CMS DENEYİNDEKİ HADRONİK KALORİMETREDE KAYIP DİK ENERJİNİN ÖLÇÜMÜ. Missing Transverse Energy Measurement in Hadronic Calorimeter of CMS

Transkript

1 CMS DENEYİNDEKİ HADRONİK KALORİMETREDE KAYIP DİK ENERJİNİN ÖLÇÜMÜ Missing Transverse Energy Measurement in Hadronic Calorimeter of CMS Ali EKENEL Fizik Anabilim Dalı Aysel KAYIŞ TOPAKSU Fizik Anabilim Dalı ÖZET CMS in alt dedektörlerinden biri olan HCAL (Hadronik Kalorimetre), hadronların ve jetlerin enerji ölçümlerinde iyi bir çözünürlük sağlar. HCAL da 2011 yılında 50 ns zaman aralığında ve 4 TS zaman dilimi ile veri alımı yapılmıştır yılında ise 25 ns zaman aralığında 2 TS zaman dilimi ile veri alımı yapılmaktadır. Bu çalışmada foton Monte Carlo (MC) örnekleri kullanılarak kayıp dik enerji (MET) ölçümü yapılmıştır ve bu kayıp dik enerji ile CMS de gözlemlenecek pile-up hakkında bilgi edinilmeye çalışılmıştır. Anahtar Kelimeler: HCAL, CMS, BHÇ, Kayıp Dik Enerji. ABSTRACT The Hadronic Calorimeter (HCAL) is one of the sub-detectors of CMS which preciously measures the energy of hadrons and jets. HCAL collected data with 50 ns beam spacing and 4 time slices (TS) in In 2012, HCAL is collecting data with 25 ns beam spacing and 2 time slices (TS). In this study, the missing transverse energy is measured using photon Monte Carlo (MC) samples and the pile-up characteristics are tried to be understood using the missing transverse energy in CMS. Key Words :LHC, CMS, HCAL, MET GİRİŞ Organik hücrenin m 2 lik alanından evrenin m 2 lik alanına kadar, kg lık atom kütlesinden kg lık Güneş kütlesine kadar aynı fizik yasaları geçerlidir. Madde moleküllerden, moleküller atomlardan meydana gelmektedir. Atomun yapısına baktığımızda, çapı santimetrenin yüz milyonda biri olan elektron bulutundan ve bu bulutun çapından yüz bin kez küçük, bir çekirdekten oluşmaktadır. Çekirdek ise proton ve nötronlardan meydana gelmiştir. Her proton ya da nötron, elektronun yaklaşık 2000 katı kütleye sahiptir. Çekirdek parçacıkları olan bu proton ve nötronlar da daha alt parçacıklar olan kuarklardan meydana gelmektedir (Şekil 1). Yüksek Lisans Tezi-MSc. Thesis

2 Şekil 1. Maddenin yapısı. Yüksek enerji fiziği atom altı parçacıkların yapı taşlarını ve bunlar arasındaki etkileşimleri inceleyen fizik dalıdır. Atom altı parçacıkların birçoğunun normal şartlarda gözlenebilmesi imkansızdır. Bunun nedeni bu atom altı parçacıklarının ömürlerinin çok kısa olmasıdır. Bundan dolayı bu parçacıkları gözlemlemek amacıyla parçacık hızlandırıcıları inşa edilmiştir. Hızlandırıcılarda, elektrik alan etkisi ile hızlandırılan parçacıklar istenilen enerjide çarpıştırılarak ortaya çıkan yeni parçacıklar incelenebilmektir. Dairesel hızlandırıcılarda parçacıkları yörüngede tutabilmek için manyetik alanlar kullanılmaktadır. MATERYAL ve METOD MET hesaplamaları her dedektörden gelen bilgiler kullanılarak yapılır fakat bu ölçümde HCAL ve ECAL (Elektromanyetik Kalorimetre) alt dedektörleri çok büyük rol almaktadır. Bundan dolayı bu iki alt dedektör ve kayıp dik enerjinin CMS de hesaplanması ile ilgili detaylı bilgi aşağıda verilmektedir. Hadronik Kalorimetre CMS dedektörü geniş aralıklı yüksek enerji süreçlerini kapsayan çeşitli son durum olaylarını çalışmak için dizayn edilmiştir. HCAL, ECAL in alt dedektörleri ile birlikte MET in ve jetlerin ölçülmesi için tasarlanmış bütünleşik bir kalorimetre sistemidir. HCAL özellikle MET in ve hadron jetlerinin ölçümü için önemlidir. Hadron kalorimetresi Şekil 2 de gösterildiği gibi, ileri hadron (HF), hadronik kapak (HE), hadronik dış (HO), hadronik fıçı (HB) olmak üzere dört tane alt dedektörden oluşmaktadır. Şekil 2 CMS dedektör kesitinde HB, HE, HO ve HF in yerlerini göstermektedir. Kesikli çizgiler sabit η değerleridir. HB ve HO etkileşim noktasından görüldüğü gibi elektromanyetik kalorimetre ve tetikleyicinin arkasında olacak şekilde yerleştirilmiştir. HE, ECAL genişliğinin dış kısmı (R=1.77 m) ile

