cms-rpc 探测器与北大组物理分析进展

CMS-RPCCMS-RPC 探测器与探测器与北大组物理分析进展北大组物理分析进展

班勇班勇

(( 代表北京大学物理学院代表北京大学物理学院 CMSCMS 实验组实验组 ::杨宗长杨宗长 ,, 钱思进钱思进 ,, 周鹏周鹏 ,, 王思广王思广 ,, 冒亚军冒亚军 ,, 班勇班勇 ))

20062006 年年 1010 月月 2929 日日 -- 桂林桂林

CMS-RPC 探测器与北大组物理分析进展 ; 班勇，北京大学

桂林， 2006 年 10 月 29 日

北京大学北京大学 CMSCMS 组物理分析进展组物理分析进展几个可能的研究课题几个可能的研究课题利用对高利用对高 PtPt 重味夸克素的测量检验重味夸克素的测量检验 NRQCDNRQCD ◇ ◇ 物理动机物理动机 ◇ ◇ J/J/ΨΨ和和 ΥΥ 的模拟的模拟 ◇ ◇ 夸克素极化的测量夸克素极化的测量 ◇◇ J/J/ΨΨ 筛选于筛选于探测效率研究探测效率研究

概要概要CMSCMS 实验实验 RPCRPC 探测器探测器 CMSCMS 实验的实验的 RPCRPC 计划计划北京大学北京大学 CMS-RPCCMS-RPC 计划进展计划进展

总结总结


桂林， 2006 年 10 月 29 日

CMS-RPCCMS-RPC 计划计划

与北大组探测器建造进展与北大组探测器建造进展


桂林， 2006 年 10 月 29 日

CMS-RPC CMS-RPC 计划计划 : CMS : CMS 探测器中的探测器中的 RPC RPC 系统系统

中国北京大学 RPC 组承担的任务： • CMS端部 RPC的 RE1/2 和 RE1/3 ( 共 144个探测器 ) • CMS桶部 RPC的 RB1 (in,out) ( 共 120 个探测器 )

中国组任务 :1）探测器结构设计2）结构部件生产（读出条、冷却系统，绝缘

系统，屏蔽系统，蜂窝板支撑盒等等）3）组装测试及安装调试


桂林， 2006 年 10 月 29 日

RPCRPC 研制研制 :: 国产材料制作的国产材料制作的 RPCRPC 的束流测试结果的束流测试结果

国产材料 RPC 机械结构牢固，气密性好，高压性能好效率、时间分辨和空间分辨令人满意由于阻抗板高电阻率，在极强辐射下效率有限


桂林， 2006 年 10 月 29 日

2002 2002 年在年在 CERN GIF CERN GIF 的束流测试的束流测试

• 第一个“薄”型设计全尺寸探测器• 第一个采用国产蜂窝板的探测器

测试结果：探测器具有良好的气密性、高压与效率性能

成功进行束流测试后，我们的探测器在秋季 CMS-Week 期间在 CERN 40 楼展示正在 GIF 作束流测

试


桂林， 2006 年 10 月 29 日

2003 2003 年在年在 CERN GIF CERN GIF 的束流测试的束流测试• 测试第一个韩国生产的淋油气体室 • 更多国产材料用于组装（冷却系统、绝缘膜、信号电缆等等）

在 GIF 的束流测试

测试结果：• 探测器在强辐射下运行正常，噪声低，效率令人满意


桂林， 2006 年 10 月 29 日

2004 年 7 月开始正式进行探测器的批量组装测试，到 05 年 11 月全部探测器完成了组装组装好的探测器进行了宇宙线测试和长期高压测试， >90% 的探测器各项性能都符合标准

位于储存架上已装配好的探测器效率 cluster size

部分装配好的 RE1/2 探测器宇宙线测试结果

端部端部 RPC RPC 组装测试组装测试


桂林， 2006 年 10 月 29 日

端部端部 RPC RPC 安装调试安装调试

2005 年开始正式安装，至今完成了 108 个探测器 (占总数 3/4),另 36 个 2007 年 1 月安装对已安装的探测器进行了气体、高压、信号、冷却等各种管线的连接，并进行了试运行，各项性能都符合标准 2006 年 7-9 月 CMS 探测器首次连机进行了磁场和宇宙线测试，数据分析进行中


