Minimum Bias,
Underlying Event e
Tuning dei Modelli Monte
Carlo
al Large Hadron Collider
Paolo Bartalini
(University of Florida)
Thanks to F.Ambroglini, N.Brook, C.Buttar, J.Butterworth,
G.Davatz, I.Dawson, L.Fanò, R.Field, S.Hoeche, M.L.Mangano,
C.Mesropian, A.Moraes, O.Schneider, T.Sjöstrand, V.Tano, etc.
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Final States at the Large Hadron Collider
Event rate
(Selected in MB)
Level-1
Pedestal Effect
On tape
Discovery
“Golden Channel”
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Motivazioni allo studio del
Minimum Bias e dell’Underlying
Event

Studio della “soft” QCD

I Modelli forniscono una connessione profonda ad aspetti
fondamentali delle collisioni adrone-adrone

Struttura degli adroni, Fattorizzazione delle interazioni
Tuning dei Modelli Monte Carlo
 Comprensione del rivelatore


Occupanze, Backgrounds etc.
Calibrazione di tools di primaria importanza

Jet Energy, Missing Energy, Jet Vetoes, Vertex
Reconstruction, Photon/Lepton Isolation
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Definizioni e Terminologia

Minimum Bias (MB)


Generica interazione particella-particella.
Elastici + Inelastici (inclusi Diffractivi). ~ 100 mb @ LHC.
 Soft. Low PT, low Multiplicity.


Che cosa si osserverebbe con un detector/trigger completamente inclusivo.
All’LHC, molte interazioni MB possono aver luogo in un singolo beam crossing. <Nint> = Linst * s.
 MB può essere registrato se sono prodotte altre interazioni in grado di attivare il trigger.
 Pile-up effect.
I rivelatori di tracciatura possono essere utilizzati per distinguere tracce associate a diversi vertici primari.
Situazione più complessa a livello dei calorimetri: è necessario impiegare metodologie di energy flow.

Underlying Event (UE)

Tutta l’attività di una singola interazione particella-particella oltre al processo “interessante”.





Initial State Radiation (ISR).
Final State Radiation (FSR).
Spectators.
… non è sufficiente! Che cos’altro ??? (Lo vedremo fra poco…).
UE è correlato al relativo processo “interessante”.


Condivide il vertice di interazione.
L’attività dell’underlying activity cresce con il PT dei jet e con le masse delle particelle prodottePedestal
effect.


Non è sempre qualcosa di “fastidioso” ! Ex. Ricostruzione del vertice in Hgg.
UE ≠ MB ma alcuni aspetti e concetti sono simili

Studio di Multiplicità & PT delle tracce cariche.
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Multiple Parton 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!!!
Interazioni partoniche multiple in
una singola collisione adronica
Modello con parametro d’impatto
variabile tra gli adroni; la materia
adronica può essere descritta da
Gaussiane
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
< Nint > = sparton-parton /sproton-proton
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
d
Introduce correlazioni IP nelle
Multiple Parton Interactions!
Impact
Parameter
Pedestal Effect
Paolo Bartalini (University of Florida)
Minimum Bias (MB)
Charged Multiplicity Tuning di Pythia
[P. Bartalini et al., CERN 2000-004, pgg 293-300].
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
MB: Charged Multiplicity Tuning di
Pythia
Extrapolazione all’energia di LHC


UA5 at s = 53, 200, 546, 900 GeV
[Z. Phys. C 33 (1986) 1]
CDF at s = 630, 1800 GeV
[PRD 41 (1989) 2330]
Puzzle



Le nuove PDFs comportano un
maggiore color screening a low x
?
x G(x,Q2)  x- for x  0
PT cut-off regolato in modo da
riprodurre la molteplicità misurata
per ogni PDF
PT cut-off fittato con funzione 2
esponenziale
s
PT min = PTLHC
min




 14 TeV 
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Accordo con il fit
fenomenologico
[CERN 2000-004, pgg 293-300]
CTEQ4L
Soluzione del
Puzzle
Paolo Bartalini (University of Florida)
MB: Risultati del Pythia Multiplicity
Tuning
MPI
Model
PDFS
MSTP(82)
PTLHC
(GeV/c)

PARP(82) *
PARP(90)/2.
3
CTEQ2L
1.99 0.11
0.0480.006
3
GRV94L
4.06 0.17
0.1030.006
3
CTEQ4L
3.47 0.17
0.0870.005
1
CTEQ4L
3.12 0.16
0.1000.005
* PARP(81) for
MPI Model = 1
Pythia defaults for MPI Models > 1:
Pythia
version
PDFS
PTLHC
(GeV/c)

5.7xx
CTEQ2L
1.55
0
<6.120
GRV94L
2.10
0
>6.120
GRV94L
3.20
0.08
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
MB: Distribuzione della Charged
Multiplicity
Scelta del multiple interaction model:
Tutti gli adroni equivalenti (MSTP(82)=1)
Nessuna interazione possibile al di sotto del PT cut-off
Tutte le interazioni partoniche sono equivalenti
Varying impact parameter between the colliding hadrons.
Spegnimento continuo della sezione d’urto al di sotto del PT cut-off
Interazioni partoniche correlate
Materia adronica descritta da una (MSTP(82)=3) o due (MSTP(82)=4)
Gaussian(s)

I modelli con parametro
d’impatto variabile sono
stati inventati per
descrivere la forma della
charged multiplicity di UA5
[PLB 138 (1984) 304].

