HY.P.A.T.I.A   HYbrid Pupil's Analysis Tool for Interactions in ATLAS

Momentan verfügbare Ereignisse

Group_1 enthält 10 Fälle. Die ersten fünf sind Z -> e⁺e^-und die anderen Z->μ⁺μ^-

Group_2enthält 10 Ereignisse, die wieder Zerfälle von Z in Leptonenpaare sind, die aber dieses Mal nach Zufall gemischt wurden.

Group_3A, 3B, 3C enthalten jeweils fünfzig verschiedene Ereignisse. Die Studenten wählen eines davon aus. Einige von ihnen sind Zerfälle von Z in zwei Leptonen und die anderen sind Hintergrundereignisse, unter anderem kosmische Strahlen, Zerfälle von W, J/ψ, Y etc.

Higgs enthält zwanzig Ereignisse, von denen sieben Zerfälle von Higgs in vier Leptonen und der Rest Hintergrundereignisse sind. Die Higgs-Ereignisse sind nicht real und sind aus einem Paar Zerfällen von Z rekonstruiert worden. Das heisst, die Higgs-Masse, die errechnet wird, ist nicht realistisch.

Mehr Ereignisse sollen hinzugefügt werden, einschliesslich realer Higgs-Ereignisse, die Z-Z nicht verfügbar sind.

Ein Ereignis auswählen

Benutzer können ein Ereignis auswählen, welches sie ansehen möchten, indem sie entweder die Tasten "Vorheriges"/Nächstes" verwenden oder es aus der Aufklappliste auswählen. Die Nummer des ausgewählten Ereignisses wird zusammen mit der Gesamtanzahl der vorhandenen Ereignissen auf der linken Seite der Liste angezeigt. Daneben wird auch die fehlende Energie (ETMiss) des Ereignisses angezeigt.

Eine Spur auswählen

Wenn Benutzer auf eine Spur (weisse Linie) auf einer der zwei Detektoransichten klicken, wird die Spur in beiden Ansichten violett angezeigt. Die entsprechende Linie in der Spurentabelle ist auch ausgewählt.
Das funktioniert auch umgekehrt. Wird eine Spur in der Spurentabelle ausgewählt, erscheint sie auch in beiden Detektoransichten markiert.
Wenn die Spur in die Tabelle der unveränderlichen Masse eingesetzt wird, ist sie dort auch ausgewählt.

Histogramme

Die Histogramme, die den Spuren der Tabelle der unveränderlichen Masse entsprechen, werden immer automatisch errechnet, wenn Benutzer eine Spur einsetzen oder entfernen.

Die ersten drei Histogramme stellen die Energie, Querenergie und θ-Winkelverteilung der Spuren dar. Die folgenden zwei zeigen nur die unveränderlichen Massen, die von den Elektron- oder Myonenspuren errechnet werden. Die nächste zeigt alle unveränderlichen Massen von Paaren unabhängig ihrer Art und das letzte Histogramm zeigt die unveränderliche Masse der Gruppen von vier Spuren (entweder vier Elektronen, vier Myonen oder zwei Elektronen und zwei Myonen).
Indem du die Maus unterhalb die X-Achse ziehst, kannst du entweder die Auswahl des Histogramms ändern (wenn du an den Rändern ziehst) oder den gezeigten Bereich verschieben (wenn du in der Mitte ziehst). Auch nachdem du auf das Histogramm geklickt hast, wird ein blaues Viereck mit Kontrollpunkten angezeigt, die es dir erlauben, das gesamte Diagramm zu verschieben oder die Grösse neu zu bestimmen. Dasselbe gilt auch für die Legende.

Ausschnitte

Ausschnitte sind Begrenzungen, die Benutzer den angezeigten Spuren setzen können.

Benutzer können die Energieschwelle der angezeigten Spuren auswählen. Indem du das Kontrollkästchen ankreuzt und einen Wert in das entsprechende Feld einträgst, können alle Spuren entfernt werden, deren Energie unterhalb der Schwelle liegt. Nachdem der Wert eingetragen worden ist, muss man mit der Eingabetaste bestätigen.
Dies kann bei Ereignissen mit vielen Spuren sehr nützlich sein, da dort die niederenergetischen Spuren normalerweise nicht von Interesse sind. Jedoch darf der Schnittwert nicht sehr hoch eingestellt werden, da sonst auch möglicherweise interessante Spuren verschwinden.
Wenn man den Schnittwert verwendet, könnten Spuren mit einer hohen Energie, die Teil eines Strahles sind, sonst nämlich auch als isoliert und lokalisiert erscheinen und zu einer fehlerhaften Kennzeichnung führen.

