Teilchenphysik II - Jet-Physik - Institut für Experimentelle Kernphysik

Teilchenphysik II – Jet-Physik 

V9 ‒ Jet Kalibration 

Fakultät für Physik 

G. Quast, K. Rabbertz (Institut für Experimentelle Kernphysik) 

S. Gieseke (Institut für Theoretische Physik) 

Klaus Rabbertz Karlsruhe, 21.06.2013 Teilchenphysik II – Jet-Physik 1

Warum JES so wichtig? 

Steil abfallendes 

Spektrum 

Faktor 5 – 6 auf Unsicherheit 

In Energieskala: 5% → 30% 

CMS, PRL107 (2011) 


The ATLAS Detector 

See also JINST 3 2008 S08003 


The CMS Detector 

Inner detector (tracker): 

● 

Si pixel & strip tracker 

● σ/p T 

≈ 1-2% (μ at 100 GeV) 

Calorimeter: 

● 

PbWO4 crystal ECAL, 

brass/scintillator HCAL 

● ELM: σ E 

/E = 2.8% /√E + 0.3% 

● HAD: σ E 

/E = 100% /√E + 5% 

Muon system: 

● 

Drift tubes, cathode strips, 

resistive plate chambers 

● 

σ/p ≈ 10 – 50% (muon alone) 

● 

≈ 0.7 – 20% (with tracker) 

Magnet: 

● 

Solenoid → 3.8T 

See also: 

PTDR I LHCC-2006-001, 

JINST 3 2008 S08003 


Teilchennachweis 


Elektromagnetisches 

Kalorimeter 

Barrel (EB): 

- η segments: 2x85 

- φ segments: 360 

→ 61200 crystals 

(PbWO 4 

, 26 X 0 

) 

→ Δη x Δφ ≈ 

0.0174 x 0.0174 

R i 

= 1.29m 

Segmentation 

Energy resolution from test beam: 

S = 2.8%, N = 120 MeV, C = 0.30% 

Segmentation 

Endcaps (EE): 

- (x,y) grid on two halfs 

- front face 28 x 28 mm 2 

→ 2 x 2 x 3662 crystals = 14648 

(PbWO 4 

, 25 X 0 

) 


Hadronisches Kalorimeter 

HCAL (tower structure): 

- Barrel (HB): |η| < 1.4, 2592 towers 

- Endcaps (HE): 1.3 < |η| < 3.0, 2592 “ 

- Outside coil (HO): |η| < 1.26, 2160 “ 

→ Depth (Brass abs. & plast. scint., ≈ 6 - 10 λ N 

) 

→ Δη x Δφ ≈ 0.087 x 0.087 → 0.350 x 0.175 

- Forward (HF): 2.9 < |η| < 5.0 (not shown) 

→ 2 x 864 towers (Brass,quartz fibers, ≈ 10 λ N 

) 

→ Δη x Δφ ≈ 0.111 x 0.175 → 0.302 x 0.350 

CASTOR calorimeter (not shown): 

- 5.1 < |η| < 6.5, ≈ 22 X 0 

, ≈ 10 λ N 

Design energy resolution: 

~ (100/√E + 5.0) % 


Elektromagnetischer Schauer 

Einfaches eindimensionales Schauermodell nach W. Heitler, 1944: 

Bei hohen Energien (GeV): Energieverluste von e-, e+, γ nicht kontinuierlich 

ε c 

ist die kritische Energie bis zu der das gilt 

X 0 

ist die Strahlungslänge nach der ein e-, e+, γ nur noch 1/e der 

Ursprungsenergie übrig hat 

Nur Bremsstrahlung und Paarproduktion tragen bei 

Elektronen mit E e 

> ε c 

strahlen im Mittel nach ln2 X 0 

ein Photon mit 

E γ 

= E e 

/2 aus 

Photonen mit E γ 

> ε c 

konvertieren im Mittel nach ln2 X 0 

in ein e+e- Paar mit 

E e- 

= E e+ 

= E γ 

/2 

Alle Teilchen mit E < ε c 

stoppen sofort und deponieren ihre Energie als 

Ionisation 



Messung von Längen in Einheiten der Materialkonstante X 0 

: 

Blei: X 0 

≈ 0.56 cm; ε c 

≈ 7.5 MeV Eisen: X 0 

≈ 1.76cm; ε c 

≈ 20 MeV 

Anzahl der Schauerteilchen wächst exponentiell: 

Energie eines Schauerteilchens sinkt exponentiell: 

Schauerlänge ist proportional zum Logarithmus der Energie E 0 

: 

Signal ist proportional zur gesamten von geladenen Teilchen (2/3) zurückgelegten 

Wegstrecke: 



Zwei wichtige Eigenschaften elektromagnetischer Schauer: 

Länge proportional zu ln(E 0 

) 

Signal proportional zu E 0 

Das wird benutzt bei der Kalibration mit einzelnen, isolierten 

Teilchen 

Aber: 

Jets bestehen i.Allg. aus vielen Konstituenten 

Es gibt keine eindeutige 1 zu 1 Beziehung von Jets zu Teilchen 

oder Partonen 


Hadronischer Schauer 

Wesentlich komplexer: 

Bei hohen Energien (> 10 GeV): Streuung freier Hadronen, etwa konstanter 

Wirkungsquerschnitt (30 – 100 mb) 

Anschliessend intranukleare Kaskade mit Produktion weiterer Hadronen, die 

bei E > 8 MeV (typ. Bindungsenergie) den Kern verlassen 

In nuklearer Stufe Abbau von Kernanregungen durch Abdampfen von 

Neutronen, Kernbruchstücken, Gammastrahlung 

Trotzdem lässt sich auch hier die longitudinale Entwicklung durch eine 

Materialkonstante approximieren ähnlich zu X 0 

: 

λ 0 

, die nukleare Wechselwirkungslänge Eisen oder Blei: λ 0 

≈ 17 cm 

Signalbildung auch hier durch Ionisation, aber 

Viel grössere Fluktuationen des Schauerverlaufs (es gibt elm. Subschauer 

durch Zerfälle π 0 → γγ) 

Viel grössere Verluste durch unabgebremste Neutronen, Bindungsenergien, 

Myonen, Neutrinos, etc. 


