«Создание программного обеспечения для калибровки измерительной аппаратуры и анализа доступных наблюдению физических процессов в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН» (стр. 1 )

Московский государственный университет имени

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени

УДК 539.12 + 004.942 + 530.145

№ госрегистрации:

Инв. №

УТВЕРЖДАЮ

Директор НИИЯФ МГУ

______________
«___»__________2009 г.

ОТЧЕТ
О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

«Создание программного обеспечения для калибровки измерительной аппаратуры и анализа доступных наблюдению физических процессов в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН»

Шифр «ВР012-005», Государственный контракт № 01.164.1 2.НВ05 от 01.01.01 г.

по теме:
«Экспериментальное и теоретическое исследование структуры и эволюции адронов в экстремальных состояниях при высоких энергиях»

(итоговый)

Зам. Директора НИИЯФ МГУ по научной работе	_________________
Руководитель темы	_________________

Москва, 2009

Список исполнителей

Руководитель темы : д. ф-м. н., профессор зав. лабораторией	________________	(раздел 4-6, введение, заключение)
Исполнители темы : д. ф-м. н., профессор зав. отделом	_________________	(раздел 2-3, заключение)
д. ф-м. н., профессор зав. отделом	_________________	(раздел 2-3, введение)
д. ф-м. н., вед. н.с.	_________________	(раздел 2-3)
д. ф-м. н., вед. н.с.	_________________	(раздел 1-6)
д. ф-м. н., вед. н.с.	_________________	(раздел 2-3)
д. ф-м. н., вед. н.с.	_________________	(раздел 4)
д. ф-м. н., вед. н.с.	_________________	(раздел 4)
д. ф-м. н., вед. н.с.	_________________	(раздел 4)
к. ф-м. н., вед. н.с.	_________________	(раздел 5)
к. ф-м. н., ст. н.с.	_________________	(раздел 5)
к. ф-м. н., ст. н.с.	_________________	(раздел 6)
к. ф-м. н., ст. н.с.	_________________	(раздел 2-3)
к. ф-м. н., ст. н.с.	_________________	(раздел 6)
к. ф-м. н., ст. н.с.	_________________	(раздел 4)
к. ф-м. н., н. с.	_________________	(раздел 4-5)
к. ф-м. н., н. с.	_________________	(раздел 4)
мл. н.с.	_________________	(раздел 2)
мл. н.с.	_________________	(раздел 3)
мл. н.с.	_________________	(раздел 5)
мл. н.с.	_________________	(раздел 3)
аспирант	_________________	(раздел 2)
аспирант	_________________	(раздел 4)
гл. инж. проекта	_________________	(раздел 2-5)
гл. спец.	_________________	(раздел 2-3)
гл. спец.	_________________	(раздел 4-6)
инж.	_________________	(раздел 2-6)
инж.	_________________	(раздел 2-6)
инж.	_________________	(раздел 1)

УДК 539.12 + 0+ 530.145

Ключевые слова: Монте-Карло генераторы, нейронные сети, базы данных, модели ядерных взаимодействий, топ-кварк, бозон Хиггса, кварк-глюонная плазма, адронные струи, калибровка калориметрических детекторов, триггер высокого уровня.

Реферат

Отчет 59 с., 35 рис., 4 табл.

УДК 539.12 + 0+ 530.145

Ключевые слова: Монте-Карло генераторы, нейронные сети, базы данных, MCDB, CMSSW, модели ядерных взаимодействий, Стандартная модель, топ-кварк, бозон Хиггса, кварк-глюонная плазма, адронные струи, калибровка калориметрических детекторов, триггер высокого уровня.

Объект исследования: процессы множественного рождения частиц в соударениях тяжелых ионов в широком диапазоне энергий, которые могут быть использованы для экспериментального и теоретического исследования структуры и эволюции адронов в состояниях с предельно высокой плотностью и температурой - в частности, эффектов, связанных с рождением одиночного топ-кварка и бозона Хиггса (как в рамках Стандартной модели, так и за её пределами), с формированием экстремального состояния сильно-взаимодействующей материи − кварк-глюонной плазмы (КГП), а также с появлением иных необычных физических объектов.

