Attivit di analisi dati e simulazione Monte Carlo

Attività di analisi dati e simulazione Monte Carlo Domenico Giordano Università & INFN di Bari Collaborazione CMS

L’esperimento CMS Il rivelatore CMS è un ”general pourpose detector” ottimizzato per la ricerca del bosone di Higgs e di nuova fisica • Oggetti ricostruiti – , e/ / , ETmiss, b, t, jets • Requisiti sperimentali – Ermeticità e ampia copertura in h – Alta granularità – Preciso sistema di rivelazione di muoni (trigger & p. T meas. - e. g. H ZZ 4 ) – Ottimo calorimetro elettromagnetico (eccellente identificazione e/ , buona risoluzione d’Energ. - e. g. H ) – Buona ermeticità del calorimetro adronico, per la misura di jet ed ETmiss (e. g. H ) – Sistema di tracciamento efficiente con elevata risoluzione nella misura di p. T e dei vertici di interazione (e. g. H ZZ 4 l, H bb) – Alta selettività del sistema di trigger 2

La fisica del LHC Ø La sezione d’urto dei processi fisici che avvengono nelle interazioni pp (Ecm=14 Te. V) varia di molti ordini di grandezza. – Inelastic s(pp) = 55 mb; – heavy-flavor factory: s(bb)= 500 b; s(tt)= 1 nb; – vector-bosons factory; – s(H) = O(10 pb) (m. H=200 Ge. V) Ø I processi di nuova fisica hanno bassa sezione d’urto (Higgs production) Potere di reiezione O(1013) (H-> 120 Ge. V) tracks with pt > 2 Ge. V tracks with pt > 25 Ge. V 3

Strumenti di analisi dati Per realizzare efficacemente il programma di fisica di CMS è necessario un processo di R&D non solo dei rivelatori (es. : preced. talk) ma anche degli strumenti di analisi. Lo sviluppo degli strumenti di analisi può essere suddiviso: – Studio delle prestazioni dei rivelatori, attraverso misure in laboratorio e nei test con fasci di particelle (test beam) – Realizzazione del modello di analisi -Flusso di dati dall’acquisizione alla produzione dei risultati di fisica • • ricostruzione (e simulazione) degli eventi fisici procedure di calibrazione, allineamento, monitoraggio delle prestazioni dei rivelatori controllo della qualità dei dati riduzione dei dati ad un sottoinsieme di oggetti di interesse fisico (elettroni, muoni, b-tagging, tau-tagging) • valutazione delle potenzialità di scoperta di nuova fisica/ misura di grandezze fisiche – Validazione del software in condizioni sperimentali simili a quelle finali di CMS catena completa acquisizione/conversione formato/riduzione/analisi dati 4

Studio delle prestazioni dei rivelatori • Effetto di eventi altamente ionizzanti nei rivelatori al silicio • Studio delle prestazioni degli RPC

Eventi Altamente Ionizzanti nei Rivelatori al Silicio HIPs (Highly Ionising Particles) sono il prodotto di interazioni adroniche nel silicio (p da minimum bias) 1. 2. Ampio segnale sulle strisce che raccolgono la carica prodotta Abbassamento del livello della baseline del chip di lettura molto al di sotto del valore nominale Chip 1 Chip 2 Chip 3 (1) 200 ADC counts - Ped Elevato deposito di energia nei sensori al silicio comporta: Chip 4 mip 100 (2) -100 1 128 baseline 256 Strip Number 384 512 Conseguenza di un evento di HIP Temporanea inefficienza del chip nei 200 -400 ns successivi all’evento Sono stati effettuati due test con fasci di particelle per comprendere l’effetto di HIP nelle condizioni di intensità ed energia delle particelle simili a quelle future di CMS PM 1 Box 1: 3 TIB + 3 TEC Box 2: 6 TOB z PM 2 PM 3 6

Studio degli eventi di HIP Misure: Evento 25 di ns HIP Dt Dt==200 125 150 175 50 75 ns Evento di HIP 1. Probabilità degli eventi di HIP 2. Tempo di recupero del chip 3. Inefficienza del chip dopo un evento di HIP 4. Effetti sull’efficienza di ricostruzione di traccia nel tracciatore (simulazione) Mod. 1 Mod. 2 Mod. 3 (3) inefficienza (1 -e) di rivelazione di una particella al minimo di ionizzazione (mip) nella regione interessata dall’evento di HIP Mod. 4 • Ricostruzione di tracce di mip attraverso l’apparato sperimentale Mod. 5 • estrapolazione della posizione attesa sul modulo in esame efficienza Mod. 6 Segnale • ricerca del cluster nell’intorno della posizione attesa Canali di lettura 7

