科大在ATLAS上的 电弱玻色子, 双玻色子，新玻色子Z’物理 与探测器运行，性能研究

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1 科大在ATLAS上的 电弱玻色子, 双玻色子，新玻色子Z’物理 与探测器运行，性能研究
刘衍文 代替 李数，汪虎林，吴雨生，徐超 2010年9月10日 中国ATLAS Cluster 会议

2 纲要 探测器刻度,性能研究 Muon LAr 物理分析 W,Z WW Rj = Wj/Zj Z’ ATLAS Upgrade 工作

3 利用Beamsplash事例确定MDT的刻度常数
吴雨生 ATLAS Muon 探测器 MDT 大约有 4M 刻度常数需要测量确定，包括MDT漂移管的测量初始时间T0、漂移半径与时间关联函数(RT Function)等。这些刻度常数直接作用于ATLAS Muon的重建。 原来方案是利用对撞事例中的Muon来刻度，很显然LHC对撞初期无法提供足够的Muon；这里的方案是采用Beamsplash 事例中的大量次级Muon来完成刻度常数t0的测量 单质子束流入射距离140m， 在准直器上 产生大量次级muon Beam Splash Collimator LHC beam 140 meters from Collimator to I.P. (detector center) 3 3

4 BeamSplash事例以及T0常数的刻度步骤
束流强度: ~ 2 109 质子/束 ATLAS探测器记录的hits MDT ~ 95% 击中率 原始TDC谱 分别利用2个方向的束流进行刻度，Beam1定义为AC，Beam2为CA (C: Z<0, A: Z>0) 对于每个方向的Beamsplash束流， 分析MDT漂移管的TDC谱，先找出峰值位置，定5%峰值位置为其初始时间T0raw(上图中红线) 对I中得到的T0raw进行几何修正，见下图 因为实际对撞muon来自IP，而Beamsplash 距探测器140m，主要是对路径差进行修正： DT = (BO – BD) / c (c=光速) T0 = T0raw + DT 3. 比较Beam1与Beam2的结果，另外比较不 同时期的结果，来验证T0；去除异常T0值, 综合Beam1,2以及09,10的结果，最终定下 T0常数 4 4

5 所获T0常数的结果验证 T0 Difference (ns) # of Chambers Percentage < 5 698 62.77% < 10 888 79.86% < 20 1029 92.54% > 20 83 7.46% B1,B2之差 ATLAS Preliminary 2009，2010两次刻度之差 J/Psi的Di-Muon峰，验证刻度常数的正常工作 因为Trigger的缘故，两次结果系统性差100 ns； 去除100ns，两次T0之差基本<5 ns 利用Beamsplash事例定出的T0刻度常数从2010.4开始一直用于ATLAS Tier0事例重建, 已在各种Muon道的物理分析中得到了广泛的验证

6 汪虎林 Muon触发研究 LVL1 利用RPC, TGC的测量, 通过简单的模式识别判定径迹是否超过规定的横动量阈值。 同时向LVL2 提供Region-of-Interest RPC TGC BCID offset: ( Time(L1_MU) – Time(L1_MBTS) )/25ns, 目前， LVL1接受 3 Bunch Crossing 期间的出发信号： (−3BC <T(L1 MU) − T(MBTS) < 1BC).

7 LVL1 muon 触发效率 L1_MU0 TGC L1_MU0 RPC L1_MU6 TGC L1_MU6 RPC

8 高横动量muon动量测量scale, resolution (MC)
样本选择: Combined muon, truth matched , |eta| <2.4 , pass muon selection cuts Fit (pt_reco – pt_truth)/pt_truth for different pt bins : ( , ,… ) Fit function: Landau convoluted with Gaussian. Fit twice: 1. Fit (-1.0,1.0) to find the peak and width 2. Fit ( peak-5*width, peak + 5*width) region Scale: maximum of the distribution Resolution: widths of gaus and landau added in quadrature..