Цель работы:

Разработка универсального генератора протон-протонных и ядро-ядерных взаимодействий в рамках стандартного программного обеспечения CMSSW, создание библиотеки смоделированных событий и комплекта программного обеспечения для тестирования калибровочных задач и оптимизации методов регистрации, отбора, реконструкции и анализа физических процессов в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.

Этап №1: Моделирование рождения одиночного топ-кварка и бозона Хиггса в Стандартной модели, разработка новой модели ядро-ядерных взаимодействий, включающей коллективные эффекты, и алгоритмов калибровки, реконструкции, и мюонного триггера высокого уровня, а также алгоритма контроля радиационных условий в области калориметра HF в эксперименте CMS на коллайдере БАК.

Этап №2: Моделирование рождения одиночного топ-кварка и бозона Хиггса за пределами Стандартной модели, внедрение генератора (HYDJET++) в компьютерную базу эксперимента CMS и создание компьютерной базы смоделированных событий, тестирование алгоритмов калибровки, реконструкции и мюонного триггера, а также алгоритма контроля радиационных условий в области калориметра HF до фактического запуска БАК.

Методы выполнения работы:

· Создание Монте-Карло генераторов событий одиночного рождения топ-кварка, аномальных взаимодействий в таких процессах и событий с рождением бозона Хиггса; детальное моделирование процессов рождения одиночного топ-кварка и бозона Хиггса как в рамках, так и вне рамок Стандартной модели. Оптимизация выделения исследуемых процессов методами многомерного анализа на основе метода нейронных сетей.

· Создание необходимого интерфейсного программного обеспечения для базы MCDB, предназначенной для публикации событий, смоделированных на высоком экспертном уровне и доступных для всех экспериментов на коллайдере БАК.

· Разработка теоретической модели ядро-ядерных взаимодействий, включающей коллективные эффекты, и создание на её основе Монте-Карло генератора событий (HYDJET++). Тестирование и оптимизация модели на базе сопоставления результатов моделирования с ускорительными данными, внедрение генератора (HYDJET++) в компьютерную базу эксперимента CMS

· Тестирование в рамках CMSSW методики коррекции энергии струй, калибровки адронного калориметра с помощью физических процессов и триггера высокого уровня для мюонов в условиях сильной загрузки.

· Разработка программного обеспечения для системы мониторирования радиационных условий в области калориметра HF установки CMS.

Результаты работы:

Монте-Карло генератор событий для моделирования рождения топ-кварка и бозона Хиггса (на основе пакета CompHEP); теоретическая модель ядро-ядерных взаимодействий, включающая коллективные эффекты, и основанный на ней генератор событий (HYDJET++); библиотека смоделированных событий MCDB–CMSSW; программное обеспечение для калибровки адронного калориметра по физическим процессам и для системы мониторирования радиационных условий; триггер высокого уровня для мюонов в условиях сильной загрузки.

Основные характеристики разработанного программного обеспечения:

· Эффективность Монте-Карло моделирования событий «без веса» на уровне 1% для фона и 10% для сигнала рождения бозона Хиггса; а событий рождения дополнительных векторных (W′) и скалярных (H+) бозонов - на уровне 10%.

· Эффективность генерации событий при Монте-Карло моделировании импульсов и координат мягких адронов, образующихся в процессе гидродинамического разлета в соударениях тяжелых ионов не хуже 99%.

· Программное обеспечение для калибровки адронного калориметра осуществляет непрерывный контроль и коррекцию энергетической шкалы с точностью не хуже 2%.

· Пакет программ для мюонного триггера повышает эффективность работы до 80 %.

· Программное обеспечение системы мониторирования радиационных условий в области переднего (HF) калориметра установки CMS осуществляет прием и передачу информации системы нейтронных мониторов и детекторов ионизирующих излучений и контроль функционирования самой системы.

Степень внедрения:

Разработана основа программного обеспечения для контроля измерительной аппаратуры, реконструкции и анализа физических объектов высокого уровня, доступных наблюдению в эксперименте CMS. База данных для массивов событий CMS, именуемая Monte Carlo events Data Base (MCDB, http://mcdb. cern. ch),. создана в стандарте Les Houches Accord.

