Elena Ginina 04. März 2016 Teilchensuche in echten Daten des CMS Detektors.

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1 Elena Ginina 04. März 2016 Teilchensuche in echten Daten des CMS Detektors

2 1 Masterclasses Theoretische Begründung Elena Ginina 04. März 2016

3 Masterclasses Die Bausteine des Standardmodells Elena Ginina 04. März 2016 2

4 3 Masterclasses Aufbau eines Hadrons besteht aus 2 oder 3 Quarks: z.B. Proton: 2 „up“ + 1 „down“ wird durch Gluonen zusammengehalten Gluonen sind die Vermittler der starken Kraft. Bsp.: Proton Elena Ginina 04. März 2016

5 Masterclasses Quarks und Gluonen Es gibt keine “freien” Quarks. Bringt man genug Energie auf, um ein Quark zu befreien, werden sofort neue Quarks erzeugt… (E=mc 2 ) Wir sehen einen Schauer von Hadronen (“Jet”). Elena Ginina 04. März 2016 4

6 Proton-Proton Kollisionen: Jedes Proton hat eine Energie von 4 TeV  Gesamtenergie: 8 TeV  Bestandteile des Protons haben nur einen Bruchteil dieser Energie 5 Masterclasses Kollisionen Elena Ginina 04. März 2016

7 Nur Teilchen mit Massen geringer als die verfügbare Gesamtenergie können entstehen! pp Kollisionen erzeugen neue Teilchen, die sind meistens nicht stabil und sofort in weitere Teilchen zerfallen (10 -25 – 10 -10 s) Diesen Zerfällen folgen Erhaltungssätze (z.B. Energie) und erzeugen charakteristische Muster. 6 Masterclasses Energieerhaltung und Zerfälle Elena Ginina 04. März 2016

8 7 Masterclasses Erhaltungsgrößen transversale Energie transversaler Impuls Ladung Leptonenzahl... Elena Ginina 04. März 2016

9 8 Masterclasses Teilchenspuren im Detektor Elena Ginina 04. März 2016

10 Masterclasses Der CMS Detector TOURISTS Elena Ginina 04. März 2016 9

11 November 6th, 2012

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16 1515 Masterclasses Messung der Masse des Z 0 Elena Ginina 04. März 2016

17 1616 Masterclasses Der Z-Pfad Wir wollen heute die Masse des Z-Bosons messen. Elena Ginina ? 04. März 2016

18 Das Z 0 - Boson elektrisch neutral (Ladungserhaltung!) sehr schwer  kurze Lebensdauer  geringe Reichweite 2,6  10 -25 s <7,8  10 -17 m Vermittler der schwachen Wechselwirkung (Kraft) Zerfälle: Z 0  e + + e - Z 0   + +  - Z 0   + +  - Z 0  q + q Z 0   l +  l (  l...Neutrinos) 1717 Masterclasses Das Z 0 - Boson Elena Ginina 04. März 2016

19 18 Masterclasses Invariante Masse relativistische Energie eines Teilchens: Es gilt Energie- und Impulserhaltung: E Z = E 1 +E 2 p Z = p 1 + p 2  Daraus kann die Masse des Zs bestimmt werden: Anm.: Diese Berechnung macht der Computer für uns! Elena Ginina 04. März 2016

20 19 Masterclasses Messung des W +/- Elena Ginina 04. März 2016

21 2020 Masterclasses Der W-Pfad Elena Ginina 04. März 2016 Außerdem wollen wir W Bosonen finden. ?

22 2121 Masterclasses W +/- - Bosonen Die W +/- - Bosonen sind elektrisch geladen (positiv oder negativ) sehr schwer  kurze Lebensdauer  geringe Reichweite ~3  10 -25 s <8  10 -17 m Vermittler der schwachen Wechselwirkung (Kraft) β-Zerfall: n 0  p + +e - +ν e p +  n 0 +e + +ν e Zerfälle: W +  l + + ν l l= e, ,  (Leptonen) W -  l - + ν l W +  u + d q= u,d,s,c,b (Quarks) W -  c + s ….. Verwendung: PET Scanner! Elena Ginina 04. März 2016

23 2 Masterclasses Messung der Masse des Higgs Bosons Elena Ginina 04. März 2016

24 2323 Masterclasses Das Higgs Boson Elena Ginina ? Die Events werden auch seltene Higgs- Zerfälle enthalten. 04. März 2016 ? ?

