Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Детектор ATLAS большого адронного коллайдера: Учебное пособие

Голосов: 1

В данной работе приведено описание подсистем детектора ATLAS, характеристик работы детектора и методов решения главных физических задач современной физики частиц, для которых предназначен этот детектор. Задача пособия предполагает продемонстрировать сложную многоступенчатую структуру соременного эксперимента физики частиц. Эта структура включает создание и поддержание работоспособности самых разных детектирующих подсистем детектора. Электронная версия пособия размещена на сайте Научно-технической библиотеки НИЯФ МГУ (<a href="http://lib.qserty.ru" target="_blank">http://lib.qserty.ru</a>).

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    Спектр масс суперсимметричных частиц для каждой такой точки
приведен в таблице 15.1.

Таблица 15.1.




Видно, что диапазон масс частиц составляет от ~ 100 до 1000
ГэВ. Сечения рождения частиц также представляют интерес и
приведены в таблице 15.2 для лидирующего порядка LO,
следующего за лидирующим NLO. Приведены также количества
сгенерированных событий N и соответствующее значение
интегральных светимостей L для точек анализа SUSY,
выбранных ATLAS.


                           191


Таблица 15.2.




        Фоновыми процессами Стандартной модели (СМ) для
поиска SUSY служат рождение пар t-кварков, W+-струи, Z+-струи
и множественное рождение в КХД и рождении пар векторных
бозонов.
        События SUSY характеризуются несколькими струями с
большими поперечными импульсами и недостающей поперечной
энергией. Лептоны (электроны и мюоны) и τ-лептоны также
присутствуют в большом количестве в процессах, отвечающих
выбранным точкам анализа в пространстве параметров mSUGRA.
Из-за большого количества струй в событиях используется
алгоритм их реконструкции с малым раскрытием конуса.
         Для характеристики событий используются глобальные
переменные: эффективная масса Мэфф, поперечная сферичность
ST, поперечная масса MT и с-поперечная масса mT2.
        Эффективная масса Мeff характеризует полную
активность события и определяется как




                                              ,

                            192


где сумма берется по четырем струям в центральной области |η| <
2,5 с максимальными поперечными импульсами и всем
идентифицированным лептонам и добавляется значение
недостающей поперечной энергии. Эта переменная помогает
отделить события SUSY от фоновых событий СМ. Кроме того,
она обладает интересным свойством иметь максимумы при
значениях, коррелированными с массами пар SUSY частиц,
рожденных в рр-взаимодействиях, и очень полезна для
определения масштаба масс этих событий.
        Поперечная сферичность ST определяется так:




                                                   ,
Где λ1 и λ2 собственные значения сферического тензора
размерности 2х2 Sij = Σk pkiprj. Тензор включает все струи с |η| <
2,5 и рт > 20 ГэВ и всем отобранным лептонам. События SUSY
имеют форму, близкую к сферической (ST ~ 1), поскольку
начальные тяжелые частицы образуются в детекторе почти
покоящимися и частицы от их каскадных распадов в разных
направлениях. В КХД событиях частицы разлетаются
преимущественно по двум противоположным направлениям (ST
~ 0).
         Поперечная масса Мт определяется следующим образом:




        тα и ртα – масса и поперечный импульс видимой частицы
и рт
   miss
       двумерный вектор недостающего поперечного импульса.
Параметр тχ есть масса невидимой частицы, обычно
принимаемой равной нулю. Эта переменная полезна, когда одна
из родительских частиц распадается на одну видимую и одну
невидимую частицы, например W→eν, где массой невидимой
частицы нейтрино действительно можно пренебречь.
        Переменная с-поперечной массы mT2 определяется через
поперечную массу Мт как

