Федеральное агентство по образованию Российской федерации,
Московский инженерно-физический институт
(Национальный исследовательский ядерный университет).
Научно-исследовательская работа:
«Изучение программной среды ROOT
и стандартных методов анализа экспериментальных данных на примере распада Z-бозона
в электрон-позитронную пару».
Студент: Смирнов Н.Д.
Группа: Т7-40
Научный руководитель: Солдатов Е.Ю.
Москва 2012
Введение.
LHC (Большой Адронный
Коллайдер) в CERN,
Женева, масштабный эксперимент для
поиска бозона Хиггса, но функции LHC
не ограничиваются только этим.
Данные получаемые с коллайдер используются
в изучении свойств фундаментальных
частиц и взаимодействий. LHC
— протон-протонный коллайдер,
который в настоящее время разгоняет
пучки с энергией центра масс
.
4 основных эксперимента на LHC это ATLAS, CMS, LHCb и ALICE. LHCb это эксперимент, который изучает физику b-кварков, с целью улучшения нашего представления о CP нарушении и асимметрии материи и антиматерии. ALICE — эксперимент, который изучает столкновения ядер свинца и занимается анализом образующейся горячей кварк-глюонной плазмы. ATLAS и CMS основные детекторы, спроектированные для изучения физики высоких энергий с целью наложить ограничения на существующие модели физики частиц и для поиска новых частиц. Данные, используемые в этом отчёте, получены с детектора ATLAS.
В данной работе изучается распад Z-бозона на электрон-позитронную пару. Этот канал интересен тем, что конечные частицы создают чёткий сигнал, что упрощает их восстановление. Так же достоинство Z-бозона в том, что он часто рождается, что позволяет снизить статистическую ошибку. Наконец, для точных измерений свойств Z-бозона необходимо точно измерить свойства электронов и позитронов и уменьшить ошибки измерений. [1]
Цель работы
Целью работы данного семестра являлось изучение программной среды ROOT и основных методов, применяемых в физическом анализе.
В качестве цели анализа была взята реакция распада Z-бозона на электрон-позитронную пару. Используя программную среду ROOT, необходимо получить из набора данных массу Z-бозона.
Анализ распада Z→e+e-
Образование электрон-позитронной пары из Z-бозона является инклюзивным
процессом.
При столкновении протонных пучков
образовываются различные наборы частиц,
среди которых имеется Z-бозон.
Z-бозон
является короткоживущей частицей
(
)
и одним из каналов его распада является
реакция Z→e+e-
анализ, который проводился в данной
работе.
Работа проводилась с набором данных NTUP_SMWZ.00836694._000089 полученных с эксперимента ATLAS.
Из курса «Кинематические методы в физике высоких энергий»[2] известно, что инвариантная масса является лоренц-инвариантой характеристикой частицы, следовательно, по положению максимума этого распределения можно точно определить массу нестабильной частицы, в нашем случае Z бозона.
Формула для вычисления массы в случае нескольких конечных частиц
,
где i — количество конечных частиц.
В случае двух конечных частиц:
Для построения распределения по инвариантной массе, необходимо отобрать события, удовлетворяющие определённым условиям.
-
поперечная составляющая импульса электронов,
-
псевдобыстрота ограничена геометрией детектора,
-
в процессе восстановления частиц должны одновременно участвовать калориметр и трекер, author = 1, author = 3
-
электрон и позитрон должны пройти идентификационный отбор, mediumPP = 1
-
частицы в паре должны иметь разный знак, charge = 1, charge = -1
-
минимальное количество треков в первичной вершине, ntracks
3 -
проверка на срабатывание триггера, trigger = true
-
ограничение на инвариантную массу,
Все эти условия были учтены при расчёте инвариантной массы Z-бозона и при построении распределения по инвариантной массе.
Распределения
электронов и позитронов по
,
отобранных по таким условиям, приведены
на рисунках 1, 2 и 3.
Рис. 1 – Распределение электронов и позитронов по pτ
Рис. 2 – Распределение электронов и позитронов по η
Рис. 3 - Распределение электронов и позитронов по φ
На рисунке 4 представлено распределение, в котором учитывались все возможные электрон-позитронные пары в событии.
На рисунке 5 представлено распределение, в котором учитывались события, имеющие только одну электрон-позитронную пару.
Сравнение этих распределений говорит о том, что в данной статистике не нашлось событий, удовлетворяющих условиям отбора и имеющих более одной электрон-позитронной пары.
Рис. 4 – Инвариантная масса Z-бозона (все возможные пары)
Рис.5 – Инвариантная масса Z-бозона (только одна пара)
Пик данного распределения является искомой массой Z-бозона.
Сравним полученный результат с табличным:
[3]
Заключение
В данной работе проводилось ознакомление с программным пакетом ROOT и изучение метод анализа данных эксперимента.
Был
получен набор данных, содержащих
информацию, требующуюся для анализа
реакции Z→e+e-.
Используя средства программного
пакета ROOT, был написан
скрипт, отсеивающий требуемые события
по условиям отбора, указанным в отчёте.
По полученным событиям была рассчитана
эффективная инвариантная масса Z-бозона
и построены диаграммы распределения
по этой массе для двух вариантов событий
(рис. 1, 2). Как видно из диаграмм в данной
статистике не оказалось событий, имеющих
более одной электрон-позитронной пары.
В результате полученное значение массы
Z-бозона оказалось равно
.
Сравнение этого значения с табличным
(
),
показывает небольшое отклонение, которое
связано с недостаточно большой
статистикой.
Так же в отчёте приводятся диаграммы распределений отобранных электронов и позитронов.
Ссылки
[1] An investigation into electron isolation efficiencies and scale factors in the ATLAS detector,
William Coulton, University of Oxford,UK
(URL: http://www.desy.de/f/students/2012/reports/William_Coulton.pdf)
[2] В.И. Гольданский, Ю.П. Никитин, И.Л. Розенталь «Кинематические методы в физике высоких энергий» 1987 г.
[3] W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 33, 1 (2006) and 2007 partial update for edition 2008 (URL: http://pdg.lbl.gov)
[4] https://twiki.cern.ch/twiki/bin/viewauth/AtlasProtected/WZElectroweakCommonTopics2012