Fehlender Querimpuls

Dies ist der Impuls/die Energie, die nicht im Detektor erfasst wird, sondern aufgrund der Energie- und Impulserhaltung in der Querfläche erwartet wird. Das ETMiss wird im Allgemeinen Teilchen zugeschrieben, die dem Detektor entkommen, ohne erfasst zu werden, wie die Neutrinos (obgleich anscheinend fehlende Energie auch durch fehlerhafte Messung des Impulses/der Energie der erfassten Teilchen verursacht werden kann). Im LHC ist der Ausgangsimpuls der zusammenprallenden Bestandteile entlang der Strahlachse nicht bekannt (weil die Energie jedes Hadrons geteilt und zwischen den Bestandteilen ständig ausgetauscht wird), so dass die Summe der fehlenden Energie nicht festgestellt werden kann. Jedoch ist die Ausgangsenergie und der Impuls in einer Fläche, die zur Strahlachse quer steht, gleich null. Das heisst, jeder Nettoimpuls zeigt fehlenden Querimpuls/Energie an (ETMiss) an. Dies wird (in der Ereignisanzeige) mit einer gestrichelten roten Linie dargestellt, die zusätzlich zum Wert (die Summe des fehlenden Querimpulses/der Energie), der Richtung des fehlenden Querimpulsvektors

Achsen

ATLAS benutzt ein rechtshändiges Koordinatensystem mit der Z-Achse entlang des Strahlrohrs. Die X-Achse zeigt auf das Zentrum des LHC-Ringes, und die Y-Achse zeigt aufwärts. Zylindrische Koordinaten (r, φ) werden in der Querfläche verwendet, wobei φ der Scheitelwinkel ist.

Die Pseudorapidität wird mit dem Polwinkel θ als η = - ln tan(θ/2) ausgedrückt.

Produkte von Teilchenkollisionen

Viele Teilchen sind sehr kurzlebig und zerfallen fast sofort zu stabileren Teilchen. In den meisten Protonenkollisionen haben die Protonen schwache Interaktionen, und die Mehrheit der Teilchen behalten die Richtung der ursprünglichen Teilchen bei (anstatt senkrecht zum Strahl zu gehen). Jedoch entstehen sehr selten einige wenige sehr massive Teilchen. Wenn Teilchen aus dem Zerfall eines Elternteilchens entstehen, sollten ihre Spuren am gleichen ursprünglichen Punkt zusammenlaufen. Dieser Punkt wird "Vertex" genannt. Der Zerfall der meisten massiven Teilchen verursacht einige hochenergetische Teilchen, die in grossen Winkeln nach aussen gehen, d.h. mehr oder weniger senkrecht zu den ursprünglichen Protonen im Strahl. Aus diesem Grund messen wir den Impuls und den Querimpuls (p_T), und wir verwenden diese Messungen, um interessante Ereignisse zu erfassen. Indem wir die Zerfallsprodukte, die von der gleichen Vertex her kommen, addieren, können wir das ursprüngliche unsichtbare Teilchen rekonstruieren. In dieser Übung wirst du das Z⁰-Teilchen rekonstruieren, welches Träger der schwachen Kraft ist. Diese ist für die Energie der Sonne und der Radioaktivität verantwortlich.

Das Higgs Boson

Dies (siehe Produkte von Teilchenkollisionen) ist eine der Zerfallsarten des Higgs-Bosons.

Entstehung und Zerfall von Higgs-Teilchen

Ein komplizierteres Beispiel eines unsichtbaren Teilchens ist der Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Z-Bosonen (einer von einigen möglicher Zerfallmodi). Auch dieses tritt fast sofort auf und wird von den Z-Bosonen gefolgt, die in Paare von e⁺e^- und/oder μ⁺μ^- zerfallen.

Messung der Breite eines Teilchens

Wenn ein extrem kurzlebiges Teilchen in einer hochenergetischen Kollision entsteht, besagt die Heisenbergsche Unschärferelation:

Das heisst, eine bedeutende Messunsicherheit für die gemessene Energie (seiner unveränderliche Masse). Die Messung der unveränderlichen Masse eines instabilen Teilchens ergibt eine Verteilung (Histogramm) der Massen, welche Breit-Wigner-Verteilung genannt wird.

Die Breite dieser Verteilung in der Hälfte des Höchstwerte wird

Γ , Γ=1/τ, genannt, und die Lebensdauer τ des Teilchens entspricht der Zeitunsicherheit τ = Δt. Γ wird häufig als natürliche Linienbreite bezeichnet, gibt sehr wertvolle Informationen und muss gemessen werden. So führte zum Beispiel die Messung der Breite des Z-Teilchens im LEP (Vorläufer des LHC am CERN), zu einer sehr guten Bestimmung der Anzahl der verschiedenen Neutrinoarten, die es gibt.

