W path Datenanalyse German Teachers Program CERN, June Konrad Jende Boris Lemmer

Masterclasses 2012 Ausblick  MINERVA Event Display  Teilchenidentifikation mit ATLAS  Ereignisklassifikation ( “erzeugte Teilchen in einer Kollision” )  Datenanalyse  Zusammensetzung des Protons  Suche nach dem Higgs-Teilchen  Diskussion der Resultate (12:15-13:00 in ) 2

Masterclasses 2012 Einführung in MINERVA  Ein Masterclasses Werkzeug für SchülerInnen zum Kennenlernen des ATLAS Experiments am CERN  Basiert auf einem der offiziellen ATLAS Event Displays Masterclass INvolving Event Recognition Visualised with Atlantis 3

Komponenten des ATLAS Detektors Spurdetektor −Misst Ladung und Impuls elektrisch geladener Teilchen im magnetischen Feld (Solenoid) Elektromagn. Kalorimeter −Misst Energie von Elektronen, Positronen und Photonen Hadronisches Kalorimeter −Misst Energie von Hadronen (aus Quarks zusammengesetzt) wie Protonen, Neutronen, Pionen Myonendetektor -Misst elektr. Ladung und Impuls von Myonen und Antimyonen im magnetischen Feld (Toroid) 4 Myon- Detektor Hadro- nisches Kalori- meter Elektromagn. Kalorimeter Spurdetektor Solenoid Transition Radiation Tracker Pixel- und SCT- Detektor

MINERVA Event Display Das Event Display – das Sie zur Teilchenidentifikation verwenden werden 5

MINERVA Event Display ATLANTIS Canvas Fenster (rot umrahmt) und ATLANTIS GUI Fenster (blau umrahmt) 6

MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas ATLANTIS Canvas Fenster (rot umrahmt) zeigt Ereignis im ATLAS- Detektor in verschiedenen projektiven Ansichten Nutzen Sie alle Ansichten um ein vollständiges Bild einer Kollision im ATLAS- Detektor zu gewinnen! 7

MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas Ansichten aller Detektoren … Spurdetektoren Elektromagne- tisches Kalorimeter Hadronisches Kalorimeter Myonen- Detektoren 8

9 MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas Ansichten aller Detektoren … Spurdetektoren Elektromagne- tisches Kalorimeter Hadronisches Kalorimeter Myonen- Detektoren

10 MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas Ansichten aller Detektoren … Spurdetektoren Elektromagne- tisches Kalorimeter Hadronisches Kalorimeter Myonen- Detektoren

11 MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas Ansichten aller Detektoren … Spurdetektoren Elektromagne- tisches Kalorimeter Hadronisches Kalorimeter Myonen- Detektoren

MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas Unten Seitenansicht des Detektors (R-z Projektion) Teilchen aller Regionen im Detektor werden dargestellt 12

Links oben Strahlrohransicht des Detektors (x-y Projektion) Warnung: Nur Teilchen in der Zentralregion werden hier dargestellt (sonst würden Teilchen in Vorwärtsrichtung die Sicht überdecken) 13 MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas

Rechts oben Lego plot (‘abgerollte‘ Kalorimeteroberfläche ) Veranschaulicht Energiedepositionen in allen Regionen des elektromagnetischen und hadronischen Kalorimeters in eta (η) und phi (Φ) Richtung 14 MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas

+η -η 0 Φ η Φ 15 MINERVA Event Display – ATLANTIS Canvas Rechts oben Lego plot (‘abgerollte‘ Kalorimeteroberfläche ) Veranschaulicht Energiedepositionen in allen Regionen des elektromagnetischen und hadronischen Kalorimeters in eta (η) und phi (Φ) Richtung

MINERVA Event Display – ATLANTIS GUI ATLANTIS GUI (blau umrahmt) ermöglicht das Ändern von Einstellungen und Ansichten des Ereignisses und liefert Informationen über Spuren und Kalorimetereinträge. Dateimanagement und Ereignisselektion Werkzeugleiste zur Interaktion mit dem Ereignis Ausgabefenster für Informationen über Spuren, Kalorimetereinträge, Teilchen und Objekte 16

