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Conception d'un algorithme de reconstruction Conception d'un algorithme de reconstruction de vertex pour les donnde vertex pour les donnéées de CMSes de CMS
Etude de détecteurs gazeux (MSGC) Etude de détecteurs gazeux (MSGC) et silicium à micropisteset silicium à micropistes
Stéphanie Moreau
2
De la détection à la reconstructionDe la détection à la reconstruction
Introduction au collisionneur LHC et à l’expérience CMS
Etude sous faisceau de détecteurs : détecteurs gazeux à micropistes (MSGC)
valider la résistance et tester la fonctionnalité sous un flux intense
détecteurs silicium à micropistes
tester l’électronique sous un faisceau échantillonné à 25 ns
Algorithme de reconstruction de vertex les vertex primaires et le pile up
séparer le vertex primaire “intéressant” du pile up les vertex secondaires et les jets de b
concevoir un algorithme de reconstruction de vertex secondaires
identifier des jets issus de la fragmentation de quark b
3
Collisionneur proton - proton
26,7 Km de circonférence
s = 14 TeV
f = 40 Mhz (25 ns)
L = 1033 / 1034 cm-2s-1
x = 15 m, y = 15 m, z = 5,3 cm
4 expériences : ALICE, LHCb, ATLAS et
CMS
Le programme LHCLe programme LHC
4
Reconstruction des traces chargées et des vertexp
T/p
T ~ 1%
ECAL : (E/E)2 = (2,7%)2/E + (155/E)2 + 0,55%
HCAL hermétique mesure de Etmiss
(E/E)2 = (65%)2/E + 4,5%
champ magnétique de 4T
Déclenchement rapide sur les muonsp
T/p
T~ 10%
Le détecteur CMSLe détecteur CMS
aimant
(H(H
trajectographedétecteurs à muons
ECAL(B0
s
(Hbb)
HCAL
Poid : 14 500 tDiamètre : 14,6 mLongueur : 21,6 m
5
Diamètre : 2,4 mLongueur : 5,4 mVolume : 24,4 m2
TECpixel
Tonneau TOB
Tonneau TIB
Détecteur silicium à pixel
Détecteur silicium à micropistes
Le trajectographe de CMSLe trajectographe de CMS
Température < -10 0CHumidité < 15 %
Pendant les 10-15 ans du LHC
pt 1 3 10 30 100 300 1000 GeV
1
10
(p t
)/p t
(10
-2)
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25
Sans les détecteurs à pixels
total
DF
DF fin
DF épais
6
Les détecteurs gazeux à micropistes
Principe
Les MSGC + GEM de CMS
Tests sous faisceau Objectifs : 1- valider la résistance à un flux intense
2- tester la fonctionnalité
Résultats : le nombre de pistes perdues le rapport signal sur bruit la polarisation
7
3 mm
2 mm
Mélange gazeux : 1/3 Néon - 2/3 DME
plan de dérive de 25 m d’épaisseur
substrat en verre de 300 m d’épaisseur
Principe de détection
512 anodes : largeur = 7-10 m,pas ~ 200 m
GEM en kapton de 25 m d’épaisseur
513 cathodes : largeur ~ 90 m
3 mm
8
1 2 3 4
Électronique de lecture
Alimentation en gaz
43
21
1 module MSGC = 4 détecteurs MSGC+GEM
Les modules MSGC+GEM de CMSLes modules MSGC+GEM de CMS
Configuration initiale du trajectographe avant :
faisceau
9
Objectifs : 1. Valider la résistance à un flux intense des modules MSGC+GEM 2. Tester la fonctionnalité
18 modules MSGC+GEM18 432 canaux de lecture
novembre 1999 au PSI
Faisceau intense de de 350 MeV/cflux ~ 4 kHz/mm2
Le test sous flux intenseLe test sous flux intense
faisceau
10
Analyse du signalAnalyse du signal
Signal = donnée brute - piédestal - mode communBruit =
signal