Algoritmo di ricostruzione di traccia La configurazione sperimentale realizzata ad hoc per eseguire questo studio ha reso necessario lo sviluppo di un adeguato algoritmo di tracciamento al fine di avere alta efficienza algoritmica di ricostruzione Le frecce puntano agli estemi del primo modulo Regione fiduciale per la 1° tracccia h 750 Inefficienza media (h 750) di rivelazione di una mip nei 750 ns successivi ad una HIP Regione fiduciale per la 2° traccia 8

Studio delle prestazioni degli RPC L’efficienza di ricostruzione e la risoluzione degli RPC possono essere valutate eseguendo un test di tracciamento con raggi cosmici. L’algoritmo di ricostruzione di traccia • Ricerca dei cluster • Ricostruzione delle tracce • Filtro di eventi (esclude eventi con sciami e. m. ) Misure di risoluzione spaziale: differenze tra il punto di impatto calcolato con il fit e la coordinata del relativo cluster di strisce ricostruito nel rivelatore smis ~ 8. 6 mm (steor ~ 7. 9 mm) 9

Il modello d’analisi • • • Catena di analisi dati MC (e dei dati reali dal 2007) Studi di trigger Tool di Visualizzazione Studio di canali di fisica Effetto del disallineamento del sistema di tracciamento

Simulazione/Ricostruzione/Analisi Generazione Monte Carlo (PYTHIA) delle interazioni protone-protone (Ecm = 14 Te. V) con produzione p degli stati finali richiesti dallo studio Simulazione della propagazione della particelle nel rivelatore (GEANT) + H Z - p Z e+ e- • interazione radiazione-materia (materiale attivo e passivo) • decadimento delle particelle instabili • effetto del campo magnetico solenoidale ORCA: Digitizzazione Ricostruzione § simulazione dei segnali del rivelatore (Digis) § simulazione della risposta del trigger § ricostruzione dell’informazione fisica per Calibrazione Analisi l’analisi finale § Visualizzazione degli eventi • Selezione degli eventi, utilizzando oggetti di alto livello (4 -vettori, vertici) per la misura di grandezze fisiche (es. : massa invariante) • Studio delle prestazioni del sistema (calibrazione, monitoring) 11

Simulazione del rivelatore: Studi sul trigger Una simulazione affidabile dell’esperimento è possibile solo attraverso la modellizzazione accurata del comportamento di ogni sottorivelatore. Per questo è determinante lo studio delle prestazioni dei rivelatori e l’implementazione software delle caratteristiche misurate sperimentalmente (rumore, rapporto S/N, efficienza, divisione di carica, probabiltà di eventi di HIP, …). Es. di applicazione Studio dell’efficienza del trigger di L 1 degli RPC. Confronto di due algoritmi di selezione dei candidati muoni a L 1, al fine di ridurre la probabilità di coincidenze accidentali dovute al rumore del rivelatore 12

Tool di visualizzazione (event display) La collaborazione CMS sta realizzando uno strumento di visualizzazione chiamato IGUANACMS (basato su IGUANA), che fornisce una rappresentazione 2 D e 3 D del rivelatore e degli eventi fisici attraverso una GUI. Il tool di visualizzazione è utile per: • accedere alla geometria del rivelatore e alla mappa del campo magnetico; • monitorare ciascun sottorivelatore, sino al singolo canale di lettura (temperature, tensioni, canali morti); • accedere e modificare interattivamente i parametri di funzionamento (calibr. , tensioni, punti di lavoro) • visualizzare gli eventi ricostruiti Il gruppo CMS di Bari è attivamente coinvolto nella realizzazione del pacchetto di visualizzazione e monitoring del tracciatore. 13

Visualizzazione degli eventi Il tool di visualizzazione è inserito nel framework generale di CMS per cui si interfaccia facilmente con il tool di simulazione (OSCAR) e di ricostruzione (ORCA) Esso permette di visualizzare tutti gli oggetti ricostruiti e/o simulati: hit, digi, tracce, vertici, etc Gli hit delle particelle misurati su ciascun piano di rivelazione sono visualizzati insieme ai rivelatori stessi e alle tracce ricostruite 14

