Studi di Minimum Bias e Underlying Event ad LHC F.Ambroglini, P.Bartalini, L.Fanò (members of the MBUE@CMS group)

Studi di Minimum Bias e Studi di Minimum Bias e Underlying Event ad LHCUnderlying Event ad LHC

F.Ambroglini, P.Bartalini, L.Fanò(members of the MBUE@CMS group)

Filippo Ambroglini - IFAE20-04-2006 2

SommarioSommario

Perché effettuare studi di Perché effettuare studi di MB e UEMB e UE

Introduzione alla Introduzione alla terminologiaterminologia

Osservabili e strategie di Osservabili e strategie di Misura per UE a LHCMisura per UE a LHC


Motivazioni allo studio delMotivazioni allo studio del Minimum Bias e Minimum Bias e

dell’Underlying Eventdell’Underlying Event Studio della “soft” QCDStudio della “soft” QCD

I Modelli forniscono una connessione profonda I Modelli forniscono una connessione profonda ad aspetti fondamentali delle collisioni adrone-ad aspetti fondamentali delle collisioni adrone-adroneadrone

Struttura degli adroni, Fattorizzazione delle Struttura degli adroni, Fattorizzazione delle interazioniinterazioni

Tuning dei Modelli Monte CarloTuning dei Modelli Monte Carlo Comprensione del rivelatoreComprensione del rivelatore

Occupanze, Backgrounds etc.Occupanze, Backgrounds etc. Calibrazione di tools di primaria importanzaCalibrazione di tools di primaria importanza

Jet Energy, Missing Energy, Jet Vetoes, Vertex Jet Energy, Missing Energy, Jet Vetoes, Vertex Reconstruction, Photon/Lepton IsolationReconstruction, Photon/Lepton Isolation


Minimum Bias (MB)Minimum Bias (MB) Generica interazione particella-particella.Generica interazione particella-particella. Elastici + Inelastici (inclusi Diffractivi). Elastici + Inelastici (inclusi Diffractivi). ~ 100 ~ 100

mb @ LHC.mb @ LHC. Soft. Low PSoft. Low PTT, low Multiplicity., low Multiplicity.

Che cosa si osserverebbe con un Che cosa si osserverebbe con un detector/trigger completamente inclusivo.detector/trigger completamente inclusivo.

All’LHC, molte interazioni MB possono aver All’LHC, molte interazioni MB possono aver luogo in un singolo beam crossing. luogo in un singolo beam crossing. <N<Nintint> = > = LLinstinst * * MB può anche essere registrato se sono prodotte MB può anche essere registrato se sono prodotte

altre interazioni in grado di attivare il trigger.altre interazioni in grado di attivare il trigger.

Pile-up effect.Pile-up effect.

I rivelatori di tracciatura possono essere utilizzati per I rivelatori di tracciatura possono essere utilizzati per distinguere tracce associate a diversi vertici primari.distinguere tracce associate a diversi vertici primari.

Situazione più complessa a livello dei calorimetri: è Situazione più complessa a livello dei calorimetri: è necessario impiegare metodologie di energy flow.necessario impiegare metodologie di energy flow.


Underlying Event (UE)Underlying Event (UE) Tutta l’attività di una singola interazione Tutta l’attività di una singola interazione

particella-particella oltre al processo particella-particella oltre al processo “interessante”. “interessante”. Initial State Radiation (ISR).Initial State Radiation (ISR). Final State Radiation (FSR).Final State Radiation (FSR). Spectators.Spectators. MPI interazioni partoniche multiple MPI interazioni partoniche multiple

[T. Sjöstrand et al. PRD 36 (1987) 2019] UE è correlato al relativo processo UE è correlato al relativo processo

“interessante”.“interessante”. Condivide il vertice di interazione.Condivide il vertice di interazione. L’attività dell’underlying event cresce con la scala L’attività dell’underlying event cresce con la scala

di energia del evento associato di energia del evento associato

Pedestal effect.Pedestal effect. Non è sempre qualcosa di “fastidioso” ! Non è sempre qualcosa di “fastidioso” !

Ex. Ex. Ricostruzione del vertice inRicostruzione del vertice in HH

UE ≠ MB ma alcuni aspetti e concetti sono UE ≠ MB ma alcuni aspetti e concetti sono similisimili Studio di Multiplicità & PStudio di Multiplicità & PTT delle tracce cariche. delle tracce cariche.