Le rapport S/N de l'amas ayant la piste de S max
Nom
bre
de c
oups
AD
C
MAX(signal de la piste collectant le plus de signal)
Bruit de cette pistele rapport S/N =
Le rapport S/N coupure
pistes Signal/Bruit 2
amasSignal/ Bruit moyen
4
Calcul module par module : module 1:
max (landau) = S/N = 87,7
module 2 : max (landau) = S/N = 84,9
Calcul du rapport S/N :
substrat par substrat module par module(1 module 2substrats) faisceau
Ped(jour 1)-Ped(jour 20)
512 pistes d'un substrat
0
0.005
-0.005
0.01
-0.01
-0.015
11
Les pistes perduesLes pistes perdues
512 pistes d'un substrat
Bru
it
Nom
bre
tota
l de
pist
es p
erdu
es
20 jours de test
Pistes mortes :bruit < Moy - 5
Pistes bruyantes :bruit > Moy + 5
Limite "Moy + 5"
Limite "Moy - 5"
24/16896 pistes perdues équivalent à 5,5 % de pistes en 10 ans de LHC
12
Le rapport S/N est stable moyenne ~ 37
(détection) ~ 98 %
20 jours
Pas d’influence significative de la
pression atmosphérique sur le rapport S/N
La
pres
sion
Variation du rapport signal sur bruitVariation du rapport signal sur bruit
Le
rapp
ort S
/N
Le
rapp
ort S
/N
20 jours
13
Sous flux intense : accumulation de charges à la surface du substrat baisse du rapport signal sur bruit c'est le phénomène de polarisation
#ent
rées
Différence relative du rapport signal sur bruit à basse intensité après une période de 12h de haute intensité
Pas de déviation de la polarisation par rapport à 0
S/N1
Polarisation du substratPolarisation du substrat
(S/N1-S/N2)
LI1 LI2
HI
}
14
Synthèse sur les MSGCSynthèse sur les MSGC
Rapport S/N stable
Pas de polarisation du substrat
Moins de 5,5 % de pistes perdues
(équivalent à 10 ans LHC)
Un succès MAIS changement de technologie
15
Les détecteurs silicium à micropistesLes détecteurs silicium à micropistes
Le nouveau trajectographe
Les modules silicium de CMS
Test sous faisceauObjectif : tester l’électronique sous un faisceau échantillonné à 25 ns
Résultats : Le délai L’éfficacité de reconstruction
16
2 x 9 disques7 couches
Le Trajectographe tout siliciumLe Trajectographe tout silicium
T0 < -10 °C
Module simple faceModule double face
(pt = 3 GeV)
15 952 modules Si ~ 107 canaux de lecture
(TK_Si)(TK_MSGC+Si)
0 1 2
1,04
1,02
1
0,98
0,96 2 x 3 disques3 couches
4 couches
6 disques 6 couches
17
Substrat silicium dopé népaisseur de 500 m
(ou 320 m)512 (ou 768) pistes
adaptateur de pas
hybride avec 4 (ou 6) puces de
lecture à 128 voies
Un module siliciumUn module silicium
cadre évacuant la chaleur
18
Test sous un faisceau type Test sous un faisceau type LHCLHC
Objectif : tester l’électronique sous un faisceau échantillonné à 25 ns
6 modules silicium à micropistes
10 jours au CERNen octobre 2001
Faisceau intense de et de de 120 GeV/c flux ~ 100 kHz/mm2
1 2 3 4 5 6
100 mrad
19
Signal = donnée brute - piédestal - mode communBruit =
signal
amas d'1 piste sélectionné si > 5
amas de plusieurs pistes sélectionné si > 2
SignalBruit
SignalBruit
Le bruit
Le piédestal
Le rapport signal sur bruit des amas
512 pistes
Les 3 détecteurs inclinés
Traitement du signalTraitement du signal
512 pistes
512 pistes
S/N 20
20
Objectif :Déterminer le délai entre :
le passage d’une particule dans le détecteur et le signal déclenchant
