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SUSTENTACIÓN PARA EL TITULO DE MAESTRÍA EN CIENCIAS FÍSICA
ESTUDIO DE LAS PARTÍCULAS
J/𝜓 & Z
EN LA ACTUALIZACIÓN DEL
EXPERIMENTO CMS EN EL SLHC
POR SORAYA YSABEL FLORES CHALCO CONSEJERO: PH.D. HÉCTOR MÉNDEZ MELLA
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
RESUMEN
El propósito de este trabajo es examinar la masa invariante reconstruida del
mesón J/𝜓 → 𝜇⁺𝜇ˉ y del boson Z → 𝜇⁺𝜇ˉ en función de la Pseudo-Rapidez y del
Momento Transversal de los muones, para comparar la reconstrucción de
Dimuones entre la primera fase de la actualización del experimento CMS y su
configuración actual.
2 DE MAYO 2013, 12:30 PM
SALA EUGENE FRANCIS
EDIFICIO DE FÍSICA
Variación de la Pseudo-Rapidez y del Momento Transversal
ESTUDIO DE LA MASA
INVARIANTE DE LAS
PARTÍCULAS J/𝜓 & Z
EN LA ACTUALIZACIÓN
DEL EXPERIMENTO CMS
Por: Soraya Ysabel Flores Chalco
Consejero: Ph.D. Héctor Méndez Mella
Universidad de Puerto Rico – Mayagüez
Mayo 2, 2013
ÍNDICE
Objetivos
Introducción:
Modelo estándar
Detector CMS (Std)
Actualización CMS (Phase1)
Análisis y Resultados:
Generación, Simulación
Reconstrucción del mesón J/𝜓 →𝜇⁺𝜇ˉ
y del boson Z →𝜇⁺𝜇ˉ
𝜂 de los 𝜇⁺𝜇ˉ
pT de los 𝜇⁺𝜇ˉ
Ajuste Estadístico
Conclusiones.
Trabajos Futuros
Sora
ya
Flo
res
3
PALABRAS CLAVES
LHC → Large Hadron Collider
SLHC → Súper LHC (Proyecto)
CMS → Compact Muon Solenoid Detector
Std → Geometría actual del detector CMS
Phase1 → Geometría de la actualización del
detector
𝜂 → Pseudo-Rapidez
pT → Momento transversal de los muones
𝜇ˉ → Muon
m 𝜇⁺𝜇ˉ → Masa reconstruida 𝜇⁺𝜇ˉ 4
Sora
ya
Flo
res
5
Sora
ya
Flo
res
OBJETIVO
Medir la estabilidad de la m𝜇⁺𝜇ˉ proveniente del J/𝜓 y del Z en función de 𝜂 y del pT
Comparar el funcionamiento del detector actual CMS (Std) y de su actualización (Phase1) en el SLHC
Variación de la Pseudo-Rapidez y del Momento Transversal
INTRODUCCIÓN
6
Sora
ya
Flo
res
MODELO ESTÁNDAR
Identifica las partículas elementales y especifica como interactúan
mediante el intercambió de partículas de fuerza.
H Higgs
Interacción Débil, Electromagnética
Masa 0.10566 ± 0.009 GeV/c2
Tiempo de
vida
(2.197034 ± 0.00004) x 10-6 s
Spin 1/2
Quaks
u c t
d s b I II III
e- 𝜇- 𝜏 -
Leptones
𝛾 B
o
s
o
n
Z
W
g
Muon : 𝜇 ˉ
Tabla 1: Partículas Fundamentales Del Modelo Estándar Tabla 2: Características del 𝜇 ˉ
e
Sora
ya
Flo
res
7
Meson: J/𝜓 (cc ̄) Boson : Z
Interacción Débil, Electromagnética Débil
Masa (PDG) 3.0969 ± 0.000011GeV/c² 91.1876 ± 0.0021 GeV/c²
Tiempo de vida 7.2 x 10 -21 s ~10 -25s
PARTÍCULAS J/𝜓 & Z
Tabla 3: Características del Mesón J/𝜓 & Boson Z
Sora
ya
Flo
res
8
LHC
Luminosidad nominal: 1034cm-2s-1
Energía en centro de masas: En 2012 →√s = 8 TeV
En 2015 →√s = 14 TeV
Campo Magnético 8.3 Teslas
Circunferencia 27 km
Colisiones cada 25 ns
Velocidad de aceleración de partículas 0.999c m/s
100 MB de información generados en cada colisión
Colisionador Hadrónico:
p-p, p-Pb, Pb-Pb
LHC
3 PhD. 1 PostDoc ,
8 Est. Graduados
9
Sora
ya
Flo
res
DETECTOR CMS.