9 电子电磁簇射形状测量内部径迹探测器材料分布
李数 电子电磁簇射形状测量内部径迹探测器材料分布 为了使得电子和光子能够在ATLAS的电磁量能器中得到尽可能好的重建，我们必须对量能器前方的材料分布进行尽可能高精度的测定。由于材料中不可避免的存在着预簇射现象，电子的簇射形状对于这些额外的材料有着非常高的灵敏度。这就为材料的研究提供里一个重要且有效的手段。除此之外，电子的簇射形状明显有别于强子喷注所形成的簇射，因此对于电子的鉴别和甄选也有着重要的研究价值。 材料在几何分布上的不均匀性对电子簇射形状 的影响示例（蒙特卡罗模拟研究）： (f1: 电子簇射在量能器第一层的能量比例） R = ±1.7e-04 D = ±1.7e-04

10 MC 研究 （归一到100pb-1) Sample/Selection Significance (Estimator = D / R )
W→eν (考虑本底) b → e（考虑本底） D = ± 3.8e-05 D = ±1.5e-04 R = ±1.5e-04 R = ± 3.7e-05 Sample/Selection Significance (Estimator = D / R ) W→eν（只有信号） 38.9 W→eν（考虑本底） 25.3 b→e （只有信号） 58.5 b→e （考虑本底） 64.4 S/B ~ 3 S/B ~ 1

11 标定数据质量 排除噪声道 LAr离线数据质量(DQ)监控 探测数据质量的监控是保证后续的数据分析与研究顺利进行的先决条件。 李数，刘衍文
DQ Flags：

12 噪声排除 Run 158801 利用non-collision数据中cluster eta-phi分布，找出受噪声影响的cell.
在下一次processing中将其排除。以减小噪声对物理结果的影响。

13 W,Z 早期物理 吴雨生 l+ n m+ m- W ±,Z 玻色子是标准模型弱相互作用的传播子，在LHC开始对撞以后，是最先
开始研究的高横动量区物理目标。加之，其具有很高的产生截面以及相对干净的本底，可以用来研究探测器响应以及各种探测效率(e.g. Trigger 效率，事例选择效率等)；从另一方面讲，W/Z测量也是对标准模型的重验证过程。 判选条件 W ±m±n Z  m+m- 对撞事例选择 Good Run List Jet 噪声去除 Jet Cleaning Cut Trigger 要求 L1_MU6 对撞顶点要求 至少关联3条好的径迹(nTrackPV>=3) 对m子的初选 Pt>15GeV,|h|<2.5,Pt(ms)>10GeV,DPt(ID-MS)<15GeV 事例选择 m子 Pt>20 GeV 两个 m子 Pt>20 GeV Isolation: PtCone40/Pt<0.2 MET大于20 GeV 两个m子电荷相反 横向质量Mt(m,MET)> 40 GeV 不变质量M(m,m)在(66,116)范围内

14 对撞事例与MC比较图 W ±m±n ① ② ③ ① - m子初选后的Pt分布 ② - 要求Pt(m)>20GeV,Mt>40GeV后，MET分布 ③ - 最终W事例的Mt分布

15 对撞事例与MC比较图 Z  m+m- m子初选后M(m,m)分布 m子初选后Pt(m,m)分布 m子初选后MET分布

16 事例选择结果(330 nb-1) Z  m+m- W ±m±n
330 nb-1对撞数据，m子道结果为： W 1190 (717+,473-) , Z 111 本底估计(MC): W 100 (53+,47-) Z 0.2

17 截面测量(330 nb-1) = (Nobs - Nb ) / (L x Acc) 截面测量结果：
W+：5.74 ±0.21(stat) ±0.73(syst) nb W-: 3.85 ±0.18(stat) ±0.49(syst) nb Z: 0.88 ±0.08(stat) ±0.11(syst) nb