l’acquisition
avec un rapport signal sur bruit maximum
Asymétrie : du à un mauvais réglage des paramètres des puces de lecture
La courbe de délaiLa courbe de délai
Nom
bre
moy
en d
e co
ups
AD
C
Nom
bre
moy
en d
e co
ups
AD
C
Ddélai (ns) Ddélai (ns)
21
plateau ~ 25 ns
efficacité ~ 90-95 %
Objectif : mesurer la capacité à détecter le passage d’une particule
L'efficacité de détectionL'efficacité de détection
123456
Pparticule
25 ns25 ns
22
Synthèse sur les déSynthèse sur les détecteurs siliciumtecteurs silicium
Bon comportement sous un faisceau "25 ns"
électronique de contrôle et d’acquisition
les 6 détecteurs
Paramètrage de l’électronique de lecture à faire
avec soin
23
Reconstruction de vertexReconstruction de vertex
Vertex primaire méthodes (et effet du pile up)
Vertex secondaire L'algorithme Elastic Arms Choix des paramètres Résultats : Résolution Efficacité Taux de vertex fantôme Temps CPU
Application à la recherche de jet b
24
Reconstruction de vertex primaireReconstruction de vertex primaire
Méthode des gaussiennesMéthode des amasMéthode de " binning "
Zz (cm)Rrésolution en z ~ 30 m efficacité ~ 99,8 %
Rrésolution en z ~ 27 m efficacité ~ 97 % Rrésolution en z ~ 23 m
efficacité ~ 96 %
traces compatibles
Bin de 1 mm
Ensemble de traces contenues dans
un bin
traces incompatibles
traces compatibles
Vertex 1 Vertex 2
Faisceau : x = 15 m, y = 15 m, z = 5,3 cm
Sans empilement
25
Vertex primaire et pile upVertex primaire et pile up
Vertex primaires associés à des traces de faible impulsion
Vertex primaire associé à 30 traces de faible impulsion
moyenne (1,6 GeV/c2)
Vertex primaire associé à 12 traces d'impulsion moyenne de 5 GeV/c2
zrec-zsim = 18 m
Un seul croisement de faisceau
26
Illustration de la méthode Elastic Arms (EA)Illustration de la méthode Elastic Arms (EA)
Les traces reconstruitesLes traces + 3 vertex simulés Les traces reconstruites + 21 Vertex seed
Les traces reconstruites + 10 Vertex seed
Les traces reconstruites + 3 Vertex reconstruits
Avant EA
Fin EA
Simulation Reconstruction
Analyse du même événement
Pendant EA
Début EA
27
Pour chaque itération T, chaque trace j, le vertex i se déplace de (xiy
i, z
i) :
i,j
yi
i,j
xi
i,j
zi
Constante àchaque itération
ordre de grandeurdu déplacement
Le potentiel d'attraction :
Vi,j
=
inversement proportionnel à la distance
i,j
/Te /T
e + je
i,j /T
i,j = d E-1 Td
E : Matrice erreur sur la position de la trace j
dd : vecteur distance entre le vertex i et la trace j
L'algorithme Elastic ArmsL'algorithme Elastic Arms
donne le sens du déplacement
(xiy
i, z
i) = - x
j V
i,j x ( , , )
Paramètre de coupure pour les
traces isolées
28
trop faible pas de convergence en position
trop fort divergence en position
ok
Optimisation des paramètresOptimisation des paramètres
pas de calcul de la dérivée distance maximum de fusion des vertex
Paramètres à optimiser :l'ordre de grandeur de déplacement des vertexpour une trace isolée
Zz
(cm
)Iitération
Zx
(cm
)
IitérationIitération
Zx
(cm
)
29
Type d’événementType d’événement
événement q q 1 vertex primaire associé à une 30aine de traces