3 manyetik bobinin genişliğinin iç kısmı (R=2,95 m) arasında radyal olarak kısıtlanmıştır. Bu, hadronik duşu soğurmak için konulacak materyal miktarını kısıtlar. Böylece HO, HB ile tamamlanan selenoidin dışına yerleştirilmiştir. HF, etkileşme noktasından 11.2 m uzağa yerleştirilmiştir. Rapidite aralığı HE ile çakışarak bölgesinden bölgesine kadar uzanmaktadır.. Şekil 2. HCAL dedektörlerinin CMS deki konumu. Elektromanyetik Kalorimetre ECAL, BHÇ (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) de ki proton-proton çarpışmalarından sonra ortaya çıkan foton ve elektronların enerjilerini ölçmek amacıyla tasarlanmış bir dedektördür. İzleyiciden sonra gelen ECAL, HCAL ve selenoid tarafından çevrelenmektedir rapidite bölgesine uzanan kurşun-tungsten (PbWO 4 ) kristallerden oluşan bir fıçı bölgesi ve 3 bölgesine kadar uzanan bir kapak bölgesinden oluşmaktadır. Hermitik bir yapıya sahip olan ECAL ın merkezi fıçı kısmına, kalorimetreyi kapsayan kurşun tungsten (PbWO 4 ) yerleştirilmiştir. Bu kristaller kısa radyasyon uzunluğuna sahiptirler (Xo = 0.89 cm). Moliere uzunluğu 2.2 cm olan bu kristaller, ışığın %80 ini 25 ns de yayımlayacak kadar hızlıdırlar ve 10 Mrad a kadar radyasyona dayanıklıdırlar. Kayıp Dik Enerji Nötrino gibi nötral zayıf etkileşen parçacıklar, dedektör elementlerinden neredeyse hiç etkileşmeden kaçarlar. Bu parçacıkların varlığı toplam momentum korunumundan anlaşılmaktadır. Bu şekilde dedektörden etkileşmeden geçen

