I. Поиск одиночного рождения топ-кварка при анализе получаемых экспериментальных данных в детекторе CMS

I. Поиск одиночного рождения топ-кварка при анализе получаемых экспериментальных данных в детекторе CMS

● Готовится генератор событий для моделирования процесса ассоциативного рождения топ-кварка и W-бозона (tW) с необходимым уровнем точности. Моделирование этого процесса является сложной и не решенной задачей в силу целого ряда факторов, таких как интерференция с парным рождением топ-кварков, объединение различных порядков теории возмущений и других проблем, описанных в соответствующих публикациях. В течении прошедшего года, предложенный метод моделирования неоднократно представлялся на различных семинарах и международных конференциях и в настоящий момент реализуется в виде Монте-Карло генератора событий, который планируется использовать в эксперименте CMS.

● Подготовлены и внедрены в программное окружение коллаборации CMS (CMSSW) фильтры событий необходимые для объединения различных порядков моделирования (matching) в процессах с t-канальным рождением топ-кварка. Соответствующие программы помещены в раздел GenFilters в стандартные репозитарии CMSSW и используются в цепочке полного моделирования отклика детектора.

● Подготовлен и используется интерфейс моделирования отклика детектора CMS и программ реконструкции для событий доступных в MCDB. Интерфейс основан на пакете LHAsource из пакета CMSSW и необходим при проведения моделирования детектора в среде GRID для событий созданных вне программного окружения коллаборации CMS. В частности этот интерфейс используется для всех создаваемых событий генератора SingleTop.

● Созданы пакеты интерфейсных программ для интеграции пакета Physics Analysis Tools (PAT) и программного окружения анализа высокого уровня (нейронные сети). Такой интерфейс необходим для проведения предварительного отбора реконструированных событий данных и Монте-Карло, вычисления необходимых переменных для анализа высокого уровня и записи отобранных событий и переменных в небольшие нтаплы, пригодные для тренировки нейронных сетей и проведению конечного отбора событий.

● Проведена адаптация существующих программ тренировки нейронных сетей к текущей версии программного окружения CMSSW. Параллельно ведется разработка пакета создания Байесовских нейронных сетей, что позволит применить несколько методов многомерного анализа данных и сравнить результаты различных методов и, тем самым, повысить уровень достоверности получаемых результатов.

● Выполнен план участия сотрудников лаборатории в дежурствах по контролю и управлению подсистемой HCAL детектора CMS

● Проводится анализ доступных данных набранных детектором CMS и готовятся результаты отбора событий одиночного рождения топ-кварка методами Нейронных сетей и Байесовских нейронных сетей. Анализ будет базироваться на основе уже выработанных и опубликованных рецептах группы, описанных в CMS AN-2009/180. В настоящий момент доступная экспериментальная статистика составляет примерно 36 пб^-1, ожидается, что по результатам работы коллайдера в 2011 году будет набрана статистика в 1 фб^-1, что даст возможность выделить события с одиночным рождением топ-кварка, измерить сечение таких процессов и параметра Vtb, провести поиск возможных отклонений от предсказаний СМ. В качестве примерa, на рисунке показано распределениe реконструированной массы топ-кварка из предварительно отобранных событий данных в текущей статистике и предсказания для фоновых и сигнальных процессов. По оси абсцисс показана величина реконструированной массы топ-кварка в ГэВ, по оси ординат приведено количество отобранных данных и ожидаемых событий для интегральной светимости 36.14 пб^-1.

Моделирование ассоциативного tW рождения одиночного топ кварка с учетом интерференции с парным рождением и вычислениями в следующих порядках теории возмущений. Моделирование процессов рождения одиночного топ-кварка с учётом вкладов аномальной вершины Wtb, нового бозона W' и нейтральных токов с нарушением аромата кварков (FCNC). Анализ поступающих с детектора CMS данных с целью выделения сигнала одиночного рождения топ-кварка, измерения сечения таких процессов и ряда параметров Стандартной модели. Проведение оптимизации анализа данных с помощью методов нейронных сетей и байесовских нейронных сетей.

3. II. Участие в проекте CASTOR — переднего калориметра для CMS

Калориметр полностью интегрирован в инфраструктуру установки CMS, включая систему сбора данных, системы контроля и мониторинга детектора (detector control system, slow control, data quality monitoring), программы реконструкции, программы полного Монте-Карло моделирования отклика детектора. Программы полного моделирования демонстрируют разумное согласие с результатами анализа данных, полученными во время работы с прототипами на тестовых пучках в 2007 и 2008 годах. Разработка программ быстрого моделирования практически завершена. Система контроля и мониторинга детектора отвечает всем требованиям безопасности для полностью автономной работы детектора в экспериментальном холле установки CMS (UXC, USC P5).

