J/Ψ Übung der CMS Masterclass
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Bei dieser Übung untersucht ihr Teilchenkollisionen (Events), die Paare von Myonen enthalten, um festzustellen, welche davon aus dem Zerfall von J/Ψ-Mesonen stammen (Teilchen, die aus einem Charm- und einem Anticharm-Quark bestehen). Am Ende erstellt ihr ein Histogramm der berechneten Teilchenmassen für alle Events, die vom „Student Trigger” ausgewählt wurden (als „Trigger” bezeichnet man ein komplexes elektronisches System, das in der Lage ist, interessante Events aus einer Unzahl von „langweiligen” herauszufiltern; beim „Student Trigger” seit ihr dieses System!).


Hintergrund

Wenn ein J/Ψ zerfällt, dann entstehen dabei typischerweise zwei Myonen (im Event-Display als rote Spuren zu sehen). Betrachtet die beiden unten abgebildeten Events GENAU: Gibt es Hinweise auf Myon-Paare in einem davon, oder sogar beiden? Könnte eines davon ein Kandidat für ein J/Ψ-Event sein? Sind die Indizien dafür deutlich oder eher schwach? Und fühlt ihr euch sicher mit eurer Einschätzung?
Ein Event muss zwei Checks erfüllen, bevor es als J/Ψ Kandidat angesehen werden kann. Ihr werdet ein Bewertungssystem benutzen, um die Übersicht zu behalten wie sicher ihr euch bei euren Einschätzungen seid. In 2er-Gruppen werdet ihr jeweils insgesamt 100 Events untersuchen, und die Daten dabei in einem Excel-Dokument sammeln. Es ist Aufgabe der SchülerInnen, in Zusammenarbeit mit den Tutoren selbst zu bestimmen, welches Gewicht sie jedem Kriterium geben wollen.

Check 1: Entgegengesetzte Ladung

Damit es ein Kandidat für ein J/Ψ-Event sein kann, muss ein Event zwei Myon-Spuren (Tracks) mit entgegengesetzter elektrischer Ladung aufweisen.
  • Wenn beide Tracks innerhalb des Solenoid-Magneten (innerhalb des HCAL Outer gelegen) in dieselbe Richtung gekrümmt sind, haben sie dieselbe Ladung und können folglich nicht von einem J/Ψ-Zerfall stammen. (Überlegt: Was hat ein J/Ψ folgerichtig für eine Ladung?)
Hinweis: Die x-y-Ansicht zeigt die Krümmung der Tracks recht verlässlich, andere Ansichten können manchmal irreführend sein.

Wenn ein Event diesen Ladungscheck nicht erfüllt, dann ist es praktisch sicher kein J/Ψ-Event. Bewertet es mit „0” (siehe unten)
Check 2: Myon Track Qualität

Wenn zwei Myonen den Ladungscheck bestanden haben, beurteilt als nächstes die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um einen J/Ψ-Kandidaten handelt. Bewertet die Tracks einzeln; falls es mehr als zwei Myonen im Event geben sollte, dann bewertet die zwei besten.
  • Ein Myon zeigt sich im Event-Display als „global muon track”, „tracker muon”, und „stand-alone muon” beziehen sich auf Spuren in unterschiedlichen Teilen des CMS-Detektors, während der „global muon track” den gesamten Weg eines Myons durch den Detektor umfasst, sofern dieser rekonstruiert werden konnte.
  • Jeder Myon-Track weist viele Signale („hits”) in den Driftröhren („Drift Tubes”, DT), den „Resistive Plate Chambers” (RPC) oder den „Cathode Strip Chambers” (CSC) auf. Das alles sind Bestandteile des CMS Myon Detektors, und Spuren außerhalb des supraleitenden Magneten werden aus den Signalen dieser Systeme berechnet.
  • Ein Myon-Track liegt typischerweise NICHT nahe bei einem Teilchenjet (viele Teilchen, die in eine ähnliche Richtung fliegen; sieht im Event-Display wie ein Kegel aus).
Beachtet dass ihr die Darstellung im Event-Display verändern und Objekte wie beispielsweise die CSC hits ein- und ausschalten müsst, um die Myon-Spuren optimal zu verstehen. Stellt sicher, dass das iSpy Online Fenster groß genug ist, um die Schaltflächen auf der linken Seite zu sehen.


So könnte ein J/Ψ-Event aussehen


Bevor ihr beginnt

Falls ihr euch noch nicht ausreichend mit iSpy Online, auskennt, seht in der Einführung nach oder fragt einen Tutor.

Bewertet die J/Ψ Kandidaten

Benutzt die oben vorgestellten Richtlinien um Kandidaten zu bewerten. Wendet dabei das Gelernte so konsequent wie möglich an. Die Bewertung der Wahrscheinlichkeit für einen J/Ψ Kandidaten auf einer Skala von 0-3 basiert auf eurer Untersuchung der einzelnen Myon-Tracks im Event Display:

Handelt es sich um einen J/Ψ Kandidaten?
0 - NIEMALS
1 - KAUM
2 - EVENTUELL
3 - ZIEMLICH SICHER

Gebt die Bewertung für jedes Event in diesem Excel-Dokument ein. Die Massenberechnung—der zweite Teil dieser Masterclass Übung—wird nur freigeschalten, wenn eine Bewertung eingegeben wurde.

Besprecht ungewöhnliche oder schwer zu bewertende Events mit anderen Gruppen oder den Tutoren, damit die Bewertung so konsistent wie möglich wird.

Allgemeiner Konsistenzcheck

Zählt wie viele Events jeder Bewertungsstufe ihr in eurem Datensatz habt, und vergleicht die Anzahl mit anderen Gruppen. Wenn es große Unterschiede gibt, diskutiert die angewandten Kriterien und einigt euch, welche Gruppe ggf. ihre Kriterien anpassen sollte.

Zu schnell fertig? Kein Problem!

Falls ihr bereits vor Ende der Übungszeit alle 100 Events abgearbeitet habt, beginnt mit einem neuen Datensatz—am besten mit einem, der noch von keiner anderen Gruppe bearbeitet wird. Es gibt insgesamt 2000 Events, und je mehr ihr schafft, umso besser wird das Ergebnis eurer Gruppe sein.


Ergebnisse

Diesen Teil der Übung machen alle Gruppen gemeinsam mit Unterstützung des Übungsleiters
  1. Entscheidet welche Bewertungen ihr in das Massenhistogramm miteinbeziehen wollt, z.B. nur Events mit der besten Bewertung 3, oder auch welche mit Bewertung 2, usw.
  2. Holt euch die für die ausgewählten Events berechneten Massen aus dem Excel-Dokument.
  3. Tragt die Massen in ein Histogramm ein.
  4. Falls es euch notwendig erscheint, hinterfragt nochmals die Bewertungskriterien für eure Events um zu sehen, ob sich das Histogramm noch verbessern lässt.
  5. Wählt schlussendlich das eurer Meinung nach beste Histogramm
  6. Diskutiert wie das Gesamtergebnis interpretiert werden kann, und welchen Beitrag die einzelnen Gruppen beigesteuert haben. .