Разработанные модели (генераторы событий) и программное обеспечение внедрены в официальную компьютерную базу эксперимента CMS (CMSSW) в ЦЕРНе и уже успешно применяются российскими и зарубежными учеными для проведения физического моделирования различных каналов рождения частиц в соударениях тяжелых ионов на ускорителе БАК и разработки методов анализа экспериментальных данных, что является одной из приоритетных задач совместных работ, проводимых в рамках международной коллаборации CMS.

Область применения: полученные в работе результаты могут найти применение как для развития теории ядерной материи в экстремальных состояниях при высоких энергиях, так и для интерпретации экспериментальных ускорительных данных, а также при планировании в России и за рубежом новых экспериментов на ускорителях тяжелых ионов.

Содержаниe

Список определений, обозначений и сокращений

В настоящем отчете о НИР применяют следующие определения, обозначения и сокращения:

ЦЕРН – Европейский центр ядерных исследований.

LHC (иначе БАК) – Большой Адронный Коллайдер в ЦЕРНе.

CMS (Compact Muon Solenoid) – Компактный мюонный соленоид, экспериментальная установка для изучения процессов взаимодействия адронов высокой энергии на LHC.

DCS CMS – Detector Control System CMS (Система контроля работы установки CMS)

ECal – электромагнитный калориметр установки CMS.

HB – адронный калориметр центральной части установки CMS.

HE – адронный калориметр торцевой части установки CMS.

HF – передний адронный калориметр установки CMS.

SPS (Super Proton Synchrotron) – протонный синхротрон в ЦЕРНе.

RHIC – ускоритель тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории США.

Tevatron – ускоритель Национальной лаборатории им. Э. Ферми, США.

LEP2 – электрон-позитронный коллайдер ЦЕРН (работал до 2001 г.)

КХД – квантовая хромодинамика (современная теория сильных взаимодействий).

Стандартная модель (обозн. СМ) — теоретическая схема, используемая в настоящее время для расчетов вероятностей рождения различных частиц (в том числе бозона Хиггса и топ-кварка) на коллайдере LHC. Хорошо проверена экспериментально.

МССМ – минимальная суперсимметричная стандартная модель. Одно из наиболее мотивированных расширений стандартной модели в рамках суперсимметрии, т. е. обобщения преобразований симметрии на комбинацию частиц как со спином 1 и 0 (так называемые бозоны), так и со спином ½ (так называемые фермионы).

H – бозон Хиггса (гипотетическая частица), поиск которого ведется в эксперименте CMS.

t – топ-кварк (точечная частица с массой 175 ГэВ), обнаружен экспериментально в 1995 г. КГП – кварк-глюонная плазма (гипотетическое новое состояние ядерного вещества).

GEANT, PYTHIA, HIJING, HERWIG, OSCAR, MadGraph, HELAC, ALPHA – стандартные программы моделирования взаимодействий адронов высоких энергий.

HepML – формат для унификации документации смоделированных событий.

MCDB (Monte Carlo events DataBase) – База данных, содержащая смоделированные события для разнообразных процессов в детекторе CMS на коллайдере LHC.

CMSSW (CMS Software) – Пакеты программ реконструкции и моделирования различных реакций в детекторе CMS.

GRID – международная система, объединяющая компьютерные ресурсы различных институтов для выполнения какого-то конкретного научного задания большого объема.

DCS CMS – Detector Control System CMS (Система контроля работы установки CMS).

ФЭУ – фотоэлектронный умножитель.

ИИ – ионизирующее излучение (заряженные частицы и гамма-кванты)

КГ-21 и КГ-18 – ионизационные камеры (указанных типов).

МНР-14 – нейтронный монитор на основе пропорционального счетчика СНМ-14.