Questo Tuning: Pythia
6.134 con double
diffraction e PT cut-off
regolato in modo da
riprodurre molteplicità di
carica media ad h=0
NSD
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
MB Multiplicity Tuning
Bottom Line

Il confronto tra Pythia e i dati sperimentali di UA5 e CDF dimostra che i
Multiple Parton Interaction models riproducono con successo le
osservabili di molteplicità di carica in eventi di minimum bias.

Con l’introduzione delle PDFs “post-HERA” appare necessario
prevedere un running esponenziale del parametro PT cut-off delle MPI.
Le predizioni fatte con PT cut-off fissato portano probabilmente ad una
sovra-stima delle osservabili di molteplicità.

La forma della distribuzione di molteplicità di carica è ben descritta
soltanto dai modelli MPI con parametro d’impatto variabile, i.e. “varying
impact parameter” MPI models.
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Studio dell’Underlying Event a CDF
[R.Field et al., PRD 65 (2003) 092002]
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Basic Underlying Event Observables
(from the CDF experience)
Jet #1
Direction
Df
Away
Transverse
“Toward”
“Transverse”
“Transverse”
“Away”
Jet #1
Toward
Transverse
- “Charged jet” definition with R=0.7
- Assign all charged particles (PT> 0.5
GeV/c) and |h|<1 to a jet
In the three different zones define:
- Charged Multiplicity
- S PT (charged tracks)
Transverse regions are expected to be
sensitive to the Underlying Event
Away
Rapid growth and then
constant plateau for PT1>5GeV/c
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Smooth connection between
Minimum bias and jet events
R.Field et al
Paolo Bartalini (University of Florida)
Improving the Pythia Tuning in the
Transverse Region
Mean number of charged tracks in the “Transverse”
region vs PT of the leading jet compared to MC results
Good agreement
with tuned
Pythia 6.206
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
R.Field et al
Paolo Bartalini (University of Florida)
Pythia - CDF Tuning
PYTHIA 6.206 Tune Set A (CTEQ5L)
Parameter
Default
Tune
PARP(67)
1.0
4.0
MSTP(81)
1
1
Turns on MPI
MSTP(82)
1
4
Double Gaussian matter distribution.
PARP(82)
1.9
2.0
Cut-off for MPI, PT0.
PARP(83)
0.5
0.5
Warm Core: 50% of matter
PARP(84)
0.2
0.4
Warm Core: relative radius of 0.4.
PARP(85)
0.33
0.9
Probability that the MPI produces two gluons with colour
connections to the "nearest neighbours".
Probability that the MPI produces two gluons either as described by
PARP(85) or as a closed gluon loop. The remaining fraction
consists of quark-antiquark pairs.
PARP(86)
0.66
0.95
PARP(89)
1,000.0
1,800.0
PARP(90)
0.16
0.25
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Description
Scale factor that governs the amount of initial-state radiation.
Determines the reference energy E0.
Determines the energy dependence of the cut-off PT0 as follows
PT0(Ecm) = PT0(Ecm/E0)PARP(90).
R.Field et al
Paolo Bartalini (University of Florida)
CDF UE Studies: Bottom Line
• CDF Examines the jet event structure up to 50 GeV looking at Toward, Away
and Transverse regions in azimuth for central rapidities
• The Transverse region is expected to be sensitive to the underlying event
• CDF underlying event data in the Transverse region can be described with
appropriate tunings for PYTHIA (“Tune A”), other models (HERWIG, ISAJET)
fail to reproduce the charged multiplicity and PT spectra
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
R.Field et al
Paolo Bartalini (University of Florida)
CDF
UE: highlights recenti
 Vedere anche i contributi di R.Field al workshop TeV4LHC e agli altri
w/s.

La sensibilità alle componenti “beam remnant” e “multiple
interactions” dell’underlying event può essere aumentata selezionando
topologie con jet back-to-back.

Estenzione dell’analisi a topologie Drell-Yan.