Для эффективной идентификации мюонов, необходимой для калибровки калориметра, реализован технический триггер (L1Tech_CASTOR_HaloMuon), срабатывающий в случае присутствия в калориметре изолированного в рамках одного сектора энерговыделения, наблюдаемого по всей длине этого сектора (десять длин ядерного взаимодействия). Во время впрыска и ускорения пучков системой сбора данных CMS используется режим, при котором задействован только данный технический триггер с целью накопления значительного массива данных для калибровки калориметра. Следующим этапом послужит включение калориметра в триггерные схемы установки, реализующие физические алгоритмы.

Коллаборацией CMS одобрены предварительные результаты сопоставления полного моделирования детектора с данными, полученными во время работы на тестовых пучках, а также анализа энергетических спектров (некалиброванных амплитудных спектров с использованием тех каналов, которые не затронуты влиянием магнитного поля), наблюдаемых в калориметре. Эти спектры чувствительны к эффектам, связанным с динамикой партонов и c многопартонными взаимодействиями.

Идёт работа по модификации передней области установки CMS с целью уменьшения влияния магнитного поля путём улучшения экранирующей защиты. Планируется завершение работ по калибровке калориметра, включая полную калибровку с использванием физических процессов (баланс поперечного импульса в двухструйных событиях, лептонные распады Z-бозонов) и включение данных калориметра в журнальные публикации как данных, полученных на установке CMS в 2010 году, так и тех, что будут получены в 2011-2012 годах.

База знаний MCDB (http://mcdb.cern.ch) официально является частью полной цепочки моделирования событий в коллаборации CMS и используется при массовом моделировании в среде распределенных вычислений GRID. Такое широкое применение накладывает существенные требования по обеспечению надежности предоставляемых сервисов. В течении прошедшего года удавалось поддерживать работоспособность и стабильность всех сервисов и интерфейсов MCDB. Был внесен целый ряд необходимых изменений и исправлений в программный код MCDB. С целью повышения надежности была проведена миграция всех сервисов на новую аппаратную платформу в IT отделе ЦЕРН, и был осуществлен переход на новую операционную систему SLC5, что потребовало значительных усилий разработчиков. Для удовлетворения потребностей пользователей MCDB был внесен целый ряд изменений в функциональность MCDB, например добавлена возможность использования графики при описании смоделированных событий. База знаний MCDB предоставляет инфраструктуру для хранения и распространения событий моделируемых экспертами для экспериментальных коллабораций коллайдера БАК. Инфраструктура MCDB включает в себя различные интерфейсы взаимодействия с пользователями и авторами событий (Веб интерфейс, пакетные интерфейсы) и автоматические интерфейсы для взаимодействия с программным окружением коллабораций (C++ пакеты и PERL скрипты для автоматической загрузки и доступа к содержимому MCDB). Схематически основные интерфейсы и их роль в общей цепочке моделирования показана на рисунке. Главной составной частью всех интерфейсов MCDB является разработанный язык HepML. HepML основан на стандартах XML и предназначен для представления полного набора информации описывающей моделирование жестких процессов в физике высоких энергий. HepML состоит из системы XML схем описывающих связи между различными возможными параметрами (например параметры теоретической модели и Монте-Карло генератора) и набора программных библиотек позволяющих легко работать с таким XML блоком информации, в частности, создавать, модифицировать, считывать и разбирать записанную информацию в структурированном виде. За прошедший год была подготовлена и выпущена новая стабильная версия 0.2 языка HepML. Подготовлена и опубликована документация (CPC 181 1758-1768, 2010). Создание новой версии позволило существенно улучшить функциональность интерфейсов MCDB. Язык HepML создавался в качестве универсального языка и не привязан к проекту MCDB. В настоящее время, HepML используется не только в MCDB, но и в программном окружении коллаборации CMS, и в пакете символьных и численных вычислений CompHEP.

Обеспечение стабильной работы Базы знаний MCDB необходимой для моделирования массивов событий коллаборацией CMS. Внесение ряда изменений в функциональность интерфейсов MCDB, запрашиваемых коллаборацией CMS. Интеграция используемых хранилищ данных в среду распределенных вычислений GRID. Адаптация автоматических интерфейсов и программного кода CMSSW к разработанным спецификациям HepML 0.2.

