Esercizio Z

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Visualizzazione degli eventi con HYPATIA

Ora è il momento di vedere come si riconoscono gli eventi di cui abbiamo parlato finora nel visualizzatore HYPATIA. Utilizzerai le conoscenze che hai appena acquisito su come caratterizzare gli eventi e identificare particelle elementari. Imparerai a selezionare eventi di segnale e distinguerli da eventi di fondo.

Eventi con 2 o con 4 leptoni (elettroni o muoni) sono generalmente facili da identificare. Eventi con due fotoni sono talvolta più ingannevoli, specialmente quando ci sono tracce che puntano verso i depositi energetici del calorimetro elettromagnetico (ECAL).

Una collezione di figure ti guiderà attraverso il tuo compito.

Eventi di segnale

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• In entrambe le proiezioni vediamo diverse tracce nel sistema di tracciamento, come pure una certa attività (i quadrati gialli) nel primo strato del calorimetro (parte verde del disegno del rivelatore). Questi sono chiari segnali della presenza di elettroni.
• Ci sono molte tracce visibili nella visuale laterale della prima immagine di sopra. Al fine di mostrare solo particelle con alto momento trasverso (cioè la componente perpendicolare al fascio della quantità di moto), possiamo definire i cosiddetti "tagli". In questo modo, è possibile vedere solo le particelle che hanno un momento trasverso maggiore di un certo valore. Il valore scelto per questo esempio è di 25 GeV e dunque abbiamo selezionato solo le tracce delle particelle con un momento trasverso maggiore di 25 GeV. L'effetto di questa richiesta (in fisica si usa il termine "taglio") può essere vista nella seconda figura di sopra.
• Se ingrandiamo la vista laterale abbiamo una coppia elettrone-positrone (nota la differenza di carica elettrica). L’impulso trasverso mancante è molto piccolo, e quindi non è stato prodotto un neutrino. Questo è un tipico evento Z→e^- + e⁺.

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• Sia nella vista laterale che in quella longitudinale vediamo parecchie tracce di particelle. Ciò è tipico in un evento osservato nel il rivelatore ATLAS. Nota che l’impulso trasverso mancante è molto piccolo, il che significa che non sono stati prodotti neutrini. Nella vista longitudinale si vedono chiaramente due muoni.
• Da questa vista ingrandita nella direzione del protone puoi vedere chiaramente i due muoni. Entrambi possono avere avuto origine da una stessa particella che è decaduta subito dopo essere stata prodotta.
• In questa visuale ingrandita vediamo chiaramente le tracce di due muoni, uno di carica positiva e uno di carica negativa. Abbiamo dunque rivelato una coppia muone-antimuone e questo è un chiaro segnale che è stato prodotto un bosone Z.

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• In entrambe le prospettive vediamo numerose tracce all'interno del tracciatore così come raggruppamenti di energia rilasciata, o cluster, (in giallo) nel calorimetro elettromagnetico (parte in verde nalla rappresentazione del rivelatore). Le due torri nel lego plot corrispondono a 2 cluster (depositi di energia) importanti nel calorimetro. Poichè non ci sono tracce che puntano a questi cluster, questi non sono elettroni ma fotoni, come verrà confermato nella figura successiva.
• Cambiando il valore minimo del momento trasverso permesso (nella Finestra di Controllo o Control Window) da 1 GeV a 5 GeV ("taglio in pT") tutte le tracce spariscono. Nella finestra dei momenti delle tracce, passiamo dalla opzione "Track" a quella "Physics object". In questo caso gli oggetti di fisica (nel calorimetro) sono fotoni, visto che non ci sono tracce dirette verso i cluster calorimetrici. Quando si sceglie l'immagine "physics object", il display dell' evento mostra qualche segno addizionale che punta ai cluster calorimetrici, nel caso siano presenti. La figura che ne risulta, mostrata sopra, fa vedere che siamo in presenza di un evento γγ.
• I due fotoni possono adesso essere inseriti nella finestra che lista le masse invarianti selezionando "Photon" nella finestra che lista i momenti delle tracce. Questa coppia di fotoni ha una massa invariante pari a 110.1 GeV.

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• L'evento sopra presenta due raggruppamenti calorimetrici (nelle due visuali, in giallo) con due torri di rilascio energetico nel lego plot.
• Dopo un taglio in pT a 5 GeV, vediamo 2 cluster calorimetrici, ad uno non punta alcuna traccia, all'altro una doppia traccia (vedi l'ingrandimento sotto). La doppia traccia che punta al cluster calorimetrico (con numeri 45-46) ha una massa invariante M(e+e-) =0.2 GeV, compatibile con un fotone che ha fatto conversione. In effetti, questa coppia sparisce quando si richiedono almeno due segnali (hit) nel rivelatore a Pixel (vedi figura sotto).
• La coppia e+e- che punta verso uno dei cluster scompare quando si richiedono almeno due hit nel rivelatore a pixel (vedi figura sopra). E cosa succede dell'altra coppia di elettroni? A questa coppia non corrispondono rilasci di energia nel calorimetro ed entrambe le tracce hanno lo stesso segno. Possono quindi essere considerate come tracce casuali e come tali venire ignorate. In effetti, richiedendo che il pT sia maggiore di 10 GeV, scomparirebbero. Gli oggetti di tipo fotone nel calorimetro hanno una massa invariante M(γγ) 100.1 GeV.

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• Questo evento ha molte tracce, 2 delle quali sono chiaramente muoni con segnali (hit) lasciati nello spettrometro muonico (controllare entrambe le visuali della rappresentazione grafica dell'evento). Ha anche due cluster (grandi torri di energia nel "lego plot") con tracce che puntano ai cluster. Andiamo avanti.
• Se si aumenta il taglio in pT a 12 GeV (Control Window), rimangono solo 4 tracce, i 2 muoni di carica opposta e i 2 elettroni di carica opposta. Questi ultimi presentano chiaramente un raccordo tra le loro tracce e i cluster nei calorimetri. Ciascuna delle due coppie viene dal decadimento di uno Z (M(ee)=89.6 GeV e M(μμ)=91.1 geV). Questo è un evento ZZ che decade in 4 leptoni. La massa invariante dei 4-leptoni è M(4l)=291 GeV.

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• Questo evento, dopo un taglio sul pT a 5 GeV, rimane con 4 tracce, e ogni traccia punta ad un cluster nel calorimetro. Ciascuna delle coppie deriva dal decadimento di uno Z (M(ee)=89.9 GeV e M(ee)=87.6 GeV). Questo è un evento ZZ che decade in 4 elettroni. La massa invariante dei 4-elettroni è M(4l)=229.7 GeV.

Eventi di fondo

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• Questi eventi possono essere riconosciuti in due modi: 1. puoi vedere fiotti di particelle e 2. il valore del momento trasverso mancante è notevolmente maggiore di zero e segnala la produzione di uno o più neutrini.
• Entrambe le visuali ingrandite mostrano chiaramente il fiotto di particelle.
• La figura mostra la visuale laterale ingrandita di un altro evento. Qui puoi vedere due punti (detti vertici), dove sono avvenute le collisioni distanti circa 60 cm l'uno dall'altro. I vertici sono cerchiati di rosso. Ora puoi avere un'idea di quanto è complicato capire ciò che è successo in ogni evento.

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• Nota che in questo evento il valore della quantità di moto trasversa mancante è pari a 38 GeV, il che indica che è stato prodotto un neutrino. Vediamo anche una traccia sia nella visuale laterale che in quella in sezione.
• Nella visuale in sezione si vede chiaramente un muone (o un antimuone), la cui traccia ricostruita nel rivelatore viaggia nella direzione opposta alla linea tratteggiata rossa. Questo è un forte indizio del decadimento di un bosone W in un muone (viaggia verso sinistra in questa visuale) e un neutrino (viaggia verso destra).

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• Nella visuale in sezione puoi vedere un elettrone con grande quantità di moto trasversa e un neutrino (poiché la quantita' di moto trasversa mancante è di 39 GeV) che viaggia nella direzione opposta. Anche nella visuale laterale puoi vedere l'elettrone ben isolato.
• L'informazione dalla traccia del leptone ci dice che si tratta veramente di un elettrone e non di un positrone (fai attenzione al segno meno).