18 W→eν Observation中的”ABCD” 本底估计方法
事例筛选与粒子鉴别条件： Event Level: W/Z Observation W→eν channel GRL 剔除信号过程（for JF17 MC ） 初级顶点至少有3个或3个以上的Track关联 MET_cleaning (Jet quality cut) Event至少包含有1个AuthorElectron Zee Veto Object Level： MCTruthClassifier（仅用于蒙特卡罗样本） Dead OTX Fiducial Cut ETclus>20GeV |ηclus|<2.0 (TRT coverage，排除crack region [1.37, 1.52]) AuthorElectron (author==1 || author==3) isEM RobustMedium/RobusterTight applied respectively (eProbabilityHT 与RoubusterTight有关联) Track quality requirements: nSCTHits>=6, nPixelHits>0, nTRTHits>=10 Basic shower shapes requirements: f1>0.01; weta1, dEminS1, dEmaxS1, WstotS1 >0. eProbabilityHT >0.5 基本假设： 应用于ABCD方法的两个变量不相关 (isolation vs. eProbabilityHT)

19 W->eν:ABCD 本底估计方法(3pb-1)
李数 W->eν:ABCD 本底估计方法(3pb-1) Region Sample /data A B （Control Region） C D (Signal Region) Weν (1M evts, Norm. to 3pb-1) 1564.1 86.1 376.3 6621.2 JF17 (10M evts, Norm. to B) 1325 103.5 1014.5 Data 13113 424 6534 D A Data B C D JF17 A B C A,B,C区域中W事例数由MC估算得出。 QCD本底： ND= NA/NB*NC A D W→eν 信号区域D所含本底的估计值: 444.6±192.8(stat)±407.0(sys) 系统误差包含： 1）A,B,C区域中信号事例数估计(11% 亮度, 5%W截面) 2）x = A/B : D/C, 本底MC中, x 与1的偏离程度, 5% （采用isEM Electron RobusterTight） B C

20 吴雨生，李数，刘衍文 WW 物理分析 WW的产生机制如左图，对WW事例的测量提供一个很好的途径来检验标准模型对于3玻色子顶点耦合常数的预言。另外，对与在LHC上寻找新粒子而言(e.g. Higgs), WW是其一个主要本底；因而更好的研究理解WW事例对探索新粒子有很大的作用 判选条件 WW llnn 对撞事例选择 Good Run List Jet 噪声去除 Jet Cleaning Cut Trigger 要求 L1_MU10,L1_EM10,EF_MU10,EF_EM10 对撞顶点要求 至少关联3条好的径迹(nTrackPV>=3) 对电子/m子的初选 Pt>15GeV,|h| requirement, lepton quality requirement, etc WW 事例选择 有且只有两个轻子通过初选，电荷相反 两个轻子产生顶点要足够近 Δz0(l1, l2)<0.8 mm (Impact Parameter) 如果同时电子或m子，不变质量M(2l)应大于15GeV 剔除Zll事例，要求 |M(2l)-M(Z)| > 10 GeV MET > 30 GeV 20

21 WWD3PD Package ATLAS的离线物理分析软件框架为ATHENA，其主要数据处 理链：Raw => ESD => AOD => D3PD ESD,AOD,D3PD 可用于物理分析；由于D3PD文件小，并且无需建设软件环境，直接可用ROOT进行处理，目前是物理分析主要对象 WWD3PD Package (WWAnalyze) 旨在通过ESD,AOD转换产生适合Di-boson物理分析的D3PD，目前应用于 ATLAS WW/WZ Group 以及 ATLAS HiggsWW Group 物理分析 (吴雨生与密歇根大学 杨海军博士共同管理) 数据层名称 硬盘需求量/事例 说明 RAW 1.6 MB 未经重建数据 ESD 500 KB 已重建 AOD 100 KB - D3PD 30 KB 无需ATHENA环境，可用ROOT分析