1) First Measurement of the Cross Section for Top-Quark Pair Production in Proton-Proton Collisions at sqrt(s)=7 TeV.

2) Search for Quark Compositeness with the Dijet Centrality Ratio in pp Collisions at sqrt(s)=7 TeV.

3) Search for Dijet Resonances in 7 TeV pp Collisions at CMS.

4) P. Goettlicher for the CMS-CASTOR collaboration,

“Design and test beam studies for the CASTOR calorimeter of the CMS experiment”,

Nucl. Instrum. Meth. A 623 (2010) 225

5) Observation of Long-Range Near-Side Angular Correlations in Proton-Proton Collisions at the LHC.
By CMS Collaboration
JHEP 1009:091,2010,. [arXiv:1009.4122]

6) Optimization of the analysis of single top-quark production at the Large Hadron Collider (LHC).

7) CMS Tracking Performance Results from early LHC Operation.

8) First Measurement of the Underlying Event Activity at the LHC with \sqrt{s} = 0.9 TeV.

9) Measurement of the charge ratio of atmospheric muons with the CMS detector.

10) Transverse-momentum and pseudorapidity distributions of charged hadrons in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV.

11) First Measurement of Bose-Einstein Correlations in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}=0.9$ and 2.36 TeV at the LHC.

12) The Tools and Monte Carlo working group Summary Report.

13) Transverse momentum and pseudorapidity distributions of charged hadrons in pp collisions at $\sqrt(s)$ = 0.9 and 2.36 TeV.

14) HepML, an XML-based format for describing simulated data in high energy physic.

15) V.Andreev, … I. Katkov, … et al., ``Performance Studies Of A Full-Length Prototype For The Castor Forward Calorimeter At The CMS Experiment,'' Eur. Phys. J. C 67 (2010) 601

16) CMS Collaboration, ``CASTOR Detector Performance during the LHC Collision Runs at sqrt(s) = 0.9, 2.36 and 7 TeV’’,  CMS Note DP-2010/037

17) S. Chatrchyan, … I. Katkov, … et al., ``Study of Various Photomultiplier Tubes with Muon Beams And Cherenkov Light Produced in Electron Showers”, CMS Note 2010/003

18) S. Bacegmez, D. d'Enterria, L. Gouskos, P. Katsas, I. Katkov, L. Khein``Performance Studies of the Full Length Prototype for the CASTOR Forward Calorimeter of the CMS Experiment”, CMS Note CR-2008/090 

19) «On automation of Monte Carlo simulation in high energy physics», D.Kekelidze, S.Belov, L. Dudko, A.Sherstnev; In proceedings of the 4^th International Conference "Distributed Computing and Grid-technologies in Science and Education", June 28 - July 3, 2010, Dubna, Russia

1) I.Katkov, "The CMS forward CASTOR calorimeter performance and operation",

PLHC2010: Physics at the LHC 2010, 7-12 Jun 2010, DESY, Hamburg (Germany)

2) I.Katkov, "Physics with the CMS forward CASTOR calorimeter”,

QFTHEP'2010: The XIXth International Workshop High Energy Physics and Quantum Field Theory, 8-15 Sep 2010, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Golitsyno (Russian Federation)

3) «ON AUTOMATION OF MONTE CARLO SIMULATION IN HIGH ENERGY PHYSICS» D. Kekelidze, S. Belov, L. Dudko, A. Sherstnev; The 4th International Conference "Distributed Computing and Grid-technologies in Science and Education, June 28 - July 3, 2010, Dubna, Russia

4) «LCG Monte-Carlo Events Data Base - LCG MCDB» S.Belov, L.Dudko, D.Kekelidze, A.Sherstnev; JINR Program Advisory Committee for Particle Physics, Dubna, Russia, 14-15 January 2010

5) “Neural Networks for the Single Top quark search” E.Boos, L.Dudko, A.Markina, M.Perfilov, A.Popov; MVA Workshop, CERN, Geneve, 13 December

В 2010 году продолжилось изучение фоторождения Λ(1520) на установке CLAS в лаборатории Джефферсона (Jlab, USA) и получение полного и дифференциального сечения и углового распределения в системе Готфрида-Джексона.

Работа закончена и представлена на рабочем совещании коллаборации, результаты готовятся к публикации в 2011 году. Продолжается обработка данных эксперимента e1-dvcs по изучению глубоко-неупругого комптоновского рассеяния (DVCS) и получения генерализованных партонных распределений в нуклоне (GPD). Получено дифференциальное сечение DVCS-процесса. Изучается образование резонанса N(1535) в DVCS-режиме. Получение дифференциального сечения рождения этого резонанса позволит более полно описать GPD нуклонов и понять как распределен заряд и другие величины внутри нуклонов.

