estudio de las partÍculas j/𝜓 & z en la actualizaciÓn del...

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