22 WW cut flow对比

23 初步结果 (~600 nb-1) Process data Signal Bg(total) ww wz ttbar dy st wj zj s/b WWmmnn 0.00E+00 8.00E-02 7.51E-01 9.25E-02 3.23E-03 4.49E-01 1.20E-02 5.14E-02 6.06E-03 1.36E-01 1.07E-01 WWeenn 3.65E-02 3.29E-01 5.29E-03 2.34E-03 2.34E-01 7.54E-04 2.65E-02 4.20E-03 5.54E-02 1.11E-01 WWemnn 1.00E+00 1.17e-01 9.59e-01 1.89e-02 0.00e+00 7.69e-01 8.15e-02 1.38e-02 7.63e-02 1.23e-01 1. 在ATLAS取数600 nb-1 时只有1个em道的Candidate；从MC估计来看，可能是本底事例 2. 从MC分析可见，这三个分析道的信噪比约为 11%，并且主要本底来自 ttbar, Z+jets 事例。 计划： ATLAS预计到今年底取数70pb；以上表估计，届时有～20个WW信号，同时～200个本底；利用这些事例，将有助于调整程序，提高信噪比等。

24 最新结果 WWmmnn ~ 3 pb-1 M(mm) Pt(mm) Pre-selection
5 Candidates! VS MC Prediction ~6 Pt of Candidates MET

25 3 Candidates! VS MC Prediction ~2
最新结果 WWeenn ~3 pb-1 M(mm) Pt(ee) Pre-selection Pt of Candidates Pt VS MET 3 Candidates! VS MC Prediction ~2

26 “Jet veto” 压制 ttbar Jet veto not in current cut flow. To be developed.
Alternative : do analysis in exclusive jet multiplicity bins and combine.

27 Rjets 测量 (mu 道) 比例 Rjets 定义: 分别测量不同jet数事例中的比例 研究比例与jet运动学物理量的关系
徐超 Rjets 测量 (mu 道) 比例 Rjets 定义: 分别测量不同jet数事例中的比例 研究比例与jet运动学物理量的关系 标准模型的精确检验 对新物理有灵敏度

28 Z+Jets Inclusive Jet Multiplicity Z+>=N jets

29 W+jets

30 初始测量值： Rjets 1pb-1 已经剪除本底。（本底估计见下一页） 暂缺Acceptance/effiency修正

31 本底估计 1.电弱本底比例: 将从MC模拟获得。 2. QCD本底估计:NQCD 采用W/Z inclusive分析中的”控制样本”方法
fEWK =Electroweak background /(Signal +all Electroweak background) 将从MC模拟获得。 2. QCD本底估计:NQCD 采用W/Z inclusive分析中的”控制样本”方法 (ATLAS-CONF )

32 W+1 jet 中的QCD本底 反选 “isolation cut”，在数据上获得QCD占主导的”控制样本“。
比较数据和bbar, ccbar MC样本中的,”控制样本“部分的MET分布： 确定MC 归一化需要乘上 (stat) W+1jet (jet PT>20 GeV), QCD 本底数: events.

33 W+1 jet 中的电弱本底 fEWK 在 W+ 1 jet 中的估计值： 5.17%+0.04%(stat)+0.30%(sys)
Pythia(%) Alpgen(%) W->munu 94.53 95.13 Z->mumu 2.83 2.90 W->taunu 2.45 1.79 Z->tautau 0.15 0.14 ttbar 0.03 0.04 fEWK 5.47 4.87 fEWK 在 W+ 1 jet 中的估计值： 5.17%+0.04%(stat)+0.30%(sys)

34 Z +1Jet中的电弱本底 Z 事例中的QCD本底贡献很小，暂时忽略。
Pythia(%) Alpgen(%) Z->mumu 99.91 W->munu 0.01 W->taunu 0.00 Z->tautau 0.03 0.02 ttbar 0.05 fEWK 0.09 0.08 fEWK 在 Z+1 jet 中的估计值 ： 0.085%+0.009%(stat)+0.005%(sys) Z 事例中的QCD本底贡献很小，暂时忽略。　

