

5. Распределения для одинаково и противоположно заряженных е⁺е~ пар для МС 87

6. Сравнительные распределения для электронов из 'не-W/Z' образца и Z . . . . 90

7. Сравнительные распределения для мюонов из 'не-W/Z' образца и Z 91

8. Проверка предположения одинаковой структуры подложки события 92

12.1 Распределение по инвариантной массе еу для событий, в которых один лептон

и один фотон, угол между которыми менее 150 100

2. Электрон-фотонный образец: категории инклюзивных еу + X событий .... 102

3. Мюон-фотонный образец: категории инклюзивных цу + X событий 103

4. Лептон-фотонный образец: категории инклюзивных fy + X событий 104

5. Графики стабильности для Д7?т ^и ММ7 105

6. Графики стабильности для Є7^т ^{и ее}7 106

1. Распределения для событий в образце ^7?т Ю8

2. Распределения для событий в образце //7?т Ю9

3. Распределения для событий в образце су^_т 110

4. Распределения для событий в образце 1Ь( 112

5. Распределения для событий в образце /і/і7 ИЗ

6. Распределения для событий в образце ее7 114

7. Распределения по потерянной поперечной энергии, J_T, для событий вида j 115

АЛ Дополнительные распределения для /ryJSx 124

А.2 Дополнительные распределения для су^,_т 125

А.З Дополнительные распределения для Є7^Е_Т: Продолжение 126

А.4 Дополнительные распределения для щі-у 128

А.5 Дополнительные распределения для ццу. Продолжение 129

А.6 Дополнительные распределения для \ціу. Продолжение 130

А.7 Дополнительные распределения для eej 131

А.8 Дополнительные распределения для есу. Продолжение 132

А.9 Графики стабильности для Zj и Wj 133

АЛО Распределения для СМХ и CMUP мюонов 134

А.11 Число переходов для д/ry и ^7^т 136

Список таблиц

8. Наблюдаемые события и предсказания в рамках СМ для 77 + X в Run I . . . 8

9. Результаты поиска -у + X в Run I 9

10. Основные параметры трековой системы эксперимента CDF 14

11. Сегментация калориметра установки CDF 17

12. Центральный и торцевой калориметры CDF 17

13. Мюонныс детекторы CDF 21

4.1 Временные интервалы, используемые для проверки стабильности работы под
систем установки и набора данных 40

14. Критерии идентификации мюонов 44

15. Строгие критерии отбора для CMUP и СМХ мюонов 45

16. Критерии отбора для бессегментных мюонов 47

17. Мюонныс триггерные эффективности и поправки 48

18. Критерии отбора для контрольного образца Z⁰ —> ц⁺^~ 49

19. Критерии отбора для контрольного образца W^± —» ц^и 49

7. Z —> ц⁺ц~: сравнение данных с Z —> ^"V^_ МС 51

8. Числа событий для мюошюго образца 51

1. Критерии идентификации электронов в центральной части калориметра ... 53

2. Критерии идентификации электронов в торцевой части калориметра 54

3. Центральные электроны по мере применения идентификационных требований 55

4. Дополнительные электроны в торцевом калориметре но мере применения идентификационных требований 58

5. Электронные триггерные эффективности и поправки 58

6. Критерии отбора для контрольного образца Z⁰ —> е⁺е~ 59

7. Критерии отбора для контрольного образца W^± —> e^±v 62

8. Z —> е⁺е~: сравнение данных с Z⁰ —» е⁺е~ МС 62

9. Числа событий для мюошюго образца 64

10. Критерии идентификации фотонов в центральной части калориметра 65

11. Центральные фотоны по мере применения идентификационных требований . 66

12. Кинематические критерии, использованные для создания Wy, Zy, Wjj и Z77 71

13. Wj, Z7, W-yy и Z-yy MadGraph образцы 72

14. Wy и Zj Ваиг образцы 72

15. Предсказания от CM Wy для еу + Хицу + Х 77

16. Предсказания от CM Zj для еу + X и /гу + X 78

17. Предсказания от CM Wyy для еу + X и ^7 + X 79

18. Сумма вкладов от CM Wj, Zj, IV77 и Zyj 80

19. Сумма вкладов СМ от ту событий (распады Wy и Zy в тау канал) 81

20. Ожидаемое число событий с лже-фотонами из адронных струй в разных подкатегориях 85