4 parçacıkların taşıdıkları enerji kayıp enerji olarak adlandırılır. Kayıp enerjinin hüzme eksenine dik bileşenine de kayıp dik enerji denir ve E T olarak gösterilir. Kayıp dik enerji, W bozonunun leptonik bozunumlarını ayırt etmek için ve nötrinoları içermeyen arka plandaki olaylardan gelen üst kuarkları gözlemleyebilmek için çok önemlidir. SÜSİ dahil bir çok SM ötesi senaryolar büyük E T ile tahmin edilir. Kayıp Dik Enerjinin CMS de Hesaplanması BHÇ de hızlandırılan protonlar birbirlerine eşit ve zıt yönlü momentuma sahiptirler. Bu nedenle bir olaydaki carpışma öncesi ve sonrasındaki toplam momentum vektörünün toplamı sıfır olmalıdır. Sıkı (hard) carpışmalar, çarpışmalardaki protonların partonları arasında olmaktadır ve bu partonlar, ilişkili protonların herhangi bir enerji kesrini taşıyabilmektedirler. Partonların, genelde hüzmenin enine düzleminde çok küçük enerjiye sahip olmasına rağmen, enine momentumun korunumlu bir nicelik olarak dikkate alınması iyi bir yaklaşımdır. Dedektördeki herhangi bir enine momentum dengesizliği, zayıf etkileşen bir parçacığın (nötrino gibi) kendi materyalinden etkileşmeden dedektörden ayrıldığının bir göstergesidir. Her ne kadar dedektör veya hüzme kaynaklı gürültüler, enine düzlemde bir enerji dengesizliğine neden olsa da, bu gürültülere ait enerji dengesizliği alınan özel çarpışma verileri ile ortaya çıkarılmıştır ve E T nin yeniden oluşturulmasında dikkate alınmıştır. MET, SM fonlarından, SM olmayan parçacıklar ve nötrinoları içeren nadir süreçleri ayırmak için güçlü bir araç sağladığından dolayı, bu niceliği ölçebilecek güvenilir ve kesin bir metoda sahip olmak önemlidir. MET, tek bir izdüşümsel kalorimetre kulesinde depolanan enerji ile hesaplanmaktadır. CMS de toplam 4176 adet kalorimetre kulesi bulunmaktadır. Tek bir izdüşümsel kalorimetre kulesinde enerji, bir hadronik kule ile bu hadronik (HCAL) kuleye karşılık gelen bir elektromanyetik (ECAL) 5x5 matris kristalin de depolanan enerjinin ağırlıksız toplamından oluşturulmaktadır. Tek bir izdüşümsel kalorimetre kulesindeki enerji hesaplanır iken, HCAL kulelerinin ve ECAL kristallerinin belirlenen eşik değerlerini geçmek zorundadır. Bu eşik değerleri HCAL için 500 MeV, ECAL fıçı ( η <1.48 ) için 90 MeV ve ECAL dış kapak kristalleri için ( 1.48 < η < 3.00 ) 450 MeV dir. ARAŞTIRMA BULGULARI VE SONUÇLAR HCAL da Veri Alımı BHÇ de 2011 yılı boyunca proton hüzmeleri 50 ns zaman aralıkları ile çarpıştırılmış ve CMS in alt detektörlerinden biri olan HCAL da veri alımı 2011 yılı boyunca aynı zaman aralığında gerçekleşmiştir. CMS detektörünün 50 ns zaman aralığı ile veri alımı esnasında pile-up etkisinin 1 fb -1 lik veri için 10 taneden fazla olduğu saptanmıştır yılında ise BHÇ de proton hüzmelerinin 25 ns zaman aralıklarında çarpıştırılmakta ve bu şekilde CMS ve HCAL da veri toplanmaktadır. CMS de 2012 veri alımı esnasında pile-up etkisi 20 civarındadır. Bu pile-up

5 etkisinin HCAL ve CMS de veri alımı ve bu verinin analiz edilmesi esnasında büyük zorluklara neden olacağı düşünülüyordu. Bu nedenle 25 ns zaman aralıklarına uygun HCAL MC örnekleri üretilerek, HCAL ın 2012 yılındaki 25 ns zaman aralıklı çarpışma verisine hazırlanması planlandı. HCAL ın 25 ns zaman aralıklı çarpışma verisine hazırlanırken birtakım aşılması gereken problemleri bulunmaktaydı. Bu problemlerden en önemlisi HCAL ın hangi zaman dilimine göre veri toplayacağıydı. HCAL 2011 yılı boyunca 4 TS zaman dilimine göre veri toplama işlemi gerçekleştirmiştir. Pile-up etkisini incelemek amacıyla 50 ns ve 25 ns zaman aralığında, 4 TS ve 2 TS zaman diliminde MC örnekleri üretildi. Şekil 3 de 50 ns zaman aralığıyla HCAL ın 4 TS ve 2 TS ile aldığı verinin simülasyonu gösterilmektedir ve turuncu bölge HCAL 4 TS için pile-up etkisini, yeşil bölge ise HCAL 2 TS için pile-up etkisini göstermektedir. Şekil 3 de görüldüğü gibi HCAL 50 ns 4 TS örneğinin pile-up etkisinin HCAL 50 ns 2 TS örneğinin pile-up etkisinden daha büyük beklenmektedir. HCAL 50 ns 4 TS ile 25 ns 2 TS MC örneklerinin pile-up etkisinin aynı olması beklenmektedir. Şekil 3. HCAL ın 50 ns 4 TS ve 2 TS zaman dilimi ile veri alımı. HCAL da Pile-up Etkisinin İncelenmesi Hadronik kalorimetrede pile-up etkisini farklı zaman aralıklarında ve farklı zaman dilimlerinde incelemek amacı ile özel MC örnekleri üretildi. Üretilen MC örnekleri gerçek çarpışma verisine benzer biçimde modellendiğinden dolayı bu MC örnekleri pile-up etkisini içermektedir. HCAL 50 ns 4 TS, HCAL 50 ns 2 TS ve HCAL 25 ns 2 TS olarak adlandırılan üç farklı MC foton örneği üretildi