événement b b 1 vertex primaire associé à une 20aine de traces 2 vertex secondaires associés à 2-3 traces
30
Les traces = lignes
les vertex seed = sphères blanches
déplacement des sphères entre chaque itération = connections rouges
Convergence des « vertex seed »Convergence des « vertex seed »
x
y
Xle vertex simulé
Zoom sur un vertex seed
10 m
31
La résolution des vertex secondairesLa résolution des vertex secondaires
Xxrec
- xsim
(cm)
Xyrec
- ysim
(cm)
Xzrec
- zsim
(cm)
<x> = - 7,5 ± 7,8 m
x = 81,0 ± 19,2 m
<y> = 3,3 ± 6,4 m
y = 71,2 ± 12,7 m
<z> = 3,8 ± 4,1 m
z = 124,7 ± 6,2 m
Événement bb Événement bb50 GeV 100 GeV
Quantité 2497 3091
Résolutionxy 90,3 ± 13,9 z
< 1.4 < 1.4
98,0 ± 14,5 m 98,7 ± 9,0 m104,9 ± 11,0 m141,4 ± 28,5 m 125,6 ± 15,3 m
Vertex secondaires :
associés à 2 traces mindt > 100 m
association au vertex simulé
le plus proche
Ssim vtx
Rrec vtx
<1,4 <1,4
32
d0 B
l
Trace
Vertex secondaire
Origine vertex primaire x
y
Dd0
Traces secondaires Traces primaires
Vertex secondaire :
Dd0 = l -l B Événement classique
La méthode D0
La méthode PVR1 Selection des traces non associées2 Reconstruction du vertex associé à ces traces3 Élimination des traces peu ou pas compatibles4 Réévaluation de la position du vertex trouvé Trace peu compatible
Position initial du vertexPosition finale du vertex
Vertex primaire :
Dd0 = 0
Méthodes alternativesMéthodes alternatives
33
Efficacité =
taux de vertex fantômes =
Nombre de vertex reconstruits associés à un vertex simuléNombre de vertex simulés
Nombre de vertex reconstruits NON associés à un vertex simuléNombre de vertex reconstruits
vertexreconstruit
vertexsimulé
Association si 60% de traces en commun
q qbar b bbar b bbar
Type 50 GeV 50 GeV 100 GeV
Nombre de vertex secondaires 80 2623 2855
38,7 ± 5,4 % 29,9 ± 0.9 % 27,3 ± 0.8 %
46,2 ± 5,6 % 27,7 ± 0.8 % 37,2 ± 0.9 %
31,2 ± 5,2 % 24,9 ± 0,8 % 21,6 ± 0,7 %
< 1 % < 1 % < 1%
< 46 % < 55 % < 76,3 %
< 33 % < 48 % < 50 %
dd'événements
< 1.4 < 1.4 < 1.4
Méthode EA Efficacité
Méthode D0 Efficacité
Méthode PVR Efficacité
Méthode EA Taux de vertex fantômes
Méthode D0 Taux de vertex fantômes
Méthode PVR Taux de vertex fantômes
Efficacité et taux de vertex fantômesEfficacité et taux de vertex fantômes
<1,4 <1,4<1,4
34
Méthode de Temps CPU
EA 10 620 ms
5 460 ms
PVF 2 340 ms
rreconstruction Ppar événement
D0
Méthode EA itérative
processus lent
pour ~ 20 itérations
531 ms/evt/itération
Le temps CPULe temps CPU
35
Coupure
Événement56,2 51,4 40,0 19,8
b bbar (%)
Événement4,5 3,1 1,9 1,0
q qbar (%)
Ddt > 100 m Ddt > 100 m Ddt > 100 m Ddt > 100 m
ndf < 3 ndf < 1 ndf < 0.3
dt = distance transverse (distance entre l'axe du faisceau et le vertex)
ndf
= 2/(nombre de traces)
2569 événement b bbar (5138 jets b)
Chaque jet est identifié par un vertex secondaire reconstruit par EA
Identification de jet bIdentification de jet b
ndf ndf
m
ndf
m mm
36
Synthèse sur la reconstructionSynthèse sur la reconstruction
Reconstruction de vertex par EA
Bonne résolution et bonne efficacité
Excellent taux de vertex fantômes
Application à la recherche de jet b
Améliorations pour réduire le temps CPU
Difficulté de l'optimisation des paramètres
37
