Study of effects caused by limitations in the process of reconstruction of particle jets in high-energies collisions

Abstract

Orientador: Jun TakahashiDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb WataghinResumo: Os processos de interação entre as partículas em colisões de altas energias são estudados com a aplicação da teoria conhecida como Cromodinâmica Quântica (ou QCD, do inglês, Quantum Chromodynamics). A QCD prevê que partículas de alto momento são emitidas em colimadas estruturas chamadas de jatos. O estudo dos jatos é uma importante ferramenta utilizada na física de altas energias, e as aplicações vão desde identificar novas partículas e testar com precisão a QCD, até buscar novos sinais de física além do modelo padrão. Para estudar este fenômeno experimentalmente, utiliza-se um algoritmo capaz de encontrar e reconstruir as características destas estruturas. Esses algoritmos possuem processos ad-hoc que precisam ser estudados para conectar os constituintes fundamentais da matéria com os observáveis experimentais. Para melhor entender os aspectos empíricos da física dos jatos, nós fizemos um estudo usando o gerador de eventos Pythia e o algoritmo aglomerador de partículas FastJet em colisões próton-próton nas energias do LHC. Neste trabalho, tivemos o objetivo de quantificar os efeitos da ineficiência na reconstrução dos jatos, assim como o efeito da aceitância do detector e a contaminação das partículas de fundo. O estudo foi feito através de uma amostra contendo eventos de colisões de partículas, onde duas estruturas de jatos em cada evento eram esperadas. Neste cenário ideal, nós variamos os parâmetros do FastJet: Rcut (máxima distância de agrupamento das partículas) e pT cut (remoção das partículas de baixo momento transversal no evento), e estudamos as propriedades dos jatos reconstruídos, tais como: média do tamanho dos jatos, direção e energia dos jatos reconstruídos. Para simular as limitações do detector, em especial, do experimento ALICE no LHC, nós também consideramos as ineficiências causadas pela remoção das partículas de baixo momento transversal e partículas neutras. Finalmente, fizemos um estudo nas observáveis entre os jatos reconstruídos no mesmo evento e a reconstrução da massa invariante da partícula Z0 , usando as mesmas configurações do experimento ALICE para simular como o experimento visualizaria estas observáveis caso utilizassem os resultados do nosso estudoAbstract: The interaction between particles in high-energies collisions is studied with the aplication of the theory known as QCD (Quantum Chromodynamics). The QCD predicts that in high energy collisions, high momentum particles are emitted in collimated structures called jets. Hence, the study of jets is an important tool used in high-energy physics and its reconstructions are used in different analysis that includes: identification of new particles, precision test of QCD and test of observables related to new physics beyond the standard model. In order to study this phenomenon experimentally, an algorithm capable of finding these particle jet structures is necessary. Such an algorithm has a level of ad-hoc procedures that needs to be understood in order to connect the fundamental concepts of the physical models with the experimental observables. To better understand the effects of jet reconstruction analysis, we perform a study using the Pythia event generator and the FastJet particle cluster algorithm with proton-proton events at LHC energies. In this work, our aim was to quantify the effects of detector and analysis inefficiencies in the jet reconstruction, as well as the effect of detector acceptance and background contamination. The study is performed on a sample of events for which only a two jet structure is expected. In this idealized scenario, we varied the parameters in the FastJet algorithm: Rcut (maximum distance of clusterization of the particles) and pT cut (remotion of particles with low transversal momentum in the event), and studied the reconstructed jet properties such as average jet size, widths and yields. To simulate the limitation of the detectors (that we chose to be similar to the experimental conditions of the ALICE experiment at the LHC), we also considered the inefficiencies caused by removing low transverse momentum particles as well as neutral particles. Finally, we also studied the properties related to the observables between the two jets in the same event. For example, we studied effects on the invariant mass reconstruction of a decaying Z0 particle, as would be seen by the ALICE experiment. Also, others parameters such as relative energy and momentum differences were studiedMestradoFísicaMestre em Física2013/1186834CAPE