25 2424 Masterclasses Das Higgs Boson Elena Ginina Das H Boson ist elektrisch neutral sehr schwer  kurze Lebensdauer (1,56  10 -22 s) Teil des Higgs-Mechanismus, der Teilchen Masse verleiht Zerfälle: H  Z 0 + Z 0  4ll= e,  H   +  H 0  W + + W - H 0   + +  - H 0  b + b ….. 04. März 2016

26 2525 Masterclasses Untergrund & Statistik Elena Ginina 04. März 2016

27 2626 Masterclasses Untergrund vs. Signal Das Problem: Man kann nur Zerfallsprodukte messen  Event kann nicht eindeutig einem Prozess zugeordnet werden. Bsp.: Würfel  Ist der Würfel gezinkt? von einem Z 0 oder einem anderen Prozess? “Hintergrund” e+e+ e-e- ? Elena Ginina 04. März 2016

28 2727 Masterclasses Untergrund vs. Signal Das Problem: Man kann nur Zerfallsprodukte messen  Event kann nicht eindeutig einem Prozess zugeordnet werden. Lösung = Wiederholung! von einem Z 0 oder einem anderen Prozess? “Hintergrund” e+e+ e-e- ? Elena Ginina 04. März 2016

29 28 Masterclasses Das Histogramm Masse (GeV) Anzahl an Events Häufigkeitsverteilung Gibt an, wie oft ein bestimmter Wert (z.B. Masse) in den Messungen vorkommt. Elena Ginina 04. März 2016

30 29 Masterclasses Das Histogramm Masse (GeV) Anzahl an Events Die genaue Form der Verteilung wird erst mit vielen Einträgen sichtbar. Man muss oft würfeln!!! Häufigkeitsverteilung Gibt an, wie oft ein bestimmter Wert (z.B. Masse) in den Messungen vorkommt. Elena Ginina 04. März 2016

31 3030 Masterclasses Das Histogramm Peak  Hinweis auf ein Teilchen Position des Peaks = Masse des Teilchens Breite des Peaks verursacht durch begrenzte Auflösung von Energie & Impuls bei der Messung endliche Lebensdauer des Teilchens Masse (GeV) Anzahl an Events Häufigkeitsverteilung Gibt an, wie oft ein bestimmter Wert (z.B. Masse) in den Messungen vorkommt. Elena Ginina 04. März 2016

32 3131 Masterclasses Identifikation eines Events “Signatur” eines Z 0 -Events: 2 Leptonen (Elektron oder Myon) mit unterschiedlicher Ladung  wenig Missing Energy (< 15 GeV) “Signatur” eines W +/- -Events: 1 Lepton (Elektron oder Myon)  viel Missing Energy (> 20 GeV) Elena Ginina 04. März 2016

33 3232 Masterclasses Identifikation eines Events Elena Ginina seltene H-Events: 4 Leptonen mit unterschiedlicher Ladung  wenig Missing Energy (< 15 GeV) H  ZZ  e + e - e + e - H  ZZ  μ + μ - μ + μ - H  ZZ  e + e - μ + μ - 2 Photonen  Keine Spuren, 2 Tower (hohe Energieablagerung) im elektro- magnetischen Kalorimeter 04. März 2016

34 3 Masterclasses Identifikation eines Events Hintergrund (“zoo”): Leptonen mit gleicher Ladung Jets: können leicht mit Elektronen oder Myonen verwechselt werden. Beliebige Kombinationen aus Teilchen, die keine eindeutige Interpretation erlauben Elena Ginina 04. März 2016

35 3434 Masterclasses ISPY - das Event Display Elena Ginina 04. März 2016

36 3535 Masterclasses Elena Ginina 04. März 2016 Häufig sieht ein Event so aus…..

37 3535 Masterclasses ECAL Barrel selektieren Elena Ginina 04. März 2016

38 3636 Masterclasses Ohne “Tracks” wird es viel übersichtlicher... Elena Ginina 04. März 2016

39 3737 Masterclasses W - Myon - Event Elena Ginina 04. März 2016 Muon Missing Energy Missing Energy: 29 GeV

40 Masterclasses Aber welche Ladung? 04. März 2016 39 Elena Ginina Muon (+) positive negative Muon (-)

41 4040 W - Elektron - Event Elena Ginina 04. März 2016 Missing Energy Masterclasses Signal in EM Calorimeter Electron Missing Energy Missing Energy: 36 GeV

42 4141 Masterclasses W - Elektron - Event Elena Ginina 04. März 2016 Electron Missing Energy Signal in EM Calorimeter Signal in Hadronic Calorimeter Missing Energy: 36 GeV

43 4242 Masterclasses Z - Myon - Event Elena Ginina 04. März 2016 Muon (-) Muon (+) Missing Energy: 0 GeV

44 4343 Masterclasses Z - Elektron - Event Elena Ginina 04. März 2016 Electron (+) Electron (-) Missing Energy: 0 GeV Signal in the EM Calorimeter

45 4 Masterclasses Seltenes H – Event (4 Myonen, auch 4 Elektronen oder 2 Elektronen + 2 Myonen möglich) Elena Ginina 04. März 2016 No Missing Energy 4 Muons Missing Energy: 0 GeV

