Calibración del Momento de los Muones con mesones J/ en CMS María Cepeda Hermida Dirigido por: Dra. Begoña de la Cruz Martínez (CIEMAT) Dra. Isabel Josa Mutuberría (CIEMAT)

Outline LHC y CMS El sistema detección de muones en CMS Producción y Reconstrucción del J/ en CMS Efectos que influyen en la masa reconstruida Calibración del momento de los muones Resolución de la medida del momento Conclusiones

LHC Colisionador Hadrónico: p-p, p-Pb, Pb-Pb Luminosidad nominal: 1034cm-2s-1 Energía en centro de masas: 14 TeV Bmax=8.3 Teslas Colisiones cada 25 ns; 100 MB de información generados en cada colisión Colisionador Hadrónico: p-p, p-Pb, Pb-Pb  Fecha prevista para su puesta en marcha: Primavera 2008 (Luminosidad inicial L=1032cm-2s-1)

Compact Muon Solenoid (CMS) Detector Central de Trazas HCAL (Calorímetro Hadrónico) ECAL (Calorímetro Electromagnético) Hierro de retorno del campo magnético Espectrómetros de muones Imán Solenoidal Peso total: 12500 Tm Diámetro: 15 m Longitud: 21.5 m Campo Magnético: 4 T

El sistema de detección de muones de CMS

Detección de Muones Sistema de detección de muones redundante y eficiente: Alta resolución en medida de momento: ~1.5% para 100 GeV Uno de los principales objetivos de diseño de CMS. Presentes en muchos canales de relevancia física (HZZ4, Z’, física de Bs…) Señales limpias: Hay más de 10 longitudes de interacción hasta llegar a las cámaras  solamente s y s.

Medida precisa punto paso del muón (precisión pT) Detección de Muones (2) Medida precisa punto paso del muón (precisión pT)

Reconstrucción de muones La reconstrucción y medida del momento de los muones se lleva cabo en tres pasos, utilizando toda la información de los subsistemas de detectores de CMS 2. STANDALONE 1. LOCAL 3. GLOBAL

Medida del momento de muones Medida del momento transverso (pt) a partir de la curvatura () en el campo magnético (B): pt[GeV]=0,3[m]·B[T] Efectos que influyen en la medida del momento: Error intrínseco Interacción de las partículas con los detectores: Multiple Scattering (MS), Pérdidas de Energía, aparición de impactos espúreos Desconocimiento de la geometría real del detector (Desalineamiento), incertidumbres en el Campo Magnético aplicado Efectos de resolución y/o escala en la medida del momento de los muones en el estado final se traducen en incertidumbres en las cantidades derivadas (p.ej. masa invariante)

Calibración CMS está desarrollando la estrategia a seguir para calibrar el momento de los muones con los datos, utilizando como patrón partículas de masa conocida. Para ello se estan realizando estudios Monte Carlo : Bajo momento: J/, … Alto momento: Z En concreto, este trabajo se centra en la calibración del momento de los muones utilizando la resonancia J/

Producción y Reconstrucción de mesones J/ en CMS

Producción de J/ en el LHC Resonancia cc MPDG=3.0969160.000011 GeV = 93.4 2.1 keV Br(J/- +) =5.93% Dos fuentes: Directa (en el vértice primario, ppJ/ X)  P=5.522·107nb Indirecta (en vértices secundarios, en un 99% provenientes de bJ/ X).  NP=5.783·105 nb Gran estadística ya en los primeros días de toma de datos L=10 pb-1 ( 105 s de toma de datos)  1010 J/ (106 en el volumen fiducial del detector) Permitirá calibrar la escala del momento de los muones (en su rango más bajo)

Caracterización de la muestra Estudio con muestras Montecarlo  Generadas con Pythia Datos normalizados para 10 pb-1 Simulación del paso por el detector con GEANT4 Reconstrucción con el software oficial de la colaboración (CMSSW)

Reconstrucción del J/ en CMS Selección de Candidatos de J/: 2 muones de pt>3GeV y 2.4 con M(2.8 , 3.4) GeV Sucesos/10 pb-1 Generados Seleccionados Non Prompt 655·103 71·103 Prompt 2843·103 354·103

Espectros Reconstruidos del J/

Masa reconstruida de par de muones Desviación de 22 MeV con respecto al valor recogido en el PDG