Введение

Регистрация сигнала рождения бозона Хиггса Стандартной модели в детекторе CMS, рассматривавшаяся на первом этапе выполнения работ (июль-сентябрь 2009 г.) представляет собой главную задачу физической программы коллайдера LHC. В ходе работ было проведено детальное моделирование рождения легкого (с массой 115-150 ГэВ) бозона Хиггса в рамках Стандартной модели с использованием редкой моды распада в два фотона в сопровождении двух адронных струй. Сравнительно большое сечение рождения (около 10 фб) позволяет достаточно надежно выделить сигнал на фоне событий КХД с обменами глюонами, а также на фоне электрослабых процессов с обменами векторными бозонами. Вместе с тем число фоновых событий, большие массивы которых были получены при помощи генератора CompHEP версии 4, весьма велико, хотя и существенно подавлено по сравнению с каналами, где струи адронов не идентифицируются (так называемая инклюзивная мода). Предшествующие результаты моделирования (в том числе полученные при помощи генераторов событий PYTHIA и HERWIG), использовавшие приближенные методы, существенно недооценивали неприводимый фон, а также фон ошибочной идентификации струй как фотонов. Моделирование регистрации фотонов и струй в детекторе CMS привело, как и следовало ожидать, к определенному ухудшению отношения сигнала к фону, что в конечном итоге позволяет определить минимальную светимость, необходимую для предварительных свидетельств в пользу существования легкого бозона Хиггса с массой 120-140 ГэВ, на уровне 80 обратных фб, а также светимость для его открытия (достижения статистической достоверности 5 сигма) на уровне 120-140 обратных фб. Столь большая светимость не будет достигнута в течение первых двух-трех лет работы коллайдера LHC.

В рамках моделей взаимодействия частиц, представляющих собой расширения Стандартной модели, используются другие представления для взаимодействия бозона (или нескольких бозонов) Хиггса с полями материи и полями калибровочных бозонов. Основу для изучения других представлений создают достаточно многочисленные важные вопросы (напр., о числе поколений фермионов, о калибровочные иерархиях и др.), на которые Стандартная модель не дает ответов. По этой причине сигнал в расширениях Стандартной модели может наблюдаться как существенно раньше ожидаемого сигнала Стандартной модели, так и существенно позже (а в некоторых случаях может не наблюдаться вообще). Наиболее мотивированным расширением Стандартной модели является минимальная суперсимметричная модель (МССМ). На втором этапе работ исследовались возможности наблюдения сигнала наиболее легкого бозона Хиггса МССМ в рамках различных представлений для взаимодействий частиц МССМ (так называемых суперпартнеров) с бозонами Хиггса. Различные представления для вида взаимодействия называются также в литературе «сценариями МССМ», поскольку они приводят к наблюдаемым следствиям не только для физики на коллайдере LHC, но также и для физики в совокупности экспериментов, включающей, в том числе, астрофизические и астрономические.

Топ-кварк с зарядом 2/3 и исключительно большой массой 173 ГэВ замыкает третье поколение фермионов Стандартной модели. На первом этапе работ проводилось детальное моделирование рождения одиночных топ-кварков за счет электрослабых процессов с вершиной Wtb. В рамках Стандартной модели существует три механизма одиночного рождения топ-кварка: (1) s-канальный ud ® bt; (2) Wg-fusion; (3) bg ® tW, как в s- так и t-каналах. Было показано, что основной вклад при энергиях БАК вносит механизм (2) с сечением порядка 245 пб, что примерно в 3 раза меньше сечения парного рождения топ-кварков. Помимо важной информации о согласованности схемы Стандартной модели, измерение сечения рождения одиночного топ-кварка позволяет получить матричный элемент Vtb матрицы смешивания Кабиббо-Кобаяши-Маскава. Наблюдение рождения одиночного топ-кварка является сложной задачей из-за наличия большого количества фоновых процессов, что обуславливает применение сложных методов реконструкции сигнала для достижения необходимой статистической достоверности.