Peso total: 12500 T
Diámetro: 15 m
Longitud: 21.5 m
Campo Magnético: ~4 Tesla
Colaboración CMS ~3 000 investigadores
Partículas del CMS
COORDENADAS CMS
10
Sora
ya
Flo
res
Pseudo-Rapidez 𝜂:
describe el comportamiento de
las partículas en función del
ángulo polar que forma una
partícula con respecto al eje del
haz.
Momento Transversal
de los Muones pT
* donde θ es el ángulo polar y φ es el ángulo acimutal
11
Sora
ya
Flo
res
Con el Phase1 se pretende (~2015):
El aumento de la luminosidad a 2 x10 34 cm ̄ ² s ̄ ¹
Energía de centro de masa a 14 TeV
Beneficios del CMS en el Phase1:
Mantener alta la eficiencia de detección evitando
la perdida de datos
Garantizar la cobertura en todas las aceptaciones
de 𝜂
Proporcionar un seguimiento de alta resolución
para los parámetros y vértices
ACTUALIZACIÓN SLHC
ACTUALIZACIÓN CMS PHASE1
12
Sora
ya
Flo
res
Std Phase1
Barrel
3 capas cilíndricas
770 módulos con 48 M
pixeles
Una capa mecánica
(soporte + tuberías de
refrigeración) 400 g
4 capas cilíndricas
1200 módulos con 80M
pixeles
Una capa mecánica
(soporte + tuberías de
refrigeración) 100 g
Endcap
2 discos en cada endcap
Un anillo por medio
disco
672 módulos con 18M
pixeles
3 discos en cada endcap
Dos anillos concéntricos
672 módulos con 45M
pixeles
Tabla 4: Algunas diferencias entre las geometrías Std & Phase1
ANÁLISIS Y RESULTADOS
13
Sora
ya
Flo
res
GENERACIÓN Y SIMULACIÓN
14
Sora
ya
Flo
res
Generar
Geometrias
Versión
Simulación
Pile-Up
Energía de centro de
masa
Numero de eventos
Generados simulados
reconstruidos
A gran detalle el CMS durante una colisiones.
Std
Phase 1
CMSSW_4_2_8_SLHCstd2_patch1 (Std).
CMSSW_4_2_8_SLHCtk3_patch1 (Phase1).
Monte Carlo
J/𝜓 → 𝜇⁺𝜇ˉ
Z → 𝜇⁺𝜇ˉ
Cero ( Una colisión Protón -Protón)
14 TeV para cada Geometría.
J/𝜓 & Z
500K
Std &Phase1
Tabla 5: Condiciones para el Análisis
15
Sora
ya
Flo
res
RECONSTRUCCIÓN 𝜇⁺𝜇ˉ
Para obtener la masa invariante 𝜇⁺𝜇ˉusamos el 4-momento de Lorentz:
y conociendo E y P 𝛾 . Se encontró la masa invariante:
),,,( zyx PPPEP
PPm
2
PPEEmmm 222
22 ||
PmE
PDG (0.10566 ± 0.009 GeV/c²)
BqRP
Fuerza de Lorentz Medido
1. Ambos muones deben tener las cargas eléctricas opuesta
2. Los muones son Global Muon
3. Dividir la señal de reconstrucción 𝜇⁺𝜇ˉen función de 𝜂 y pT
16
Sora
ya
Flo
res
CONDICIONES DE RECONSTRUCCIÓN 𝜇⁺𝜇ˉ
BOSON Z → 𝜇⁺𝜇ˉ MESÓN J/𝜓 →𝜇⁺𝜇ˉ
17
Sora
ya
Flo
res 𝜂 DE LOS 𝜇⁺𝜇ˉ
𝜇⁺𝜇ˉ
Pseudo-Rapidez 𝜇⁺𝜇ˉ : Detector CMS : Variación de la Pseudo-Rapidez
Matriz de Selección para el Análisis
18
Sora
ya
Flo
res
Matriz de selección para 100 Histogramas
de Z en función de 𝜂 con Phase1
*Para Std se obtuvo un comportamiento similar.
19
Sora
ya
Flo
res
Matriz de selección para 100 Histogramas
de J/𝜓 en función de 𝜂 con Phase1
*Para Std se obtuvo un comportamiento similar.
20
Sora
ya
Flo
res
PT DE LOS 𝜇⁺𝜇ˉ
pT para J/𝜓:
pT para Z:
Detector CMS : Variación de la pT
*Para Z & J/𝜓 Std se obtuvo un comportamiento similar que para 𝜂.
