Z-Pfad

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Das Event Display HYPATIA

Die elektronischen Signale, die die Detektoren während einer Teilchenkollision registrieren, können in so genannten Ereignisbildern dargestellt werden. Darin kannst du erkennen, wie die Teilchen durch den Detektor geflogen sind. Wir nutzen dafür das Programm HYPATIA. In diesem Abschnitt erfährst Du, welche Möglichkeiten und welche für unsere Analyse wichtigen Funktionen HYPATIA bereitstellt.

Starte das Programm HYPATIA (bei den International Masterclasses kannst Du das Programm vom Computer starten. Ansonsten kannst Du das Programm Download Java 7 version (recommended) or Download Java 6 version herunterladen, entpacken und dann starten.

Nutze die folgende Galerie von Ereignisbildern, um einen Einblick in die Programmfunktionen von HYPATIA zu erhalten und probiere die Einstellungen parallel dazu mit dem Programm aus!

• Dieses Bild zeigt die Startansicht des Programms HYPATIA mit den vier Fenstern "Invariant Mass Window" (roter Rahmen), "Canvas Window" (blauer Rahmen), "Track Momentum Window" (gelber Rahmen) und "Control Window" (grüner Rahmen). Das "Invariant Mass Window" zeigt die invariante Masse der ausgewählten Spuren, das "Canvas Window" zeigt verschiedenen Ansichten des Ereignisses, das "Track Control Window" gibt zusätzliche Informationen über die Spuren im Detektor, und mit dem "Control Window" kannst Du die Ansicht anpassen.
• Dieses Bild zeigt das CANVAS Fenster. In ihm wird das Ereignis visuell dargestellt. Dabei wird es nicht drei-dimensional, sondern in zwei-dimensionalen Projektionen gezeigt. Oben ist die Detektorsicht mit Blick entlang der Strahlachse - der sogenannte Querschnitt - und unten der Blick von der Seite - die sogenannte Seitenansicht - dargestellt. Jedes Ereignis besitzt eine Bezeichnung, die oben im Fenster abzulesen ist.
• Sowohl in der Querschnitts- als auch Seitenansicht sind die einzelnen Detektorschalen mit unterschiedlichen Farben dargestellt. Der innere Detektor ist dabei grau, das elektromagnetische Kalorimeter grün, das hadronische Kalorimeter rot und die Myonkammern blau dargestellt.
• Die Spuren elektrisch geladener Teilchen werden durch farbige Spuren im Event Display dargestellt. Sie wurden im Nachhinein rekonstruiert. Die Farbe der Spur ist nach einer relevanten physikalischen Größe, dem transversalen Impuls - dem Impuls eines Teilchens senkrecht zur Strahlachse - kodiert. In unserem Beispiel siehst Du zwei Spuren, eine rote (sehr hoher transversaler Impuls) und eine blaue (niedriger transversaler Impuls).
• Die Zuordnung der Energieeinträge eines Teilchens in den äußeren Detektorschichten zu den Spuren im Innendetektor ist nicht immer einfach. In unserem Beispiel sieht man, dass es keinen nahtlosen Übergang zwischen beiden gibt. Die Energieeinträge in beiden Arten von Kalorimetern werden durch gelbe Zelleinträge dargestellt.
• Myonen sind neben den nichtdetektierbaren Neutrinos die einzigen Teilchen aus den Kollisionen, welche es bis in den Außenbereich des ATLAS-Detektors schaffen. Sie werden mit den Myonkammern (blau) nachgewiesen. Dies ist im Event Display durch orange markierte Myonkammern ersichtlich. Zwei Bemerkungen: 1. In der Querschnittsansicht siehst Du ein ganzes Element orange, während in der Seitenansicht meistens einzelne Zellen als Punkte markiert sind. Dies liegt an der projektiven Darstellung des Detektors. 2. Einige der Einträge in den äußeren Myonkammern werden durch Teilchen hervorgerufen, die in der ATLAS-Halle umherfliegen. Die meisten von ihnen werden durch Protonen des Protonenstrahls außerhalb des Detektors hervorgerufen. Dabei entstehen Neutronen und andere Teilchen. Myonen, die aus Proton-Proton-Kollisionen im Innern des Detektors kommen, erzeugen Einträge in ALLEN Schichten der Myonkammern.
• Das "Track Momenta"-Fenster wirst Du hauptsächlich benötigen, um Dateien in das Programm zu laden (über File - Read Event Locally; grün umrahmt). Dabei setzt sich die einzulesende, gepackte Datei aus mehreren Dateien, die jeweils ein Ereignis gespeichert haben, zusammen. Die einzelnen Ereignisse kannst Du über die Pfeiltasten (Previous oder Next, braun umrahmt) auswählen. Über das "Track Momenta"-Fenster kannst Du auch einzelne Spuren für die Invariante Masse Tabelle auswählen (blau umrahmt). Der fehlende transversale Impuls wird oben im Fenster angezeigt (gelb umrahmt).