桂林， 2006 年 10 月 29 日

北京大学北京大学 CMSCMS 组物理分析进展组物理分析进展


桂林， 2006 年 10 月 29 日

研究课题的考虑：研究课题的考虑： =>=> 除物理意义与重要性外除物理意义与重要性外 ,, 结合结合 μμ探测器建造与探测经验，选取与探测器建造与探测经验，选取与 μμ 子子有关的衰变道有关的衰变道

几个可能的课题几个可能的课题 ::

1 1 利用大横动量重味夸克素的测量检验利用大横动量重味夸克素的测量检验 NRQCD:NRQCD: 分析研究高分析研究高 PtPt 的的 J/J/ΨΨ和和ΥΥ 产生事例。产生事例。 J/J/ΨΨ分析手段可进一步用于未来的分析手段可进一步用于未来的 BB 物理和重离子物理研究。物理和重离子物理研究。

2 2 tt 夸克的极化与宇称破坏研究：夸克的极化与宇称破坏研究： LHCLHC 上上 tt 夸克对的不对称性（反映宇夸克对的不对称性（反映宇称破坏的大小）可精确测量，称破坏的大小）可精确测量， => => 检验标准模型和寻找新物理检验标准模型和寻找新物理 .. 方法：方法： t->b + Wt->b + W++(->(->llνν), W), W 的极化方向与的极化方向与 tt 极化方向紧密相连极化方向紧密相连 ,, 而而 WW的极化则可通过其衰变轻子角分布获得的极化则可通过其衰变轻子角分布获得

3 3 带电轻子对伴随大横动量丢失的现象研究：带电轻子对伴随大横动量丢失的现象研究：寻找寻找 invisible Higgs (1invisible Higgs (114GeV < Mh < 150GeV) => 14GeV < Mh < 150GeV) => 新物理新物理 .. 方法：方法： pp -> Zpp -> Z （（ -> -> llll) + H (->DM) + anything) + H (->DM) + anything ，，


桂林， 2006 年 10 月 29 日

=> => 然而然而 ,CDF,CDF 实验结果与实验结果与 CSMCSM 预言有预言有 1-21-2 个量级的差别个量级的差别 !!

Prompt charmonium production Bottomonium productionPrompt charmonium production Bottomonium production

black dot: CDF experimentdashed line: color-singlet solid line : NRQCD fit

J/ PRL, 79 (1997) 572 ： PRL, 88(2001)161802

物理动机：物理动机： => => 通常的通常的重味夸克素产生机制重味夸克素产生机制 :: * * 部分子相互作用产生夸克对部分子相互作用产生夸克对 (c,c),(c,c), 夸克对结合成夸克素夸克对结合成夸克素 (J/(J/ΨΨ,, Ψ Ψ’...)’...)

* * 色和自旋在结合中守恒。夸克素是色单态，夸克对也应该是色单态色和自旋在结合中守恒。夸克素是色单态，夸克对也应该是色单态 -> Color Singlet Model (CSM)-> Color Singlet Model (CSM)

利用高利用高 PtPt 重味夸克素的测量检验重味夸克素的测量检验 NRQCDNRQCD


桂林， 2006 年 10 月 29 日

Long Distance Matrix Element(LDME):How likely the quark pair will bind to the quarkonia.

Short Distance Coefficient:Creation of quark-antiquark pair.This step is independent of final product.Can computed pertubatively

物理动机物理动机 (( 续续 1)1) ：： => => 重味夸克素重味夸克素的的新机制新机制 (COM):(COM): * 部分子相互作用产生夸克对 (c,c), 夸克可能是色八重态 * 通过发射胶子并结合成夸克素 (J/Ψ, Ψ’...), 夸克对可以改变色和自旋

-> Color Octet Mechanism (CSM)

=> CDFCDF 结果的结果的 NRQCDNRQCD 解释解释 :: * 用非相对论描述运动慢的重夸克 ,同时考虑 CSM 和 COM * 夸克素产生因子化为两步 :1, 夸克对产生 (c,c); 2, 结合成夸克素

=> => 可以很好地描述可以很好地描述 CDFCDF截面测量结果截面测量结果 ..