21. Оценка числа событий се-+7 лже-фотонами для различных категорий ... 86

22. Разбитие событий с одинаково заряженными электронами bZ-> е⁺е~ образце 88

23. Число событий в различных регионах трековой изоляции для различных образцов 93

24. КХД фон. Поэтапное вычисление 94

25. КХД фон: с вычетом вклада от j —> 7 лже-фотонов. Поэтапное вычисление. . 94

26. КХД фон: с вычетом вкладах2 от j —> 7 лже-фотонов. Поэтапное вычисление. 94

27. Оценки КХД (ііе-W/Z) фона для ^7^т ^и ^7- Окончательный результат .... 95

28. Оценки КХД (не-W/Z) фона для TV 96

29. Обзор экспериментальных систематических ошибок для j 98

30. Систематические ошибки на генерацию Z-y, Wy, Z77 и Wyy 99

13.1 События вида у^: экспериментально обнаруженное число событий и пред
сказания СМ 107

2. События вида tty. экспериментально обнаруженное число событий и предсказания СМ 111

3. События вида ^77^: экспериментально обнаруженное число событий и предсказания СМ 116

А.1 Список событий вида /Х7^т 119

А.2 Список событий вида \.іщ 120

А.З Список событий вида e7JSx 121

А.4 Список событий вида ееу 123

viii

Введение к работе

Стандартная Модель (СМ) [1] физики элементарных частиц - теория, описывающая взаимодействия элементарных частиц: тысячи сечений рождения и ширин распадов, измеренных на различных экспериментах [2], объясняются в рамках СМ.

Тем не менее, стоит заметить, что в СМ не включено гравитационное взаимодействие, и ожидается, что СМ является теорией, работающей при относительно низких энергиях, тогда как при энергиях порядка ТэВ возможно проявление новых эффектов [3] за пределами СМ. Другой потенциальный недостаток СМ - отсутствие частиц, которые могли бы стать кандидатами для темной материи. Бозон хиггса - последняя из частиц в СМ, не обнаруженная экспериментально [3]. При расчете массы бозона хиггса вычисления петлевых поправок * расходятся квадратично. Проблема иерархии [4] - еще один открытый вопрос в СМ.

Существуют различные подходы к решению проблем СМ. Например, для решения проблемы иерархии бозон хиггса полностью удаляется из теории (Техницвет [5]), или поле хиггса включается в расширенную группу симметрии (Суперсимметрия [6]).

Ускорительный комплекс Теватрон в лаборатории Фермилаб, на котором осуществляются столкновения протонов (р) и антипротонов (р), на сегодняшний день обладает наибольшей энергией в центре масс, yfs = 1.96 TeV. Новый эксперимент, Run II, результаты которого представлены в диссертации, отличается от предшествующих экспериментов прежде всего более высокой энергией столкновения пучков, обновленным ускорительным комплексом, более высокой светимостью, а также улучшенным детектором. Изучение столкновений при таких энергиях может привести к открытию физики за пределами СМ, так называемой Новой Физики (НФ). Совместное рождение двух калибровочных векторных бозонов рассчитывается в рамках СМ, и в событиях такого вида следует искать рождение новых частиц, которые могут быть связаны с калибровочным сектором СМ (например, свойства t кварка изучаются в рождении it, и распадом t —> Wb).

Часть СМ, известная как теория электрослабых взаимодействий [7], объединяет электромагнитные и слабые взаимодействия. Переносчики взаимодействий, фотон (7) и массивные заряженные IV^і и нейтральный Z бозон, - фундаментальные частицы в этой теории.

