Měření substruktury kvarků experimentem ATLAS Lukáš Přibyl FZÚ, Praha Fyzika na ATLASu.

Prezentace na téma: "Měření substruktury kvarků experimentem ATLAS Lukáš Přibyl FZÚ, Praha Fyzika na ATLASu."— Transkript prezentace:

1 Měření substruktury kvarků experimentem ATLAS Lukáš Přibyl FZÚ, Praha Fyzika na ATLASu

2 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 20082 Osnova  Substruktura kvarků – použitý model (převzato)  Přehled simulovaných dat  Určení Jet energy scale (převzato)  Metody analýzy spekter dijetů a uvažované systematické chyby  Shrnutí

3 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 20083 Struktura kvarků v experimentu ATLAS  Za předpokladu Λ H >>(s) 1/2 lze dominantní příspěvek compositeness aproximovat kontaktní 4-fermionovou interakci. Efektivní lagrangian:   (TeV) – škála, η – interference (zde použita +1, destruktivní), g 2 = 4.  Všechny kvarky kompozitní  Co bylo změřeno? Tevatron Run I: compositeness nepozorována až do  + LL = 2.7 TeV @ 95% C.L.  Detektor ATLAS s E CMS = 14 TeV, kalorimetry s η max = 4.9 a schopností měřit high-p T jety je obzvláště vhodný pro podrobnější měření. = Contact term (CT)

4 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 20084 Přehled simulovaných dat  Rychlá simulace Atlfast AOD, Athena 11.0.41, CTEQ6L1, 450M případů :  = 3, 5, 10, 15 a 20 TeV, samotné QCD. Pythia ( nastavení pro Rome) Cone jet algorit mus, ∆R = 0.7, není split-and-merge. e/h = 1 není punch-through Pythia 6.323 ve verzi Atheny 11.0.41 re kompilována ISR opravou ( jež je oficial ně implement ována ve verzi 6.404)  Plná simulace, CSC dijety 11.0.42, řádný cone jet algoritmus, ∆R = 0.7, nekompenzovaný kalorimetr, H1 kalibrace, CTEQ6L1. J4 – J8 Pythia + UE J4 – J7 Jimmy/Herwig  pdf neurčitosti : Pythia (CTEQ6M1, MRST2001E) 350M ev.  NLO k-faktory v generátoru NLOJET++  ll2nn faktory: CTEQ6L1-> CTEQ6M1, CTEQ6L1-> MRST2001E  p T > 350 GeV dle triggeru 2j350.

5 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 20085 Jet energy scale – experimentální ověření  In-situ metody (γ+jet a Z+jet) 3% δJES do 500 GeV pro 500 pb -1.  Bootstrap: využívá QCD jety vychází z p T oblasti již okalibrované jinou metodou 1% δJES na 1TeV a 1 fb -1 1% δJES na 3TeV a 300 fb -1 (odhad) dosažená δJES je určena především výchozí oblastí Pokud by se compositeness naměřila, „dosah“ bootstrap metody může být větší (zkoumá se) Leading jet “Non-leading” jets Vector-sum of the “non-leading” jets x y  Doporučené hodnoty δJES pro CSC ranná data (0.1 – 1.0 fb -1 ): 5-10% pro |η|<3.2, zde 7%. 10-20% pro |η|>3.2, zde 15%. F. Ruehr, Heidelberg

6 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 20086 Metody analýzy a systematické chyby  Metody: Bayesiánský přístup pro pT spektrum (až 50 pT binů) “Podílová” metoda Rdist3 pro pT spektrum (2 biny oddělené p T 0 )  optimální p T 0 cut pro každou Λ Bayesiánský přístup pro χ spektrum (10 binů, mjj cut) “Podílová” metoda R1 pro χ spektrum (2 biny oddělené χ cut, mjj cut)  optimální mjj a χ cut pro každou Λ  Systematické chyby pdf chyby dle CTEQ6M1, MRST2001E (obojí NLO pdf) μ R a μ F “závislost” k-faktorů JES chyba 3%  Pro pT-Bayes metodu navíc: 7% pro |η| 3.2 chyba měření luminosity 3% (vyruší se v podílových metodách) porovnání s plnou simulací (omezená statistika). pT-Bayes: volba apriorní pravděpodobnosti  apriorní hustota p. konstantní v 1/Λ 2, 1/Λ 4, Λ -> sys chyba 5%.  Cíle: limity (ne)objevení (objev pouze pro nejcitlivější metody pt-Bayes a R1)

7 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 20087 Inclusivní p T spektrum dijetů  50 binů od 350 do 4500 GeV  Pythia, CTEQ6L1 (LO fit, LO α S )

8 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 20088 Inclusivní p T spektrum dijetů– Λ-fit  V daném pT binu, Q dobře zafixováno, závislost pdf na x a f malá  Přesnost Λ-fitu – max. 0.3% rozdíl.  Dostačující oproti jiným sys. chybám

9 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 20089 p T – pdf chyby (experimentální)  soubory NLO chybových pdf CTEQ6M1 (40+1 pdf, ∆χ 2 =100, globální fit 1295 bodů) MRST2001E (30+1 pdf, ∆χ 2 =50, χ 2 =2328 globální fit 2097 bodů)  Pythia, partonová úroveň, pdf re-weighting (ovlivní jen tvrdý proces, ne ISR, přesto dostatečné)  MRST chybový pás obsažen převážně v CTEQ chybovém pásu (oba pásy 90% C.L.).