Participation à l'expérience CMS : Évaluation des performances de détecteurs :
Les détecteurs gazeux à micropistes
Les détecteurs silicium à micropistes
Reconstruction des futures données CMS :
Vertex primaires et pile up
Vertex secondaires et l’algorithme Elastic Arms
Application à la physique de la beauté
ConclusionConclusion
38
Pla
n de
la p
rése
ntat
ion
Pla
n de
la p
rése
ntat
ion
Intr
od
uct
ion
Le
colli
sion
neu
r L
HC
Le
dé
tect
eu
r C
MS
Le
tra
ject
og
rap
he
de
CM
S
Les
déte
cteurs
gaze
ux à
mic
ropis
tes
(MS
GC
) p
rinci
pe
de
dé
tect
ion
les
MS
GC
et C
MS
le te
st s
ou
s fa
isce
au
hau
tem
ent
ion
isa
nt e
t an
alys
e R
ésu
ltats
: le
nom
bre
de
pis
tes
perd
ues
, le
rap
por
t si
gn
al s
ur
bru
it e
t la
po
lari
satio
n
Les
déte
cteurs
sili
ciu
m à
mic
rop
iste
s le
tra
ject
og
rap
he
tout
sili
cium
les
déte
cte
urs
silic
ium
à m
icro
pis
tes
et C
MS
le te
st s
ou
s fa
isce
au
et a
nal
yse
Ré
sulta
ts :
le d
éla
i et l
’effi
caci
té d
e re
con
stru
ctio
n
Reco
nst
ruct
ion d
e v
ert
ex
v
erte
x p
rim
aire
s 3
mét
hode
s de
rec
onst
ruct
ion
L’e
ffet
d’e
mpi
lem
ent
ver
tex
seco
nda
ires
la m
étho
de E
last
ic A
rms
et le
cho
ix d
es p
aram
ètre
s R
ésul
tats
: la
rés
olut
ion,
l’ef
ficac
ité,
le t
aux
de v
erte
x fa
ntôm
e et
le t
emps
CP
U id
entif
icat
ion
de je
t b
Con
clusi
on
39
MSGC : variation du piédestalMSGC : variation du piédestal
40
MSGC : piédestal et bruitMSGC : piédestal et bruit
41
Le rapport S/N de l'amas ayant la piste de S max
Nom
bre
de c
oups
AD
C
Calcul module par module max (landau) = S/N = 87,7
Calcul substrat par substrat max (landau) = S/N = 50,5
MSGC : calcul du rapport S/NMSGC : calcul du rapport S/N
faisceau
432
1
42
L’inversion de typeL’inversion de type
AnnAnnée ée LHCLHC
Ten
sion
de
dés
erti
on (
Vol
ts)
Ten
sion
de
dés
erti
on (
Vol
ts)
= 3 k= 3 k cm cm
400µm400µm
300µm300µm
500µm500µm
Ten
sion
de
dés
erti
on (
Vol
ts)
Ten
sion
de
dés
erti
on (
Vol
ts)
Fluence dans le TOB après10 ans de LHC
Basse résistivité (1,5-3 k cm) - 320 mHaute résistivité (4-8 k cm) - 500 m
Fluence dans le TIB après10 ans de LHC
43
Algorithme de déconvolutionAlgorithme de déconvolution
Sortie idéale
Sortie test M200
S = w1e1 + w2e2 + w3e3, w3<0
e3
e3
e2
e1
e2
0
44
Les hipsLes hips
V125
V250
VSS
V250
Rinv
vIN+vCM
vCM
vOUT = -vIN
this node common to all128 inverters in chip
external resistor (on hybrid)1 per APV chip
preamp
45
MSGC vs SiliciumMSGC vs Silicium
Les MSGC :
• Temps de réponse rapide ( 50 ns)
• Granularité fine (résolution de 40 m)
• Une excellente résistance à un flux intense dans le temps
• Très faible quantité de matériel
• Technologie peu connue
• Alimentation continue en gaz
• Utilisation de forte tension ( 10aine kV)
Les détecteurs silicium à micropistes :
• Temps de réponse très rapide ( 20 ns)
• Granularité fine (résolution de 30 m)
• Sensible à un flux intense
inversion de type
• 1000 x +dense/MSGC mais de faible masse atomique
• Technologie bien connue
• T0 < -10 0C et < 15% d’humidité
• Utilisation de tension ( 10aine -100aine V)
46
Reconstruction des tracesReconstruction des traces
47
Des hits aux traces (1)Des hits aux traces (1)
4209 hits
48
Des hits aux traces (2)Des hits aux traces (2)