Strategie per la misura del Strategie per la misura del UE ad LHCUE ad LHC

Osservabili prinicipali:• dN/dd, densità di carica• d(PTsum)/dd, densità di energia

Produzione D-Y di coppie di muoni:

Le osservabili sono le stesse di quelle definite per i jet carichi solo si vanno a valutare in tutto il piano

(dopo aver rimosso la coppia di tutto il resto è UE)

Il jet carico più energetico definisce una direzione nel piano La regione trasversa è particolarmente sensibile al UE

Jet carichi:La topologia dell’interazione p-p viene desunta dall’informazione sulle tracce cariche, ricostruendo i jet con ICA (input particelle cariche senza massa)


Studi a livello generatore Studi a livello generatore (Jet carichi) (Jet carichi)

dN/dd

dPTsum/dd

La crescita perPT>50 GeV/c è dovuta alleradiazioni deigluoni (ISR+FSR)

PT>0.9||<1


Studi a livello generatore Studi a livello generatore (D-Y)(D-Y)

PT>0.9||<1

PT>0.5||<1

Charged PTsum Density: dPT/dd

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

0 250 500 750 1000 1250 1500

Lepton-Pair Invariant Mass (GeV)

Ch

arg

ed

PT

su

m D

en

sit

y (

GeV

/c)

HERWIG

PY-ATLAS

PY Tune DW

Charged Particles (||<1.0, PT>0.5 GeV/c)(excluding lepton-pair )

Generator Level14 TeV

Charged PTsum Density: dPT/dd

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

0 250 500 750 1000 1250 1500


Ch

arg

ed

PT

su

m D

en

sit

y (

GeV

/c)



PY Tune DWT

PY Tune DW

PY-ATLAS

HERWIG

Charged Particle Density: dN/dd

0.0

0.4

0.8

1.2

0 250 500 750 1000 1250 1500


Ch

arg

ed P

arti

cle

Den

sity



HERWIG

PY-ATLASPY Tune DW

PY Tune DWT

Charged Particle Density: dN/dd

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 250 500 750 1000 1250 1500


Ch

arg

ed P

arti

cle

Den

sity


Charged Particles (||<1.0, PT>0.5 GeV/c)(excluding lepton-pair ) HERWIG

PY Tune DWPY-ATLAS

dN/dd dPTsum/dd

PY-Atlas Tune ottimizzato per MBha una distribuzione di PT più soffice che il PY-DW (fatto a CDF) ottimizzato per UEHERWIG è un utile modello senza MPI


Trigger per UE in JetsTrigger per UE in Jets

Attualmente non si ha un trigger specifico per il MB.Attualmente non si ha un trigger specifico per il MB. Trigger dedicato:Trigger dedicato:

trigger sui trigger sui 0, trigger sulle torri calorimetriche, 0, trigger sulle torri calorimetriche, jet sofficejet soffice, , forward trigger…forward trigger…

Utilizzando altre stream:Utilizzando altre stream: In questo modo tutte le altre interazioni di PU diventano eventi di In questo modo tutte le altre interazioni di PU diventano eventi di

segnale segnale unbiasedunbiased

Durante il pilot run (pp/X-bunch <1) sarà comunque Durante il pilot run (pp/X-bunch <1) sarà comunque indispensabile avere un trigger dedicatoindispensabile avere un trigger dedicato

Per questi studi sono state utilizzate le seguenti soglie Per questi studi sono state utilizzate le seguenti soglie di trigger, richiedendo almeno 1 jet calorimetrico condi trigger, richiedendo almeno 1 jet calorimetrico con PT>20 GeV/c PT>20 GeV/c (MB trigger)(MB trigger) PT>60 GeV/cPT>60 GeV/c PT>120 GeV/c PT>120 GeV/c


Studi a livello di dati Studi a livello di dati ricostruiti (Jet carichi) - ricostruiti (Jet carichi) -

Distibuzioni di densità Distibuzioni di densità dNch/dd VS dPTsum/dd VS

toward away

transverse

awaytoward away

transverse

away

MBJET60JET120

PT>0.9||<1



regione trasversaregione trasversa

MCMBJET60JET120

<PTsum>/<Nch>/

PT>0.9||<1

PT jet1 GeV/c PT jet1 GeV/c

•Gli eventi sono stati pesati con le sezioni d’urto:• le barre di errore sono dominate dall’incertezza statistica• Luminosità è arbitraria ma scalata correttamente per ogni trigger

•Buono l’accordo delle distribuzioni fra MC e RECO• Le differenze sono compatibili con le correzioni aspettate per i jet

carichi e l’efficienza e fake delle tracce.



regione trasversaregione trasversa

MCMBJET60JET120

<PTsum>/

Rapporto PT>0.9/PT>05 ||<1

PT jet1 GeV/c

Le differenze fra MC e RECO vengono assorbite nel rapporto e non si devono più applicare correzioni


Studi a livello di dati Studi a livello di dati ricostruiti (D-Y) Regione ricostruiti (D-Y) Regione

trasversatrasversaMCREC

<Nch>/ <PTsum>/

M(,) GeV/c

MCREC

•Si ha poca statistica per eventi con Z off-shell:• le barre di errore sono dominate dall’incertezza statistica• Luminosità è arbitraria ma scalata correttamente

•Buono l’accordo delle distribuzioni fra MC e RECO• Le differenze sono compatibili con le correzioni aspettate per i jet

carichi e l’efficienza e fake delle tracce.