                              193


где тχ есть trial масса самой легкой SUSY частицы и ртαβ
поперечные импульсы двух видимых частиц (каждая из которых
является кандидатом продукта распада одной из двух
родительских SUSY частиц). Векторная сумма переменных q1 и
q2 ограничивается равной полному двумерному вектору
недостающего     поперечного    импульса  ртmiss.  Величина
недостающего поперечного импульса таким образом участвует в
определении mT2. Переменную mT2 можно рассматривать как
образованную путем деления ртmiss на две части во всех
возможных комбинациях, удовлетворяющих кинематике события
(для некоторых тχ, здесь принятой нулю) и вычислением
поперечной массы для любых ветвей распада. Результирующее
значение служит наилучшим нижним пределом для массы парно
рожденной SUSY частицы, которая может распадаться на
наблюдаемое конечное состояние с заданными значениями ртα,
ртβ и ртmiss.
         Исходное назначение переменной mT2 состояло в
информации о массах парами образованных SUSY частиц,
распадающихся наполовину невидимо в «простых» двух
частичных распадах, таких как двух струйные или двух
лептонные конечные состояния, но может применяться и в более
сложных случаях, особенно если удается определить, какая
частица принадлежит какой ветви распада.

       Инклюзивный анализ

        Разработаны два подхода инклюзивного анализа, первый
из которых рассматривает выборки событий типа струи +0, 1, …
лептонов. Во втором найденные критерии выделения SUSY
событий для ряда точек параметров применены к быстрому
поиску по большому полю значений параметров моделей, что
поможет по первым данным определить стратегию дальнейшего
поиска.
        В SUSY событиях на LHC доминирует образование
скварков и глюино. При условии сохранения R-четности на
конечной стадии распада частиц присутствуют две невидимые
LSP частицы, что означает присутствие в событии многих струй
и большой Етmiss.
                            194


       Для случая отсутствия лептонов применялись критерии:
по крайней мере, четыре струи в событии имеют рт > 50 ГэВ и
одна из них рт > 100 ГэВ, Етmiss > 100 ГэВ и > 0,2 Мeff,
сферичность ST > 0,2, разность азимутальных углов струй и
потерянной энергии > 0,2, Мeff > 800 ГэВ. Распределения по
величине Мeff показаны на рис. 15.1 для точки SU3 (слева) и для
остальных точек. Сплошной гистограммой показан фон СМ.
Видно, что SUSY события надежно выделяются при выбранных
критериях отбора. Аналогичные распределения получены для
выборки событий с одним лептоном (рис.15.2). На рис.15.2 более
детально показаны оценки разных типов фона.




Рис.15.1. См. текст.




Рис.15.2. См. текст.
                             195


Если изменить условия выборки, сделав их более жесткими
(струи в событии имеют рт > 100 ГэВ и лидирующая с рт > 150
ГэВ, Eтmiss > макс(100 ГэВ и 0,3 Мeff) и Етmiss > макс(100 ГэВ и 0,25
Мeff) для случаев 2-х и трех струй, соответственно. Распределение
после всех ограничений по величине Мeff показаны на рис. 17.3.
Видно, что анализ с более жесткими критериями на параметры
события при меньшем количестве струй эффективен. Только фон
от tt-событий присутствует в выборке.




Рис.15.3. См.текст.


        Аналогичные результаты получены для событий с двумя
лептонами и τ-лептонами. На рис.17.4 показаны области
параметров mSUGRA, которые могут быть установлены при
значимости 5σ на интегральной светимости 1 фб-1 при анализе
событий с четырьмя струями и разным количеством лептонов для
величин tanβ=10 (слева) и tanβ=50. Горизонтальные и кривые
пунктирные линии показывают контуры масс глюино и скварка,
соответственно, с шагом 500 ГэВ.



                                196


Рис.15.4. См. текст.




Рис.15.5. Предсказания, аналогичные рис.17.4, но для событий с
разным количеством струй и отсутствием лептонов.