Efectos que influyen en la masa reconstruida

Campo Magnético Pruebas del imán de CMS en 2006 (sondas NMR y Hall)  mapa del campo magnético con una precisión del 0.07% en el interior del solenoide y hasta un 1% en el espectrómetro de muones. Habrá sondas monitorizando el campo magnetico durante la toma de datos. Incertidumbre en la masa del J/ debida a la incertidumbre en el campo magnético: M = 3 MeV

Dispersión Múltiple Para momento bajo es el factor dominante en la resolución A partir de una estimación del material que deben atravesar los muones en su recorrido por el detector central de trazas  ángulo de dispersión de Molière  Desplazamiento estimado respecto a la trayectoria original Efecto promedio incorporado en los algoritmos de reconstrucción  X/X0 p (GeV) 0 (mrad) d (mm) 0.35 3 2.576 3.1 1.5 1.76 6.143 18.7

Desalineamiento Pequeños errores en la posición de los distintos elementos  posibles errores de medida Una vez el detector funcione a pleno rendimiento, los sistemas de alineamiento de CMS proporcionarán una medida muy precisa de la posición de cada uno de sus subsistemas. A partir de los datos de prueba del detector (Survey, MTCC), se ha estimado la magnitud de estos errores para distintas luminosidades integradas Para 10 pb-1 Detector de Trazas  Error < 250 m Muones  Error en z < 3 mm

Calibración del Momento de los muones

Parametrización del Momento La estrategia de calibración del momento reconstruido se basa en comparar la masa invariante del sistema de dimuones con la masa del J/ en el PDG Se minimiza esta diferencia de masas, suceso a suceso, en términos de un 2 para obtener funciones de corrección del momento M = 3.11663  0.00007 GeV  = 0.04228  0.00006 GeV M = 3.09842  0.00007 GeV  = 0.04127  0.00007 GeV

Parametrización del Momento Factores de corrección dependientes de la zona del detector considerada a (GeV) b c (GeV-1) <0.8 0.0650.006 -0.0230.002 0.00110.006 0.8<  <1.3 0.0250.05 -0.0080.002 0.00040.0001  >1.3 0.0100.001 -0.00100.0007 0.000190.00007

Resolución en la medida del momento

Parametrización de la Resolución En un estudio Monte Carlo, la resolución en la medida de momento se estima a partir de la anchura de la distribución de residuos: Con datos reales no disponemos de esta información: Se puede calcular la resolución a partir de la distribución de la anchura en masa del sistema de dimuones.

Parametrización de la Resolución Anchura en masa en función de la dependencia funcional de la resolución: 3 6 8 10 pt(1) GeV 3 6 8 10 pt(2) GeV Se divide el espacio de fases de momento transverso de los dos muones en 10 cajas y se calcula la anchura de la distribución M en cada una de ellas.

Parametrización de la Resolución Minimización 2 para calcular estos parámetros ,  y : =1.8·10-7 5·10-5 GeV-1 (~Intrínseco)  =0.01687 0.0007 (~Dispersión Múltiple) =0.03216 0.0006 GeV (~Pérdidas de Energía)

Conclusiones El desarrollo de estrategias de calibración del momento de los muones es una tarea prioritaria del grupo de muones de CMS. Se han estudiado algunos de los factores que influyen en la medida del momento de los muones: dispersión múltiple, pérdidas de energía, campo magnético y desalineamiento del detector. Se ha elegido la resonancia J/ como patrón de calibración en la región de momento bajo. Para ello se ha utilizado una muestra de sucesos Monte Carlo J/+, en el marco del software oficial de la colaboración CMS. Generación y simulación Reconstrucción y selección  análogamente a como se hará con datos reales Se ha calibrado el momento transverso ajustando la masa reconstruida del par de muones al valor de la masa en el PDG. Se ha parametrizado la resolución en el momento transverso a partir de la anchura de la distribución de la masa invariante de los dimuones

Conclusiones Los efectos más significativos son la dispersión múltiple y las pérdidas de energía. El desalineamiento y la resolución intrínseca del detector son despreciables. Extensión del trabajo: Actualizaciones del software de CMS. Nuevos escenarios de desalineamiento. Otros posibles efectos. Región de momento más alto  bosón Z.