桂林， 2006 年 10 月 29 日

=+1: transversely polarized

=1: longitudinally polarized

PRL, 85 (2000) 2886

CDF RUN 1 results

J/ direction in lab frame

direction in J/ rest frame

PRL, 87 (2001) 022002 kT facterization approach

物理动机物理动机 (( 续续 2)2) ：： => => 问题问题 :NRQCD:NRQCD仍不能正确描述仍不能正确描述重味夸重味夸克素克素的的极化极化 !!

CDF RUN 2 results


桂林， 2006 年 10 月 29 日

物理动机物理动机 (( 续续 3)3) ：：

目标目标 :: 从测量大横动量从测量大横动量 J/J/ΨΨ产生着手产生着手 ,, 测量测量 pppp 对撞中来自直接过程的重对撞中来自直接过程的重味夸克素产物味夸克素产物 (J/(J/ΨΨ,,)) 的截面及极化，分析的截面及极化，分析 NRQCDNRQCD 色单态模型与色八重色单态模型与色八重态机制的贡献，研究重味夸克素产物的产生机制。态机制的贡献，研究重味夸克素产物的产生机制。同时同时 , QCD, QCD 是寻找是寻找 HiggsHiggs 粒子和超对称粒子的主要本底粒子和超对称粒子的主要本底 ;; 深刻理解深刻理解QCDQCD 从而降低本底的不确定性从而降低本底的不确定性 ,, 也将带动开展其它与也将带动开展其它与 J/J/ΨΨ有关的选题。有关的选题。

CMSCMS 的优势的优势 :: => => 高亮度、大统计量数据可大幅提高测量精度；这对高亮度、大统计量数据可大幅提高测量精度；这对 ΥΥ 测量更为重测量更为重要，它通常被认为更好地被要，它通常被认为更好地被 NRQCDNRQCD 描述。描述。 => => 高能量给出大产生截面，高能量给出大产生截面， PtPt 也可达到更高能区。也可达到更高能区。

=> => μμ 径迹测量更精确径迹测量更精确 ,, 对采用对采用 J/J/ψψ μμ++μμ--, , μμ++ μμ –– 测衰变道量测衰变道量更为有利更为有利 ..


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* |y|<0.4 for * |y|<0.4 for * 100k MC events* 100k MC events

J/J/

|* |* |<0.6 for J/|<0.6 for J/

* * CTEQ5L PDFCTEQ5L PDF* LDME* LDME fromfrom hep-ph/0106120hep-ph/0106120

(J/(J/)) & & PRD-63-094006 (PRD-63-094006 ())

重味夸克素的模拟：重味夸克素的模拟： => => 采用采用 PYTHIA 6.3.24 in CMKIN_6_0_0,PYTHIA 6.3.24 in CMKIN_6_0_0,它同时包括了它同时包括了 CSMCSM 和和 COMCOM => 在在 LHCLHC 能量下模拟重味夸克素能量下模拟重味夸克素 ,, 采用从采用从 CDFCDF 拟合出的参数拟合出的参数 ,CMS,CMS 模拟用模拟用 FAMOFAMOSS程序程序为确认方法正确和调试为确认方法正确和调试 NRQCDNRQCD参数参数 ,,先重建先重建 CDFCDF 结果结果 ::

* √s =1800GeV


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=> 1M MC => 1M MC 事例事例=> NRQCD=> NRQCD 参数由参数由 CDFCDF