Estenzione del tuning alle PDFs più recenti.
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
“TransMIN” PTsum Density
versus ET(jet#1)
“Leading Jet”
Jet #1 Direction
"MIN Transverse" PTsum Density: dPT/dhdf
Df
“Toward”
“TransMAX”
"Transverse"
"Transverse" PTsum
PTsum Density
Density (GeV/c)
(GeV/c)
0.6
0.6
CDF Run 2 Preliminary
Jet #1 Direction
“TransMIN”
“Away”
1.96 TeV
TeV
1.96
data uncorrected
uncorrected
data
theory ++ CDFSIM
CDFSIM
theory
Df
Leading
Leading Jet
Jet
PY Tune A
0.4
0.4
“Toward”
“Back-to-Back”
Jet #1 Direction
Df
“Toward”
“TransMAX”
“TransMIN”
“Away”
Jet #2 Direction
“TransMAX”
0.2
0.2
“TransMIN”
Min-Bias
HW
Back-to-Back
Back-to-Back
“Away”
Charged Particles
Particles (|h|<1.0,
(|h|<1.0, PT>0.5
PT>0.5 GeV/c)
GeV/c)
Charged
0.0
0.0
00
50
50
“transMIN” is very sensitive to the
“beam-beam remnant” component
of the “underlying event”!
100
100
150
150
200
200
250
250
ET(jet#1) (GeV)
(GeV)
ET(jet#1)
 Use the leading jet to define the MAX and MIN “transverse” regions on an event-byevent basis with MAX (MIN) having the largest (smallest) charged particle density.
 Shows the “transMIN” charge particle density, dNchg/dhdf, for pT > 0.5 GeV/c, |h|
< 1 versus ET(jet#1) for “Leading Jet” and “Back-to-Back” events.
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
R.Field et al.
Paolo Bartalini (University of Florida)
CDF Run 1 PT(Z)
PYTHIA 6.2 CTEQ5L
Parameter
Tune A
Tune AW
Z-Boson Transverse Momentum
UE Parameters
1
1
MSTP(82)
4
4
PARP(82)
2.0 GeV
2.0 GeV
PARP(83)
0.5
0.5
PARP(84)
0.4
0.4
PARP(85)
0.9
0.9
PARP(86)
0.95
0.95
PARP(89)
1.8 TeV
1.8 TeV
PARP(90)
0.25
0.25
PARP(62)
1.0
1.25
PARP(64)
1.0
0.2
PARP(67)
4.0
4.0
MSTP(91)
1
1
PARP(91)
1.0
2.1
PARP(93)
5.0
15.0
PT Distribution 1/N dN/dPT
MSTP(81)
0.12
CDF Run 1 Data
PYTHIA Tune AW
0.08
CDF Run 1
published
s = 2.1
1.8 TeV
Normalized to 1
0.04
0.00
ISR Parameters
Intrensic KT
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Z-Boson PT (GeV/c)

Shows the Run 1 Z-boson pT distribution
(<pT(Z)> ≈ 11.5 GeV/c) compared with
PYTHIA Tune AW (<pT(Z)> = 11.7 GeV/c).
Tune AW fits the PT(Z) distribution and
the “underlying event” at CDF!
Paolo Bartalini (University of Florida)
The “Underlying Event” in
Drell-Yan Production
Lepton
The “Underlying Event”
Charged particle density
versus M(lepton pair)
HERWIG (without MPI)
is much less active than
PY Tune AW (with MPI)!
“Central Region ”
Anti -Lepton
Charged Particle Density: dN/dhdf
1.0
Charged Particle Density
RDF Preliminary
generator level
PY Tune AW
0.8
0.6
0.4
HERWIG
0.2
Drell-Yan
1.96 TeV
Z
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 GeV/c)
(excluding lepton-pair )
0.0
0
50
100
150
200
250
Lepton-Pair Invariant Mass (GeV)

