mit den ersten LHC-Daten 1. Physikalisches Institut B, RWTH Aachen

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1 mit den ersten LHC-Daten 1. Physikalisches Institut B, RWTH Aachen
Der Status von CMS & mögliche Messungen mit den ersten LHC-Daten DPG-Tagung, Freiburg 7. März 2008 Katja Klein 1. Physikalisches Institut B, RWTH Aachen

2 Compact Muon Solenoid Experiment
YB = Yoke Barrel YE = Yoke Endcap 2880 Wissenschaftler in 184 Instituten Deutsche Institute: 3 x AC, DESY, HH, KA D D Artikel über CMS-Detektor eingereicht beim Journal of Instrumentation Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

3 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Der Solenoid-Magnet 4T bei 19kA  4 Windungslagen Supraleitender Al-verstärkter NbTi-Leiter 220t Kaltmasse bei 4.5K (Helium) Rückflussjoch aus t Eisen 2006 erfolgreich getestet Finale Abkühlung hat begonnen Test mit Strom im April; B = 3.8 – 4.0T im Juni Aluminium- legierung Aluminium R  30cm NbTi-Leiter 32 Adern 6.3m Stromzyklen 19kA, 4T Abkühlung des Magneten Tmax Tmin 12.5m 3 Wochen Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

4 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
„Heavy Lowering“ Oberirdische Konstruktion  hohe Flexibilität 15 Elemente mit Massen im Kilotonnenbereich Ablassen per Schwerlastkran in 9m/h Start: Hadron Forward im November 06 Ende des „Heavy Lowerings“: YE-1 im Jan 08 YE-1 Kran Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

5 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Der Tracker  200m2 (Streifen) + 1m2 (Pixel) Siliziumfläche  Viele Lagen  Redundanz & robustes Tracking  Strahlenbelastung für 10 LHC-Jahre: neq cm-2  Betrieb bei < 10°C (Min. von Strahlenschäden)  Myonen mit pT = 100 GeV, || < 2.0: pT/pT  1-3%, (d0)  10m, 99% Eff. 5.8 m 2.5 m Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

6 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Der Streifen-Tracker Module Modulares Design, mehrere Supportstrukturebenen Herausforderungen: Strahlenhärte, Material-Budget, mechanische Präzision / Alignment! Nach Integration > 99% gute Streifen! x/X0 1 X0 Hybrid mit Auslesechips m CMOS (strahlenhart) - Analoge Auslese! - Zeitkonstante 25ns  20 cm Siliziumsensoren - 6“ Wafer - Pitch m - 320 / 500 m dick Endkappe Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

7 Streifen-Tracker: Status
März 07: alle Subdetektoren am CERN in Supportröhre eingebaut Bis Juli 07: intensiver 15%-Slice-Test am CERN ( nächste Folien) Sommer/Herbst 07: Verlegung von Services auf YB0 Dezember 07: Einbau des Streifen-Trackers in CMS (Präzision 1mm) Verkabelung (980 Kühlrohre, 3350 opt. Fasern, 2330 Kabel) ist zu > 50% fertig! YB0 Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

8 Tracker-Commissioning im Slice Test
Signal / Rauschen (benötigt: 10) Test von ca. 15% des Trackers Alle Subdetektoren beteiligt 15°C < TKühlflüssigkeit < +15°C 47 Millionen Cosmic-Trigger 3 Spuralgorithmen untersucht; modifiziert für kosmische Myonen 500 m Sensor Hiteffizienz pro Lage 99.8% Inner barrel Outer Preliminary 98.4% Effizienz Spureffizienz im Outer Barrel, gegen  98% Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