AJUSTE ESTADÍSTICO
21
Sora
ya
Flo
res
2)(2
1
02
)(
xx
eRA
xxmyy
Donde:
Polinomio de 10 grado (ruido)
y0 : constante
m : pendiente
Función Gaussiana (Señal)
A : amplitud
x̅ : media
σ : sigma
R : Ancho del
bin del Histograma
→ Numero de eventos (~Eficiencia)
→ Masa (~Estabilidad)
→ Desviación estándar (~Resolución)
J/𝜓 : 0.005 GeV/c2 Z : 0.25 GeV/c2
Histograma :
Sora
ya
Flo
res
22
Estos resultados son la distribución de la masa en
función de la Pseudo-Rapidez para cuando 𝜂𝜇⁺ = 𝜂𝜇ˉ
Muestra de J/𝜓 con Phase 1
*Para Std y Z (Phase1 & Std) se obtuvo un comportamiento similar.
Parámetros básicos del Ajuste Gaussiano
23
Sora
ya
Flo
res
J/𝜓
Masa (GeV/c²) Desviación
Estándar(GeV/c²)
Numero de
Eventos
Phase1 Std Phase1 Std Phase1 Std
0: -2.5 ≤ 𝜂 < -2.0
1: -2.0≤ 𝜂 < -1.5
2: -1.5 ≤ 𝜂 < -1.0
3 :-1.0 ≤ 𝜂 < -0.5
4: -0.5 ≤ 𝜂 < 0.0
5: 0.0 ≤ 𝜂 < 0.5
6: 0.5 ≤ 𝜂 < 1.5
7: 1 .0 ≤ 𝜂 < 1.5
8: 1.5 ≤ 𝜂 < 2.0
9: 2.0 ≤ 𝜂 < 2.5
3.09391
3.09833
3.09402
3.09777
3.09728
3.09669
3.09888
3.09634
3.09650
3.10077
3.09757
3.09690
3.09889
3.09704
3.09745
3.09771
3.09866
3.09681
3.09467
3.09613
0.05145
0.04085
0.03029
0.02122
0.01854
0.01804
0.02218
0.03143
0.04031
0.05611
0.04929
0.03623
0.03292
0.02174
0.01800
0.01706
0.02189
0.03287
0.03580
0.4641
705.946
938.782
961.511
881.700
861.619
880.034
844.516
997.884
945.112
743.572
744.264
815.430
785.569
722.403
682.403
700.393
773.257
818.492
776.665
716.050
2: 2 ≤*pT< 3
3: 3≤*pT< 4
4: 4 ≤*pT< 5
5: 5 ≤*pT< 6
6: 6 ≤*pT< 7
7: 7 ≤*pT< 8
8: 8 ≤*pT< 9
9: 9≤*pT< 10
3.08916
3.09297
3.09607
3.09733
3.09841
3.09672
3.09458
3.10207
3.09271
3.09605
3.09879
3.09571
3.09867
3.09477
3.09632
0.03972
0.03275
0.02731
0.02547
0.02284
0.02217
0.00952
0.04822
0.02955
0.02813
0.02631
0.02603
0.02370
0.01635
0.01785
61.046
288.217
806.795
731.067
492.480
244.629
96.197
99.929
300.567
645.920
592.151
372.089
219.501
80.186
33.096
*pT [GeV/c] Tabla 6: Parámetros extraídos del Ajuste Gaussiano para J/𝜓
24
Sora
ya
Flo
res
Z
Masa (GeV/c²) Desviación Estándar
(GeV/c²)
Numero de Eventos
Phase1 Std Phase1 Std Phase1 Std
0: -2.5 ≤ 𝜂 < -2.0
1 : -2.0≤ 𝜂 < -1.5
2: -1.5 ≤ 𝜂 < -1.0
3: -1.0 ≤ 𝜂 < -0.5
4: -0.5 ≤ 𝜂 < 0.0
5: 0.0 ≤ 𝜂 < 0.5
6: 0.5 ≤ 𝜂 < 1.5
7: 1 .0 ≤ 𝜂 < 1.5
8: 1.5 ≤ 𝜂 < 2.0
9: 2.0 ≤ 𝜂 < 2.5
90.6074
90.8962
90.8982
90.7542
91.0900
90.7744
90.8066
90.7008
90.7024
90.5451
90.6425
90.8968
90.9530
90.8288
90.8304
90.7570
90.7738
90.7724
90.6396
90.4620
2.5913
2.0362
1.9345
1.9506
1.7632
1.8268
1.8754
2.2189
2.0926
2.9414
2.6965
2.2538
2.0787
1.8463
1.7611
1.9478
2.2464
2.2084
2.3728
2.9202
487.368
782.562
785.053
805.875
794.917
853.415
802.177
854.859
818.328
553.086
502.814
734.252
601.801
737.523
695.495
720.820
667.868
623.329
776.885
545.773
1: 1 0≤*pT<20
2: 20 ≤*pT<30
3: 30 ≤*pT<40
4: 40 ≤*pT<50
90.6057
90.6314
90.7443
91.0462
90.4292
90.4896
90.6227
91.0323
2.1359
2.2039
2.1928
2.2194
2.1843
2.3818
2.1033
2.2915
882.702
2896.160
6075.930
13789.100
842.534
2666.030
5140.940
12286.700
*pT [GeV/c]