Charged particle density versus the lepton-pair invariant mass
at 1.96 TeV for PYTHIA Tune AW and HERWIG (without MPI).
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
R.Field et al.
Paolo Bartalini (University of Florida)
CTEQ6.1 Tune (using LHAPDF)
PYTHIA 6.2 CTEQ6.1
Tune
Tune
QW
MSTP(81)
1
1
MSTP(82)
4
4
1.2
GeV
1.2
GeV
PARP(82)
PARP(83)
0.5
0.5
"Transverse" Charged Particle Density: dN/dhdf
1.0
"Transverse" Charged Density
UE Parameters
Paramete
PY Tune Q
CTEQ61
RDF Preliminary
generator level
0.8
0.6
PY Tune A
CTEQ5L
PY Tune A
CTEQ61
0.4
"Leading Jet"
0.2
1.96 TeV
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 GeV/c)
0.0
PARP(84)
0.4
0.4
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
PT(particle jet#1) (GeV/c)
PARP(85)
0.9
0.9
PARP(86)
0.95
0.95
"Transverse" PTsum Density: dPT/dhdf
Intrensic KT
PARP(89)
1.8
1.8 TeV
PARP(90)
0.25
0.25
PARP(62)
1.0
1.25
PARP(64)
1.0
0.2
PARP(67)
4.0
4.0
MSTP(91)
1
1
PARP(91)
1.0
2.1
PARP(93)
5.0
15.0
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
"Transverse" PTsum Density (GeV/c)
ISR Parameters
1.6
PY Tune Q
CTEQ61
RDF Preliminary
generator level
1.2
PY Tune A
CTEQ5L
0.8
PY Tune A
CTEQ61
0.4
"Leading Jet"
1.96 TeV
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 GeV/c)
0.0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
PT(particle jet#1) (GeV/c)
Paolo Bartalini (University of Florida)
Descrizione del Minimum Bias e
dell’Underlying Event all’LHC
PYTHIA6.214 – Tuned & Comparison between Pythia and Phojet
[A.M.Moraes, C.Buttar and I.Dawson, hep-ph/0403100, pgg 8-16]
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Comments
PYTHIA6.2 Default
ATLAS – TDR
(PYTHIA5.7)
CDF – Tune A
(PYTHIA6.206)
PYTHIA6.214 Tuned
Generated processes
(QCD + low-PT)
Non-diffractive inelastic
(MSEL=1)
Non-diffractive inelastic
(MSEL=1)
Non-diffractive inelastic
+ double diffraction
(MSEL=0, ISUB 94
and 95)
Non-diffractive +
double diffraction
(MSEL=0, ISUB 94
and 95)
p.d.f.
CTEQ 5L
(MSTP(51)=7)
CTEQ 2L
(MSTP(51)=9)
CTEQ 5L
(MSTP(51)=7)
CTEQ 5L
(MSTP(51)=7)
Multiple interactions
models
MSTP(81) = 1
MSTP(82) = 1
MSTP(81) = 1
MSTP(82) = 4
MSTP(81) = 1
MSTP(82) = 4
MSTP(81) = 1
MSTP(82) = 4
PT min
PARP(82) = 1.9
PARP(89) = 1 TeV
PARP(90) = 0.16
PARP(82) = 1.55
no energy depend.
PARP(82) = 2.0
PARP(89) = 1.8 TeV
PARP(90) = 0.25
PARP(82) = 1.8
PARP(89) = 1 TeV
PARP(90) = 0.16
Core radius
20% of the hadron radius
(PARP(84) = 0.2)
20% of the hadron radius
(PARP(84) = 0.2)
40% of the hadron radius
(PARP(84) = 0.4)
50% of the hadron
radius
(PARP(84) = 0.5)
Gluon production
mechanism
PARP(85) = 0.33
PARP(86) = 0.66
PARP(85) = 0.33
PARP(86) = 0.66
PARP(85) = 0.9
PARP(86) = 0.95
PARP(85) = 0.33
PARP(86) = 0.66
αs and K-factors
MSTP(2) = 1
MSTP(33) = 0
MSTP(2) = 2
MSTP(33) = 3
MSTP(2) = 1
MSTP(33) = 0
MSTP(2) = 1
MSTP(33) = 0
Regulating initial
state radiation
PARP(67) = 1
PARP(67) = 4
PARP(67) = 4
PARP(67) = 1
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
A.M.Moraes et al.
Paolo Bartalini (University of Florida)
F(z) = <nchg > P(nchg)
F(z) = <nchg > P(nchg)
MB: KNO Distributions at UA5 and
E735
z = nchg /<nchg >
KNO Scaling [Koba, Nielsen, Olesen, Nucl. Rev. B40 (1972) 371]
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
A.M.Moraes et al.
z = nchg /<nchg >
High-multiplicity events are
described differently by each tuning
Paolo Bartalini (University of Florida)
dNchg/dη at η=0
MB: Evolution of the Charged
Multiplicity in the Central Region
LHC
√s (GeV)
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
A.M.Moraes et al.
Paolo Bartalini (University of Florida)
LHC
PYTHIA6.214 - tuned
dNchg/dη at η=0
Transverse < Nchg >
UE and MB: PYTHIA vs PHOJET
PHOJET1.12
x3
x1.5
< Nchg > in 3.6° bins
PT (leading jet in GeV)
LHC
PYTHIA6.214 - tuned
PHOJET1.12
LHC
Pt ljet > 30 GeV/c
√s (GeV)
Tevatron
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
• PYTHIA models favour ln2(s)
• PHOJET suggests a ln(s) dependence.
| f- fljet |
A.M.Moraes et al.
Paolo Bartalini (University of Florida)
LHC predictions: pp collisions at √s = 14 TeV
Observable
PYTHIA6.214 –
tuned
PHOJET1.12
Δ%
σtot (mb)
101.5
22.5
65.7
119.1
34.5
73.8
17.3
53.3
12.3
σelas (mb)
σNSD (mb)
Minimum bias Predictions
<nchg>
dNchg/dη plaeau
for |η|<2.5
dNchg/dη at η = 0
<pT> at η = 0 (GeV)
ntot (|η|<15)
ntot (|η|<2.5)
91.0
~ 7.0
69.6
~ 5.5
30.7
27.3
6.8
0.55
158.4
60.9
5.1
0.64
115.1
45.5
33.3
16.3
37.6
33.8
Underlying Event Predictions
<Nchg> pTljet > 10 GeV
~ 6.5
~ 3.0
~ 115
<pTsum> pTljet > 10 GeV
~ 7.5
~ 3.5
~ 115
dNchg/dη pTljet > 10 GeV
~ 29.0
~ 13.3
~ 125
UE/Min-bias pTljet > 10 GeV
~4
~2
~ 100
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
A.M.Moraes et al.
Paolo Bartalini (University of Florida)
ATLAS MB & UE Study: Bottom Line
• Current minimum bias and underlying event data can be described with appropriate
tunings for PYTHIA and PHOJET.
• PYTHIA6.214 – tuned and PHOJET1.12 with its default settings give the best “global”
agreement to the data
• CDF tuning (“tune A”) is the best model describing UE at the Tevatron, however, it
fails to reproduce several minimum bias distributions at lower energies.
• PYTHIA6.214 – tuned and PHOJET1.12 generate LHC predictions with ~ 30%
difference for minimum bias event, and a factor of ~ 2 for underlying event
distributions.
• Updated results: www.cern.ch/amoraes
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
A.M.Moraes et al.
Paolo Bartalini (University of Florida)
ATLAS
UE: highlights recenti
 Vedere anche i contributi di A.Moraes and C.Buttar
al workshop HLHC e agli altri w/s.

UE tuning di Jimmy.

