Minimum Bias e Underlying Event
ad LHC
Filippo Ambroglini
(Università di Perugia)
Thanks to P.Bartalini, C.Buttar, L.Fanò, R.Field, M. Grothe,
A.Moraes, P. Skands, etc.
Interazioni p-p @ LHC
Interazione principale
ISR e FSR
Creazione dei Jet
Frammentazione e
Adronizzazione
MPI
Beam Remnant
protone
24/10/06
protone
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2
Minimum Bias e Underlying Event
protone
protone
elastica
24/10/06
singolo diffrattiva
Generica
interazione
protone-protone.
•Tutta
l’attività
di una
singola interazione
Elastici + Inelastici (inclusi
Diffrattivi).
particella-particella
oltre al
processo ~ 100
mb @ LHC.
“interessante”.
 Soft.State
Low PT,
low Multiplicity.
•Initial
Radiation
(ISR).
All’LHC,
molte
interazioni
MB
possono
•Final State Radiation (FSR). aver
luogo•Spettatori.
in un singolo beam crossing. <Nint> =
Linst * s.
•MPI interazioni partoniche multiple [T.
 MB può anche essere registrato se
Sjöstrand et al. PRD 36 (1987) 2019]
sono prodotte altre interazioni in grado
•UE è di
correlato
relativo processo
attivare al
il trigger.
“interessante”.
 Pile-up effect.
•Condivide
il verticecon
di interazione.
Che cosa si osserverebbe
un
•L’attività
dell’underlying
cresce
detector/trigger completamenteevent
inclusivo.
con la scala di energia del evento
associato
•Pedestal effect.
•Non è sempre qualcosa di “fastidioso” !
•Ricostruzione del vertice in Hgg.
•UE ≠ MB ma alcuni aspetti e concetti sono
simili
•Studio di Molteplicità & Pt delle tracce
cariche.
doppio diffrattiva
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inelastica
3
Studio del Minimum Bias
• La misura collegata all’analisi del MB è
la misura del numero di tracce cariche
in funzione di eta (Nchg vs h) e dello
spettro in Pt
– La misura dipende:
• dalle prestazioni del rivelatore
• dalle condizioni di trigger
24/10/06
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4
dNchg/dη at η=0
Tuning MonteCarlo
[A.Moraes et al.]
Stesso generatore due diverse
parametrizzazioni forniscono
una predizione per LHC che
differisce di ~ 30%
LHC
[R.Field]
√s (GeV)
24/10/06
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5
Tuning di Pythia
PYTHIA 6.227 CTEQ5L
Tune A
Tune DW
Tune DWT
ATLAS
MSTP(81)
1
1
1
1
MSTP(82)
4
4
4
4
PARP(82)
2.0 GeV
1.9 GeV
1.9409 GeV
1.8 GeV
PARP(83)
0.5
0.5
0.5
0.5
PARP(84)
0.4
0.4
0.4
0.5
PARP(85)
0.9
1.0
1.0
0.33
PARP(86)
0.95
1.0
1.0
0.66
PARP(89)
1.8 TeV
1.8 TeV
1.96 TeV
1.0 TeV
PARP(90)
0.25
0.25
0.16
0.16
PARP(62)
1.0
1.25
1.25
1.0
PARP(64)
1.0
0.2
0.2
1.0
PARP(67)
4.0
2.5
2.5
1.0
MSTP(91)
1
1
1
1
PARP(91)
1.0
2.1
2.1
1.0
PARP(93)
5.0
15.0
15.0
5.0
•Tune A: tuning di CDF sui dati del
run1 specifico sulle variabili del UE
•Tune Atlas: tuning effettuato sui
dati di UA5 ed ottimizzato per la
descrizione del MB
•Tune DW: Tune A + tune della
distribuzione in Pt dello Z
•Tune DWT: basato sul Tune DW ma
con la dipendenza dall’energia
(PARP(90) ) del Tune Atlas
[R.Field]
Z-Boson Transverse Momentum
0.12
PT Distribution 1/N dN/dPT
Parameter
CDF Run 1 Data
PYTHIA Tune DW
0.08
CDF Run 1
published
s = 2.1
1.8 TeV
Normalized to 1
0.04
0.00
0
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2
4
6
8
10
12
Z-Boson PT (GeV/c)
14
16
18
20
6
Confronto MC e dati
[R.Field]
Preliminary
Confronto Tune DW (linea continua)
e Tune DWT (linea tratteggiata)
con i dati di CDF
[R.Field]
Preliminary
Confronto Tune ATLAS
con i dati di CDF
24/10/06
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Studi per il Pilot Run
dipendente
dalMolteplicità
tuning usato
Atlas  Alta
e basso <Pt>
(tunanto per il MB)
DWT  Bassa Molteplicità e Alto <Pt>
(tunanto per UE)
24/10/06
P-Pbar @ 900 GeV/c
dN/dh
Novembre
2007
Per
meglioconfrontato
comprendere
dove
Abbiamo
le predizione
Non proprio
alleidiscrepanze
condizioni
nominali
l’origine
delle
abbiamo
ottenute
con
diversi
tuning
di Pythia
studiato
seguente
:
conpreviste…
i datilaraccolti
da funzione
UA5. Predizioni
•considerando
900 GeV CME
MB formato da HS e DD
• 75 ns= di
dN/dh
x(dN
(Trigger
UA5).
