Elektronen und Photonen spielen eine wichtige Rolle f¨ur Pr¨azisionsmessungen am ATLAS-Detektor. Eine genaue Kenntnis ihrer Energie ist von ¨außerster Wichtigkeit f¨ur die Selektion von Prozessen und die Messung ihrer Eigenschaften.
8.2 Kalibration des Elektromagnetischen Kalorimeters
xy-Projektion
zρ-Projektion
Infobox
ηφ-Projektion
Projektions-Fenster Werkzeuge Input
Menü:
Detektorkomponenten Projektionen
Schnitte
Ereignis-Auswahl
Fehlende transversale Energie
Elektron Muon
Jet
Abbildung 8.1: Screenshot ATLANTIS Eventdisplay.
Kapitel 8 Versuchsteil 8.2.1 Einf¨uhrung
Die genaueste Energiemessung von Elektronen im ATLAS-Detektor ist im elektromagnetischen Kalorimeter m¨oglich. Die Energieausbeute der einzelnen Kalorimetermodule ist leicht unter-schiedlich und sie m¨ussen deshalb kalibriert werden. Da Elektronen dar¨uberhinaus auf ihrem Weg vom Interaktionspunkt zum Kalorimeter den Spurdetektor, die Magnetspule sowie K¨uhl-, Versorgungs- und Auslesesysteme durchqueren m¨ussen, haben sie einen Teil Ihrer Energie bei Erreichen des Kalorimeters bereits verloren.
Die Abweichung der gemessenen Elektronen-Energie vom wahren Wert kann parametrisiert wer-den als
Emeas=Etrue(1 +α), (8.1)
wie in Ref. [4] erkl¨art. Die Kalibrationskonstanteαunterscheidet sich je nach Detektorregion und -modul. Experimentell wird die Kalibrationskonstanteα in Zwei-Elektron-Prozessen bestimmt.
Mit dem Prozesspp→Z →eesteht ein Elektronenlieferant mit hohem Wirkungsquerschnitt zur Verf¨ugung, dessen Eigenschaften am LEP-Experiment mit hoher Genauigkeit vermessen wurden siehe Ref. [22].
Die invariante Masse der beiden Elektronen folgt der Funktion
f(Mee) = a
mit der nominellen Z-Masse MZ und der Zerfallsbreite ΓZ, dem willk¨urlich eingef¨uhrten Nor-mierungsfaktor aund einem Term fγZ f¨ur Interferrenzeffekte mit dem Prozess pp → γ∗ → ee.
Die Funktion f heißt relativistische Breit-Wigner-Funktion.
F¨ur die Kalibration werden derfγZ-Term vernachl¨assigt. Statt Gl. 8.2 wird die nicht-relativistische Breit-Wigner-Funktion verwendet
f(Mee) = Γ2Z/4 Mee2 −MZ22
+ Γ2Z/4. (8.3)
Diese N¨aherung hat nur einen kleinen Effekt. Viel wichtiger sind die Ber¨ucksichtigung von Un-tergrundprozessen und Detektoreffekten. Untergrundprozesse werden durch eine fallende Ex-ponentialfunktion parametrisiert. Detektoreffekte verschmieren die Form der invarianten Masse und werden durch Faltung der Breit-Wigner-Funktion mit einer sog. Crystal-Ball-Funktion pa-rametrisiert. Die Kalibrationskonstante α ergibt sich aus dem Vergleich des Mittelwerts der angepassten Breit-Wigner-Funktion mit dem Literaturwert der Z-Masse.
F¨uhren Sie diesen Versuchsteil sehr sorgf¨altig durch. Die Ergebnisse der Kalibration werden f¨ur die folgenden Versuchsteile ben¨otigt. Eventuelle sp¨atere Korrekturen der Kalibration m¨ussen dann auf die anderen Versuchsteile propagiert werden.
8.2 Kalibration des Elektromagnetischen Kalorimeters 8.2.2 Fragen zur Vorbereitung
Rekonstruktion der Invarianten Masse Wie l¨asst sich die Invariante Masse des Z-Bosons aus der Energie, der Pseudorapidit¨at und dem Azimuthalwinkel der Zerfallsprodukte bestim-men?
Zerfall des Z-Bosons Wie groß ist der Impuls eines Elektrons aus dem Zerfall eines Z-Bosons, wenn sich das Z-Boson in Ruhe befindet?
Kalibration des elektromagnetischen Kalorimeters Uberlegen Sie sich eine sinnvolle Untertei-¨ lung des Detektors f¨ur die Kalibration des elektromagnetischen Kalorimeters. Nutzen Sie Ihre Kenntnisse der Geometrie des ATLAS-Detektors.
8.2.3 Versuchsaufgaben
• Machen Sie sich mit Hilfe des Befehls TTree::Draw() mit den gespeicherten Variablen vertraut. Es stehen simulierte Daten f¨ur die ProzesseZ →eeundW →eν zur Verf¨ugung.