9 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Der Pixel-Detektor Gute Impaktparameterauflösung für sekundäre Vertices von b- und -Zerfällen Seeds für Spurfindung Hybrid-Technologie n+ Pixel (100 m (r-) x 150 m (z)) auf n-Substrat Ladungsteilung zw. Pixeln wegen Lorentzwinkel (Barrel) und Geometrie (Forward) plus analoge Auslese  m Ortsauflösung Barrel Pixel: - 3 Lagen: R = 4.4, 7.3, 10.2 cm - 48 Millionen Pixel Elektronik- Platine Sensor Chips 0.25 m CMOS Forward Pixel: - 2 x 2 Disks: z =  34.5,  46.5 cm - 18 Millionen Pixel Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

10 Der Pixel-Detektor: Status
Barrel Pixel: - alle Module sind montiert & getestet - Produktion der Servicezylinder läuft Forward Pixel: - alle Halbzylinder sind fertig u. am CERN - erster Halbzylinder am CERN getestet Forward-Halbzylinder 1. Barrel-Halbzylinder Installation geplant für Mai, nach dem Ausheizen des Strahlrohrs Installation über Schienensystem 2 Wochen vorgesehen für Installation Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

11 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Tracker Alignment Für Spurfindung (100 m) & optimale Spurauflösung (10 m) Strategie: Alignment in mehreren Stufen - Daten aus geometrischen Vermessungen geben Startwerte O(100 m) - Laser-Alignment-System für Relativbewegung großer Strukturen ( m) - Spur-Alignment: anfangs Cosmics & Beam Halo, später Min. Bias, Z , W  3 Algorithmen werden untersucht (Millipede II, Kalman-Filter, HIP) Alignment des Trackers (ca Parameter) in 2h mit 2GB Memory! CMS Note 2008/008: Millipede II, 0.5 fb-1, Z   + single ‘s cosmics: Detektorelemente im MC gaussisch / uniform verschmiert First data scenario: Alignment nur durch Lasersystem und Vermessung + Alignment auf 15 m für Pixel 2/ndof Residuen in r Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

12 Das elektromagnetische Kalorimeter
Benchmark-Kanal: H   Anforderungen: - Exzellente Energieauflösung - Hohe Granularität - Strahlenresistenz - Schnelligkeit Preshower zur 0-Unterdrückung < || < 2.6 - Bleiabsorber/Siliziumstreifendetektoren - 2 Lagen ≙ 2 X0 Endkappen (EE) < || < 3.0 - 2 x 2 „Dees“ - 2 x Kristalle - 2.9cm x 2.9cm x 22cm X0 - Vakuumphototrioden Barrel (EB) - || < 1.479 - 36 Supermodule Kristalle - 2.2cm x 2.2cm x 23cm X0 - Avalanche Photodioden Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

13 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Die PbWO4-Kristalle Hohe Dichte: 8.28 g/cm3 Kurze Strahlungslänge: 0.89cm Kleiner Moliereradius: 2.2cm Schnell: 80% des Lichts wird in 25ns emittiert Geringe Lichtausbeute: 4.5 e / MeV bei +18°C Lichtausbeute stark temperaturabhängig: 2.1% / °C bei +18°C  T-Stabilisierung auf 0.05°C nötig! 1700 Kristalle / Supermodul Quasiprojektive Geometrie Supermodul Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

14 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Status von ECAL Barrel April 2007: letztes Supermodul gebaut Juli 2007: alle Supermodule in CMS installiert; Rate 1 Supermodul / Tag Alle Supermodule verkabelt und getestet 25/36 Supermodule simultan betrieben Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

15 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Status von ECAL Endcap Bei Kristallproduktion Priorität auf EB  EE ist spät! Lieferung der Kristalle bis Ende März Circa 70% der Superkristalle (5x5) gebaut Dee1 & 2 mit Kristallen bestückt, Verkabelung läuft Plan: Einbau EE1 im Mai 08, Einbau EE2 ab Juli 08 Plan: Einbau des Preshowers mit EE2 Dee1 Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