dd/dh)+(1-x)(dNhs/dh)
Discrepanze
fra il Tuning di Atlas ed i
• 1 -> 156 pacchetti/fascio
Comprendere
in sono
che misura
le con
tuning
in accordo
• 1010di
-> “CDF”
4*1010
protoni/paccehtto
27 ->visto
interazioni
influiscono
quanto
fino DD
ad10ora
deisulla
vari
• Luminosità
2*1031
nostra
misura e se il contributo è
confronti.
• <1 ev/bunch-crossing
Preliminary
Tune A
Tune DW
Tune DWT
Tune Atlas
UA5 Data
h
Preliminary
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Preliminary
8
Problematiche sperimentali
Preliminary
[R.Field]
Il problema per effettuare questa misura è
nel limite sul Pt minimo delle tracce che ci
viene imposto della risoluzione degli apparati
sperimentali.
<Pt> tracce MB ~ 650 MeV/c @ 14 TeV/c
<Pt> tracce MB ~ 500 MeV/c @ 900 GeV/c
dN/dh
dN/dh
Attualmente nelle configurazioni standar il
Pt minimo è 1 Gev/c
Preliminary
Pt> 0 GeV/c
Pt> 0.9 GeV/c
Preliminary
h
24/10/06
h
Poter scendere è fondamentale
altrimenti ricostruiamo solo il 10%
della attività.
• Si devono trovare setup che
mantengano il giusto rapporto fra
efficienza e purezza.
• Si deve tener conto del Multiple
Scattering
• Sviluppo di metodi alternativi
(semplice conteggio e non vera
ricostruzione)
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9
Misura del UE ad LHC
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)
Il jet carico più energetico definisce una direzione nel piano f
La regione trasversa è particolarmente sensibile al UE
Osservabili principali:
•dN/dhdf, densità di carica
•d(PTsum)/dhdf, 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 f
(dopo aver rimosso la coppia di m tutto il resto è UE)
24/10/06
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10
Jet carichi e Jet calorimetrici
DR fra il Jet carico più energetico
ed il jet calorimetrico più vicino
Confronto con i jet calorimetrici:
• HLT i jet sono ricostruiti con le
informazioni delle torri ed
utilizzando in ICA (0.5)
• Jet Carichi sono ricostruiti con ICA
(0.7) usando come input le tracce in
approssimazione massless
PT>0.9 GeV/c
|h|<1
Calibrazione e risoluzione Jet
Carichi
(PT REC-PT MC)/PT MC VS PT MC
24/10/06
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Studi a livello di ricostruzione (Jets)
dNch/dhdf VS Df
Densità di Tracce ed Energia
PT>0.9
|h|<1
transverse
dPTsum/dhdf VS Df
transverse
MB
JET60
JET120
away
toward
away
away
toward
away
MB = almeno un jet calorimetrico con Pt>20 GeV/c
JET60 = almeno un jet calorimetrico con Pt>60 GeV/c
JET120 = almeno un jet calorimetrico con Pt>120 GeV/c
24/10/06
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Studi a livello di ricostruzione (Jets)
Regione Trasversa
<Nch>/DhDf
PT>0.9
|h|<1
<PTsum>/DhDf
MC
MB
JET60
JET120
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.
