Ćwiczenie Z

• Przedstawiamy bozon Z
• Przedstawiamy bozon Higgsa
• Identyfikacja cząstek
  • Detektor ATLAS
  • Przetestujmy!
  • Wizualizacja za pomocą HYPATII
  • Wizualizacja śladów cząstek
  • Rozpoznaj cząstki
• Identyfikacja przypadków
• 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 za pomocą HYPATII

Ślady w postaci elektronicznych sygnałów zarejestrowane przez detektor podczas zderzeń protonów mogą być przekształcone w obrazy przypadków (ang. event display). Są to dynamicznie tworzone obrazy, pokazujące jak cząstki przelatywały przez detektor. Do wizualizacji będziemy używać programu HYPATIA. W tym rozdziale dowiemy się, jakie możliwości i funkcje programu HYPATIA pomogą wykonać nasze pomiary.

Najpierw trzeba uruchomić program HYPATIA (Download).

Korzystając z obrazków w poniższej galerii można zapoznać się z funkcjami programu HYPATIA. Wypróbujmy też pokazane ustawienia w działającym programie.

• Ten obrazek przedstawia początkowy wygląd programu HYPATIA z sześcioma oknami: "Invariant Mass Window" (w czerwonej ramce), "Canvas Window" (w niebieskiej ramce), "Track Momentum Window" (w żółtej ramce) i "Control Window" (w zielonej ramce). "Invariant Mass Window" pokazuje masę niezmienniczą zaznaczonego śladu, "Canvas Window" przedstawia różne widoki przypadku w detektorze, w "Track Momentum Window" wyświetlane są informacje o śladach, a "Control Window" pozwala dostosowywać sposób wyświetlania przypadku.
• Ten obrazek pokazuje okno "Canvas Window" z wizualizacją przypadku. Jest to raczej dwuwymiarowy rzut detektora niż obraz trójwymiarowy. W lewej górnej części przedstawiony jest przekrój detektora widziany z kierunku wiązki (oznaczony "cross-sectional view"), a poniżej przekrój widziany z boku (oznaczony "side view"). Każdy przypadek ma tytuł wyświetlany u góry okna (w czerwonej ramce).
• Poszczególne warstwy detektora są oznaczone różnymi kolorami, jednak tymi samymi w widoku od strony wiązki i z boku. Detektor wewnętrzny jest szary, kalorymetr elektromagnetyczny zielony, kalorymetr hadronowy czerwony, a komory mionowe są niebieskie.
• Ślady cząstek naładowanych wyświetlane są jako kolorowe linie. Zostały one odtworzone na podstawie pomiarów. Kolory zależą od wartości pędu poprzecznego - składowej pędu prostopadłej do kierunku wiązki. W tym powiększonym fragmencie detektora widoczny jest ślad czerwony (cząstki o dużym pędzie poprzecznym) i niebieski (cząstki o małym pędzie poprzecznym).
• Dopasowanie energii zarejestrowanej w kalorymetrze do śladów znalezionych w detektorze wewnętrznym nie zawsze jest łatwe. W tym przypadku nie ma ciągłego przejścia między tymi detektorami, konieczne jest ekstrapolowanie śladu do energii (zaznaczanych na żółto) rejestrowanych w kalorymetrach elektromagnetycznym lub hadronowym.
• Poza neutrinami, przelatującymi przez cały detektor bez pozostawiania sygnałów, miony są jedynymi cząstkami, które są w stanie dotrzeć od punktu zderzenia do najbardziej zewnętrznych części detektora. Są one rejestrowane w komorach mionowych (zaznaczonych na niebiesko). Miejsce, w które trafił mion, oznaczone jest na pomarańczowo. Dwie uwagi: 1. ze względu na sposób rzutowania obrazu, w widoku z kierunku wiązki cały element komory mionowej jest zaznaczony na pomarańczowo, gdy tymczasem w widoku z boku można zobaczyć jedynie pomarańczowe kropki; 2. niektóre z sygnałów w komorach mionowych pochodzą od cząstek przychodzących z zewnątrz detektora. Większość z nich pochodzi ze zderzeń cząstek z wiązki poza detektorem (w których powstały neutrony i inne cząstki) i mogą być zignorowane. Miony wytworzone w zderzeniach w środku detektora zazwyczaj pozostawiają sygnały we wszystkich warstwach komory mionowej.
• Będziemy wykorzystywać "Track Momenta Window" do ładowania plików (przez: File - Read Event Locally; w zielonej ramce). Każdy zestaw do odczytu zawiera wiele spakowanych plików z pojedynczymi przypadkami. Za pomocą strzałek w górnym prawym menu (zaznaczonych brązową elipsą) można przechodzić pomiędzy kolejnymi przypadkami. W tym oknie można też dokonać przeniesienia informacji o śladzie do arkusza wyliczającego masę niezmienniczą (Invariant Mass Table, w niebieskiej elipsie). Tutaj jest także wyświetlana brakująca energia poprzeczna (ETmis, w żółtej elipsie).