Referenza per Jimmy:
[J.M. Butterworth et al., hep-ph/9601371]
http://jetweb.hep.ucl.ac.uk/JIMMY/index.html
Attualmente c’è molto interesse nella comprensione del
tuning dei parametri dipendenti dall’energia in Jimmy
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
HERWIG6.5 + JIMMY4.1 tunings
JIMMY4.1 – Tuning A
JIMMY4.1 – Tuning B
Transverse < Nchg >
Proton radius
shrunk by 1.73
pT min reduced from
its default value
Ratio (MC/Data)
Ratio (MC/Data)
Transverse < Nchg >
(http://jetweb.hep.ucl.ac.uk/)
Pt (leading jet in GeV)
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Pt (leading jet in GeV)
Paolo Bartalini (University of Florida)
Studi UE&MB in CMS
UE&MB@CMS
Florida: Rick Field, Darin Acosta, Paolo Bartalini, Khristian Kotov
INFN/Perugia: Filippo Ambroglini, Livio Fanò, Attilio Santocchia
CERN: Albert De Roeck

Il progetto contempla due fasi.
Phase 1. Misura del min-bias e dell’“underlying event” il
più presto possibile, durante il pilot-run.
 Prima pubblicazione di fisica all’LHC.
 Primo tuning dei modelli all’LHC.
Phase 2. Confronto con CDF e con la fenomenologia a più
basse energie. Test della predittività dei modelli.
 Tuning più raffinato, inclusi parametri energydependent.
 Spettro più ampio di pubblicazioni.
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Attività
MC PTDR
Tuning
Capitolo connesse
dedicato neldiCMS
CMS NOTE 2005/013 Guidelines for
the evaluation of theoretical
uncertainties
Attività connesse, relative alla
stima di effetti sistematici in altre
analisi
CMS NOTE 2006/033 & Proceedings
of Les Houches ’05 Sensitivity of the
muon isolation cut efficiency to the
underlying event uncertainties
Paolo Bartalini (University of Florida)
CMS: Studi di fattibilità
FASE I (Scenario di Start-up)

Simulazione dedicata delle condizioni del fascio e del detector
1.00E+02
Fascio: primo periodo con 43*43 pacchetti, poi 156*156 pacchetti

Ottimizzazione per la ricostruzione di tracce “soffici”




29
27
25
23
21
19
17
1.00E-03
Tentativo di ricostruire le tracce da PT ~ 500 MeV (incluso loopers!)
Studio delle efficienze di ricostruzione, fakes etc.
1.00E-04
Charged multiplicity nella zona centrale e nelle zone avanti
Come trattare il pile-up ?


DAYS
luminosity (10**30 cm-2 sec-1)
Jet fino a PT ~ 300 GeV
integrated luminosity (pb-1)"
events/crossing
Considerare soltanto il miglior vertice primario crea un “bias” !!!
Utilizzo di pile-up veto ?
Underlying Event

15
13
9
1.00E-02
Minimum Bias (~ 1012 eventi, ~ 107 registrati)


7
1.00E+00
Rivelatori in configurazione parziale o del tutto assenti (ex. Pixel)
Campo magnetico nominale e non nominale: 4T, 2T, 1T, 0.5T, 0.1T1.00E-01
11

1.00E+01
5

Soltanto i primissimi giorni sono senza pile-up!!!
3

1

PILOT RUN
Events produced Pilot Run
1.00E+13
1.00E+11
1.00E+09
 Primo tuning dei modelli & calibrazione of dei tools (isolation etc.)
1.00E+07
1.00E+05
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
1.00E+03
29
27
25
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
1.00E-01
3
1.00E+01
1
FASE II (fascio & rivelatori in condizioni nominali)

Estenzione ad altri processi, ad esempio Drell Yan (Zmm)
 Tuning raffinato dei modelli & calibrazione dei tools
1.00E-03
days
Minimum bias
Jet Et>25 GeV
Jet Et>60 GeV
Jet Et>140 Gev
Gamma + Jet P0>20 GeV
W l nu
Z ll
ttbar--> l nu +X
Paolo Bartalini (University of Florida)
L’Underlying Event all’LHC
Drell-Yan vs Jets
Coppie di leptoni ad alto e produzione di Jet
hdf
Charged PTsum Density: dPT/d
Charged Particle Density
"Leading Jet"
Preliminary
generator level
1.5
PY Tune AW
HERWIG
1.0
14 TeV
0.5
Drell-Yan
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 GeV/c)
(excluding lepton-pair)
0.0
Charged PTsum Density (GeV/c)
hdf
Charged Particle Density: dN/d
2.0
8.0
Preliminary
"Leading Jet"
PY Tune AW
generator level
6.0
HERWIG
4.0
14 TeV
2.0
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 GeV/c)
(excluding lepton-pair)
Drell-Yan
0.0
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
0
250
500
750
PT(jet#1) orLepton-Pair Mass
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
PT(jet#1) or Lepton-Pair Mass
2
2
Away Region
Lepton
Jet #1 Direction
Df
Transverse
Region
“Toward”
“Central Region ”
f
f
Central Region
“Transverse”
Leading
Jet
“Transverse”
Toward Region
Transverse
Region
“Away”
Anti -Lepton
Drell-Yan
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
0
-1
h
+1
“Leading Jet”
Away Region
0
-1
h
+1
Paolo Bartalini (University of Florida)
Reconstruction of “soft” tracks in events with
jets
Il Tracker di CMS:
Da dieci a quattordici intersezioni con layers Silicon mStrip
Raggio ~ 110 cm, Lunghezza ~ 270 cm
320 mm thick Si per R < 60cm, Strip ~ 10cm, Pitch 81-123
mm
500 mm thick Si per R > 60cm, Strip ~ 20cm, Pitch 123-183
mm
Efficiency
Per quantificare al meglio gli
osservabili relativi al MB ed
all'UE e' necessario capire
quanto in basso in PT e con
quali prestazioni si riescono
a ricostruire le tracce
cariche.
rec ass/sim
rec/sim
1%
Test attuali con PT>700MeV.
h
eff>90% in |h|<1.6
eff~80% 700 MeV <PT< 1 GeV
eff>90% 1 GeV <PT< 4 GeV
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Fakes
h
fake ~9% 700 MeV < PT < 1 GeV
fake <1% PT>3 GeV
fake < 1.5% in tutto h
Paolo Bartalini (University of Florida)
Applicazione alla muon isolation nella ricerca H4m
(soppressione dei backgrounds tt e Zbb)
1. Qual’è l’effetto sulla muon isolation delle incertezze dell’UE ?
2. Si può calibrare il taglio sulla muon isolation usando i dati ? e, in caso
affermativo, c’è un miglioramento dei sistematici associati rispetto a quelli
che derivano dalle incertezze teoriche dei parametri del Monte Carlo ?
Il parametro di isolation è la somma dei PT
delle tracce in un cono dR(η,φ) = 0.3
(PT delle tracce considerate > 0.8 GeV)
5% uncertainty
only in one cut
Direzioni random del cono di isolation.
2% relative uncertainty
w.r.t. Drell-Yan
-3σ case (smaller PTcut-off)
-0σ case (default PTcut-off)
+3σ case (greater PTcut-off)
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Che c’è di nuovo
nell’ambito delle Multiple
Interactions ?