25 traces reconstruites
49
Résolution des vertex primaire (pile up)Résolution des vertex primaire (pile up)
Pile up
Le vertex primairezrec-zsim = 17 m
50
Résolution des vertex primaireRésolution des vertex primaire
51
Vertex 3
Vertex 1
Fusion de vertex
Vertex 2
Traces fixées
Déplacement des vertex
Illustration de la méthode Elastic ArmsIllustration de la méthode Elastic Arms
52
Pour chaque itération T, chaque trace j, le vertex i se déplace de (xiy
i, z
i) :
i,j
yi
i,j
xi
i,j
zi
Le potentiel d'attraction :
Vi,j
=
inversement proportionnel à la distance
i,j
/Te /T
e + je
i,j /T
L'algorithme Elastic ArmsL'algorithme Elastic Arms
(xiy
i, z
i) = - x
j V
i,j x ( , , )
Emin = -1/ilog(e- + je-dij)
53
Optimisation d’EA : Optimisation d’EA : potentielpotentiel
Le potentiel d'attraction :
Vi,j
=
inversement proportionnel à la distance
i,j
/Te /T
e + je
i,j /T
Paramètre de coupure pour les
traces isolées
iteration
Valeur de potentiel d’attraction de différentes traces sur un vertex
Trace 6
Trace 2
Ensemble des autres traces
54
Optimisation d’EA : Optimisation d’EA :
iterationiteration
Pos
ition
y d
es d
iffér
ents
ve
rte
x po
tent
iels
(cm
)
Pos
ition
z d
es d
iffér
ents
ve
rte
x po
tent
iels
(cm
)
55
Problème de génération de vertex simulésProblème de génération de vertex simulés
Événements avec sim
Événement sans sim
Nbr evt 2209 360
Nbr moyen de traces/evt 23 5 25 6
Nbr moyen de vertex potentiel/evt
8 6 10 7
Nombre moyen d’iteration max 17 9 20 8
Nbr moyen de vertex rec 3 1 4 1
Sur une base de 2569 événements• reconstruction traces/vertex + simulation traces/vertex• simulation traces/vertex seule
56
Les vertex secondaires de qqLes vertex secondaires de qq
2569 événements 4223 vertex :
• 58,7 % à moins de 50m
• 5,4 % entre 50m et 1 cm
• 35,9 % à plus de 1 cm :
• 75,5% associés à 1 trace
• 21,5% associés à 2 traces
• 3% associés à 3 traces et plus
57
H H
58
La physique de la beautéLa physique de la beauté
LHC : 5 1012 bb/an (LI)Etude :
• Violation CP • Oscillation B0
s - B0s
B0d
B0d J/K0
s
B0s J/
Identification de jet b :• masse élevée• fragmentation dure• temps de vol (2-3 mm)
59
Plasma quarks gluonPlasma quarks gluon
60
Le détecteur ATLASLe détecteur ATLAS
Rayon : 10mLongueur : 35mAimant de 2T
61
Le trajectographe de CMSLe trajectographe de CMS
silicium (tonneau intérieur)silicium (tonneau extérieur)silicium (mini bouchon)silicium (bouchon)
Pixel (tonneau)pixel (bouchon)
0,2
0,4
0,8
0,6
Effi
caci
té d
e b
tagg
ing
50 100 200150
ETjet (GeV)
2 traces à TIP>32 traces à TIP>2
+ Vtx sec rec
62
Détecteur de muons (ex:H)Identification des muonsRésolution de l'impulsion p
T/p
T~1.5%p
T
Déclenchement rapide et efficace
Aimant de courbure fort champ magnétique de 4T
Calorimètre hadronique (ex:Hbb)Mesure de l’énergie des jets + mesure de l’énergie transverse
manquante
Calorimètre électromagnétique (ex:H)
Mesure de l’énergie des e-, e+ et grâce aux 80 000 cristaux de PbWO4
Trajectographe (ex:B0s)
Reconstruction des traces chargées et des vertexMesure de l'impulsion p
T/p
T =0,5% p
T
(pT
en GeV)
Le détecteur CMSLe détecteur CMS
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