Так же, как и в процессах рождения бозона Хиггса, где сечение рождения чувствительно к величине связи ggh, отклонения величины связи в вершине взаимодействия топ кварка Wtb от значения Стандартной модели приводят к изменению числа событий сигнала одиночного топ кварка. Отсутствие в настоящее время прецизионных данных о взаимодействиях топ кварка с полями материи и калибровочными бозонами (сравнимыми по точности с данными коллайдера LEP2) создает почву для предположений о его особой роли в механизме нарушения электрослабой симметрии, которая могла бы приводить к нестандартному взаимодействию Wtb. Эта возможность детально изучалась на втором этапе работ. Отметим, что кроме нестандартного взаимодействия Wtb, существуют расширения Стандартной модели (в том числе до МССМ), приводящие к рождению за счет (1) обменом заряженным бозоном Хиггса (2) обменом дополнительным калибровочным бозоном (3) нейтральных токов с изменением аромата (FCNC), которые, однако, на втором этапе работ не рассматривались.

Большую роль в физической программе детектора CMS на коллайдере LHC играет моделирование процессов, ожидаемых в реальном эксперименте. Многие процессы требуют высокого уровня экспертных знаний и/или значительных компьютерных ресурсов при моделировании. Из таких событий необходимо создать структурированную библиотеку, содержащую необходимую инфраструктуру документирования, поиска, хранения и передачи данных. Такая библиотека событий создана под названием MCDB и уже доступна по адресу http://mcdb. cern. ch (MCDB — Monte Carlo events DataBase). Созданные интерфейсы MCDB позволяют автоматически и в кратчайшие сроки дополнить теоретическое моделирование физических процессов моделированием отклика конкретного детектора, что дает возможность использовать такие события при анализе данных экспериментов БАК.

В ходе подготовки к анализу экспериментальных данных, которые будут получены во время работы Большого адронного коллайдера с пучками тяжелых ионов, одной из приоритетных задач совместных работ, проводимых в рамках проекта CMS, является развитие технологий для изучения свойств экстремальных состояний ядерной материи в реальных экспериментальных условиях. В этой связи необходимы: разработка новых методов анализа свойств сверхплотной ядерной материи, образующейся в ультрарелятивистских соударениях тяжелых ионов, создание соответствующего программного обеспечения, развитие новых теоретических моделей ядро-ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях и получение и обработка новых данных БАК. Исследования в области энергий БАК откроют новый режим физики взаимодействий тяжелых ионов, в котором жесткие и полужесткие процессы рождения будут доминировать над мягкими процессами, а статистика ожидается достаточно высокой для систематического анализа различных аспектов КХД-физики в среде с начальной плотностью энергии, намного превышающей критическое значение для кварк-адронного фазового перехода. Создание новых технологий диагностики экстремальных состояний ядерной материи в соударениях тяжелых ионов (с использованием уже имеющихся разработок в этой области при меньших энергиях) позволит получить новые свидетельства о формировании кварк-глюонной плазмы в соударениях тяжелых ионов и изучить структуру и эволюцию ядерной материи в экстремальных состояниях при сверхвысоких энергиях.

Сигнатура большинства физических процессов (поиск бозона Хиггса или суперсимметричных частиц) включает в себя струи от фрагментации кварков и глюонов или потерянную энергию. Струи имеют заряженную компоненту, реконструируемую в трекерных детекторах и нейтральную компоненту, которую можно реконструировать только в калориметре. Без начальной калибровки ячеек адронного калориметра и последующего мониторирования состояния адронного калориметра будет невозможна регистрация процессов с выходом струй или с потерянной энергией. Поэтому калибровка калориметра и улучшение линейности и разрешения калориметра по отношению к струям является важной задачей.

Важным этапом в подготовке эксперимента по взаимодействиям тяжелых ионов на установке CMS является разработка триггера высокого уровня для регистрации кваркониев по димюонному распаду. Поскольку при номинальной светимости пучков тяжелых ионов невозможно записать все события на дисковые или ленточные носители, то использование эффективной триггерной системы на порядок повышает число зарегистрированных кваркониев и, таким образом, дает возможность исследования отношения выхода кваркониев в тяжелых ионах к выходу кваркониев в pp-взаимодействиях в зависимости от разных измеряемых величин.