Um Ereignisse zu laden auf ‘File’ und ‘Read events locally’ klicken Um von Ereignis zu Ereignis zu gelangen, klickt man auf die blauen Pfeile rrechts neben fem Dateinamenfenster. Werkzeugleiste Dateimanagement Zoom/Bewegen/Rot ation Auswahlwerkzeug Anzeige von Info zu ausgewählten Objekten FishEye Transformation (zur besseren Ansicht im inneren Detektor) 17 MINERVA Event Display – ATLANTIS GUI

Ausgabefenster Karteikarten Anwendung von Auswahlkriterien Wichtige Einstellungen Zeigt Dateinamen des Ereignisses und stellt Informationen zu ausgewählten Objekten dar. Ermöglicht die Bestimmung von elektr. Ladung, transversalem Impuls, … 18 MINERVA Event Display – ATLANTIS GUI

Transversale Energie und Impuls  Vor der Kollision bewegen sich die Protonen entlang der z-Richtung durch den ATLAS-Detektor  Der Impuls in x- und y-Richtung ist 0. Dieser muss erhalten bleiben und sollte nach der Kollision ebenfalls 0 sein.  Die Gesamtenergie kann nicht gemessen werden, da Teilchen nahe des Strahlrohres (sich in Vorwärtsrichtung bewegend) nicht detektiert werden können und deren Energie „verloren“ geht.  Bessere Messung: transversale oder „seitwärtige“ Komponente (x-y)  „Interessante“ Ereignisse beinhalten Teilchen mit großer transversaler Energie (E T ) und großem transversalem Impuls (p T ) x x y y z z 19

Erklaerung: Fehlende Energie  Vor der Kollision bewegen sich die Protonen entlang der z- Richtung durch den ATLAS- Detektor  Der Impuls in x- und y-Richtung ist 0. Dieser muss erhalten bleiben und sollte nach der Kollision ebenfalls 0 sein.  Werden Neutrinos erzeugt, sieht der Detektor sie nicht. Wenn aber alle Impulse aller in einem Ereignis detektierbaren Teilchen in x-y-Richtung vektoriell aufaddiert werden gibt es ein Defizit – dies ist gerade der fehlende transversale Impuls. x x y y z z 20

MINERVA – Teilchen Impuls und elektr. Ladung Wie bestimmt man den transversalen Impuls und die elektrische Ladung? Hier ist das Problem: bestimme die elektrische Ladung und den transversalen Impuls des Elektrons/Positrons in diesem Ereignis. Klicke auf das “Finger“-Symbol aus der Werkzeugleiste, klicke auf die Spur des Teilchens, um es auszuwählen (verändert die Farbe von orange zu grau) und schaue auf das Ausgabefenster Charge = 1 bedeutet elektr. pos. Geladen. Charge = -1 bedeutet elektr. negativ geladen. 21

MINERVA – Wineklmessung Wie misst man Winkel zwischen Teilchen mit dem Event Display? Und hier ist ein weiteres Problem: bestimme den Winkel zwischen den Spuren zweier Teilchen in der transversalen Ebene. Halte die P-Taste der Tastatur gedrückt und wähle die beiden Spuren aus. Der Winkel zwischen beiden Spuren in der transversalen Ebene wird im Ausgabefenster angezeigt. (grün umrahmt). Erste ausge- wählte Spur Zweite ausgewählte Spur 22

Teilchen/Objekt Identifikation Myon Elektron Jets Neutrino Elektron: Spur im Inneren Detektor Gestoppt innerhalb des elektromagnetischen Kalorimeters Myon: Spur im Inneren Detektor Wenige Energiedepositionen und Wechselwirkungen in beiden Kalorimetern; kann nicht gestoppt werden Orange Spuren in den aeusseren Myonenkammern Neutrino: Fehlender transversaler Impuls(rot gestrichelte Linie) Jets: Teilchenbündel im Inneren Detektor Energiedepositionen in beiden Kalorimetern, insbesondere im hadronischen Kalorimeter Verwende die Animation auf folgender Webseite zur eigenen Untersuchung: Try both the side view and end view! 23

Teilchenidentifikation – Elektron / Positron Spur im Inneren Detektor Hohe Energiedepositionen im elektromagnetischen Kalorimeter (Teilchen wird dort gestoppt) Erinnere Dich, Teilchenspur anklicken und Informationen ablesen, um elektrische Ladung und transversalen Impuls festzustellen Charge = -1 = Elektron Charge = 1 = Positron 24