35 接下来的工作 QCD 本底估计的系统误差 调查不同fragmentation/hadronization模型对Rj的影响。
测定acceptance 和efficiency CONF note （ 1pb-1 ）准备中，计划９月推出。

36 Z’-> μμ 分析 设置mZ’ = 1 TeV的Z’过程截面上限 汪虎林 50pb-1: 60pb-1: 70pb-1: DATA
M >800GeV 事例数: 331nb-1 DATA Z’ (1000 GeV) 1.83E-02 Z’ (1250 GeV) 6.17E-03 ttbar 3.89E-05 Drell Yan 9.26E-04 total background 9.65E-04 设置mZ’ = 1 TeV的Z’过程截面上限 采用 LEP likelihood ratio 方法 (TLimit class in ROOT) 95% 置信度 Limit on luminosity of pb-1 期望上限： observed events: 0 estimated background: Acceptance :0.543 eff(reco)*eff(trigger)*eff(ID) : 0.801 50pb-1: 60pb-1: 70pb-1: 信号截面: pb 只需60pb-1可望排除1 TeV Z’ 36

37 MICROMEGAS Activity @ USTC
Lab Test Micro Mesh Gaseous Structure Gain Fabrication Novel idea -> Spacer: Thermo-bond film Energy Resolution 5.9keV 13.7%(FWHM)

38 MICROMEGAS Activity @ USTC
Resistive Chamber -> against spark Low resistance glass

39 The Saclay test beam at CERN（2009）
Set up Performance met with the requirements for the ATLAS muon chamber upgrade efficiency > 98% δ=134mm δmm= 91±2.2mm Spatial resolution<100mm 120 Gev π+

40 Test beam in July 2010 at CERN
R12 and R13 have been tested Signals are clean, good gas gain Short and small spark signals Fast recovery time Spark rate is good

41 总结 科大组目前致力于“早期物理”，多数分析计划在今年年底到明年年初完成，投稿。
同时积极参与探测器运行，刻度，性能相关工作。这些工作是ATLAS获得高质量数据，实现物理目标的基础。

42 BACK UP BACK UP SLIDES START FROM HERE

43 Wmn Candidate

44 The first Z mm May 10, 2010 Run 154822 Event 14321500 Pt(m1)= 45 GeV
Inv. Mass= 87 GeV

45 数据和MC样本 数据 MC Process ID Number Generator Comments
Updated to E6 (run ),Muon Stream(Filtered ) Trigger:L1_MU10 for all periods GRL:Official W+Jet GRL produced by Brian Martin on W/Z+Jet sharepoint Integrated Luminosity:1151.4nb-1 MC MC09 production tag:s765_s767_r1302_r1306(No pile-up sample) Process ID Number Generator Comments Z->μμ Pythia MZ>60GeV W->μν Pythia Z->ττ Pythia W->τν Pythia ttbar Pythia ccbar Pythia at least one μ >15*GeV bbbar Pythia at least one μ >15*GeV Z->μμ+Npx(x=0-5) Alpgen+Jimmy MZ>40GeV W->μν+Npx(x=0-5) Alpgen+Jimmy Z->ττ +Npx(x=0-5) Alpgen+Jimmy W->τν+Npx(x=0-5) Alpgen+Jimmy

46 Updated Event Selection for Muon(1)
Preselection 1.GRL 2.Primary Vertex Event must have at least one primary reconstructed vertex (with at least 3 tracks) compatible with the beam spot in the bunch crossing with |Z|< 150 mm 3.L1_MU10 for all periods Muon 1.ID Staco Muon, isCombinedMuon==1 2.Quality cuts Pixel > 1 hit && SCT > 5 hits && TRT > 0 hits when < 2.0 (fiducial to TRT) z0 < 10*mm pT_ms > 10*GeV && |pT_id - pT_ms| /pT_id <0.5 d0 < 0.1*mm 3.Isolation Track isolation = pt-iso-cone-0.2 < 1.8 GeV 4.pT,Eta pT>20*GeV && Eta <2.4