拟合给出拟合给出（（ hep-ph/0106120hep-ph/0106120 ））

=> => 用用 FAMOSFAMOS 作探测器模拟作探测器模拟

=> => 归一化到归一化到 1fb1fb-1-1

=> J/=> J/ P PTT > 8GeV/c, > 8GeV/c,

||| < 2.4| < 2.4

=> ∽=> ∽50005000 事例事例 /(GeV/c) @ 50GeV/c/(GeV/c) @ 50GeV/c

重味夸克素的模拟重味夸克素的模拟 (( 续续 1)1) ：： CMSCMS 探测的探测的 J/J/ΨΨ


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=> 1M MC=> 1M MC 事例事例

=> => : | : || < 2.4| < 2.4

重味夸克素的模拟重味夸克素的模拟 (( 续续 2)2) ：： CMSCMS 探测的探测的 ΥΥ

=> NRQCD=> NRQCD 参数由参数由 CDFCDF拟合给出拟合给出

（（ hep-ph/0106120hep-ph/0106120 ））

=> => 用用 FAMOSFAMOS 作探测器模拟作探测器模拟

=> => 归一化到归一化到 1fb1fb-1-1

=> => ∽∽500500 事例事例 /(GeV/c) @ 50GeV/c/(GeV/c) @ 50GeV/c


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从从 μμ 子角分布抽取极化参数子角分布抽取极化参数 ::2

21

21

3(cos ) (1 cos )

2( 3)

31: (1 cos )

83

1: (1 cos )4

I

I

I

1

3

: fully trans 。 polarization

: fully longi 。 polarization

1 1(cos ) (1 )I I I

极化参数的抽取：极化参数的抽取：

= -1

= +1 CMS efficiency


桂林， 2006 年 10 月 29 日

实线 :输入的 α值 ,误差点 : 拟合的 α值

Normalize to the MC templates

Weighted efficiency

2 3

11Signal Pt distribution

efficiency

Weighted efficiency

……

2

极化参数的抽取极化参数的抽取 (( 续续 1)1) ：：循环拟合循环拟合


桂林， 2006 年 10 月 29 日

极化参数的抽取极化参数的抽取 (( 续续 2)2) ：：神经网络拟合神经网络拟合

=> => 神经网络方法可以很好地拟合出输入值神经网络方法可以很好地拟合出输入值 ,,结果不依赖于结果不依赖于 αα或或 pptt

拟合误差分布拟合误差分布


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efficiency vs. Pt efficiency vs. η

J/J/ΨΨ筛选和探测效率筛选和探测效率：：单粒子模拟单粒子模拟 ::首先对不同横动量和快度的各种组合首先对不同横动量和快度的各种组合 ,, 产生数千个单产生数千个单 J/J/ΨΨ 粒子事例粒子事例 ,,并并

对每一事例加进对每一事例加进 Minimal BiasedMinimal Biased 本底本底 ;;模拟在模拟在 LHCLHC 运行初期、亮度较低时的环境。运行初期、亮度较低时的环境。

Mass resolution vs. Pt mass resolution vs. η

事例产生事例产生 :: 用用 CMKIN 4-CMKIN 4-3-1 (Pythia 6.2.23-1 (Pythia 6.2.27)7)

- - 定义定义 J/J/ΨΨ只衰变到只衰变到μμ++μμ

- - 在每个在每个 pptt 与与 ηη 区区间产生间产生 20002000 个单个单 JJ//ΨΨ事例事例

- - pptt区间区间 10, 30, 50,10, 30, 50, 70, 90 GeV/c 70, 90 GeV/c

- - ηη区间区间 0, 0.5, 1.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 0, 1.5, 2.0, 2.5

事例模拟事例模拟 :: 用用 OSCAR 3-7-0.OSCAR 3-7-0.事例重建事例重建 :: 用用 ORCA 8-7-3.ORCA 8-7-3.