• Im Control Window kannst Du verschiedene Einstellungen verändern oder Dir Eigenschaften der Teilchen aus diesem Ereignis angeben lassen. Das Fenster hat drei Registerkarten. Mit "Parameter Control" (rot umrahmt) kannst Du zum Beispiel Farben verändern. Vor allem aber kannst Du Grenzwerte einstellen (wird später erklärt). Im "Interaction and Window Control" Fenster (grün umrahmt) kannst Du die Ansicht Deines Ereignisses verändern oder zwischen "Vergrößern" und "Spur auswählen" wechseln. Das "Output Display" (blau umrahmt) zeigt detaillierte Informationen einer zuvor ausgewählten Spur.
• Wenn Du auf "Parameter Control Tab" klickst und danach auf "Cuts Tab", kannst Du Auswahl-Kriterien festlegen.
• Probiere es einmal aus! Vergrößere und verkleinee die Ansicht (zoomen, rot umrahmt) oder wähle einzelne Spuren aus (mit dem Finger-drauf-Symbol, gelb umrahmt).
• In diesem Ereignis sind unglaublich viele Spuren zu finden. Nicht alle interessieren uns. Aber die mit einem hohen transversalen Impuls sind von Interesse. Die anderen kann man quasi ausblenden, indem man für den transversalen Impuls einen Mindestwert mit "Cut Tabs" festlegt.
• Lege dazu im Kontrollfenster unter der Steuerkarte "Cut Tabs" im Eingabefeld neben 'Pt' (P für das Formelzeichen des Impulses, t als Index für transversal) einen Mindestwert (Probiere es mit 5 GeV!) fest (gelber Rahmen), bestätige mit der ENTER-Taste und überzeuge Dich davon, dass das Häkchen vor dem Eingabefeld gesetzt ist. Gehe zum nächsten Bild, um den Effekt dieses Schnittes zu sehen.
• Und schon sieht es viel übersichtlicher aus. Um nun Informationen über die verbliebenen Teilchen zu erhalten, wählt man das "Finger drauf"-Symbol aus der Werkzeugleiste (roter Rahmen) und klickt auf die Spur des Teilchens, von dem man mehr Informationen erfahren möchte. Die Spur verfärbt sich daraufhin grau und im Informationsfenster (Output Display Tabs) erscheinen Daten zu dem Teilchen. Siehe nächstes Bild.
• Beachte das blau umrahmte Feld mit Informationen zu dem ausgewählten Teilchen.
• Wenn Du erst eine Spur mit dem "Finger drauf"-Symbol auswählst und dann auf "Insert Track" (rot umrahmt) klickst, wird der Wert in die "Invariante Masse Tabelle" übernommen. Die ausgewählte Spur wird außerdem im "Track Momentum Window" markiert. Wenn Du zwei Spuren von einem Ereignis auswählst und beide in die Tabelle übernimmst, berechnet HYPATIA automatisch die invariante Masse der beiden Teilchen.
• HYPATIA kann auch Histogramme erzeugen. Wähle dazu "Histograms" (rot umrahmt) im Menü der "Invariante Masse Tabelle" und wähle den gewünschten Histogramm-Typ.
• Die Bilder, die Du bislang gesehen hast, stammen von einer älteren HYPATIA Variante. Du wirst heute eine neue Version benutzen mit drei wichtigen Merkmalen. 1) Einfaches Umschalten zwischen "select" und "zoom" (gelber Rahmen, rechts unten). 2) Es gibt eine zusätzliche Tabelle namens "Physics Objects (roter Rahmen). 3) Du kannst ein Teilchen als "Photon" wählen (grüner Rahmen).
• Wenn Du auf "Physics Objects" klickst (roter Rahmen), bekommst Du eine Übersicht über die rekonstruierten Teilchen in diesem Ereignis. Dies sind die gelben Balken, hier durch grüne Ellipsen markiert.
• Um zu prüfen, ob es sich um Elektronen oder Photonen handelt, solltest Du einen Grenzwert für den transversalen Impuls festlegen (grüner Rahmen). Die meisten Spuren werden dadurch gelöscht, es ist also offenbar ein Ereignis mit zwei Photonen. Wenn Du im Ereignisbild auf die gelben Balken klickst (gelber Kreis) oder die Objekte über die Tabelle "Physics objects" auswählst, kannst Du sie als "Photons" markieren (kleiner roter Rahmen). Sie werden dann in die Tabelle "Invariant Mass" übernommen (roter Rahmen ganz oben).
• In der neuen Version kannst Du auch 4 Leptonen kennzeichnen (2 Myonen + 2 Elektronen, 4 Myonen oder 4 Elektronen), wie im roten Rahmen gezeigt. Das Programm berechnet die invariante Masse aller vier Leptonen, aber auch die der beiden Paare. Achte deshalb auf die richtige Reihenfolge bei der Eingabe. Falls etwas nicht stimmt, erhältst Du eine Fehlermeldung: "incompatible", wie im grünen Rahmen gezeigt..
• In der neuen Version von HYPATIA kannst Du zusätzliche Histogramme erzeugen. Wähle dazu "Histograms" aus dem Menu ganz oben (roter Rahmen). Der grüne Rahmen zeigt die Möglichkeit, die invariante Masse von zwei Photonen (M(g)) zu plotten.