24/10/06
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Studi a livello di ricostruzione (Jets)
Rapporto PT>0.9 / PT>0.5
Rapporto di <Nch>/DhDf
Rapporto di <PTsum>/DhDf
MC
MB
JET60
JET120
PT jet1
PT jet1
•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
•Perfetto l’accordo delle distribuzioni fra MC e RECO
• Con questo approccio non dobbiamo più introdurre fattori di correzione dovuti alla
ricostruzione delle tracce e dei jet
24/10/06
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Studio a livello di ricostruzione (D-Y)
Regione Trasversa
MC
REC
<Nch>/DhDf
MC
REC
<PTsum>/DhDf
M(m,m)
M(m,m)
•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 le correzioni alla
masse dei dimuoni e l’efficienza e purezza delle tracce.
24/10/06
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Studio a livello di ricostruzione (D-Y)
Regione Trasversa – Muoni Isolati
<Nch>/DhDf
MC
<PTsum>/DhDf
MC
•Muoni Isolati
• nessuna traccia con Pt> 0.9 GeV/c in un cono di raggio 0.3 nel
piano h-f attorno alla direzione del muone
• 76.9% di efficienza per eventi D-Y
•Nessun evento QCD supera la selezione
24/10/06
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Sviluppi futuri analisi UE
•
•
•
•
•
•
24/10/06
[P.Bartalini, M.Grothe]
Ad LHC abbiamo processi diffrattivi "duri" del tipo pp->pXp, attribuibili in
generale a DPE (Double Pomeron Exchange).
– La sezione d'urto per questi processi duri DPE non e' trascurabile (O(1mb)).
Un tipico pattern di un DPE e' avere due protoni nello stato finale (rivelabili
con TOTEM o forward detector) e Large Rapidity Gaps (LRG) tra i protoni e
X.
– I rapidity gaps sono intervalli di rapidità praticamente vuoti (no or few
charged/neutral particles)
– noi non vogliamo creare bias e quindi andremo solo a controllare la presenza dei
protoni
Allora X può essere un jet, e può essere usato per settare una scala di
energia (esempio PT del jet carico). Possiamo quindi comparare produzione
di jet non diffrattiva (la maggior parte) e produzione di jet diffrattiva e
studiare UE(PT_jet_carico).
La cosa interessante, e' che in pratica NELL'EVENTO DIFFRATTIVO NON
POSSONO ESSERCI MULTIPLE INTERACTIONS!!!
Attraverso questa metodologia sperimentale possiamo meglio studiare gli
effetti delle varie componenti dell‘UE (radiazione, remnants, multiple
interactions).
Per generare gli eventi duri DPE, plausibilmente useremo POMWIG
(purtroppo nei MC standard questi processi non ci sono).
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17
Conclusioni
• Per lo studio del UE ne è stata dimostrata la
fattibilità per eventi con Topologia D-Y e Di-Jet
– Capaci di distinguere fra diversi tuning usando il
rapporto fra le variabili del UE ricostruite con diverse
soglie per il Pt delle tracce
– Si sta indagando anche la possibilità di studiare UE
attraverso eventi diffrattivi
• Per i primi risultati di fattibilità della misura del
MB stiamo lavorando per diminuire la soglia del
Pt minimo delle tracce (< 500 MeV/c)
• Si è continuato nello sviluppo dei Tuning per
Pythia sia ATLAS che CMS hanno adottato il
Tune DWT
– Si stanno indagando i nuovi risultati ottenuti nel
confronto con i dati du UA5
24/10/06
Filippo Ambroglini - MCWS Frascati
18
Conclusioni
• Talk di P.Skands durante MC4LHC molti spunti
interessanti su nuove modellizzazioni per
descrivere UE
http://home.fnal.gov/~skands/slides/cern06ue.
ppt
• Il progresso teorico è in qualche modo più
avanti rispetto a quello sperimentale. Pythia 6.3
e i relativi modelli UE, power shower etc. sono
sul mercato da un pò, ma in pratica ancora
nessuno li ha guardato.