Таким образом, поставленная задача - проверка СМ при максимально доступной энергии столкновения рр, в событиях с совместным рождением фундаментальных частиц, включая 7, Z\ W^±.

В этой диссертации сообщается о результатах поиска событий i^f+X в эксперименте Run II на данных с общей светимостью 305 рЬ~^г, при энергии столкновения протон-антипротонных пучков, рр, 1.96 TeV, и улучшенной установкой, детектором CDF II. Кинематические критерии отбора установлены заранее, a priori, и соответствуют критериям, использованным в анализе, сделанном на предыдущей стадии эксперимента, Run І, в котором наблюдалось рас- 'В англоязычной терминологии loop corrections хождение между предсказаниями в рамках СМ и экспериментальными данными для событий вида7Рт[8,9].

Для поиска НФ необходимо понимание предсказаний СМ. В диссертации представлены результаты поиска аномального рождения событий, содержащих заряженный лептон (, е или д) и фотон (7) высокой энергии. События включают в себя дополнительные объекты, X, такие как потерянная поперечная энергия (Е_т), а также дополнительные лептоны и фотоны. Используется техника поиска по виду события: для выбранного типа события оценивается вклад от процессов СМ, учитывается неверная идентификация тех или иных объектов в детекторе, и затем проверяется, описывает ли СМ результат, полученный экспериментально.

Основные результаты диссертации опубликованы в [10,11]. Изучение рождения W'y и Z^ на эксперименте CDF опубликованы в [12]. Материалы, изложенные в диссертации, представлены на многих конференциях и семинарах. Статус поиска событий вида j-\-X представлен на конференции Американского Физического Общества (APS, Philadelphia, 2003 г.). Позже, поиск был анонсирован SUSY сообществу на конференции по Суперсимметрии (SUSY, Tucson AZ, 2003 г.) [13]. Результаты поиска 7 + X были представлены на конференции по Суперсимметрии (SUSY, Durham, 2005 г.) [14], Международной Школе Субъядерной Физики (Erice, 2005) [11], Зимнем Инситуте в Лэйк Луиз (2006, Canada) [15], конференции НСР (2006, Durham, USA) [16], SUSY'06 [17], ICHEP'06 [18]. Также материалы диссертации были представлены на совещании сотрудничества CDF (Sitges, 2005) и на совещаниях рабочих групп по экзотике, физике фотонов, и сверхэкзотичных явлениях.

На Международной Школе Субъядерной Физики (Erice, 2005) диссертант был удостоен награды за оригинальную работу в экспериментальной физике за доклад 'Поиск Новой Физики в событиях с фотонами'. Эта работа прорецензивоваиа и принята к публикации в EPJ С [11] лауреатом Нобелевской Премии 1999 года, G. t'Hooft.

Результаты поиска аномального рождения событий, содержащих заряженный лептон (, е или ц) и фотон (7) высокой энергии, были представлены на семинарах в Университете Санта-Барбара и в Университете Рочестсра, а также были рецензированы многими институтами, входящими в состав сотрудничества CDF, среди которых Университет Чикаго (UC), ІРР Канада, Университет Duke, Лаборатория Беркли (LBNL), СНЕР Корея, Университет штата Иллинойс в Урбана-Шампейн (UIUC), а также лаборатория Фермилаб.

Один из наиболее важных инструментов для понимания событий, которые могут оказаться проявлением НФ, это программный пакет визуализации событий CDF Run II Event Display (EVD) [19, 20]. EVD широко используется как для анализа данных, так и для контроля данных в процессе сбора [21]. Развитие и поддержка программного пакета EVD - важный вклад группы ИТЭФ в эксперимент CDF. Диссертант является лидером этого проекта [22].

Диссертация состоит из введения, тринадцати глав, заключения и приложения.

Во введении формулируется постановка задачи и приводится план расположения мате- риала.

Первая глава посвящена мотивации представленного физического анализа, дает введение в технику поиска по виду события, а также приводит обзор результатов, полученных на предыдущей стадии эксперимента, Run I.