6 Üretilmiş Foton ve PF (Particle Flow) Bu çalışmada ilk olarak, üretilmiş fotonların P T dağılımına üç farklı MC foton örneği için bakıldı. Şekil 4 de görüldüğü gibi HCAL 50 ns 4TS, HCAL 50 ns 2TS ve HCAL 25 ns 2 TS MC örnekleri için üretilmiş fotonların P T dağılımının birbirleriyle uyumlu olduğu ve bu MC örneklerinin istenildiği gibi üretildiği gözlemlendi. Daha sonra ise bu üç MC örneği için PF (Particle Flow) kayıp dik enerjinin P T dağılımına bakıldı. Şekil 5 de görüldüğü gibi kayıp dik enerjinin P T dağılımının sıfırdan farklı olduğu ve ölçülen dağılımının pile-up dan kaynaklandığı gözlemlenmiştir. Böylece üç farklı MC örneğinin pile-up etkisini içerdiği gözlemlenmiştir. Şekil 4. Üç farklı MC foton örneği için üretilmiş fotonların P T dağılımı

7 Şekil 5. Üç farklı MC örneği için PF Kayıp dik enerjinin P T dağılımı. Düşük P T Aralıklarında Pile-up Etkisinin İncelenmesi Üretilmiş foton P T dağılımı ve PF MET in P T dağılımı incelendikten sonra, üretilmiş foton P T değerlerine karşı MET in P T dağılımının ortalama değeri çizildi. Şekil 6 da görüldüğü gibi artan P T değeriyle birlikte pile-up artmaktadır ve üç farklı MC örneği benzer davranışları göstermektedir. Şekil 6. Üretilmiş foton P T sine karşı PF kayıp dik enerjinin P T dağılımının ortalama değeri

8 Bilindiği gibi pile-up ın etkisi düşük P T lerde hem HCAL ı hemde fizik analizlerini büyük oranda etkilemektedir. İşte bu nedenle PF MET in P T dağılımının ortalama değeri üretilmiş fotonun P T değerine ( E T /P Genphoton T ) bölündü ve bu değer üretilmiş fotonun P T değerine karşı çizdirildi. Bu işlem ile pile-up ın düşük P T lerde davranışı incelenmeye çalışıldı. Yukarıda yaptığımız hesaplamalarda eğer pile-up ın etkisi yok ise Genphoton E T / P T 0 olmasını bekleriz. Şekil 7 de düşük P T değerlerindeki pile-up etkisi, yüksek P T değerlerindeki pile-up etksinden yüksektir. Şekil 7. Üretilmiş foton P T sine karşı dağılımı. E T /P Genphoton T değerinin Son olarak PF MET in kare kök ortalama (KKO) değeri üretilmiş fotonun P T değerine bölündü ve bu değer, üretilmiş fotonun P T değerine karşı çizdirildi. Böylece üç farklı MC örneğinin düşük P T değerlerindeki davranışı incelendi. Şekil 8 den anlaşılacağı üzere HCAL 50 ns 4 TS ile HCAL 25 ns 2 TS örneği düşük P T lerde pile-up için aynı davranışı göstermektedir. HCAL 50 ns 2 TS örneği ise düşük P T değerlerinde diğer iki örneğe göre daha düşük pile-up etkisi göstermektedir. Düşük P T değerlerinde HCAL 50 ns 2 TS örneği en düşük pile-up etkisi gösterdiğinden, HCAL 50 ns zaman aralığında 2 TS ile veri alımı yapması önerilmektedir