10 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200810 p T – NLO  k-factory a “závislost” na škálách (μ R =μ F =0.5, 1.0, 2.0 pT) konvenční způsob, násobky p T jsou však libovolné.  CTEQ6L1-> CTEQ6M1 and CTEQ6L1->MRST2001E factors  Maticové elementy a pdf jsou efektivně na NLO úrovni.

11 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200811 p T – NLO  Je zjednodušení „závislosti“ k-factor ů na škálách (μ R =μ F =0.5, 1.0, 2.0 pT) opodstatněné? Závislost dσ/dp T = dσ/dp T ( μ R,μ F ) pro vedoucí jet s p T = 1 TeV a 2 TeV (+/- 50 GeV). Zdá se, že ano:

12 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200812 p T – vliv detektoru  3% JES chyba:  Plná simulace je realističtější  Porovnání s plnou simulací Podíl pT spektra z CSC Pythia J4 až J8 souborů (plná simulace) a pT spektra z rychlé simulace Atlfast, Pythia. Plná simulace předpovídá měkčí spektrum Příčin rozdílu je mnoho V blízké budoucnosti náprava v ATLFAST-II (rekonstrukce jetů již je shodná s plnou simulací a rekonstrukcí reálných dat).

13 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200813 Vliv generátoru  Plná simulace, jety z detektoru  CSC dijety Pythia+UE, CTEQ6L1  CSC dijety Jimmy/Herwig, CTEQ6L1  50 binů pT od 350 do 4500 GeV  Jimmy/Herwig o 15% méně než Pythia. Nezapočteno.

14 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200814 Inklusivní dijety – Bayesiánský přístup  Často používaný, i nejnovější limity (dijet inv. mass spectrum).  Bayesův teorém:  Potřeba zvolit apriorní P(Λ). Obvyklá volba: rovná v ξ=1/Λ 2.  Zde posteriorní pravděpodobnost P(Λ|d), podmíněná daty d: Součin přes p T biny. max(l) - nejvyšší p T bin SM spekta při dané integrální luminositě l obsahující alespoň 1 event. N k SM, N k Λ – očekávané počty eventů v daném p T binu. Likelyhood P k - Gauss (N k Λ > 30) či Poisson. Konvoluce s Gaussem zahrnujícím systematické chyby: JES, pdf, chybu měření luminosity (3%), závislost na μ a chybu FA. Λ lim odpovídající danému intervalu spolehlivosti:

15 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200815 p T – Bayes limity vyloučení  MRST dává mírně vyšší limity než CTEQ  již ranná data (100 pb -1 ) slibná!  95% C.L. limity pro CTEQ6M1 při 300 fb -1 s různými ariorními h.p.: 1/Λ 2 (“default”): 22.01 TeV 1/Λ 4 : 20.86 TeV exp(-Λ/10TeV): 21.86 TeV  Závislost na apriorní h.p. 5% – odpovídá naší neznalosti Λ.

16 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200816 p T – Bayes - pseudoexperimenty  Limity vyloučení byly spočteny za předpokladu, že naměříme inkluzivní p T spektrum dijetů odpovídající právě středním hodnotám počtu eventů v daných p T binech dle předpovědi SM.  Skutečný experiment: počet eventů v daném binu je Poissonovsky rozmazán okolo předpokládané střední hodnoty. Lze nasimulovat řadu p T spekter odpovídajících možným skutečným naměřeným hodnotám. Výsledné limity (jen stat. chyba): 100 pb -1 300 fb -1 10.33 TeV 10.61 ± 0.57 TeV 21.01 TeV 22.62 ± 1.30 TeV 7% δJES 3% δJES

17 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200817 p T – Bayes možnost objevu  Nyní “data”: Λ = 10 TeV  5-σ intervaly pro CTEQ6M1 při 300 fb -1 s různými apriorními h.p.: 1/Λ 2 : 9.38 až 10.93 TeV 1/Λ 4 : 9.37 až 10.93 TeV exp(-Λ/10TeV): 9.38 až 10.94 TeV  minimální závislost na apriorní h.p.

18 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200818 Inklusivní dijety – R dist3  Kvantifikace rozdílu mezi SM a SM+CT spektry pomocí podílu počtu eventů nad a pod zvoleným cutem (obdobně v ATLAS TDR):  Rozdíl mezi SM a SM+CT, měřený ve standardních odchylkách R hodnot těchto spekter: 30 fb -1 pT > 350 GeV (2j350)  Hodnota p T 0 optimalizována pro každou hodnotu Λ.  Hodnoty Rdist3 jsou shodné s hodnotami získanými testováním hypotéz s alternativními rozděleními.