Передний (HF) адронный калориметр установки CMS предназначен для измерения энергии частиц с предельно большими для данной установки псевдобыстротами. Как следствие, он находится в условиях наиболее интенсивного радиационного облучения из всех базовых субдетекторов установки. Ожидаемые дозы и потоки нейтронов в области расположения активных элементов детектора весьма значительны и близки к предельным для кварцевых волокон, фотоэлектронных умножителей и электроники самого калориметра. Одновременно абсорбер калориметра, будучи интенсивно облучен и активирован, становится вторичным источником фонового излучения для других субдетекторов установки CMS. В связи с этим была разработана специализированная система детекторов, включающая нейтронные мониторы, предназначенные для измерения потоков нейтронов в широком диапазоне энергий, а также детекторы ионизирующих излучений (гамма-квантов и заряженных адронов). В задачи системы входит постоянный контроль интенсивности облучения и измерение суммарных потоков и доз облучения активных элементов HF калориметра, что позволит оценить интенсивность и перспективы их деградации, контроль радиационной обстановки в зоне расположения HF калориметра, а также дополнительный контроль светимости на основании измерения потоков вторичных нейтронов от абсорбера HF калориметра. К началу первого этапа выполнения работ по данному проекту система была полностью смонтирована на обоих HF калориметрах, а также разработана и изготовлена управляющая и считывающая электроника. Таким образом, очередной задачей подготовки системы мониторирования радиационных условий к запуску стала разработка программного обеспечения в соответствии с требованиями эксплуатации самой системы и общими требованиями систем контроля работы установки (DCS CMS), выполненная на первом этапе отчетных работ. Окончательное фактическое местоположение детекторов и их ориентация относительно пучка были определены уже в процессе их завершающей установки на HF калориметры. Кроме того, в процессе доработки и окончательного монтажа установки CMS в целом были внесены существенные изменения в ее первоначальную конструкцию, в частности, именно в конструкцию защиты в области HF калориметров в связи с дополнением установки специальными калориметрами CASTOR. Наконец, были окончательно определены фактические временные параметры работы самой системы мониторирования радиационных условий. Таким образом, приобрела актуальность задача выполнения уточненных оценок ожидаемых темпов счета детекторов, которая вкупе с завершением работ по тестированию самой системы составила содержание работ на втором этапе выполнения данного проекта.

1. Патентные исследования

Исследование патентной чистоты (экспертиза объектов техники на патентную чистоту, обоснование мер по обеспечению их патентной чистоты и беспрепятственному производству и реализации объектов техники в России) данной научно-исследовательской работы: «Создание программного обеспечения для калибровки измерительной аппаратуры и анализа доступных наблюдению физических процессов в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН», выполненное на 1-м этапе исследований, не обнаружило каких-либо материалов, которые бы препятствовали использованию результатов работы в Российской Федерации

Отчёт о патентных исследованиях представлен в Приложении А к промежуточному отчёту о выполнении работ по данному Государственному контракту.

2. Монте-Карло генератор событий для моделирования рождения

топ-кварка и бозона Хиггса (на основе пакета CompHEP).

2.1. Характеристики генератора CompHEP.

Основой для генераторов событий рождения бозона Хиггса и топ-кварка является пакет CompHEP, разрабатываемый в НИИЯФ МГУ с 1989 года. При помощи пакета CompHEP осуществляется генерация полных наборов диаграмм древесного уровня для любого рассматриваемого процесса, аналитическое вычисление квадрата матричного элемента, Монте-Карло интегрирование по многочастичному фазовому объему и генерация событий, которые в дальнейшем используются для моделирования реального отклика детектора CMS. Подробности в связи с пакетом CompHEP см. на сайте http://comphep. sinp. *****, где имеется список литературы и подробные описания. Основные ссылки: E.Boos et al, [CompHEP Collaboration], «CompHEP 4.4: Automatic computations from Lagrangians to events», Nucl. Instrum. Meth. AarXiv:hep-ph/0403113), A. Pukhov et al, «CompHEP - a package for evaluation of Feynman diagrams and integration over multi-particle phase space. User's manual for version 3.3», INP MSU report 98-41/542 (arXiv:hep-ph/9908288). Пакет CompHEP всегда обеспечивает более высокую эффективность генерации событий по сравнению с генераторами-библиотеками устаревшего типа PYTHIA, HERWIG, и, как правило, обеспечивает более высокую эффективность генерации по сравнению с аналогами MadGraph, HELAC, ALPHA и др.