Jet-Energie-Kalibration 

à la CMS 

Offset: Korrektur auf elektr. Rauschen und “Pile-up” 

Relativ (η): Ausgleich der Unterschiede in Jet-Antwort des Det. vs η 

(Zweijet-Balance in pT aus Daten oder MC Simulation) 

Absolut (p T 

): Korrektur des gem. Jet pT zu Teilchenjet p T 

(pT Balance in Photon + 1Jet, Z + 1Jet Ereignissen) 

Optionale weitere Korrekturen, analyseabhängig: Jet Flavour, … 

Anfängliche Annahmen bei LHC Start: CMS Kalorimeter: 10% 

ATLAS Kalorimeter: 7% 

CMS Kalo &Spuren: 5% 


Jet-Energie-Skala 

Dominante Unsicherheit für Messungen von Jet-Wirkungsquerschnitten! 

Enorme Fortschritte am Tevatron, dauerte aber ~ 10 Jahre ... 

Am LHC mit neueren besseren Detektoren: Zwei Jahre → 2 – 5% 

Mit “Particle Flow aus 36/pb (2010) 

ATLAS aus 5/fb (2011) 

(Z+jet Kanal) 

Entwicklung der 

Energiemessung 

gegen Luminosität 

ATLAS, EPJC 71 2011; arXiv:1112.6297; CONF-2012-053; CONF-2012-063 

CMS, JME-10-003; JME-10-010; JINST 6 2011; DP2012-006; DP2012-012 

D0, arXiv:1110.3771; D0 prel. 2006 


“Particle Flow” Konzept 

~ 10% 

had. Kalo → E 

JET 

elm. Kalo → E 

~ 25% 

Spurdet., B → pT 

~ 65% 

Kombiniere Messungen verschiedener Detektorkomponenten 

Berücksichtige dabei spez. Detektoreigenschaften bzgl. Teilchentyp 


Offset-Korrektur 

Elektronisches Rauschen 

Vergleich von Messung und 

Simulation bei Ereignissen 

ohne “Pile-Up” 

Spurdetektor 

nur bis hier 

(Pile-Up: 

Zusätzliche Proton-Proton- 

Kollisionen, entweder 

gleichzeitig oder noch während 

der Detektorauslese; 

2012 bis zu 30 Kollisionen!) 


Jetflächen und Pile-Up 

Mit drastisch erhöhten Luminositäten, 

nötig um viele seltene Ereignisse zu 

sammeln (Higgs?), bekommt man 

aber auch viele gleichzeitige 

Ereignisse im Detektor! 

Muon candidates 

Jetflächen werden benutzt, um auf 

diese zusätzliche Energie zu 

korrigieren. 

ATLAS Di-Myon Ereignis 

mit ~ 10 Primärvertices 

ATLAS, CERN Courier Nov. 2011 


Aber: 

Neue Situation in 2012 bei 8 TeV 

mit viel mehr Pile-up Kollisionen! 

ATLAS Z → μμ Kandidat 

mit 25 reconstruierten Primärvertices: 

(Rekord: Mehr als 70!) 

Jetflächen und Pile-Up 

μ 

CMS aus 5/fb (7 TeV, 2011) 

μ 

CMS aus 1.6/fb (8 TeV, 2011) 

Pile-up 

effect 

CMS, DP2012-006 

CMS, DP2012-012 


Offset-Korrektur je Pile-Up 

Etwa linearer Anstieg mit Anzahl der Primärvertices für N = 1 – 8 

Abweichungen bei höheren Anzahlen 

Stark in η variierende 

Kalorimeterantwort 

Besser bei PFlow 


Relative Korrektur in η 


Asymmetriemethode 

Viele Ereignisse verfügbar mit zwei Jets. In der Regel sind diese 

balanciert in pT, B ~ 0: 

Hierbei ist das mittlere pT: 

Dabei sind: “Vgl.” eine gut kalibrierte Vergleichsregion, normalerweise der 

Zentralbereich des Detektors, “Test” die zu kalibrierende Region. 

Aus dem Mittelwert der Verteilung von B kann kann auf den mittleren Korrekturfaktor 

der Testregion gegen die Vergleichsregion geschlossen werden: 

Die Korrektur ist “gebinnt” im mittleren pT und dem η des Testjets. 


Vergleich Spur-Kalorimeter 

CERN Seminar, ATLAS Vortrag, 

C. Doglioni, 28.05.2012 


MPF Methode 


Photon-Jet-Balance 


Z-Jet-Balance 


Z-Jet-Balance 

Diese Kalibration mit Zerfall Z → μμ ist die 

präziseste Jet-Energiebestimmung überhaupt! 

Bei CMS seit vor Beginn der Datennahme 

von uns am KIT sehr erfolgreich betreut. 

μ + 

μ - 


Multijet-Balance 


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