19 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200819 Rdist3 – pt0 cut  Závislost pt0 na Λ nafitována a dále použita jako nová definice pt0: 30 fb -1  Statistická chyba pro vyšší hodnoty Λ je značná.

20 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200820 Rdist3 – systematické chyby  pdf chyby  Nejvíce přispívá δJES

21 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200821 Rdist3 –limity vyloučení  Nejsou tak vysoké jako u metody pt-Bayes (porovnání na konci):

22 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200822 Úhlové rozdělení dijetů – Mjj cut  Vedoucí jety s η 1,η 2. Lorentz invariantní:  Spodní cut na invariantní hmotu mjj je nutnost. Bohužel, δJES pak také ovlivňuje měření.  10 χ binů od 1 do 35.

23 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200823 Úhlové rozdělení dijetů – Λ-fit  Analogicky k pt Λ-fitu:

24 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200824 χ spektrum – systematické chyby 3% δJES mjj > 5.9 TeV μ pdf FA - nepoužitelné

25 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200825 R1 – mjj a χ cuty  Analogicky s pT spektrem:  Rozdíl mezi QCD a QCD+CT (opět v násobcích sm. odch.):  χ a mjj cuty optimalizovány pro každou hodnotu Λ. Maximum je poměrně ploché.

26 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200826 R1 – mjj a χ cuty  Závislost χ a mjj cutů na Λ nafitována a použita jako definice: 30 fb -1 χ cut mjj cut

27 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200827 R1- systematické chyby  pdf chyba tvoří značný příspěvek sys. chyby

28 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200828 R1- limity vyloučení  Větší rozdíl mezi MRST a CTEQ.  pdf chyby jsou v tomto případě dost podstatné.

29 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200829 R1- možnost objevu  R1 5-σ interval objevu při 300 fb -1, CTEQ6M1: pro Λ = 15 TeV: 11.9 až 21.2 TeV. pro Λ = 10 TeV: 8.6 až 11.8 TeV.

30 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200830 χ-Bayes  mjj > 5.9 TeV  10 χ binů od 1 do 35  apriorní h.p. konstantní v 1/Λ 2.  při vyšších int. luminositách mají sys. chyby navrch.

31 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200831 Shrnutí - možnost objevu  Pouze pro nejcitlivější metody (pt-Bayes a R1):  Nejkratší (nesymetrický) 5-sigma interval při 300 fb -1, CTEQ6M1: Λ (TeV)1015 pt-Bayes (1/Λ 2 )9.38 až 10.9313.30 až 18.51 R18.64 až 11.7511.85 až 21.24  pt-Bayes citlivější než R1 -> užší intervaly  Λ = 10 TeV snadněji, přesněji pozorovatelná

32 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200832 Shrnutí – CTEQ6M1 Int.lum. (fb^(-1))pT-BayesR1Rdist3chi-Bayes 0.1 10.63 9.02 10.39 9.40 0.3 12.13 10.35 11.61 11.27 1 13.75 11.76 12.96 12.76 3 15.29 12.98 14.10 14.33 10 17.20 14.43 15.09 14.98 30 18.79 15.51 15.77 15.21 100 20.36 16.33 16.12 15.31 300 22.01 16.70 16.21 15.33  Nejvyšší limit: pT-Bayes: 22.0 TeV při 300 fb -1 a 95% C.L.  Limit pro ranná data (δJES 7% pro |η| 3.2) pt-Bayes (CTEQ) při 100 fb -1 : 10.3 3 TeV.

33 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200833 Shrnutí – MRST2001E Int. lum. (fb^(-1))pt-BayesR1Rdist3chi-Bayes 0.1 10.64 9.05 10.49 9.48 0.3 12.07 10.42 11.72 11.42 1.0 13.67 11.87 13.09 13.26 3.0 15.29 13.18 14.25 14.46 10 17.28 14.89 15.25 15.18 30 18.93 16.23 15.95 15.46 100 20.67 17.43 16.31 15.57 300 22.46 18.13 16.40 15.60  MRST limity mírně vyšší, než ty z CTEQ  Nejvyšší limit: pT-Bayes: 22.7 TeV při 300 fb -1 a 95% C.L.  Limit pro ranná data (δJES 7% pro |η| 3.2) pt-Bayes ( MRST ) při 100 fb -1 : 10.34 TeV.

34 Lukáš Přibyl, FZÚ, Praha18. duben 200834 Závěr  Vyvinuty a otestovány 4 různé metody pro měření či vyloučení substruktury kvarku. Nejcitlivější metoda: pt- Bayes.  Pokud bude compositeness naměřena, musí se objevit jak v pT tak χ spektru.  Řada systematických započtena pro realističtější představu.  Chyba JES se bude vyvíjet spolu s měřenými daty.  Již 100 pb -1 stačí pro posunutí hranice na Λ = 10 TeV.  Schopnost experimentu ATLAS vyloučit compositeness až na Λ = 22 TeV při 95% C.L. je realistická. Plány  Příprava na data při energii srážky 10 – 11 TeV.