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Taller práctico: Masterclass CMS
Jesús Puerta PelayoPrograma español para profesores – CERN – Junio 2019
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3
Vamos a trabajar con datos REALES obtenidos con el detector CMS
Colisiones pp a 8 TeV
Procesos: Vamos a estudiar colisiones PRESELECCIONADAS que
contienen desintegraciones de bosones Z, bosones W, otras partículas que
se desintegran en pares de leptones (ee o mumu), algunos H’s…
Vuestro trabajo consiste en visualizar los sucesos (señales en los
detectores), identificar el proceso y al poner en común todos los
resultados obtener resultados físicos (Medir, medir, medir…)
Objetivo del ejercicio
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El Modelo Estándar (ME)
Estas
son las
que vais
a “ver”
Estas son las
que vais a
“estudiar”
Estas son las que van a interaccionar
¡Y sus antipartículas también! (μ+, anti-u, anti-d, e+…)
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Muones: Es el “segundo lepton”,
hermano mayor del electrón (200
veces más pesado)
Tiempo de vida media
~microsegundos
Al contrario que los electrones,
interaccionan poco con la materia
(por ser más masivas sufren
menos bremsstrahlung)
… ¿pero los muones no eran inestables?
10000
muones /
minuto /m2
Descubrimiento del muon
Carl D. Anderson, Seth Neddermeyer (Caltech,
1936)
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MUONES
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ELECTRONES
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NEUTRINOS
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Presente en bosones W, quarks top, taus , así como en
múltiples modelos de nueva físca que predicen sucesos
con elevada MET (SUSY, materia oscura, dimensiones
extra…)
• Reconstrucción MET– Requiere un detector hermético
– Implica la reconstrucción de todas las partículas con interacciones EM y fuertes.
– Sensible a múltiples imperfecciones del detector (celdas defectuosas de los
calorímetros, ruido, partículas del halo, etc.)
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Una vez reconstruidos todos los objetos que forman parte de un evento, se impone
por conservación de energía que haya balance en el plano transverso (productos de
colisión en reposo en este plano)
Los neutrinos (y otras posibles partículas invisibles) no pueden ser medidas
directamente. Por ello, necesitamos inferir su presencia imponiendo conservación de
energía en el balance global.
No existe un detector perfecto y hermético. No podemos imponer el balance de energía
en el eje polar (parte de la energía puede escapar junto al tubo del haz sin ser medida)
Por el contrario, la componente transversa de la energía puede ser medida. Gracias a
ello, la presencia de un desequilibri en la energía transversa total (al que llamamos MET)
se interpreta como la presencia de un neutrino.
¿Neutrinos? MET
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Neutrinos for dummies
NEUTRINOS
RESTO
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Partículas a identificar:
Bosones W (+/-) y Z
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e-
e+
e-
e+
pp ➝ Z+X ➝ e+e−+X
Candidato a Z:
2 leptones cargados del
mismo sabor (e, μ) y
carga opuesta.
Balanceados en el
plano transverso.
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𝜇+
ETmis
ETmis
𝜇+
pp➝W+X ➝ 𝜇+𝜈+X
Candidato a W:
1 leptón cargado (e, μ)
y un neutrino (ETmis).
El neutrino se
manifiesta por la falta
aparente de
conservación de
energía-momento.
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Las predicciones teóricas de la evolución de la sección eficaz con la
energía están de acuerdo con las medidas experimentales.
Los cocientes W+/W− y W/Z se miden con mayor precisión.
Secciones eficaces de producción de W y Z
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Otro modo de desintegración del Higgs es su desintegración en 2 bosones Z
que a su vez se desintegran en pares de leptones.
Seleccionando sucesos con al menos 4 muones de alto momento se
reconstruye la masa de la posible partícula que se desintegró en esos 4
cuerpos
.
MH
2 = (p1 + p2 + p3 + p4 )2
Al ser M(H) alta (125 Gev), losmomentos de las partículashijas serán altos
Trayectorias “casi” rectasp = 0.3B R
Higgs -> 4 leptones
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H ➛ ZZ ➛ 4ℓ
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Masa reconstruida de los 4 leptones para la suma de
los canales 4e, 4μ y 2e2μ.
Distribuciones de masa: H➛ZZ➛4ℓ
ZZ ➝ 4ℓ
X➝ ZZ ➝ 4ℓZ ➝ 4ℓ
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Dado que los bosones (W/Z/H) sólo pueden viajar una
distancia ínfima antes de desintegrarse, CMS no los “ve”
directamente.
CMS puede detectar:
• electrones
• muones
• fotones
• jets
Tenéis que identificar
estos estados finales
Estados finales en el ejercicio
-> 4l
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El ejercicio
1. Nos dividimos en parejas
2. Cada grupo tiene un bloque de 100 colisiones a
analizar (asignamos un número por cada pareja)
3. Una por una, estudiad las colisiones con el
visualizador. Analizadlas y clasificadlas.
4. La conclusión del análisis se introduce en una
tabla y en un histograma
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http://cms.physicsmasterclasses.org/cms.html
Enlaces
http://www.i2u2.org/elab/cms/ispy-webgl/
https://www.i2u2.org/elab/cms/cima/
Masterclass CMS (explicación y detalles)
Visualizador
Tabla de resultados
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En la tabla hay que introducir:
• El tipo de partícula identificada: W (con su carga si es posible), NP
(partícula neutra, desintegración en 2 leptones IGUALES y de CARGA
OPUESTA), Higgs (a 2 parejas de leptones iguales y carga opuesta) o ZOO
(si no podéis identificarlo)
• Leptones del estado final (electrones o muones)
• Si es una partícula neutra (NP), su MASA (obtenida en el visualizador)
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¿Podemos calcular la razón e/m en estados finales de W?
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¿Podemos calcular la razón W+/W- para CMS?
traza de muónlínea recta
sentido horario = +
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¿Podemos hacer la distribución de masa de candidatos a Z?
HAY QUE INTRODUCIR EL VALOR DE MASA EN EL HISTOGRAMA
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¿Podemos encontrar sucesos raros de HZZ?
• Z e+e-
• Z m+m-
¿Podemos seleccionar
electrones y/o muones?
¿Cómo tendríamos que
filtrar un suceso de modo
que podamos reconocer
las trazas correctas?
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¿Podemos encontrar eventos Hgg?
¿Cómo podemos localizar fotones que no dejan trazas?
¿Dónde debemos mirar? ¿Qué tendríamos que ver y no ver?
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Suceso pp → ZZ → e+e-𝜇+𝜇-
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H ➛ ZZ ➛ 4ℓ
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H ➛ gg
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Análisis de sucesos de CMS
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Desintegración del bosón W
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Desintegración del bosón Z
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Desintegración del bosón H
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Resultados del análisis
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Histograma de masas
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Resumen de objetivos
¿Cuál es el valor de las fracciones
e/mu, W+/W- y W/Z?
¿Es compatible con el Modelo
Estándar?
¿Cuántos bosones de Higgs hemos
observado? ¿Cuál es su masa
promedio?
¿Podemos identificar la señal del
bosón Z en el histograma de masa?
¿Cuál es su masa promedio?
¿A qué se deben las otras estructuras
en el histograma de masas?
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