16 ECAL Interkalibration
Lichtausbeute der Kristalle variiert um 15%, Signal der Vakuumphototrioden um 25% Homogenität und Stabilität wichtig für Energieauflösung  Interkalibration Alle Supermodule interkalibriert mit kosmischen Myonen (deponierte Energie  250 MeV) 25% der Supermodule interkalibriert mit Teststrahl-Elektronen (120 GeV)  Interkalibration mit kosmischen Myonen erreicht 1.5% Genauigkeit Ultimative Interkalibration in situ: W  e über Tracker-pT oder 0   Interkalibration mit Cosmics Ring-# 1% 2%  1.48 Vergleich: cosmics / e Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

17 ECAL Energieauflösung
Teststrahl (e): Konstanter Term: Variation in longitudinaler Lichtssammlungseffizienz Interkalibration Stochastischer Term: Fluktuationen in der lateralen Verteilung des Schauers Photostatistik Fluktuationen im Preshower-Absorber Rauschterm: Elektronik & Digitalisierung Pile-up Zufälliger Einfall e -Teststrahl Zentraler Einfall 120 GeV e Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

18 Das hadronische Kalorimeter
Hauptabsorber: Messing (70% Cu, 30% Zn) wegen Verfügbarkeit Detektor: Kacheln aus Plastikszintillator (Strahlenhärte, Langzeitstabilität) Erwartete rohe Energieauflösung für Pionen (Teststrahl): /E = 120%/E ⊕ 6.9% Hadron Outer (HO) Calorimeter als „Tail Catcher“ - Spule und Joch als Absorber 1-2 Lagen Szintillator Hadron Barrel (HB) - 16 Lagen Szintillator 5.8  / sin Hadron Endkappe (HE) - 19 Lagen Szintillator - 10  Hadron Forward (HF) - Dosis: 5 MGy bei || = 5 - Stahlabsorber - Quartzfibern Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

19 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
HCAL: Status HB: im März 07 installiert, komplett verkabelt und getestet HE: HE+ verkabelt & im Test, HE– (seit Jan 08 in Kaverne) wird verkabelt HF: beide voll verkabelt, HF+ getestet; HF– wird aktuell getestet HO: seit Dez 07 komplett im Pit, komplett verkabelt, 20% getestet HB HE HF auf Platform Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

20 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Das Myonsystem Myonen als saubere Signatur „neuer Physik“  Identifikation, Impulsmessung, Trigger  Angestrebte Präzision: r –Auflösung  100 m  Hohe Rekonstruktions- und Triggereffizienz Endkappe (ME) (0.9 < || < 2.4) : Hohe Myon- & Untergrundrate: ≤ 1kHz/cm2 B-Feld groß und nicht uniform  Kathodenstreifenkammern (CSCs) 3 - 4 Lagen, 468 Kammern, 5000m2 Barrel (MB) (|| < 1.2) : Niedrige Myon- & Untergrundrate B-Feld klein und im Joch verlaufend  Driftröhren (DTs) 4 Lagen, 250 Kammern In MB und ME:  700 Widerstandsplattenkammern (RPCs) als dedizierte Triggerkammern Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

21 Driftröhrenkammern (Drift Tubes)
Aufbau: 5 Elektroden pro Driftzelle Driftzellen angeordnet in Superlagen (SL) Pro Kammer: 2 r-SL und 1 z-SL (Lagen 1-3) Gas: 85% CO2, 15% Argon Driftzeit: 380 ns Verstärkung: 105 r Herausforderungen: Dichtigkeit: ppm O2 ändert Driftzeit um 2%; ppm werden erreicht Mechanische Präzision: 100 m z r Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

22 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Status Driftröhren Juni 06: Kammerproduktion beendet Oktober 07: Kammereinbau komplett Sektortests (je 4 Kammern) mit kosmischen Myonen durchgeführt  nächste Folie; > 99.8% gute Kanäle Verkabelung fast komplett (bis auf Niederspannungsnetzteile) Auslese kompletter Wheels hat begonnen (YB0, YB+1) Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

23 Inbetriebnahme der Driftröhren
Resultate aus Sektortests (4 Kammern): Spurrekonstruktionseffizienz für > 6 -Hits Driftzelleneffizienz > 98% Gemeinsame Auslese von allen Kammern in YB0: Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