46 4545 Masterclasses Seltenes H – Event (2 Photonen) No Missing Energy 4 Muons Elena Ginina 2 large energy deposits in ECAL 04. März 2016

47 4646 Masterclasses Background (zoo) Events Elena Ginina 04. März 2016 Missing Energy: 11 GeV

48 4747 Masterclasses Ablauf der Übung Elena Ginina 04. März 2016

49 49 04. März 2016 Elena Ginina 48 ISPY – Laden der Events Event Display im Web-Browser unter: http://www.hephy.at/masterinfo/ http://www.hephy.at/masterinfo/ Jeder Arbeitsplatz bekommt eine Nummer # Öffnet dementsprechend das File: masterclass_#.ig Beginne beim ersten Event. Masterclasses

50 Masterclass Eingabe der Ergebnisse Öffnen des CIMA Spreadsheets unter http://www.hephy.at/masterinfo/http://www.hephy.at/masterinfo/ Auswahl von CERN-04Mar2016 und Vienna2016 Masterclasses 50 Elena Ginina 04. März 2016 49

51 51 Masterclass Eingabe der Ergebnisse WICHTIG: Auswahl der richtigen Gruppennummer innerhalb des Sheets! Masterclasses Elena Ginina 04. März 2016 50

52 52 Masterclass Eingabe der Ergebnisse Startet mit dem ersten Event in iSpy Falls das Event Myonen oder Elektronen enthält und ein W +, W -, W oder Z Event ist, klickt das entsprechende Feld (final state) im Ergebnissheet an. Falls dass Event ein W - Kandidat ist, stellt sein Vorzeichen fest. Falls ihr nicht feststellen könnt, ob es ein W + oder W - ist, tragt es als W - Kandidat ein. Masterclasses Elena Ginina 04. März 2016 51

53 53 Masterclass Eingabe der Ergebnisse Falls dass Event ein Z – oder H - Kandidat ist, klickt das entsprechende Feld an. Es wird dann automatisch die Masse berechnet. Die Masse des Z oder H - Kandidaten ist kein Auswahlkriterium! Trage die Masse in den Massenplot ein Masterclasses Elena Ginina 04. März 2016 52

54 54 Masterclass Eingabe der Masse der Z und H-Kandidaten Masterclasses Elena Ginina 04. März 2016 52 Rundet diese Masse auf die nächste ungerade ganze Zahl auf/ab Geht zu dem Reiter Mass Histogram Klicke auf das Feld über der entsprechenden Masse; die Anzahl der Events wird um 1 erhöht

55 55 Masterclass Eingabe der Ergebnisse Falls das Event keines der angegeben Teilchen ist, tragt es als „Zoo“ ein. Klickt den Button NEXT um das nächste Event eintragen zu können Masterclasses Elena Ginina 04. März 2016 52

56 5353 Masterclasses Z 0 -Event: 2 Leptonen mit unterschiedlicher Ladung (e + e – oder μ + μ – ), wenig Missing Energy (< 15 GeV) H-Event: 4 Leptonen mit unterschiedlicher Ladung (2e + 2e –, 2μ + 2μ –, e + e – μ + μ – ), wenig Missing Energy (< 15 GeV) 2 Photonen: Keine Spuren, 2 Tower (hohe Energieablagerung) im elektromagnetischen Kalorimeter W +/- -Events: 1 Lepton (e oder μ), viel Missing Energy (> 20 GeV) Elena Ginina positive negative Link zu iSpy und Spreadsheet: http://www.hephy.at/masterinfo/ 04. März 2016

57 54 Masterclasses Diskussion der Ergebnisse Elena Ginina 04. März 2016

58 5 Masterclasses Welche Schlüsse können wir aus unseren Daten ziehen? Verhältnis e/µ aus der Anzahl der Elektronen und Myonen Verhältnis von W + /W - aus der Anzahl der W + /W - - Kandidaten Massenverteilung der Z – und H - Kandidaten Elena Ginina 04. März 2016

59 5656 Masterclasses Das CMS Resultat: Elena Ginina 04. März 2016

60 57 Masterclasses Das CMS Resultat: H  ZZ  4 Leptonen Elena Ginina 04. März 2016

61 58 Masterclasses Das CMS Resultat: H  ɣɣ Elena Ginina 04. März 2016

62 59 Masterclasses W-Boson Ladung Im LHC kollidieren Protonen gleicher Ladung (positiv)  Asymmetrie der W-Boson Ladung W +/- wird aus jeweils einem Quark und einem Antiquark erzeugt: W - besteht aus einem “up” und einem Antiquark W + besteht aus einem “down” und einem Antiquark In Protonen sind doppelt so viele “up”-quarks wie “down”-quarks enthalten. Elena Ginina 04. März 2016