Физички фон у мерењу луминозности на Међународном линеарном колајдеру (ILC)

1. Физички фон у мерењу луминозности на Међународном линеарном колајдеру (ILC) M. ПандуровићИ. Божовић-Јелисавчић И. Смиљанић М. Мудринић Ј.Мамужић

2. University of Colorado, Boulder • Brookhaven National Lab, Upton • Yale University, New Haven • Laboratoire de l Accélérateur Linéaire, Orsay • Royal Holloway University, London • AGH University, Krakow • Institute of Nuclear Physics, Krakow • DESY, Hamburg & Zeuthen • Joint Institute Nuclear Research, Dubna • National Center of Particle & HEP, Minsk • Academy of Science, Prague • VINCA Inst. f. Nuclear Science, Belgrade • University of Tel Aviv • Cooperation with SLAC

4. LDC – Концепт великог детектора

5. BCAL,LCAL,GamCal Мерење параметара снопа и ’’online monitoring’’ луминозности , прецизно мерење луминозности, као и за заштиту централних детектора од уназад расејаних честица и обезбеђивање херметичности детектора Прецизно мерење луминозности је важно јер претставља компоненету систематске грешке многих прецизних мерења а херметичност детектора је битно својство у потрази за новим честицама (SUSY) Калориметрија у предњој области

7. Лептонски колајдер (e+e-) Номинални дизајн: - енергија 500 GeV у систему центра масе (1 TeV) - номинална луминозност - 2 ·1034 cm -2s-1  - потпуна енергија у сцм. расположива честицама продуктима - почетно стање дефинисано - потпуна реконструкција финалног стања - минимални фон ILC je комплементарни експеримент Великом хадронском колајдеру (LHC) Прецизнамерењаособина новооткривених честица на LHC Ограничавање простора параметара физикe изван СМ Међународни линеарни колајдер ILC

8. ILC – Reference Design Report

9. Oсновна намена LCAL je мерење yкупне луминозности са прецизношћу реда10-4 Задата прецизност произилази из “захтева физике” –мерењеукупног ефикасног пресека за хадронске распаде Z0, ефикасног пресека за двофермионску продукцију на високим енергијама, као и за потребе другихEWSB анализа(аномална спрезања градијентних бозона) Потенцијални проблем у мерењу луминозности (дизајнирању детектора) јесте присуство машинског и физичког фона Услед упоредивог одброја сигнала и физичког фона у калориметру за мерење луминозности, “физички фон” потенцијално претставља један од водећих систематских ефеката Наша анализа обухвата метод селекцијесигнала, као и утицајфизичког фонана дизајн система за очитавање LCA L (read-out system) Mерењелуминозности на ILC

10. Укупна луминозност се одређује на основу укупног броја‘’Bhabha’’догађаја у угаоном опсегу LCAL и одговарајућег теоријског ефикасног пресека- уз поправку за број догађаја фона погрешно идентификованог као сигнал, као и за ефикасност селекције Lint=Nbha/BLint=(Nexp-Nbck)/B На малим угловима, ефикасни пресек “Bhabha” догађаја dσ/dθ32 πα2 / (s θ3) L/L ~  / min ℒ rad. B.Pawlik

11. Дизајн LCAL • Електромагнетни “сендвич” калориметар • 30 дискова - сензор силикон, волфрам апсорбер • Z=2270 mm од интеракционог места • Угаони опсег X-угао 14 mrad = 44 – 155 mrad (чеони судар = 26 - 155 mrad) • Равни сензора су подељене радијално и азимутно наћелије (96x48) “pad” дизајн • Излазни сноппретставља осу симетрије детекторa у циљууклањања зависности ∆ L/L од азимутнoгугла

12. Детектор је симулиран програмом BARBIE V4.1 (Geant3), на 500GeV у систему центра маса, угаони опсег детектора 26-82 mrad, сензорске равни наизменично сегментиране (парне: радијално - 64 прстена, непарне: поларно - 120 сектора) тзв .”stripdesign” Сигнал чине 105догађаја генерисаних BHLUMIBhabha генератором при малим угловима, σ (4.58  0.02) nb. Укључени су s и t канал, поларизација вакуума и радијација почетног стања. Добијен је одброј 8 x 10-3трагова/BX у LCAL Четворофермионски процеси, механизмом неутралних струја су симулирани на Борновом нивоу генератором WHIZARDV1.4. Одговарајући одброј је реда величине сигнала. Генерисано је 106 лептонских(e+e-e+e-l+l-) (l=e,) i 105 хадронских(e+e-e+e-qq) (q=u,d,s,c,b) догађаја сa укупним ефикасним пресеком(2.68±0.03) nb Симулација детектора и генерисање догађаја