9 Şekil 8. Üretilmiş foton P T değerine karşı E T /P Genphoton T değeri. Sonuç ve Öneriler HCAL da 2011 yılında 50 ns zaman aralığı ve 4 TS zaman dilimi ile veri alımı yapılmıştır yılında ise 25 ns zaman aralığında 2 TS zaman dilimi ile veri alımı yapılması planlanmıştı. HCAL da alınan ve alınacak verilerde pile-up etkisini araştırmak amacıyla, üç adet özel (HCAL 50 ns 4 TS, HCAL 50 ns 2 TS ve HCAL 25 ns 2 TS) MC foton örneği kullanıldı. Pile-up etkisini araştırmak için PF MET kullanıldı. Yapılan çalışmalar ile düşük P T değerlerinde pile-up etkisinin yüksek P T değerlerine göre beklendiği gibi yüksek olduğu saptandı. Düşük P T değerlerinde HCAL 50 ns 4 TS örneği ile HCAL 25 ns 2 TS örneğinin pile-up etkisinin benzer olduğu saptandı. HCAL 50 ns 2 TS örneğinin diğer iki MC örneğine göre daha düşük pile-up a sahip olduğu saptanmıştır. Yukarıdaki çalışmaların sonucunda HCAL için pile-up etkisinin en az olduğu ve en iyi veri alımının 50 ns zaman aralığı ve 2 TS zaman dilimi ile yapılacağı saptanmıştır. KAYNAKLAR AKGUN, U., CMS HF Calorimeter PMTs and Ξ + c Lifetime Measurement. University of Iowa, USA (PH. D,Thesis) CMS COLLABORATION (2006), Detector Performance and Software, CMS Physics Technical Design Report, Volume 1. CMS COLLABORATION, 2008, The CMS Experiment at the CERN LHC CMS HCAL COLLABORATION, 2008, Design, Performance and Calibration of CMS Hadron Endcap Calorimeters, CMS Note, CMS NOTE 2008/010 CMS HCAL COLLABORATION, 2006, Design, Performance and Calibration of CMS Hadron-Barrel Calorimeter Wedges, CMS Note, CMS NOTE 2006/

10 CMS HCAL COLLABORATION, 2006, Design, Performance and Calibration of CMS Forward Calorimeter Wedges, CMS Note, CMS NOTE 2006/044 CMS HCAL COLLABORATIdağılımı.ON, 2008, Design, Performance and Calibration of CMS Hadron-Outer Calorimeter, CMS Note, CMS NOTE 2008/020 CMS PHYSİCS ANALYSİS SUMMARY, 2011, Cms Pas Egm , MASETTI, G., Search for the MSSM Neutral Higgs Bosons with the CMS Experiment at LHC, Bologna, Italy MOORTGAT, F., 2004.Discovey Potential of MSSM higgs Bosons Using supersymmetric Decay Modes with the CMS Detector, Antwerpen S.WOUTERS Commissioning the CMS-detector at CERN: monitoring the RPC performance CERN-PH-EP, 2012, Search for dark matter and large extra dimensions in monojet events in pp collisions at pp s = 7 TeV CMS PAS SUS , 2012/07/07,Search for supersymmetry in events with photons and low missing transverse energy,the CMS Collaboration. CERN-PH-EP/ , The CMS Collaboration, Search for leptonic decays of W bosons in pp collisions at pp s = 7 TeV. CMS AN -2010/029, The Compact Muon Solenoid Experiment, Analysis Note, 05 February 2010 (v2, 09 February 2010). THE COMPACT MUON SOLENOİD EXPERİMENT. 2007, Analysis Note, CMS AN-2007/041 SAVAS DİMOPOULOSAND GİA DVALİ, 2008, The Hierarchy Problem and New Dimensions at a Millimeter, Nima Arkani Hamed. CERN, 2012, 125 GeV Kütleli Yeni Bir Parçacığın Gözlenmesi, CMS Deneyi. (Erişim Tarihi : 10 Nisan 2012)