Nuovo modello MPI disponibile in Pythia 6.3

PYEVNW
Alcuni studi preliminari già effettuati da ATLAS
(si può dare un’occhiata alle agende CDS del CERN…)


Altri modelli disponibili sul mercato

Herwig/Jimmy

Studi preliminari già effettuati da CDF ed ATLAS


Riferimenti in questa presentazione e nei recenti workshop.
Sherpa

In attesa dei primi tests !
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Nuovo Modello MPI PYTHIA:
PYEVNW
T. Sjöstrand & P. Skands - Eur.Phys.J.C39(2005)129 + JHEP03(2004)053

Implementato in Pythia 6.3






Si raccomanda di usare versioni > 6.325.
Indissolubilmente legato al nuovo modello di showering.
Colour (re)connection entro la stessa interazione partonica
e tra diverse interazioni.
Correlazioni di sapore e x_Bjorken (concetto di “remnant PDFs”).
etc.
Molto lavoro necessario per il tuning del modello sui dati

Buon tema da sviluppare in questo workshop
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Pythia parameters from PYEVNT to PYEVNW
Parameter
PYEVNT
PYEVNW
Description
Scale factor that governs the amount of initial-state radiation.
PARP(67)
Tuned
-
MSTP(81)
1
21
Turns on MPI
MSTP(82)
1,2,3,4
+5
Matter distribution.
PARP(82)
Tuned
Untuned
Cut-off for MPI, PT0.
PARP(83)
Tuned
Untuned
Warm Core
PARP(84)
Tuned
Untuned
Warm Core
MSTP
70, 72, 84,
85, 89, 95
-
Untuned
Only available in the new model: ISR, FSR, Color reconnection.
PARP
78,80
-
Untuned
Only available in the new model: ISR, FSR, Color reconnection.
PARP(89)
Reference
Reference
Determines the reference energy E0.
PARP(90)
Tuned
Untuned
Determines the energy dependence of the cut-off PT0 as follows
PT0(Ecm) = PT0(Ecm/E0)PARP(90).
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
MB&UE
Alcuni temi proposti per questo w/s


I tunings di MB e UE sono in disaccordo ?




 14 TeV 
s
2

PT min =

 ~ 0.090 ± 0.010 for MB,  ~ 0.125 ± 0.??? for UE
PTLHC
min
UE tuning sostanzialmente dovuto soltanto a CDF

630 GeV – 1800 GeV – 1960 GeV



Range di energie troppo “stretto” per uno studio soddisfacente dei
parametri energy dependent
Molti dati in attesa di essere considerati: RICH, SPS
Crosse check di D0 auspicabile.
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
MB&UE
Alcuni temi proposti per questo w/s

I tunings di MB si riferiscono principalmente alla zona
di pseudo-rapidità centrali.






La maggior parte dei tunings si riferiscono al range [0.25,0.25]
Che succede per |h| > 0 ?
Che succede per |h| >> 0 ?
Altri dati in attesa di essere considerati: P238
Ogni esperimento di LHC dovrebbe considerare il proprio range
preferito…
C’è qualche idea sperimentale per utilizzare
l’informazione complementare dei neutri ?


Estenzione alle misure calorimetriche ?
Come combinare le informazioni con i carichi ?
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
MB&UE
Qualche consiglio
per gli studi da sviluppare nel corso di questo
w/s

Normalizzazione degli osservabili Nch e PTSUM.


Controllare le condizioni di trigger nel confronto tra i modelli e i
dati sperimentali.