Spur im Inneren Detektor Spur in den Myonendetektoren Wenig Aktivität im elektromagnetischen und hadronischen Kalorimeter (Energiedepositionen und Spuren sind auf einer Bahn) Erinnere Dich, Teilchenspur anklicken und Informationen ablesen, um elektrische Ladung und transversalen Impuls festzustellen Charge = -1 = muon Charge = 1 = anti-muon 25 Teilchenidentifikation – Myon/ Antimyon

Neutrinos werden indirekt durch die Berechnung des fehlenden transversalen Impulses nachgewiesen. Dargestellt durch rot gestrichelte Linie Dicke der Linie repräsentiert die Höhe des fehlenden transversalen Impulses Einfach ist dieser Wert auch abzulesen durch die Information im Lego Plot Fehlender Impuls muss mind. 25 GeV betragen, um ein Neutrino- Kandidaten anzunehmen 26 Teilchenidentifikation – Neutrinos

Jets entstehen durch das ‚Auseinanderlaufen‘ von Quarks oder dem Abstrahlen von Gluonen Teilchenbündel im Inneren Detektor (viele Spuren) Richtig viel Aktivität im elektromagnetischen Kalorimeter Und auch richtig viel Aktivität im hadronischen Kalorimeter Myon-Kammerhits, wenn entweder die Hadronen zu energiereich und nicht stoppbar oder wenn Mesonen sich in Myonen umwandeln. 27 Teilchenidentifikation – Jets

Übung 1: Teilchenidentifikation  Nutze alle vier Ansichten des Ereignisses:  Kannst Du Myonen, Antimyonen, Elektronen, Positronen, Neutrinos/Antineutrinos oder Jets finden?  Setze ein Häkchen in die Box eines jeden Teilchens, dass Du in einem Ereignis siehst. Durch Drücken von ‘Check’ bekommst Du eine Rückmeldung.  Verwende den Link: de/de/wpath_exercise 1.htm  In der Uebung gibt es vier Ereignisse, jedes mit einem Satz an Teilchen, die identifiziert werden sollen 28

MET>25 GeV Enthält genau ein Lepton Enthält genau zwei elektrisch entgegengesetzt geladene Leptonen PT(l)>20 GeV PT(l 1 )>25 GeV PT(l 2 )>15 GeV Lepton isoliert von Jets W Kandidat WW Kandidat TrueFalse True False Entscheidungen, die für jedes Ereignis getroffen werden müssen Lepton l = Elektron, Positron, Myon, Antimyon Beide Leptonen sind aus der selben Familie MET>40 GeV WW Kandidat True Ereignis- identifikation Untergrund Start False 29

Ereignisidentifikation - Signal W - →μ - +ν μ or W + →μ + +ν μ Es gibt GENAU EIN Myon oder Antimyon, welches isoliert (bedeutet: es taucht nicht in einem Jet auf) ist und einen transversalen Impuls (p T ) von MEHR ALS 20 GeV. Außerdem wird ein fehlende transversaler Impuls (MET) von MINDESTENS 25 GeV im Ereignis verlangt. Elektrische Ladung und Impuls können durch Anklicken bestimmt werden... Charge = -1 = Myon Charge = 1 = Antimyon Um herauszubekommen, ob es von einem W + oder W - Boson kommt. 30

W - →e - +ν e or W + →e + +ν e Es gibt GENAU EIN Elektron oder Positron, welches isoliert ist und Einen transversalen Impuls (p T ) von MEHR ALS 20 GeV hat. Außerdem verlangt man einen fehlenden transversalen Impuls (MET) von MINDESTENS 25 GeV im Ereignis. Elektrische Ladung und Impuls können durch Anklicken bestimmt werden... Charge = -1 = electron Charge = 1 = positron Um herauszubekommen, ob es von einem W + oder W - Boson kommt. 31 Ereignisidentifikation - Signal

WW→l - +ν l +l + +ν l (l kann sein Elektron, Myon, Positron, Antimyon) Enthaelt GENAU ZWEI Leptonen mit ENTGEGENGESETZTER elektrischer Ladung, sind isoliert und das Lepton mit höherem transversalen Impuls muss mindestens einen transversalen Impuls von 25 GeV haben, während das Lepton mit niedrigerem transversalen Impuls einen transversalen Impuls von mindestens 15 GeV aufweisen muss. Es wird außerdem ein fehlernder transversaler Impuls verlangt abhaengig von der Art der involvierten Leptonen: von mind. 40 GeV wenn beide Leptonen aus der gleichen Familie kommen von mind. 25 GeV im anderen Fall. 32 Ereignisidentifikation - Signal