Studio Monte Carlo di canali di fisica: H ->ZZ->2 e 2 Obiettivo: Valutare la probabilità di scoperta del bosone di Higgs attraverso il decadimento H ZZ(*) e+e-µ+µ- (“golden channel”) 114. 4 La ricerca attraverso questo canale di decadimento Ø è favorita nell’ampia regione di massa compresa tra 130 e 600 Ge. V per la chiara evidenza sperimentale dello stato finale 2 e 2 Ø coinvolge in modo combinato tutti i rivelatori di CMS (Tracker, ECAL, Sistema di muoni, in parte HCAL) 15

Campioni di Segnale e fondo Eventi di segnale Lo spettro di massa da 115 a 600 Ge. V è scansionato utilizzando 18 dataset (~ 10 K eventi ciascuno) per le seguenti masse dell’Higgs • 10: da 115 Ge. V a 200 Ge. V H 160 • 8: da 250 Ge. V a 600 Ge. V Eventi di fondo Processi con produzione di almeno 2 elettroni e 2 muoni nello stato finale Ø Fondo Irriducibile: pp ZZ(*) e+e-µ+µ- ZZ Ø Fondo Riducibile: tt 16

Procedura d’analisi Simulazione completa: generazione degli eventi, propagazione nel rivelatore (GEANT), risposta del rivelatore (ORCA). Ricostruzione degli eventi (come se fossero dati veri!!): Selezione di Trigger, Ricostruzione offline, Fit del vertice, Isolamento ü Generazione dei campioni di segnale e fondo (PYTHIA, Comp. HEP) q Selezione di trigger: L 1 – HLT q Ricostruzione dei 4 leptoni ü Correzione sulla misura d’energia degli elet. ü Identificazione degli elettroni q Ricostruzione e Selezione del Vertice HLT eff. ü Isolamento dei leptoni (basato sulle tracce) Isolamento ü Individuazione delle variabili cinematiche per discriminare segnale/fondo ü Procedura di Ottimizzazione dei tagli di selezione da applicare alle variabili cinematiche al fine di massimizzare la reiezione dei fondi MH = 150 Ge. V ü Valutazione della significatività di scoperta 17

Tagli Cinematici I principali parametri cinematici di selezione sono: q Impulso trasverso dei 4 leptoni: p. Ti q Massa invariante delle coppie ee, Segnale q Massa invariante dello stato 2 e 2 fondo ZZ tt Zbb 18

Effetto della selezione Distribuzioni di massa invariante dello stato e+e-µ+µ- MH = 130 Ge. V – Per eventi di segnale e fondo – prima (1) e dopo (2) l’applicazione dei tagli ottimizzati MH = 200 Ge. V Minimo periodo di presa dati (Luminosità integrata) necessario per avere significatività di scoperta SL > 5 s SL> 5 s MH = 450 Ge. V (Prob. Scoperta = 50%) 18 mesi 12 mesi 6 mesi 3 mesi Ge. V 19

Studi di Disallineamento Nel 1° periodo di presa dati la posizione dei rivelatori di tracciamento (tracciatore al silicio + sistema di muoni) non sarà nota con esattezza [incertezze O(100 mm) sulla posizione dei moduli del tracker (first data tacking)] Allineato Non allineato Effetto sulla ricostru Influenza le prestazioni della ricostruzione di traccia (efficienza, risoluzione) Dopo la costruzione sarà quindi necessario • eseguire una procedura di allineamento, prima con laser e cosmici e in seguito utilizzando i dati stessi (Z->2 , W-> n) • monitorare e ripristinare l’allineamento raggiunto Effetto del disallineamento nella misura di impulso L’attuale simulazione di CMS permette di stimare l’effetto del disallineamento sulla ricostruzione di traccia e quindi sulle misure di fisica in programma (potenzialità di scoperta, misura di massa, b-tagging, violazione CP…) (Attività del gruppo CMS di Bari) 20

Attività future (domani!!!) Magnet Test & Cosmic Challenge • Test combinato di tutti i sottorivelatori di CMS (tracker, calorimetri, sistema di muoni) assemblati in situ (pozzo 5) • i rivelatori sono collocati in corrispondenza di una porzione di CMS • in campo magnetico di 4 T prodotto dal solenoide superconduttore di CMS • rivelazione di raggi cosmici Finalità • verificare la funzionalità del magnete • effettuare una mappatura del c. m. • valutare le tolleranze di posizione, eventuali disallineamenti dei rivelatori in c. m. • effettuare il test di sistema di un apparato che ha la complessità di un piccolo esperimento • verificare il software di CMS (acquisizione, monitoring, calibrazione, ricostruzione) 21