24 Kathodenstreifen & Widerstandsplatten
Alle CSC Kammern gebaut – kein einziger Draht (von 2 Mill.) gerissen! März 07: letzte Kammer eingebaut Plus-Seite: komplett verkabelt, 100% der Kammern angeschaltet und im Test Minus-Seite wird verkabelt Sep 07: letzte RPC Kammer installiert Barrel: voll verkabelt (Ausnahme Netzteile) und zu  80% in Betrieb genommen Endkappe: Verkabelung und Testen läuft Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

25 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Trigger & Datennahme 40 MHz L1 Trigger 100 kHz High Level Trigger 100 Hz Level1-Trigger: Hardware größtenteils installiert High Level Trigger: 14 kHz im April 08, 36 kHz im Sep., 100 kHz  2009 DAQ-Installation in Service-Kaverne: 100% Datenübertragung zur Oberfläche: > 90% Event Builder: 50% installiert Größe der betriebenen DAQ-Partition: 5% Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

26 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Global Runs Seit Mai 07: Globale Runs am Monatsende Inbetriebnahme der Detektoren und Aufnahme von kosmischen Myonen Inbetriebnahme aller Aspekte der Datennahme (Data AcQuisition, DAQ) - Zentrale DAQ: Hard- und Software - Globaler Trigger: Level 1 (Myonkammern, Kalorimeter) und High Level Trigger - Software: Online Datenqualitätskontrolle (DQM), Event Display, Run Control, … - Datenfluss: Rekonstruktion auf Tier0, Datentransport zu Tier1s - Datenrate, Stabilität, Synchronisation, … HB Bruchteil jedes Sub-Detektors in DAQ Beteiligte Subdetektoren 50% HF, HE Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

27 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Global Runs Myon in HCAL Barrel und Drift Tubes; Trigger von Widerstandsplattenkammern Luftschauer in HCAL Barrel und Drift Tubes Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

28 Mögliche erste Messungen am LHC
Hypothese: 0 < ∫L  1 fb-1 in  Hier einige Beispiele von Analysen, die mit L < O(1 fb-1) möglich sind Aktuell große Anstrengungen, Analysen für erste Daten vorzubereiten - Robuste Rekonstruktion der Objekte - Kalibration, Alignment, b-Tagging - Effizienzen und Untergrund aus Daten Nur Resultate, die public sind! (Quelle i.d.R. CMS Physics-TDR (2006)) Physik-Potential von Atlas & CMS ist sehr ähnlich 1 nb Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

29 QCD: Spektren geladener Hadronen
Minimum Bias = inelastische Kollision ohne harte Wechselwirkung Verständnis ist wichtig: Minimum Bias ist Untergrund für alle anderen Kanäle Verbesserung der Modellierung in Simulationen Strahlendosen, Occupancy, … Minimum oder zero bias Trigger ( 1 Hz Bandbreite) Großteil der Spuren hat pT < 1GeV  spezielles Tracking Separation von , K und p durch dE/dx im Silizium-Tracker (!) 1/(2pT) d2N/ddpT Inclusive d2N/dydpT Pionen Log(dE/dx) CMS PAS QCD_07_001 Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

30 Elektroschwache Physik (W, Z)
Z  50 nb, W  150 nb Schnell große saubere Samples bekannter Masse, ideal zur Kalibration: - Z  ee : Kalibration des ECALs (Energieskala und Interkalibration) - Z  , W   : Myon-Impulsskala, Alignment von Tracker und Myonsystem Bsp. Z   & W   für 10pb-1 (CMS PAS 2007/002): Isolierte Myonen Effizienzen aus (MC-)Daten bestimmt: Tag & Probe - Selektion eines Signalsamples, ohne die zu untersuchende Eigenschaft zu fordern - Selektion des „Tag“-Myons mit harten Schnitten - die Effizienz wird für das „Probe“-Myon bestimmt Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