M(,) GeV/c


ConclusioniConclusioni

Quando LHC verrà acceso e avremo i primi dati Quando LHC verrà acceso e avremo i primi dati “usabili” saremo in grado con gli attuali strumenti “usabili” saremo in grado con gli attuali strumenti di effettuare misuare di UE sia utilizzando i jet di effettuare misuare di UE sia utilizzando i jet carichi e per la prima volta in un collider adronico carichi e per la prima volta in un collider adronico (CDF permettendo) utilizzando eventi D-Y (CDF permettendo) utilizzando eventi D-Y

Backup slidesBackup slides


Multiple Parton Multiple Parton Interactions (MPI)Interactions (MPI)

ISR, FSR, SPECTATORS… Non sufficienti per dare conto delle alte molteplicità osservate ai collider adronici

The Pythia solution: [T. Sjöstrand et al. PRD 36 (1987) 2019]

Multiple Parton Interactions

Multiple high PT interactions osservate da AFS, UA2, CDF!!!

d

ImpactParameter

Modello con parametro d’impatto Modello con parametro d’impatto variabile tra gli adroni; la variabile tra gli adroni; la materia adronica può essere materia adronica può essere descritta da Gaussianedescritta da Gaussiane

< N< Nintint > = > = parton-partonparton-parton / /proton-protonproton-proton

Interazioni partoniche multiple in una singola collisione adronica

Parametro principale: PT cut-off

Regolarizzazione delle sezioni d’urto per PT 0 Può essere interpretato come l’inverso di una lunghezza di screening Controlla il numero di interazioni partoniche e conseguentemente le molteplicità

Introduce correlazioni IP nelle Introduce correlazioni IP nelle Multiple Parton Interactions!Multiple Parton Interactions!

Pedestal Effect


Tuning MC ed Tuning MC ed estrapolazioni ad LHCestrapolazioni ad LHC

LHCb (Pythia6.134)LHCb (Pythia6.134) [P. Bartalini et al., CERN [P. Bartalini et al., CERN 2000-004]2000-004] MPI con parametro d'impatto variabile e con cut-off MPI con parametro d'impatto variabile e con cut-off

runningrunning hanno successo nel riprodurre lo spettro di hanno successo nel riprodurre lo spettro di molteplicita‘ MB molteplicita‘ MB

CDF (Pythia6.206)CDF (Pythia6.206) [R. Field et al., PRD 65 [R. Field et al., PRD 65 (2003) 092002](2003) 092002] L'attivita' nella regione trasversa e' descritta da L'attivita' nella regione trasversa e' descritta da

pythia “Tune A”pythia “Tune A” altri modelli non hanno la stessa altri modelli non hanno la stessa precisione precisione

La sensibilita' all'attivita' underlying aumenta La sensibilita' all'attivita' underlying aumenta selezionando topologie di stato finale particolari: selezionando topologie di stato finale particolari: jetsjets

ATLAS (Pythia6.214)ATLAS (Pythia6.214) [A.M.Moraes et al., hep-[A.M.Moraes et al., hep-ph/0403100]ph/0403100] Ha il Ha il miglior accordo “globale” con i datimiglior accordo “globale” con i dati (sia MB che (sia MB che

UE)UE) Il tuning di CDF funziona bene per descrivere l'UE al Il tuning di CDF funziona bene per descrivere l'UE al

Tevatron ma l'accordo sul MB a bassa energia non e' Tevatron ma l'accordo sul MB a bassa energia non e' buonissimobuonissimo


Studi a livello di dati Studi a livello di dati ricostruiti (D-Y)ricostruiti (D-Y)

PT>0.9||<1

(MRec – M

MC)/MMC VS M

MC(MRec – M

MC)/MMC

M(,) Gev/c

Lo spostamento sistematico della massa è da attribuirsi alla simulazione.


MC

<Nch>/<PTsum>/

MC

Studi a livello di dati Studi a livello di dati ricostruiti (D-Y) Regione ricostruiti (D-Y) Regione trasversa (isolamento)trasversa (isolamento)

M(,) GeV/c

Criteri di isolamento per i muoni:• Nessuna traccia con PT > 0.9 GeV/c in un cono di raggio 0.3 nel piano

lungo la direzione del Efficienza del 76.9% su eventi D-Y nessun evento di QCD (22) supera il taglio di isolamento

L’attuale statistica che abbiamo a disposizione non ci consente di effettuare predizioni ragionevoli al di sopra dei 100 GeV/c

M(,) GeV/c

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