        Измерения характеристик SUSY событий

        В    ATLAS    разработаны     методы,  позволяющие
реконструировать распады SUSY частиц и определять из
свойства, применимые на начальной стадии эксперимента при
интегральной светимости 1 фб-1.
        Распады SUSY частиц имеют, как правило, большую
величину     недостающей      энергии    из-за  присутствия
недетектируемых нейтралино. В этом случае спектры
                             197


эффективных масс двух лептонов, двух струй или струи и
лептона имеют характерные пороги или края спектра.
Существуют и другие особенности SUSY событий, которые
могут измеряться в детекторе.
        В случае обнаружения сигнала SUSY, анализ должен
определить массы новых частиц и установить параметры модели.
Поскольку при условии сохранения R-четности конечные
состояния LSP не измеряются в детекторе, края спектров
эффективных масс более информативны для определения масс
частиц, чем максимумы. При нарушении R-четности новые
частицы могут иметь большое время жизни и распадаться в
детекторе налету. В этих случаях могут наблюдаться
специфические характеристики объектов, регистрируемых в
детекторе.
        При изучении цепочки распада



Символ qL обозначает суперпартнеров легких u и d-кварков,
которых, как ожидается, различить по массе не удастся.
Аналогично используется символ qR. Переменная с-поперечной
массы mT2 чувствительна к массе правого скваркав событиях,
где рожается параскварков и каждый распадается подобно



Для определения массы стоп кварка используется край спектра
эффективных масс bt-кварков в распаде

                                                .
В таблице 15.4 приведены рассчитанные значения краев спектров
эффективных масс для трех выделенных точек пространства
параметров SU1, SU3 и SU4.
Таблица 17.4.




                            198


На рисунке 15.6 показаны распределения эффективных масс двух
лептонов в событиях SUSY сигнала и фона СМ после
применения критериев отбора для точек SU3 при 1 фб-1(левый
расунок) и SU4 при 0,5 фб-1. Сплошная гистограмма относится к
СМ, точки обозначают сумму сигнала и фона. Аппроксимация
распределения для точки SU3 показала положение края спектра
двух лептонов при массе 99,7 ± 1,4 (стат.) ± 0,3(сист.) ГэВ, что
согласуется с истинным значение 100,2 ГэВ. Аппроксимация на
правом рисунке дает величину края спектра 52,5 ± 2,4 (стат.) ±
0,2(сист.) ГэВ при теоретическом значении 53,6 ГэВ.




Рис.15.6. См. текст.

       Более сложные методы применяются для анализа
событий с несколькими лептонами и других типов.




                             199


           Измерения фотонов и долгоживущих частиц в
                       детекторе

        Для некоторых сценариев нарушения суперсимметрии в
событиях SUSY не обязательно присутствие таких общих
свойств, как множественное образование струй с большими
поперечными импульсами и большая недостающая поперечная
энергия. Такими характеристиками SUSY событий могут быть,
например, фотоны с большим поперечным импульсом, как
рожденные при взаимодействии протонов, так и от распада
долгоживущих части, долгоживущие заряженные с-лептоны и R-
адроны. Такие процессы могут иметь очень малый фон
Стандартной модели и, таким образом, их исследование может
установить пределы параметров некоторых моделей нарушения
сеперсимметрии.
В ATLAS выпонено моделирование потенциала открытия
эффектов Gauge-Mediated Supersymmetry Breaking (GMSB)
модели, модели Split Supersymmetry (Split-SUSY) и модели LSP
гравитино при интегральной светимости 1 фб-1.
        Четыре характерных признака событий исследовано: два
фотона с большим рт и большая потерянная энергия, фотон, не
связанный с первичной вершиной взаимодействия, стабильный с-
лептон и стабильный R-адрон.
        В модели GMSB следующая за самой легкой частицей
NLSP является частица χ01 и от распадов двух этих частиц в G и
фотон появляются два изолированных фотона с большим рт и
большая потерянная энергия. Диаграмма такого распада показана
на рис. 15.7.Фон Стандартной модели для таких событий очень
мал и поэтому потенциал открытия для больших эффективных
масс велик при малой интегральной светимости. Эксперименты
установили нижнююграницу массы частица χ01 в 93 ГэВ и
частицы частица χ±1 в 167 ГэВ.
        В некоторых сценариях GMSB частица χ01 является
относительно долгоживущей. Если длина её пробега сопоставима
с размерами Внутреннего детектора ATLAS, то фотоны от её
распадов могут образовывать каскады в калориметре, не
направленные на первичную вершину взаимодействия. В этом
случае, однако, может снижаться и точность реконструкции
фотона, поэтому здесь требуются дополнительные исследования.


                             200



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика