Ćwiczenie Z

• Przedstawiamy bozon Z
• Przedstawiamy bozon Higgsa
• Identyfikacja cząstek
• Identyfikacja przypadków
  • Zderzenia protonów
  • Przypadki z bozonem Z
  • Przypadki z bozonem Higgsa
  • Przypadki tła
  • Wizualizacja
  • Przetestujmy!
• Poszukiwanie cząstek poprzez masę
• Do pracy!

Centrum wiedzy

• Model Standardowy
• Badania w LHC
• Więcej o bozonie Z
• Jednostki energii
• Pęd
• Wektory
• Histogramy
• Radioaktywność
• Diagramy Feynmana

Wizualizacja przypadków w programie HYPATIA

Nadszedł czas sprawdzenia, jak wyglądają opisywane wcześniej przypadki w programie HYPATIA. Zastosujemy nabytą wiedzę do określania typu przypadku i identyfikowania cząstek elementarnych. Nauczymy się wybierać przypadki z bozonem Z i odróżniać je od przypadków tła. Pomoże nam w tym galeria obrazków.

Przypadki z dwoma lub czterema leptonami (elektronami lub mionami) są zwykle łatwe do zidentyfikowania. Przypadki z dwoma fotonami mogą niekiedy sprawiać trudności, zwłaszcza gdy występują jakieś ślady odpowiadające miejscu w kalorymetrze elektromagnetycznym (ECAL), w którym zarejestrowana została energia.

Galeria obrazków pokaże, jak wykonywać takie zadanie.

Przypadki sygnału

• 
• Zarówno w widoku z boku, jaki i od strony wiązki, widzimy kilka śladów w detektorze śladów oraz sygnały (żółte prostokąciki) w pierwszej warstwie kalorymetru (oznaczonego na zielono). Są to więc ślady elektronów.
• Tutaj mamy wiele śladów obecnych w widoku z boku na pierwszym z obrazków powyżej. Po to, by pozostały wyłącznie cząstki z dużym pędem poprzecznym, możemy skorzystać z tzw. cięć (ang. cuts). Wtedy będą widoczne tylko cząstki z pewną minimalną wartością pędu poprzecznego. Odpowiednią wartością jest 25 GeV, efekt zastosowania jej jest widoczny na drugim z obrazków powyżej.
• Jeśli powiększymy obraz od strony wiązki, wygląda na to, że mamy parę elektron-pozyton (zauważmy, że mają różne znaki ładunku elektrycznego). Brakujący pęd poprzeczny jest zerowy, nie zostało więc wyprodukowane neutrino. Jest to typowy przypadek z rozpadem Z→e^- + e⁺.

• 
• Zarówno w widoku z boku, jaki i od strony wiązki, tylko kilka śladów jest widocznych. Jest to typowy przypadek obserwowany przez detektor ATLAS. Zwróćmy uwagę, że nie ma brakującego pędu poprzecznego, co znaczy, że nie zostało wyprodukowane neutrino. W widoku z boku wyraźne są dwa ślady mionów. Widok od strony wiązki pokazuje, że poleciały one w przeciwnych kierunkach.
• Powiększony widok od strony wiązki pokazuje dwa miony wylatujące w przeciwnych kierunkach. Mogły one powstać z rozpadu jednej cząstki.
• Z informacji o mionach wynika, że ich ładunki elektryczne są przeciwnego znaku, znaleźliśmy więc parę mion - antymion, co jest wyraźnym sygnałem bozonu Z.

• 
• Zarówno w widoku z boku, jak i od strony wiązki widzimy kilka śladów w detektorze śladowym oraz sygnały (żółte prostokąciki) w kalorymetrze elektromagnetycznym (oznaczonym na zielono). Dwa żółte słupki na wykresie lego odpowiadają dwóm ważnym sygnałom w kalorymetrze. Ponieważ nie ma śladów cząstek skierowanych do tych sygnałów, nie są to elektrony, ale fotony, co potwierdzi następny obrazek.
• Po zmianie minimalnej wartości pędu poprzecznego z 1 GeV na 5 GeV ("PT-cut") wszystkie ślady znikają. W oknie pędów (Track Momentum Window) przełączmy się z "Track" na "Physics Object". W tym przypadku fizycznymi obiektami (w kalorymetrze) są fotony, ponieważ nie ma śladów skierowanych do nich. Kiedy wybierzemy "Physics Object", na rysunku pojawią się dodatkowe żółte kreski wskazujące na sygnały w kalorymetrze. Widać, że mamy do czynienia z przypadkiem dwóch fotonów.
• Dwa fotony mogą być teraz wpisane w oknie masy niezmienniczej przez kliknięcie na "Photon" w oknie pędów śladów. Ta para fotonów ma masę niezmienniczą 110.1 GeV.