Z→μ - +μ + (or Z→e - +e + ) Es gibt ZWEI elektrisch ENTGEGENGESETZT GELADENE Leptonen (aus der gleichen Familie), welche isoliert sind und das Lepton mit höherem transversalen Impuls muss mindestens einen transversalen Impuls von 25 GeV haben, während das Lepton mit niedrigerem transversalen Impuls einen transversalen Impuls von mindestens 15 GeV aufweisen muss. ein fehlender transversaler Impuls (MET) von WENIGER ALS 25 GeV wird verlangt 33 Ereignisidentifikation - Untergrund

Multi-Jet-Events Es gibt Jets im Ereignis ein fehlender transversaler Impuls (MET) von WENIGER ALS 25 GeV wird verlangt 34 Ereignisidentifikation - Untergrund

Übung 2: Klassifizieren von Ereignissen  Nutze den Link:  Er beschreibt alles weitere. Die Übung besteht aus 10 zu identifizierenden Ereignissen, die jeweils einer der folgenden Eventkategorien zuzuordnen sind:  W + →e + +ν e  W - →e - +ν e  W + →μ + +ν μ  W - →μ - +ν μ  WW - →l - +ν l +l + +ν l  Background from jets, Z→e + e -, Z→μ + +μ -  Lade die Ereignisse (“exercise2.zip”) in ATLANTIS  Unterscheide zwischen Signal und Untergrund!  Vergleiche auf der Webseite! 35

Datenanalyse: Zusammensetzung des Protons & Higgs-Suche  Wähle alle Signalereignisse (mit einem W Teilchen) aus den 50 Ereignissen Deiner Datenstichprobe aus.  Bestimme die elektrische Ladung des W-Teilchens.  Zähle die W + and W - Ereignisse und bestimme das Verhältnis aus der Anzahl elektrisch positiv geladener W Teilchen zu der Anzahl elektrisch negativ geladener W-Teilchen (R±). Behalte alles durch die Eintragungen auf Deiner Strichliste im Auge..  Bekomme eine Idee wie das Higgs-Teilchen (insofern es existiert) gefunden werden kann. Simulierte Ereignisse wurden unter die echten Daten gemischt.  Finde sie heraus und messe den Winkel zwischen den beiden elektrisch geladenen Leptonen in der transversalen Ebene (welche den W-Teilchen entspringen), ΔΦ ll.  Notiere Ereignisnummer und Winkel.  Am Ende überprüfst Du die ausgewählten Ereignisse noch mindestens einmal kritisch. Aufgabe 1 – Entdecke die Protonstruktur! Aufgabe 2 – Finde die Higgs-Teilchen! 36

 Wir analysieren das W data sample no. 2 (enthält 1000 Ereignisse)  Es ist in 20 kleinere Pakete, mit A bis T bezeichnet, untergliedert. Jedes dieser Sub-Sample enthält 50 Ereignisse  Event display (installiert auf dem Laptop)  Starte ‘atlantis’ vom Desktop  Datenstichprobe  Lade das entsprechende Datenpaket aus dem Ordner in das Event Display  Strichliste (ausgedruckt)  Link zur Kombinationstabelle  Struktur der Datenstichprobe Was benötigst Du Datenanalyse: Zusammensetzung des Protons & Higgs-Suche

Wichtiger Buchstabe – steht für das Datenpaket, was analysiert werden soll Mit Strichen auszufüllen Ereignisnummer und Winkel eintragen Platz für Striche zu Untergrundereignissen Letzte Spalte zum Zusammenzählen Was muss alles eingetragen werden … 38 Datenanalyse: Strichliste

Masterclass 2011  Proton wechselwirkt nicht als Ganzes  Verschiedene Methoden der Produktion  Zerfall – 1/3 aller W-Teilchen zerfallen in ein Lepton und Neutrino (Elektron, Myon, Tau)  Protonen sind schwierig bei hohen Energien! 39 Datenanalyse: Protonstruktur

Masterclass 2011 Data Analysis: Diskussion der Higgs- Search  Histogramm  H  WW  Signal zu Untergrund  Schritte einer Selektion  Übereinstimmung  Unsicherheiten & Entdeckung 40

41 MINERVA Masterclass Resources Main Minerva website ATLAS Experiment public website Learning with The Particle Adventure (Good introduction to particle physics)