Во второй главе дается описание экспериментальной установки.

В третьей главе дается подробное описание программного пакета визуализации событий CDF Run II Event Display (EVD), а также относящихся к нему проектов. EVD используется для контроля данных в процессе сбора [21], анализа собранных данных, а также для представления результатов широкой публике.

Четвертая глава описывает используемые образцы данных (Глава 4.1). В ней также представлены кинематические критерии отбора для событий ij+Х, и интервалы взятия данных, используемые для проверки стабильности работы экспериментальной установки (Глава 4.2).

Критерии отбора и контрольные образцы для мюонов описаны в пятой главе, для электронов в шестой главе, и для фотонов в седьмой главе.

В восьмой главе описывается, как считается потерянная поперечная энергия (Е_т) (Глава 8.1), а также дается определение переменной Нт (Глава 8.2).

В девятой главе представлены оценки числа событий от СМ процессов, приводящих к рождению лептон-фотонных событий. Основной вклад вносит рождение Wj, Zy, мы также оцениваем вклад от трехбозонных процессов, W77 ^и ^77- Д^ля каждой из этих оценок используется как минимум два независимых генератора событий.

Фон от событий в рамках СМ, для которых фотон или лептон неправильно идентифицированы, описывается в десятой главе.

В одиннадцатой главе дается обзор систематических ошибок, разделенных на экспериментальные, теоретические, и ошибку в определении светимости.

В двенадцатой главе представлены топологии событий, рассматриваемых в диссертации, а также приведено число событий в различных подкатегориях.

В тринадцатой главе дается сравнение экспериментальных данных с числом событий, ожидаемым в рамках СМ.

В заключении подводятся итоги проделанной работы и делаются выводы.

В приложении приводятся списки лептон-фотонных событий (Глава АЛ), представлены дополнительные распределение для событий вида у^_т и у (Главы А.2 и А.З). Также представлены графики стабильности (Глава А.4), проведено сравнение изоляционных переменных для мюонов различного типа (Глава А.5), и даны дополнительные проверки 'не-Z' фонов для событий вида /х/ry (Глава А.б)

Похожие диссертации на Поиск аномального рождения событий с лептонами и фотонами высокой энергии на Теватроне

Рождение очарованных частиц и поиск тяжелых нейтрино в эксперименте с полным поглощением протонного пучка с энергией 70 ГэВНефедов, Юрий Анатольевич

Измерение массы топ-кварка при его парном рождении в pp-взаимодействиях на Тэватроне, использующее дилептонную и лептон-трек выборки событий эксперимента CDFСуслов, Игорь Александрович

Измерение полного сечения фотообразования пи0-мезонов на ядрах Ве, С, О и Al в области энергии фотонов Егамма= (0,18-1,0) ГэВ без заряженных частиц в конечном состоянииКнязян, Светлана Гарниковна

Определение атомного номера вещества объектов по ослаблению пучков фотонов с энергиями до 10 МэВКурилик Александр Сергеевич

Экспериментальное исследование реакции фоторасщепления дейтрона и квазидейтрона линейно-поляризованными фотонами в области энергией Егамма=0,3-1,0 ГэвАйрапетян, Аветик Ваанович

Исследование процесса когерентного фоторождения no-мезонов на дейтроне линейно-поляризованными фотонами в области энергий Егамма= 450-900 МэВКарапетян, Гаяне Вагаршаковна

Когерентные эффекты типа Б при образовании свободных и связанных e +e- пар фотонами и ядрами высоких энергий в кристаллахКунашенко Юрий Петрович

Экспериментальное исследование взаимодействия фотонов и электронов промежуточных энергий с ядрамиСтибунов, Виктор Николаевич

Бозе-Эйнштейновские корреляции фотонов в столкновениях 208Pb+ 208Pb при энергии 158 АГэВ Муханова Татьяна Владимировна

Исследование рождения фотонов в реакции S+Au при энергии 200 ГэВ/нуклонЛебедев, Александр Львович