• 
• W powyższym przypadku widać dwa sygnały w kalorymetrze (żółte prostokąciki, jeden w widoku z boku i jeden w widoku od strony wiązki) i dwa odpowiadające im słupki energii na wykresie lego.
• Po wprowadzeniu minimalnego PT równego 5 GeV widzimy 2 sygnały w kalorymetrze. Jedemu z nich nie odpowiada żaden ślad, a do drugiego prowadzą dwa ślady, co dobrze widać w powiększeniu. Ten podwójny ślad w kierunku sygnału w kalorymetrze (o numerach 45-46) ma masę niezmienniczą M(e⁺e^–) = 0.2 GeV, odpowiadającą energii fotonu, który tę parę utworzył. Para ta zniknie, kiedy wprowadzimy warunek trafienia przynajmniej dwu pikseli (rysunek poniżej).
• Para e⁺e^– znika po wprowadzeniu warunku trafienia przynajmniej dwu pikseli (rysunek powyżej). A co z drugą parą elektronów? Nie pozostawiła ona prawie żadnej energii w kalorymetrze i obydwa ślady mają ten sam znak. Możemy uznać, że są to jakieś przypadkowe ślady, które możemy pominąć. Ślady te znikną, kiedy zażądamy, aby PT był większy niż 10 GeV. Masa niezmiennicza fotonów widocznych w kalorymetrze jest równa M(γγ) = 100.1 GeV.

• 
• W tym przypadku widać wiele śladów. Dwa z nich są to niewątpliwie miony widoczne w komorach mionowych zarówno na widoku z boku, jak i od strony wiązki. Widać także dwa energetyczne sygnały (wysokie słupki na wykresie lego) z odpowiadającymi im prawdopodobnie śladami. Przejdźmy dalej.
• Po zwiększeniu wartości minimalnego pędu poprzecznego PT do 12 GeV pozostają tylko 4 ślady: 2 miony o przeciwnych ładunkach i 2 elektrony o przeciwnych ładunkach. Śladom elektronów odpowiadają sygnały w kalorymetrze. Każda z par powstała z rozpadu bozonu Z (M(ee)=89.6 GeV i M(μμ)=91.1 geV). Jest to przypadek z parą ZZ rozpadającą się na 4 leptony. Masa niezmiennicza 4 leptonów jest równa M(4l)=291 GeV.

• 
• W tym przypadku po wprowadzeniu obcięcia pT > 5 GeV pozostają 4 ślady. Każdemu z nich odpowiada sygnał w kalorymetrze. Obydwie pary pochodzą z rozpadu Z (M(ee)=89.9 GeV i M(ee)=87.6 GeV). Jest to przypadek z parą ZZ rozpadającą się na 4 elektrony. Masa niezmiennicza 4 elektronów jest równa M(4l)=229.7 GeV.

Przypadki tła

• 
• Ten przypadek odróżnia się od przypadków sygnału ze względu na obecność strumieni cząstek.
• Oba rzuty zostały powiększone w części środkowej przez zastosowanie efektu "rybiego oka", dzięki czemu wyraźniej widzimy strumienie cząstek.
• Na tym obrazku mamy powiększony widok z boku, na którym można rozpoznać dwa wierzchołki (oznaczone czerwonymi kółkami) odpowiadające dwóm zderzeniom, które zaszły w tym samym czasie w odległości ok. 60 cm od siebie. Daje to wyobrażenie, jak skomplikowana może być analiza przypadków.

• 
• W tym przypadku wartość brakującego pędu poprzecznego wynosi 38 GeV, co wskazuje na wyprodukowanie neutrina. Widać też ślad cząstki zarówno w widoku z boku, jak i od strony wiązki.
• W widoku od strony wiązki widać wyraźnie mion (lub antymion). W detektorze wewnętrznym jego ślad jest skierowany przeciwnie niż czerwona przerywana linia. Jest to wyraźną wskazówką na rozpad cząstki W na mion (wylatujący na lewo) i neutrino (wylatujące w prawo).

• 
• W widoku od strony wiązki możemy łatwo znaleźć ślad elektronu z dużym pędem poprzecznym oraz neutrino (na podstawie brakującej energii poprzecznej, MET=39 GeV) skierowane przeciwnie niż elektron. Odizolowany elektron jest też dobrze widoczny w widoku z boku.
• Informacja na temat leptonu dowodzi, że rzeczywiście jest to elektron, a nie pozytron (zwróćmy uwagę na ujemny znak wartości PT).