桂林， 2006 年 10 月 29 日

模拟数据筛选模拟数据筛选 :: 分别应用储存在分别应用储存在 CERNCERN 的小批量及在意大利的大批量的小批量及在意大利的大批量（（ 2020 万个）万个） BB00ssJ/J/ΨΨ ( (μμ++μμ- ) - ) φφ(K+K-) (K+K-) 衰变模拟数据，用衰变模拟数据，用 CERNCERN 的的 LinuLinuxx 机群或机群或 LHCLHC 网格计算工具对网格计算工具对 J/J/ΨΨ 进行分析进行分析 ,, 研究重建效率、一级触发和研究重建效率、一级触发和高级触发效率等。高级触发效率等。

J/J/ΨΨ筛选和探测效率筛选和探测效率 (( 续续 1)1) ：：

能区 (2.95 – 3.25) GeV/c2 内选出 19971 双 μ事例

Mean=3.1115 GeV, Sigma=33.659 MeV

相对 pt 的 J/Ψ重建效率


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《《 CMS CMS 物理技术设计报告（物理技术设计报告（ PTDRPTDR ）（卷）（卷一）》一）》

的总结报告（的总结报告（ muonmuon 部分）的第部分）的第 1515 页页

U.Gasparini, CMC week Dec.05 15

Mass reconstruction

J/J/ΨΨ筛选和探测效率筛选和探测效率 (( 续续 2)2) ：：

CMS Analysis Note 2006/097

J μ μ Reconstruction in CMS

Zongchang YANG, Sijin QIANPeking University, China

April 2006 (Revised in September 2006)

AbstractIn this note the J/ψ → μ μ reconstruction was studied in details by using Bs J/ μ μ KK events. The reconstruction efficiencies of J/ψ and decayed di-muons were obtained at various PT and pseudo-rapidity . We also preliminarily studied the muon trigger efficiency and the J/ψ reconstruction with default L1 and HLT. It was observed that the muon reconstruction efficiency decreases in the case of two decayed muonswith a small or large 3D angular separation, which further affect the J/ψ reconstruction efficiency. In an earlier study with the simple J/ψ events, we obtained the upper limits of efficiency and mass resolution for J/ψ offline reconstruction in CMS.

北大组第一篇北大组第一篇 CMS Analysis Note (No. 2006-097) CMS Analysis Note (No. 2006-097) 已纂写完成已纂写完成《《 CMS CMS 物理技术设计报告（物理技术设计报告（ PTDRPTDR ）（卷一）》的总结报告（）（卷一）》的总结报告（ muonmuon

部分）引用了北大组的结果部分）引用了北大组的结果后续：后续：参与承担“参与承担“ CMSCMS 全规模数据处理和分析挑战”（全规模数据处理和分析挑战”（ CSA06CSA06 ）的）的

部分工作，开发从部分工作，开发从 CMSCMS 原始数据中筛选原始数据中筛选 J/J/ΨΨ的软件（正在进展中）的软件（正在进展中）


桂林， 2006 年 10 月 29 日

总结总结北大北大 CMS-RPCCMS-RPC 组承担的部分组承担的部分 RPCRPC 探测器建造与安装任务已接近完成，各项探测器建造与安装任务已接近完成，各项技术指标符合要求。技术指标符合要求。

结合探测器硬件工作经验，我们从高横动量结合探测器硬件工作经验，我们从高横动量 J/J/ΨΨ到双到双 μμ衰变事例展开物衰变事例展开物理分析工作；事例筛选和效率研究已取得进展，得到理分析工作；事例筛选和效率研究已取得进展，得到 CMSCMS 合作组的认可。合作组的认可。

NRQCDNRQCD预言不能解释预言不能解释 CDFCDF 实验结果。高亮度、高能量、好的实验结果。高亮度、高能量、好的 μμ探测的探测的 CMSCMS实验为解决该问题提供了有利条件。我们的模拟研究表明，可以从实验为解决该问题提供了有利条件。我们的模拟研究表明，可以从 CMSCMS数数据中准确抽取夸克素的极化参数，从而检验据中准确抽取夸克素的极化参数，从而检验 NRQCDNRQCD 理论。理论。

真实数据的筛选程序、本底和触发的研究等正在进行，争取在真实数据的筛选程序、本底和触发的研究等正在进行，争取在 CMSCMS 正式取正式取数后尽快得到物理结果数后尽快得到物理结果 ..

谢谢！谢谢！

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