Parámetros básicos del Ajuste Gaussiano
Tabla 7: Parámetros extraídos del Ajuste Gaussiano para Z
25
Sora
ya
Flo
res
m 𝜇⁺𝜇ˉ a través del CMS en función a 𝜂
26
Sora
ya
Flo
res
m 𝜇⁺𝜇ˉ a través del CMS en función a pT
27
Sora
ya
Flo
res
𝜎 a través del CMS en función a 𝜂
28
Sora
ya
Flo
res
𝜎 a través del CMS en función a pT
29
Sora
ya
Flo
res
Numero de Eventos Z a través del CMS en función a 𝜂
Numero de Eventos J/𝜓 a través del CMS en función a 𝜂
30
Sora
ya
Flo
res
Numero de Eventos J/𝜓 a través del CMS en función a pT
Numero de Eventos Z a través del CMS en función a pT
CONCLUSIONES
31
Sora
ya
Flo
res
A partir de estos resultados, la m𝜇⁺𝜇ˉ del J/𝜓 y del Z en el sistema de seguimiento (tracking) del CMS están próximas a su valor nominal descrito PDG (Particle Data Group), no encontrando cambios significativos entre ambas geometrías.
Pero con Phase1, el número total de eventos detectados se incrementa entre el 10% al 14%, este resultado beneficia SLHC.
TRABAJOS FUTUROS
Medir la estabilidad de la mzz proveniente del H en función de 𝜂 y del pT
Medir la estabilidad de la masa del J/𝜓 →𝜇⁺𝜇ˉ y del Z →𝜇⁺𝜇ˉ función de 𝜂 y del pT , usando
Pile-Up≠0
32
Sora
ya
Flo
res
Nuevo Descubrimiento ~125 GeV
GRACIAS
33
Sora
ya
Flo
res
PREGUNTAS
34
Sora
ya
Flo
res
ANEXOS
Sora
ya
Flo
res
35
GLOBAL MUON
Estos muones son aquellos que son asociados entre las
pistas de los muones detectados en el tracker muon y las
pistas de los “standalone muon” y la mejor coincidencia de
las pistas queda seleccionada como muones globales o
global muon.
36
Sora
ya
Flo
res
MASA DE
DIMUON
37
Sora
ya
Flo
res
),,(
:
2
:)1_(_)2_(
)2...(
),(),(
),(
)1...(2
)()(
)()(
22
222
2
2
2
2
zyx pppP
donde
PPEEmmm
enreemplazar
PPEEPP
PEPEPP
PEP
PPmmm
PPPPPPPPm
PPPPm
PPPPm
PPm
La Figuras representan histogramas donde cada
segmento de la pseudorapidez (ηi = ηj) es igual para 𝜇⁺ y 𝜇ˉ en ambas geometrías.
38
Sora
ya
Flo
res
J/𝛹 con Phase 1 Geometry.
39
Sora
ya
Flo
res
Z con Phase 1 Geometry.
40
Sora
ya
Flo
res
J/𝛹 con Std Geometry.
41
Sora
ya
Flo
res
Z con Std Geometry.
La Figuras representan histogramas donde
cada segmento del momento transversal es igual para 𝜇⁺ y 𝜇ˉ en ambas geometrías.
42
Sora
ya
Flo
res
J/𝛹 con Phase 1 Geometry.
43
Sora
ya
Flo
res
Z con Phase 1 Geometry.
44
Sora
ya
Flo
res
J/𝛹 con Std Geometry.
45
Sora
ya
Flo
res
Z con Std Geometry.
Las figuras representan la distribución de la masa en
función de la pseudorapidez ajustadas a una función
Gausina y a un polinomio de primer orden.
46
Sora
ya
Flo
res
J/𝛹 con Phase 1 Geometry
47
Sora
ya
Flo
res
Z con Phase 1 Geometry.
48
Sora
ya
Flo
res
J/𝛹 con Std Geometry.
49
Sora
ya
Flo
res
Z con Std Geometry.
Las figuras representan la distribución de la
masa en función del momento transversal
ajustadas a una función Gausina y a un
polinomio de primer orden.
50
Sora
ya
Flo
res
J/𝛹 con Phase 1 Geometry
51
Sora
ya
Flo
res
Z con Phase 1 Geometry.
52
Sora
ya
Flo
res
J/𝛹 con Std Geometry.
53
Sora
ya
Flo
res
Z con Std Geometry