31 Elektroschwache Physik (W, Z)
W rekonstruiert aus transversaler Masse (Myon-pT & MET) QCD-BG im W-Kanal aus Daten (Matrix-Methode) Dominanter systematischer Fehler: Impulsskala ( 3%) Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

32 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Top-Physik Paarproduktion:  = 830 pb in NLO  ca. 1 Ereignis / s bei 1033 cm-2s-1 t  Wb mit BR  100%  Topologie hängt vom W-Zerfall ab bb qq qq (46%) : Kinematik rekonstruierbar, aber hoher QCD-BG und Kombinatorik Nützlich zur Kalibration von b-tagging und Jet-Energieskala bb l qq (44%) : „Goldener Kanal“ zur Massenbestimmung bb l l (10%) : sehr sauber, hohes S/B, aber keine direkte Massenbestimmung Bsp. Semi-leptonischer Kanal (Atlas preliminary) Atlas preliminary Isoliertes Lepton pT > 20 GeV MET > 20 GeV 3 Jets mit pT > 40 GeV 1 Jet mit pT > 20 GeV Mt aus 3-Jet-Kombination mit größtem ∑pT Kein b-Tag! Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

33 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Supersymmetrie Starke Produktion von Gluinos & Squarks Typ. NLO: 10 pb Lange Zerfallsketten:  Jets + Leptonen + missing ET Meist minimale Modelle (mSUGRA) Trotzdem großer Parameterraum  Wahl von Benchmark-Punkten Strategie von CMS: Suche nach „Low mass“-SUSY an 10 LM-Punkten Hohe Sensitivität inclusiver Kanäle schon bei 1fb-1, aber: BG muss verstanden sein! CMS P-TDR (2006) Keine K-Faktoren 5 Reichweite m0 = skalare Masse an GUT- Skala m1/2 = Gaugino-Masse an GUT-Skala Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

34 Bsp. LM1: Leptonen + Jets + MET
M0 = 60 GeV M1/2 = 250 GeV Sign() = +1 A0 = 0 tan () = 10  = 52 pb BR ( ) = 11% CMS Note 2006/133 1 fb-1 Idee: Rekonstruktion des kinemat. Endpunktes aus der invarianten Masse von e+e- und + Selektion von 2 isol. Leptonen,  2 Jets, MET - Untergrund: QCD, ttbar, W + Jets, Z + Jets Viele Vorteile gegenüber inclusiven Kanälen: Klare Signatur Untergrund ist i.d.R. flach und kann durch stat. Subtraktion von e+- und +e- eliminiert werden Kante nicht sehr sensitiv auf Normierung des BGs und theoretische Unsicherheiten  Fit (1 fb-1): Stat. Fehler  0.5 GeV, syst. Fehler  1 GeV Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

35 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
SM Higgs P-TDR (2006) Incl. K-factors 1 fb-1 Höhere Signifikanz bei Kombination Atlas/CMS – nicht realistisch für 2008 Resultate zum SM-Higgs erst 2009/2010 Gleiche Schlussfolgerung für MSSM-Higgs Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen

36 Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen
Zusammenfassung Installation abgeschlossen bis auf ECAL Endkappen & Pixel Momentan läuft die Verkabelung & die Inbetriebnahme auf Hochtouren Hervorragende Qualität der Detektoren in Integration & Commissioning Vorbereitungen für Installation des Strahlrohrs (März/April) laufen Ende Mai muss der Detektor geschlossen werden Cosmic-Run bei vollem Magnetfeld im Juni Kompletter Detektor für niedrige Luminosität soll Mitte 2008 bereit sein Möglichst robuste Physik-Analysen werden vorbereitet Auch mit kleinen integrierte Luminositäten ist interessante Physik möglich: pb-1 – 100 pb-1: Minimum Bias, Jets, W, Z, Top … pb-1 – 1fb-1: Hinweise auf SUSY … Katja Klein (RWTH Aachen) Status des CMS Detektors & erste Physikmessungen