13. Продукцијом четворофермиона механизмом неутралних струја доминира тзв. мултипериферални Feynmann-ов дијаграм (103пута вероватнији) Високоенергетски излазни парe+e- одлази дуж beam-pipe, док нискоенергетски ff пар има ширу дистрибуцију по поларном углу BCAL — LCAL — BCAL — LCAL —  [deg] E [GeV] Energy [Gev] Особине сигнала и физичког фона • Експериментална сигнатура Bhabhaдогађаја су две електромагнетне каскаде које носе пуну енергију снопа и потичу од колинеарних и компланарних Bhabha честица • На основу ових особина засновани су критеријуми раздвајања сигнала • од физичког фона

14. Карактеристична Bhabha топологија омогућава успостављање критеријума за разликовање сигнала од физичког фона Колинеарност||< 0.06 deg Компланарност||< 5 deg Енергетски баланс |EF(R)-EB(L)|<0.1 Emin , Emin=min(EF(R)-EB(L)) Релативна енергија(EF+EB)/2Ebeam>0.75 Претпостављена је идеална реконструкција трагова, као и 100 % ефикасност реконструкције Раздвајање сигнала и физичког фона

15. leptonic bck. hadronic bck. leptonic bck. hadronic bck. фон сигнал

16. leptonic bck. hadronic bck. leptonic bck. hadronic bck. сигнал фон

17. Ефикасности селекције и елиминације L/L ~ (B/S) · B ~ 10-6

18. Пројекције погодака на прву раван сензора за лептонски (лево) и хадронски фон (десно), пре (горе) и након селекције(доле) (критеријуми 1+2+3)

19. “strip” дизајн – Bhabha (сигнал) “pad”дизајн LCAL signal signal bck. bck. “strip” дизајн –Bhabha + beamstrahlung “”strip” дизајн of LCAL B. Pawlik Заузетост система за очитавање B.Pawlik

20. Заузетост система за очитавање (occupancy) је смањена преласком са “strip” на ‘’pad’’дизајн услед азимутне гранулације прстенова сензора. У обе верзије дизајна детектора систем за очитавање пре свега ангажују парови конвертовани из beamstrahlung-а (машински фон) ~ 10 x више од сигнала (преко 100 x више од физичког фона)

21. Захтеви у погледу резолуције детектора • Минимална потребна резолуција да би се очувао однос физичког фона и сигнала на нивоу 10-4, ~ 100 пута је мања (лошија) од технички достигнуте резолуцијепо(која је реда 10-2 mrad)

22. Ефекти интеракције снопова (Beamstrahlung и електромагнетна дефлекција ) модификују четворовекторе почетног и финалног стања што доводи до смањења сигнала реда 4.4% (BHаbhaSuppressionEffect) C.Rimbault – Reportfor the ILC Detector R&D panel Instrumentation of the very forward region Физички фон и ефекат интеракције снопова • Селекцијом заснованом на следећим (асиметричним) критеријумима • - Erel>0.8 • - 30<||<75 mrad(наизменично примењеним наe+и e-), • смањењује се BHSEефекат на ~1%L/L ~ BHSE ·X

23. Ефикасност селекције сигнала и елиминације физичког фона добијене применом асиметричних критеријума

24. Са становишта сепарације физичког фона могуће је формирати критеријуме селекције за које је губитак сигнала статистички прихватљив ~ 20 % , а компонента релативне систематске грешке мерења луминозности мања од 10 -4 Постоје систематски ефекти, пре свега ЕМ дефлекција, чије је непознавање, у реалним експериментални условима, извор доминантне компоненте систематске грешке, јер множи BHSE реда процента Ово указује на неопходност симултаног третирања доминантних систематских ефеката (резолуција детектора, физички фон, BHSE) у циљу формулисања оптималних критеријума селекције при којима ће укупна систематска грешка мерења луминозности бити мања од 10 -4 Закључак