24/10/06
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[P.Skands]
24/10/06
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Studi a livello generatore (Jets)
dN/dhdf
La crescita per
PT>50 GeV/c
è dovuta alle
radiazioni
(ISR+FSR)
dPTsum/dhdf
PT>0.9
|h|<1
24/10/06
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Studi a livello generatore (D-Y)
dN/dhdf
dPTsum/dhdf
Charged Particle Density
Generator Level
14 TeV
PT>0.5
|h|<1
2.0
PY-ATLAS
PY Tune DW
1.5
1.0
0.5
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 GeV/c)
(excluding lepton-pair )
HERWIG
Charged PTsum Density: dPT/dhdf
4.0
Charged PTsum Density (GeV/c)
Charged Particle Density: dN/dhdf
2.5
0.0
0
250
500
750
1000
1250
PY-ATLAS
3.0
PY Tune DW
2.0
Generator Level
14 TeV
1.0
HERWIG
0.0
1500
0
250
Lepton-Pair Invariant Mass (GeV)
0.8
PY-ATLAS
PY Tune DW
0.4
HERWIG
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.9 GeV/c)
(excluding lepton-pair )
1000
1250
1500
Charged PTsum Density: dPT/dhdf
PY Tune DW
PY Tune DWT
3.0
2.0
PY-ATLAS
Generator Level
14 TeV
1.0
HERWIG
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.9 GeV/c)
(excluding lepton-pair )
0.0
0.0
0
250
500
750
1000
1250
1500
0
250
500
750
1000
1250
1500
Lepton-Pair Invariant Mass (GeV)
Lepton-Pair Invariant Mass (GeV)
24/10/06
750
4.0
Charged PTsum Density (GeV/c)
Charged Particle Density
PT>0.9
|h|<1
PY Tune DWT
Generator Level
14 TeV
500
Lepton-Pair Invariant Mass (GeV)
Charged Particle Density: dN/dhdf
1.2
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 GeV/c)
(excluding lepton-pair )
Filippo Ambroglini - MCWS Frascati
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Studi a livello generatore (D-Y)
dPTsum/dhdf
dN/dhdf
Charged Particle Ratio: PTmin = 900 & 500 MeV/c
0.8
PY Tune DW
Generator Level
14 TeV
Charged PTsum Ratio
Generator Level
14 TeV
Charged Particle Ratio
Charged PTsum Ratio: PTmin = 900 & 500 MeV/c
1.2
0.6
0.4
PY-ATLAS
0.2
HERWIG
1.0
PY Tune DW
0.8
PY-ATLAS
HERWIG
0.6
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 & 0.9 GeV/c)
(excluding lepton-pair )
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 & 0.9 GeV/c)
(excluding lepton-pair )
0.0
0.4
0
250
500
750
1000
Lepton-Pair Invariant Mass (GeV)
1250
1500
M(m,m)
0
250
500
750
1000
Lepton-Pair Invariant Mass (GeV)
1250
1500
M(m,m)
Rapporto 0.9/0.5 PT Tracce
PY-Atlas Tune  ottimizzato per MB ha una distribuzione di PT più
soffice che il PY-DW (fatto a CDF) ottimizzato per UE
HERWIG è un utile modello senza MPI
24/10/06
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23
Ricostruzione tracce “soffici”
Parametrizzazione Standard
QCD con range
Pt fra 20 e 30
GeV/c
L’algoritmo per la
ricostruzione delle
tracce come
possiamo vedere da
questi plot nella
configurazione
standard garantisce
un’ efficienza > 90%
ed una purezza < 1%
24/10/06
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24
Ricostruzione tracce “soffici”
Nuova Parametrizzazione
QCD con range
Pt fra 20 e 30
GeV/c
Modificando i parametri
del algoritmo di
ricostruzione delle
tracce vediamo che
diminuendo il Pt minimo a
500 MeV le prestazioni
rimangono sempre su
livelli accettabili con
efficienza > 85%
e purezza < 2%
24/10/06
Filippo Ambroglini - MCWS Frascati
25