47 Updated Event Selection for Muon(2)
Jet 1.AntiKt4H1TopoJets 2.Jet Cleaning select only ‘good jets’ and remove ‘bad’ and ‘ugly’ jets 3.Pt,Eta EM scale momentum and the EMJES correction factor Pt>20*GeV Eta < 2.8(EM scale Jet direction) Event Selection W: 1.MET Cleaning 2.Zmumu Veto 3.MET>25*GeV 4.Transverse Mass >40*GeV Z: 1.Exactly two good Muons 2.Opposite charge 3.71*GeV< Zmass<111*GeV No Muon_Jet overlap removal for Rjet analysis

48 李数,刘衍文主要会议报告 “WW analysis with 7TeV samples” – Standard Model ElectroWeak meeting “Material mapping with Electron shower shape from b->e: first attempt” – E/Gamma WG weekly meeting “Material mapping with Electron shower shape from b->e: update and comparison with W electrons” – E/Gamma WG weekly meeting “MET Vs TRT HT Probability” - Workshop on QCD background to W “LAr DQ weekly Report” – Data Preparation/Data Quality daily meeting “LAr DQ weekly Report” – LAr Weekly Meeting “Di-Boson study at LHC” – CPPM seminar

49 吴雨生Talks & Notes Muon Calibration Talk (Edward Deihl, Yusheng Wu, etc) on ATLAS Muon Calibration Meeting, Mar 2010 W/Z Observation talk (Jianbei Liu, Bing Zhou, Yusheng Wu, etc) on ATLAS W/Z Muon Working Group Meeting W/Z Observation talk (Yusheng Wu, etc) on ATLAS SM EW Meeting, May 2010 WW Analysis talks (Yusheng Wu, Haijun Yang, Xuefei Li, etc) on ATLAS SM EW WW/WZ Meeting

50 吴雨生 Notes Measurement of the W->lnu production cross-section and observation of Z -> ll production in proton-proton collisions at =7 TeV with the ATLAS detector, ATLAS-CONF Observation of Wln and Z ll production in proton-proton collisions at = 7 TeV with the ATLAS detector,The ATLAS Collaboration, ATLAS-CONF Determination of MDT Calibration Constants for Initial Beam Collisions, N.Amram et al, ATL-COM-MUON Can be found here：

51 吴雨生关于 WWD3PD Package 的链接与报告
D3PD status: WW/WZ  (Haijun Yang,Yusheng Wu) on ATLAS SM EW Meeting Common D3PD for EW/HSG3 (Haijun Yang,Yusheng Wu) on ATLAS HSG3 and SM EW Combined Meeting) Update of D3PD Package (Haijun Yang,Yusheng Wu) on ATLAS SM EW Meeting Update of D3PD Package (Haijun Yang,Yusheng Wu) on ATLAS HiggsWW Meeting SVN上WWAnalyze Package 位置： 已产生的WWD3PD文件：

52 徐超报告 1.Ratio of W+jets to Z+jets in muon channel( ) 2.EWK background studies( ) 3.Muon channel control plots including A-E( ) 4.Muon acceptance( ) 5.Muon background( ) 6.Measurement of Rjets in Muon channel Conf Note of Ratio(W+1 jet/Z+ 1 jet) will be delivered in September

53 汪虎林报告 1. Muonboy Fitted T0s from ESDs for Muon Tracks From Collisions( ) 2. Validate fitted T0 from April reprocess data( ) 3. Check EEL2C05 with MCP Ntuples( ) 4. L1_MU0 trigger efficiency and BCID timing study with MiniBias Stream ( ) 5. L1_MU0 trigger efficiency and BCID timing study with L1_calo Stream( ) 6. Search for Z’->μμ with 331/nb ( ) 7. High pt muon performance from MC ( ) 53