• Tu przedstawiamy główne okno do wyboru ustawień w programie wyświetlającym przypadki. W zakładce "Parameter Control" (w czerwonej elipsie) można włączać i wyłączać obiekty do wyświetlania i np. zmieniać ich kolory. Najważniejsza jednak jest możliwość zmiany parametrów decydujących o wyświetlaniu śladów (opisana dalej). W zakładce "Interaction and Window Control" (w zielonej elipsie) można zmieniać tryb powiększania (zoom) na tryb wyboru śladów (pick-up) lub wybierać rzuty przypadku. Zakładka "Output Display" (w niebieskiej elipsie) dostarcza dokładnych informacji o wybranych obiektach.
• Wybierając zakładkę "Parameter Control", a następnie "Cuts" uzyskujemy możliwość zdefiniowania kryteriów selekcji cząstek do wyświetlania na obrazie przypadku.
• Spróbujmy zastosować i zmieniać tyb powiększania/pomniejszania (zoom - w czerwonej elipsie) oraz tryb wyboru (w żółtej elipsie).
• W tym przypadku widać wiele śladów, ale nie wszystkie z nich są interesujące. My chcemy wybrać cząstki z dużym pędem poprzecznym. Możemy usunąć cząstki o małych pędach poprzecznych zwiększając minimalny dopuszczalny pęd w zakładce "Cuts".
• W oknie "Control Window" zakładki Cuts można wybrać do wyświetlania wyłącznie cząstki z pędem poprzecznym (oznaczonym Pt) przekraczającym określoną wartość. Wystarczy podać tę liczbę w polu zaznaczonym żółtą ramką (wypróbuj wartość 5 GeV) i zatwierdzić klawiszem Enter. Upewnij się, że kwadracik po lewej stronie jest zaznaczony. Na kolejnym obrazku można zobaczyć rezultat takiego ustawienia.
• Teraz przypadek wygląda dużo jaśniej. Do uzyskania informacji o widocznych cząstkach musimy wybrać w pasku narzędzi przycisk oznaczony palcem wskazującym (w czerwonej ramce). Teraz kliknięcie na ślad cząstki nie tylko zmieni jego kolor, ale zostanie wyświetlona dokładna informacja o cząstce w ramce informacyjnej w zakładce "Output Display". Zostanie to pokazane na następnym obrazku.
• Informacja o wybranej cząstce wyświetlana jest w obszarze zaznaczonym niebieską ramką.
• Po wybraniu śladu można przenieść informacje i nim do arkusza masy niezmienniczej ("Invariant Mass Table") przez kliknięcie na "insert Electron" (w czerwonej elipsie) lub "insert Muon". Wybrany ślad będzie także wyróżniony w oknie "Track Momentum Window". Gdy dwa slady zostaną wybrane i umieszczone w arkuszu "Invariant Mass Table", to HYPATIA automatycznie wyliczy dla nich masę niezmienniczą.
• HYPATIA pozwala także tworzyć wykresy (histogramy). W arkuszu "Invariant Mass Table" należy wybrać z menu "Histograms" (w czerwonej elipsie) interesujący nas wykres.
• Poprzednie obrazki pochodzą z nieco starszej wersji programu HYPATIA. Wersja, której będziesz używać w dzisiejszych pomiarach, ma kilka nowych możliwości. 1) Można przełączać się między "select-tool" i "zoom" (żółte ramki w prawym dolym rogu). 2) Jest też dodatkowy przycisk "Physics Objects" (w czerwonej ramce). 3) Można wybrać opcję "photon" (w zielonej ramce).
• Kliknięcie na "Physics Objects" (w czerwonej ramce) pokazuje zrekonstruowane w tym przypadku obiekty. Są one widoczne jako żółte kreski (w zielonych elipsach).
• Aby sprawdzić, czy są to elektrony lub fotony, możesz np. wprowadzić ograniczenie (cut) na pęd poprzeczny Pt (w zielonej ramce). Jak widać, większość śladów znika, a więc jest to prawdopodobnie przypadek z parą fotonów. Możesz teraz kliknąć na żółte znaczki (w żółtym kółku) (lub na "physics objects" w oknie z pędami śladów) i wybrać opcję "photon" (w czerwonej ramce). Dwa fotony zostaną wpisane w oknie "Invariant Mass" (czerwona ramka na górze).
• W nowej wersji możesz także wybrać 4 leptony (2 miony + 2 elektrony, 4 miony lub 4 elektrony), jak pokazano w czerwonej ramce. Program wylicza zarówno masę niezmienniczą wszystkich czterech leptonów, jak i masy niezmiennicze dwóch par leptonów oddzielnie. Zwróć uwagę, aby wpisać elektrony i miony we właściwej kolejności, jeśli tego nie zrobisz, pojawi się błąd ("incompatible" - w zielonej ramce).
• W nowej wersji HYPATII możesz utworzyć kilka dodatkowych histogramów. Wybierz "Histograms" z górnego menu (w czerwonej ramce). Oprócz już pokazanych wykresów, możesz teraz dodatkowo wybrać histogram mas niezmienniczych dwóch fotonów (M(g), w zielonej ramce).

Teraz jest pora na wypróbowanie programu. Ma on wiele więcej dodatkowych funkcji!