Back. Up

The Large Hadron Collider p-p collider Beam Energy Bunch Crossing Rate 7 Te. V 40 MHz Luminosity L (R = L * s) Low 2 x 1033 cm-2 s-1 = 2 x 106 mb-1 Hz High 1034 cm-2 s-1 = 107 mb-1 Hz Interaction Rate ~1 GHz Interactions/Crossing ~23 (@ High Lumi. ) basically minimum bias events Physics goals: Ø SM Higgs boson discovery Ø Supersimmetry discovery tracks with pt > 2 Ge. V tracks with pt > 25 Ge. V Ø B-physics, Top quark physics, Standard physics (QCD, EW) Ø Heavy Ion physics 23

La fisica del LHC Ø Cross-sections of physics processes vary over many orders of magnitude – Inelastic s(pp) = 55 mb; – heavy-flavor factory: s(bb)= 500 b; s(tt)= 1 nb; – vector-bosons factory; – s(H) = O(10 pb) (m. H=200 Ge. V) Ø Low cross sections for discovery physics (Higgs production) Rejection power O(1013) (H-> 120 Ge. V) Ø Huge event rate Highly Selective Trigger System Extreme demands on detectors: • high granularity • high radiation environment • high data-taking rate 24

CMS Trigger Strategy CMS DAQ requirements Event size Readout network Level-1 Output Mass storage Rejection Power ~1 Mbyte (zero-suppr. ) 1 Terabit/s 100 k. Hz 100 Hz O(105) [40 MHz -> 100 Hz] Custom synchronous processors GHz ( PB/sec) Lvl-1 hardware trigger - Pipelined structure - Particle identification (e/ , muons, jets, MET ) 100 KHz (100 GB/sec) - Local pattern recognition and energy/momentum evaluation - Work on coarse granularity information from calorimeters HLT hardware trigger and muon detectors - Actual Processing time ~1 s High Level Trigger (HLT): Asynchronous CPU farms - Access to full event data - Finer granularity, precise measurement - Reconstruction and selection of e, , , jets, MET, b, -tagging - Matching between detectors 100 Hz (100 MB/sec) data recording Sistema Online Level-1: data Analisi Offline 25

HLT requirements Ø Main requirements: ü Satisfy CMS physics program with high efficiency ü Selection must be inclusive (to discover unexpected physics) ü Must not require precise knowledge of calibration/run conditions ü Efficiency must be measurable from data alone üAll algorithms/processors must be monitored closely Advantages Benefit maximally from evolution of computing technology Flexibility: no built-in design or architectural limitations — maximum freedom in what data to access and in sophistication of algorithms Code is as close as possible to offline reconstruction code Evolution of algorithms, including response to unforeseen backgrounds or unexpected physics Minimize in-house elements cost maintainability 26

Misura d’energia degli elettroni La misura d’energia degli elettroni ricostruiti utilizza l’informazione combinata del tracker e del calorimetro e. m. al fine di migliorare la risoluzione energetica, limitata da: • risoluzione intrinseca dei rivelatori e degli algoritmi • effetto dell’emissione di fotoni di bremsstrahlung Le due misure sono complementari: ECAL TK E = 5 -10 Ge. V Combinata Con la misura combinata: Ø Le variazioni della scala di energia sono ridotte a meno di 1% Ø Le code dovute alla bremsstrahlung si riducono rispetto alla ricostruzione calorimetrica o con il tracciatore E = 30 -35 Ge. V E = 80 -85 Ge. V Esc/Etrue Ptk/Etrue Ebest/Etrue 27

Il modello di calcolo di CMS La collaborazione CMS è attualmente impegnata 1. 2. nella definizione del modello di analisi (sulla base anche dell’esperienza acquisita negli altri esperimenti) Sviluppo degli strumenti necessari per la realizzazione di un ambiente di calcolo distribuito su larga scala, in modo da gestire • • Diversi milioni di dati simulati Peta. Bytes/anno di dati reali (alla partenza dell’esperimento!!!) decine di migliaia di CPU, permettere a molti ricercatori sparsi su varie aree geografiche di eseguire la loro analisi L’architettura distribuita fornita dalla Grid è stata adottata per soddisfare alcuni di questi requisiti LCG 28