Elektromagnetická kalorimetrie a rekonstrukce π0 na ALICI. Jiri Kral University of Jyväskylä

Elektromagnetická kalorimetrie a rekonstrukce π0 na ALICI Jiri Kral University of Jyväskylä Zimní škola EJF 2013

Kalorimetrie Hardware IJZ, věže detektoru Elektronizace a on-line kalibrace Digitalizace Kalibrace Nelinearita Energetická kalibrace Časová kalibrace Analýza Šumící věže Rekonstrukce clusterů Rekonstrukce π0 2

IJZ Fotony, fotony a fotony, elektrony miony, hadrony, Výrazně převažuje tvorba párů Finální produkt v kalorimetru je světlo (konvertované na e-) Otázka za kouli: jakým mechanizmem světlo vzniká? Otázka za druhou kouli: jak závisí tvorba párů na Z? σ účinné průřezy Fotoefekt: ~Z4/E4 Compton: ~Z Produkce párů: ~? 4

IJZ Fotony, fotony a fotony, elektrony miony, hadrony, Výrazně převažuje tvorba párů Finální produkt v kalorimetru je světlo (konvertované na e-) Primární mechanizmy vzniku světla ve věži je Cherenkov a scintilace σ účinné průřezy Fotoefekt: ~Z4/E4 Compton: ~Z Produkce párů: ~Z2 5

Rozměr spršek Radiační délka X0 Podélný směr 7/9 střední volné dráhy na produkci páru Pro e- pokles E na 1/e Molièrův rádius Příčný rozměr spršky Cilindr, ve kterém se vyskytuje 90% energie plně rozvinuté spršky 6

Věže Olovo a scintilátor v mnoha vrstvách 3.2 cm Molière R 6 x 6 x 24.6 cm towers 100MeV-100GeV 7

Elektronizace Avalanche photo diode (APD) Dopad fotonu vyvolá. co? Zesilovací faktor závisí na napětí Předzesilovač Fotodioda s vysokým napětím v závěrném směru. Musí zachovat časovou informaci První možnost kalibrace Nastavením napětí na jednotlivých APD Vyrovnání poměru mezi energií a amplitudou Důležité zvláště kvůli on-line systémům 9

Elektronizace Avalanche photo diode (APD) Dopad fotonu vyvolá lavinu Zesilovací faktor závisí na napětí Předzesilovač Fotodioda s vysokým napětím v závěrném směru. Musí zachovat časovou informaci První možnost kalibrace Nastavením napětí na jednotlivých APD Vyrovnání poměru mezi energií a amplitudou Důležité zvláště kvůli on-line systémům 10

Jak to dopadne, když... 10% chyba v kalibraci napětí na APD x10 frekvence triggeru v dotčeném regionu 20-60% špatně triggerovaných jet dat 11

ADC ALTRO ADC Kombinovaná digitalizace, zpracování signálu a event building Vyvinuté pro TPC 100ns vzorkování (LHC 25ns) Zpracování signálu Odečet pedestalu Zero suppression 13

Nelinearita Hardware IJZ, věže detektoru Elektronizace a on-line kalibrace Digitalizace Kalibrace Nelinearita Energetická kalibrace Časová kalibrace Analýza Šumící věže Rekonstrukce clusterů Rekonstrukce π0 14

Nelinearita Závislost konečného signálu na deponované energii není lineární Proč? Měří se pomocí test beamu Definovaná energie dopadající částice Pozor na úniky u hran Rozdíly E-kalibrace 15

Nelinearita Závislost konečného signálu na deponované energii není lineární Různý útlum světla ve věžích pro různě energetické spršky Nelineární odezvy zesilovačů a ADC Únik části spršky z aktivního objemu Měří se pomocí test beamu Definovaná energie dopadající částice Pozor na úniky u hran Rozdíly E-kalibrace 16

Energetická kalibrace Teď již lineární odpověď detektoru na deponovanou energii je nutné dát škálu Vztažení rekonstruované energie ke známé konstantě Primární kalibrace pomocí MIP (minimálně ionizující částice) Která? Otázka za kouli :) Finální kalibrace pomocí? za kouli Finální kalibrace Provádí se v několika iteracích, protože jde vždy o pár věží Vyžaduje množství dat 18

Energetická kalibrace Teď již lineární odpověď detektoru na deponovanou energii je nutné dát škálu Vztažení rekonstruované energie ke známé konstantě Primární kalibrace pomocí MIP (minimálně ionizující částice) Miony Finální kalibrace pomocí π0 Finální kalibrace Provádí se v několika iteracích, protože jde vždy o pár věží Vyžaduje množství dat 19