Unità di pseudo-rapidità e unità di angolo azimuthale.
Particolarmente rilevante per studi di MB.
Specificare esplicitamente TUTTI i parametri dei modelli


“default” significa qualcosa soltanto se si specifica la versione del Monte
Carlo.
La crescente popolarità degli studi di M&UE ha generato frequenti
cambiamenti dei valori di default dei relativi parametri.
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
MB&UE
Nota sul linguaggio

Le parole sono importanti [N.Moretti, “Palombella
Rossa”]

C’è sempre qualcuno che pensa che le “multiple
interactions” e il “pile-up” siano sostanzialmente la stessa
cosa…


Nel caso ripartire dal via (segnatamente slides 4 e 5).
Agli “esperti” il compito di fare chiarezza e auto-critica
Chi vi parla, ancora nel 2001, non aveva chiarissima la differenza tra
MB ed UE. Qualche contributo alla letteratura relativa potrebbe
averne
risentito…
MCWS - Frascati,
27 Febbraio
2006
Paolo Bartalini (University of Florida)

Back-up (general)
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
MB & UE Studies
Selected References
 Minimum Bias: charged multiplicity tuning of Pythia [CERN 2000-004, pgg 293-300].
Work developed in the context of the SM w/s (CERN ’99)
 The Underlying Event Studies at CDF [PRD 65 (2003) 092002, PRD 70 (2004) 072002 ].
See also contributions of R.Field to TeV4LHC and other w/s
 Underlying event and Minimum Bias at the LHC [ATLAS Phys – PUB 2005/007].
See also contributions of A.Moraes and C.Buttar to HLHC and other w/s
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
LHC Schedule

In Direct-Live from Chamonix

LHC-delivery date (for hardware commissioning) will be delayed

From March-April 2007 to (End?)August 2007.
Harwdware commissioning here
CMS closed ~ here
Pilot run here instead
(if we run over Winter)
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Back-up: CMS
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
The “Underlying Event” in
High PT Jet Production
Calorimeter Jet #1
Direction
Df
The “Transverse” Region
“Toward”
“Transverse”
Charged particle density
versus PT(jet#1)
“Transverse”
“Away”
hdf
"Transverse" Charged Particle Density: dN/d
hdf
"Transverse" Charged Particle Density: dN/d
2.0
Preliminary
generator level
0.8
0.6
PY Tune AW
HERWIG
0.4
1.96 TeV
0.2
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 GeV/c)
"Leading Jet"
0.0
"Transverse" Charged Density
"Transverse" Charged Density
1.0
LHC
Preliminary
generator level
1.5
PY Tune AW
HERWIG
1.0
CDF
0.5
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 GeV/c)
"Leading Jet"
0.0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
PT(particle jet#1) (GeV/c)

“Underlying event” much
more active at the LHC!
Charged particle density in the

“Transverse” region versus PT(jet#1) at
1.96 TeV for PY Tune AW and HERWIG
(without MPI).
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
PT(particle jet#1) (GeV/c)
Charged particle density in the
“Transverse” region versus PT(jet#1) at
14 TeV for PY Tune AW and HERWIG
(without MPI).
Paolo Bartalini (University of Florida)
Calorimeter Jet #1
Direction
Df
The “Underlying Event” in
High PT Jet Production
The “Transverse” Region
“Toward”
“Transverse”
“Transverse”
Charged PTsum density versus
PT(jet#1)
“Away”
hdf
"Transverse" PTsum Density: dPT/d
generator level
1.5
PY Tune AW
"Leading Jet"
1.0
HERWIG
0.5
1.96 TeV
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 GeV/c)
"Transverse" PTsum Density (GeV/c)
"Transverse" PTsum Density (GeV/c)
hdf
"Transverse" PTsum Density: dPT/d
2.0
Preliminary
8.0
Preliminary
LHC
PY Tune AW
generator level
6.0
"Leading Jet"
HERWIG
4.0
2.0
CDF
Charged Particles (|h|<1.0, PT>0.5 GeV/c)
0.0
0.0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0
500
Charged PTsum density in the
“Transverse” region versus PT(jet#1) at
1.96 TeV for PY Tune AW and HERWIG
(without MPI).
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
PT(particle jet#1) (GeV/c)
PT(particle jet#1) (GeV/c)

“Underlying event” much
more active at the LHC!

Charged PTsum density in the
“Transverse” region versus PT(jet#1) at
14 TeV for PY Tune AW and HERWIG
(without MPI).
Paolo Bartalini (University of Florida)
CMS: Isolation efficiency from
data Efficiency per event



numbers for Signal, ZZ and Z-inclusive samples are in agreement
with each other for all the three different tested UE scenarios
range of efficiencies for the ZZ spans from ~0.72 to ~0.84
 prediction uncertainties
(from theoretical uncertainties in the UE physics)
from data: shift is ~2% and not dependant on UE scenario
 smaller than other known uncertainties
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
CMS:
Summary of muon isolation
studies

Isolation per muon due to uncertainties in the UE models can vary as much
as 5%
 the efficiency and the uncertainty strongly depend on the isolation cut
itself