Сечение процесса DVCS при Q²=2.2 GeV и x_B=0.25.

Кривая – вычисленное сечение фонового процесса Бете-Хайтлера.

Ведется подготовка к эксперименту по поиску «тяжелого фотона» - гипотетической частицы с помощью которой возможно темная материя взаимодействует с веществом. Существование такой частицы предсказывается теоретиками, а также имеются указания в некоторых экспериментах. Также подготовлены два предложения будущих экспериментов на установке CLAS12 – мезонная спектроскопия и изучение DVCS-процессов нв нейтроне. Предложения ожидают обсуждения на Program Advisory Committee (PAC37).

1. Status of DVCS cross-section analysis from e1dvcs1 – F.-X. Girod, Alex Kubarovskiy, CLAS collaboration meeting, June 18-June 21 2010, Newport News, USA

2. Λ(1520) photoproduction from g11 - Rafaella De Vita, Alex Kubarovskiy, CLAS collaboration meeting, November 18-November 21 2010, Newport News, USA

Подготовленные предложения экспериментов с участием А.В. Кубаровского:

1. Deep Virtual Compton Scattering on the Neutron with CLAS12 at 11 GeV, Program Advisory Committee (PAC37).

2. Meson Spectroscopy with low Q² electron scattering in CLAS12, Proposal for Program Advisory Committee (PAC37).

3. A proposal to Search for Massive Photons at Jefferson Lab, Proposal for Program Advisory Committee (PAC37).

II. Б.Б. Левченко

1) Выполнен методический анализ влияния объемного заряда сталкивающихся пучков коллайдера HERA на импульсы медленных (120-150 МэВ/с) электронов, пионов и каонов. Эффект обусловлен ускорением или торможением заряженных частиц сразу после их рождения электрическим полем пучков . Это должно приводить к систематическому сдвигу масс реконструируемых резонансов. Измерена зарядовая асимметрия A как функция импульсов частиц (см. Рис 1). Эффект четко наблюдается при р<300 МэВ. Учитывая более высокую светимость протонных пучков, данный эффект на LHC будет ярче выражен.

2) Для вычисления величины, на которую изменятся импульсы заряженных частиц, необходимо знать распределение электрического поля в вакуумной трубе с учётом окружающих металлических стенок. В этой связи впервые была точно аналитически решена классическая задача об электрическом и магнитном полях, создаваемых пучком между параллельными проводящими пластинами (публикация [1]). Точно просуммирован бесконечный ряд полей-изображений, индуцируемых пучком. Полное распределение поперечного электрического поля в зазоре между пластинами описывается выражением

Здесь, λ- линейная плотность заряда, 2h - расстояние между пластинами, x-координата измерения поля,

3) В современных моделях, рождение адронов при столкновениях частиц описывается на этапе фрагментации партонным каскадом по лундовской схеме. В этой модели, рождение новых кварк-антикварковых пар происходит в хромоэлектирическом поле струны, натянутой между разлетающимися кварками. Кварки взаимодействуют не только цветовыми, но и электрическими зарядами. Если учесть кулоновское притяжения между разноименно заряженными кварками, то вероятность рождения кварк-антикварковой пары существенным образом изменится. На примере рождения электрон-позитронной пары в сильном однородном электрическом поле, впервые точно аналитически вычислен вклад кулоновского взаимодействия компонент пары (публикация [2]). Вероятность рождения пары характеризуется фактором

4) Установлено, что формула Швингера для вероятности рождения пары скалярных частиц в однородном электрическом и магнитном полях, переходит в формулу для тока эмиссии электронов из металла при температуре Т во внешнем электрическом поле, если отождествить магнитное поле с мнимой температурой. Тем самым продемонстрировано, что формально математически система «вакуум+электрическое + магнитное поля» эквивалентна термодинамической системе «металл + электрическое поле». Результат представлен на конференции QFTHEP-2010.

Список публикаций за 2010 г:

1) Electric and magnetic fields generated by a charged bunch between parallel conducting plates. By B.B. Levchenko Published in Physics Research Int., v.2010, Article ID 201730, 1-7, 2010.

2) Об учёте кулоновского взаимодействия при рождении пар в сильном электрическом поле.

Б.Б. Левченко Опубликовано в Изв. СГУ. Сер. Физ. Том 10, вып. 2, 27-34, 2010. Юбилейный выпуск, посвященный 100-летию. Саратовского Университета