Časová kalibrace Hardware IJZ, věže detektoru Elektronizace a on-line kalibrace Digitalizace Kalibrace Nelinearita Energetická kalibrace Časová kalibrace Analýza Šumící věže Rekonstrukce clusterů Rekonstrukce π0 20

Časová kalibrace Identifikace částic pomocí doby letu Ty lepší kalorimetry mohou identifikovat částice dle doby letu Ty horší ne :) Kalibrace Pozici amplitudy signálu je zapotřebí vztáhnout k přesně definované události Užití vysoce energetických fotonů nekalibrované kalibrované 21

Tachyony.. vypadá to, že existují :)) Otázka za kouli, proč... 22

Tachyony Jak Světlo ve věži se pohybuje relativně pomalu Rozdílná střední volná dráha částic způsobí vznik spršky (a nebo jiného signálu) dále a nebo blíže vyčítání 23

.. a ty horší kalorimetry Když se zapomene a kabely od APD k ADC se udělají náhodně dluhé, kalibrace je potřeba k identifikaci události, do které cluster patří Popřípadě když se časová odflákne. 24

Mapa vadných věží Různé defekty věží Mrtvé, polomrtvé, šumící všude, šumící diskrétně Identifikace Mrtvé dle malého počtu zásahů Šumící dle excesivního počtu zásahů Pozor! Energetické spektrum je strmě klesající funkce. Idenitifikace musí proběhnout v mnoha E binech, a zabráni tak opominutí věží šumících pouze pro vyšší energie. 26

.. když se opomene Prošlé šumivé věže oficiální identifikací v jediném :))) binu 27

Clustering High E cluster Two close low E clusters High E cluster Složení energie z věží patřící spršce z jediné částice Různé druhy algoritmů Každý řeší jinak prekryvy více spršek Liší v účelu použití (PID versus jety) 29

π0 Lehký mezon Quarková kompozice m0 = 0.1349 GeV/c2 u u d d 2 Rozpadové kanály 98.8% π0 2γ 1.2% Dalitz π0 γ e- e+ Doba života ~10-17 s 31

Kinematika Symetrický rozpad, boost do soustavy pionu Náhodná orientace fotonů v prostoru (dle plochy na koupi) Pri simulaci myslet na hustotu pravděpodobnosti θ Asymetrie 32

Závislost na asymetrii Asymetrie má ploché rozdělení (důkaz je zřejmý) Rozevření fotonů se zmenšuje s vyšší hybností a vyšší symetrií 33

Identifikace Rekonstrukce invariantní hmoty M γ γ = 2 E 1 E 2 (1 cos θ) Studium tvaru spršek Cluster tvořený dvěma sloučenými fotony je elyptický Lze použít až v momentě kdy úhel je dost malý na sloučení 34

Kinematika v praxi - asymetrie Asymetrie je plochá, ale plochou ji neuvidíte Proč je jednou vysoká asymetrie useknutá? Proč podruhé N ve vysoké asymetrii roste? All pairs Peak pairs 2.0 GeV E cut Proč? 0.5 GeV E cut Proč? 35

Kinematika v praxi - asymetrie Asymetrie je plochá, ale plochou ji neuvidíte Proč je jednou vysoká asymetrie useknutá? Proč podruhé N ve vysoké asymetrii roste? All pairs Peak pairs 2.0 GeV E cut Proč? 0.5 GeV E cut Proč? 36

Kinematika v praxi - asymetrie Asymetrie je plochá, ale plochou ji neuvidíte Vysoký E-cut abrání kombinaci jednoho vysoko a druhého nízko E clusteru Spojení 2 fotony se náhodně kombinují s mnoho malými clustery All pairs Peak pairs 2.0 GeV E cut Proč? 0.5 GeV E cut Proč? 37

Kinematika v praxi - rozevření Symetričtější páry a páry z piony o větší hybnosti mají užší úhly Proč signál na vyšších pt vymizí? * data - kinematika - MC Θ [rad] Θ [rad] Θ [rad] Θ [rad] 38

Kinematika v praxi - rozevření Symetričtější páry a páry z piony o větší hybnosti mají užší úhly Časem se úhel zmenší pod granularitu detektoru a signál vymizí * data - kinematika - MC Θ [rad] Θ [rad] Θ [rad] Θ [rad] 39

První nástřel fyziky 40

Závěr Základní komponenta moderních detektorů K použití hlavně pro získání informace o neutrálních produktech srážky (ale nejen) Dle kvality návrhu, může přispívat k PID IJZ ve velkém objemu přináší všechny možné efekty Není to tak snadné, jak se zdá (například v porovnání s rekonstrukcí hitu v ITS) One of the Gurus: Gabod David david@bnl.gov 41

That's all folks! 42