The 4-muon isolation cut efficiency per event for ZZ is ~78±6%

Methodology to suppress these large uncertainties
 calibration of the isolation cut efficiency from data using Z-inclusive
events with the random cone technique  ~ 2%
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
CMS Track Reconstruction:
Combinatorial Track Finder
1) initial track segments (seeds) are searched for by combining 2 hits in the
pixel layers, compatible with a helix originating from the beam spot area
within some tolerance;
2) each track seed is grown into a track using a Kalman filter algorithm.
Successive steps of extrapolation into the next detection layer, and
improvement of the track parameters by including compatible hits, are
performed. Track building proceeds until the outermost tracker layer is
reached, or until no hits are found in two successive layers. The latter
condition traduces the fact that, with efficient and hermetic detection layers,
particles cannot cross two successive layers without leaving a hit. Hence,
efficient and hermetic detection
layers are of great help in reducing the amount of track candidates to be grown;
3) duplicated tracks are removed on the basis of the number of hits shared;
4) a final track smoothing is performed, providing optimal precision of the
track parameters all along the particle trajectory, in particular at the
interaction region and at the entry point into the electromagnetic
calorimeter.
This procedure is called the combinatorial Kalman filter.
Pixel Seed:
GlobalPixelSeedGenerator:ptMin = 0.3
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
“Interleaved evolution” with multiple
interactions
T. Sjöstrand & P. Skands - Eur.Phys.J.C39(2005)129 + JHEP03(2004)053
Pythia 6.3
Underlying Event
(separate LARGE topic now …)
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
P.Skand
Paolo Bartalini (University of Florida)
PYEVNW@LHC (DC04 + default settings)
MSTP 81 = 21 (new M.I.) ; PARP 67 now dummy
CDF – like
Analysis:
-Charged Jets
R = 0.7
- Charged
Tracks
PT > 0.5 GeV
|h|<1
Slightly softer spectra
Toward
Transverse
Away
Steeper rise in both Toward and Transverse Regions
Higher multiplicities
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Back-up (older MB&UE studies)
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Pythia - Charged Multiplicity at LHCb
Average charged multiplicity
Minimum
bias
bb
CDF tuning at 14 TeV
16.53 ± 0.02
27.12 ± 0.03
LHCb tuning, default pTmin
21.33 ± 0.02
33.91 ± 0.03
LHCb tuning, 3s low pTmin
25.46 ± 0.03
42.86 ± 0.03
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
The Underlying Event Studies at
CDF
Examine the jet event structure up to 50 GeV looking at toward, away and
Cone 1
transverse regions in azimuth for central rapidities
Away
Jet #1
Direction
Df
Transverse
“Toward”
“Transverse”
“Transverse”
“Away”
Check PT and multiplicity distributions
of charged tracks in the three different
regions and compare results to MC
Model predictions
Jet #1
Toward
Transverse regions are
expected to be sensitive to
the Underlying Event
Transverse
Away
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
R.Field et al.
Paolo Bartalini (University of Florida)
The Transverse Region (Multiplicity)
Rapid growth and then
constant plateau for PT1>5GeV/c
Comparison of data with the QCD Monte-Carlo
predictions of HERWIG, ISAJET, and PYTHIA
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
R.Field et al.
Paolo Bartalini (University of Florida)
The Transverse Region (PT)
Sum of PT of charged tracks in the “Transverse”
region vs PT of the leading jet compared to MC results
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
R.Field et al.
Paolo Bartalini (University of Florida)
Describing the Underlying Event at
the LHC with JIMMY4.1
[A. Moraes, Hera/LHC Workshop]
References for Jimmy:
[J.M. Butterworth et al., hep-ph/9601371]
http://jetweb.hep.ucl.ac.uk/JIMMY/index.html
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
JIMMY4.1 – Tuning A
JIMMY – Tuning A
Proton radius
shrunk by 1.73
Motivated by I. Borozan’s
work (CDF Data!).
See JetWeb Fit 493
Ratio (MC/Data)
Ratio (MC/Data)
Transverse < Nchg >
Transverse < Pt sum> (GeV)
JMUEO=0
PTMIN=3.0
JMRAD(73)=3x0.71
Pt (leading jet in GeV)
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
A.M.Moraes et al.
Pt (leading jet in GeV)
Paolo Bartalini (University of Florida)
JIMMY4.1 – Tuning B
JIMMY – Tuning B
Ratio (MC/Data)
Ratio (MC/Data)
Transverse < Nchg >
Transverse < Pt sum> (GeV)
JMUEO=0
PTMIN=2.0
JMRAD(73)=0.71 (D)
Pt (leading jet in GeV)
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
A.M.Moraes et al.
Pt (leading jet in GeV)
Paolo Bartalini (University of Florida)
Predictions for the UE: from Tevatron to LHC Energies
LHC
Tevatron
JIMMY4.1
PYTHIA6.214
Measurement
Tuning A
Tuning B
ATLAS Tuning
CDF Tuning
PHOJET1.12
Data
<Nchg>
2.4
2.3
2.4
2.3
2.1
2.3
<pTsum>
pTljet > 10 GeV
2.5
2.1
2.3
2.6
2.0
2.6
<Nchg>
12.2
9.2
6.6
4.7
3.0
“?”
11.5
8.5
7.5
6.5
3.5
“?”
x5
x4
x3
x2
pTljet > 10 GeV
pTljet > 10 GeV
<pTsum>
pTljet > 10 GeV
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
A.M.Moraes et al.
x 1.5
x “?”
Paolo Bartalini (University of Florida)
Back-up (other works)
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)
Observation of Colour Coherence
Effects at the Tevatron Collider
Three-Jet angular distributions in p-pbar collisions
Soft
Full Coherence
No Coherence
Colour Coherence
is essential to describe
Tevatron Multi-Jet Data
emissions
know
about
Major contribution to the
colour coherence
implementation in Pythia
beam line
(large h)
Moriond ‘94
Pseudorapidity of Gluon Jet
[F.Abe et al.,
PRD 50 (1994) 5562]
MCWS - Frascati, 27 Febbraio 2006
Paolo Bartalini (University of Florida)