Dar¨uberhinaus stehen alle Daten des Jahres 2011, die mindestens ein Elektron mit einem Transversalimpuls pT >25 GeV haben zur Vef¨ugung.
• Erstellen Sie eine Kalibration der Elektronenenergie. F¨ur die Analyse ist ein Code-Skeleton in Form der Datei Calib.C vorbereitet.
8.2.4 Versuchsdurchf¨uhrung
Dieser Versuchsteil wird im VerzeichnisZeeFitausgef¨uhrt. Dahin gelangen sie mit dem Befehl cd ~/ZeeFit. Um Ihnen die Aufgabe zu erleichtern sind einige n¨utzliche Funktionen bereits in der DateiCalib.C vorbereitet.
Starten sie ROOT und kompilieren sie die KlasseCalib. Geben sie hierzu nacheinander
root
.L Calib.C+
in die Kommandozeile ein. Erstellen Sie nun ein neues Kalibrationsobjekt um die vorbereiteten Funktionen nutzen zu k¨onnen. Geben Sie als Argument den Namen einer Datei mit Daten an.
Die Daten f¨ur diesen Versuch befinden sich im Ordnerntuple.
Calib c("../ntuple/v5.data11_7TeV.all.root").
Dabei wird die angegebene Datei geladen und steht in der ROOT Kommandozeile auch oh-ne Nutzung des Kalibrationsobjekts zur Verf¨ugung. Die Ereignisse sind in einem ROOT-Tree
Kapitel 8 Versuchsteil
namens eventTree gespeichert. Sie erhalten einen ¨Uberblick ¨uber die im Tree gespeicherten Variablen mit eventTree->Show(). Verteilungen der Variablen lassen sich mit
eventTree->Draw("Variablen-Name")
eventTree->Draw("Variablen-Name","Gewicht")
in Histogrammen darstellen. Mit dem zweiten, optionalen Argument k¨onnen Sie die Ereignisse gewichten. Dies eignet sich z.B. um simulierte Ereignisse zu skalieren. Speziell f¨ur simulierte Ereignisse ist es wichtig, dass sie hier die Variablemc weightangeben, die verschiedene Korrek-turen der Simulation beinhaltet.
Dar¨uberhinaus l¨asst sich anstelle eines Gewichts eine logische Selektion angeben, z.B. l¨asst sich die Energie des f¨uhrenden Elektrons in einem gewissen Pseudorapidit¨atsbereich plotten mit
eventTree->Draw("el1_cl_E","0.5<TMath::Abs(el1_cl_eta) && TMath::Abs(el1_cl_eta)<1.0").
Die Datei Calib.C h¨alt die Funktion mee() bereit, mit Hilfe derer sich die invariante Masse des Zwei-Elektronen Systems plotten l¨asst. Als Argumente geben sie die TransversalimpulsepT
sowie die η/φ-Koordinaten der Elektronen an
eventTree->Draw("mee(el1_cl_E/cosh(el1_cl_eta),el1_cl_eta,el1_cl_phi, el2_cl_E/cosh(el2_cl_eta),el2_cl_eta,el2_cl_phi)");
Finden sie einen geeigneten Bereich um die Anpassung der invarianten Masse durchzuf¨uhren.
Falls Sie simulierte Ereignisse betrachten beachten Sie bitte, dass diese nur f¨ur Mee >40 GeV simuliert wurden. Fitten Sie nun Ihren Datensatz mit
c.fit(selection,nBins,xMin,xMax,debug,applyCalib).
Als Argumente m¨ussen Sie eine Selektion, die Anzahl der Unterteilungen der x-Achse, sowie das Minimum und das Maxium der x-Achse des zu fittenden Histogramms angeben. Optio-nal k¨onnen Sie f¨ur Testzwecke die Anzahl der analysierten Ereignisse begrenzen, indem sie debug=true setzen. Mit der Booleschen Variable applyCalib kann sp¨ater das Ergebnis der Kalibration ¨uberpr¨uft werden. Die Funktion gibt die gefittete Z-Masse zur¨uck.
Verschaffen Sie sich einen qualitativen ¨Uberblick ¨uber dieη- undφ-Abh¨angigkeit der rekonstru-iertenZ-Masse. Passen sie die Unterteilung, die Sie sich im vorhinein ¨uberlegt haben ggf. an.
Um die Kalibration durchzuf¨uhren verwenden Sie die Funktionloop(). Diese Funktion erstellt und speichert ein Histogramm mit den Ergebnissen (es werden die Korrekturfaktoren 1 +α gespeichert). Standardm¨aßig wird die Kalibration nur differenziell inη durchgef¨uhrt. F¨ugen Sie der Funktion die von Ihnen gew¨ahlte Unterteilung in η zu und kompilieren Sie neu, um die Endg¨ultige Kalibration durchzuf¨uhren. Erweitern Sie die Funktion um eine weitere Dimension um doppelt-differenziell in η und φzu kalibrieren.