Hochfahren

Wenn das web application neu geladen wird, zeigt es das erste der vorhandenen Ereignisse an. Die Spuren, die zu diesem Ereignis gehören, werden in der Tabelle in der Mitte des Bildschirms verzeichnet (Spuren-Tabelle). Die zwei Detektoransichten zeigen die vordere und Seitenansicht des ATLAS-Detektors. Daneben sind die Histogramme der Spuren, die die Benutzer ausgewählt haben (bis jetzt noch leer). Der untere Teil des web application (Tabelle der unveränderlichen Masse) verzeichnet die Spuren, die Benutzer ausgewählt hat, mit ihren entsprechenden unveränderlichen Massen (bis jetzt noch leer).

Benutzer kann zur Verwendung des web application die Tasten und Steuerknöpfe betätigen, die angezeigt sind. Er kann die Tabellen auch anklicken, um die gewünschte Spur hervorzuheben, oder die Detektoranzeigen anklicken, um eine Spur auszuwählen.

Spur einsetzen

Da die Benutzer versuchen, das Z-Teilchen anhand seiner Zerfälle in Paare von Myonen/Antimyonen oder von Elektronen/Positronen zu "entdecken", müssen sie die ausgewählte Spur in die Tabelle der unveränderlichen Masse entweder als Elektron/Positron (dazu die Taste "Elektron einfügen" anklicken) oder Myon/Antimyon (Taste "Myon einfügen") einsetzen. Dafür müssen Elektron- und Myonspuren im vorhergehenden Schritt natürlich erst einmal erkannt werden.

Indem man die passende Taste anklickt, wird die ausgewählte Spur in die Tabelle der unveränderlichen Masse kopiert. Wenn zwei kompatible Spuren (entweder beide Elektronspuren oder beide Myonspuren) vom gleichen Ereignis eingesetzt werden, wird ihre unveränderliche Masse automatisch errechnet.

Eine weitere gültige, der Higgs-Entdeckung zugeordnete Kombination, sind zwei Elektronspuren und zwei Myonspuren oder vier Elektronspuren und vier Myonspuren. Nur vier Spuren von jedem Ereignis können eingesetzt werden und jede Spur kann nur einmal benutzt werden. Benutzer können eine Spur entfernen, indem sie sie vorwählen und auf die Taste "Spur löschen" klicken.

Die Histogramme mit den Spuren, die in die Tabelle der unveränderlichen Masse eingesetzt werden, werden ebenfalls automatisch aktualisiert. Wenn Benutzer eine Spur auf der Tabelle der unveränderlichen Masse anklicken, wird das entsprechende Ereignis automatisch geladen und die Spur wird auf der Spurentabelle und den Detektor-Ansichten ausgewählt.

Zoom

Benutzer können zoomen, um eine bessere Ansicht der Spuren zu erhalten. Dazu muss der Zoomschieber mit der Maus gezogen werden. Jede Ansicht kann auf verschiedene Entfernungen gezoomt werden.

Zoomen kann bei Ereignissen mit vielen Spuren, die sich decken, sehr hilfreich sein.

Teilchen entdecken

Wenn verschiedene Spuren, die der gleichen Art des Teilchenzerfalls entsprechen, ausgewählt worden sind, können Benutzer die Masse und die Breite des zerfallenden Teilchens feststellen, das sie hervorrief. In diesem Beispiel haben wir Z-Bosonen, die in Paare von Myonen zerfallen.

Optionen

Benutzer können mit dem Abwärtspfeil auf der Tastatur verschiedene Aufgaben ausführen:

Tabelle der unveränderlichen Masse importieren liest eine Datei von der lokalen Festplatte des Benutzers und setzt die Werte in die Tabelle der unveränderlichen Masse ein. Dies kann sehr hilfreich sein, um die Analyse von Ereignissen aus einer vorhergehenden Sitzung fortzusetzen, ohne von vorne anfangen zu müssen.

Tabelle der unveränderlichen Masse exportieren speichert die aktuellen Werte der Tabelle zu in einer Datei auf der lokalen Festplatte des Benutzers. Diese Datei kann im web application beim nächsten Mal importiert werden, um die Analyse fortzusetzen.

Histogramme speichern speichert das jeweilige Histogramm in einer Bilddatei.

Gekrümmte Spuren. Diese Auswahl zeigt das Fenster mit den Werten des Magnetfeldes an. Zusätzlich werden die Spuren in der XY-Ebene des Detektors mit einer realistischen Krümmung gezeigt, die durch das Magnetfeld im Zentrum des Detektors geformt wird. Der Benutzer kann eine Spur auswählen und 3 Punkte darauf mit rechtem Mausklick selektieren. Dieses berechnet den Kurvenradius, welcher den drei Punkten entspricht; von diesem Wert wird die Stärke des Magnetfeldes ermittelt und automatisch in die Tabelle  eingefügt. Im oberen Teil des Fensters werden der Mittelwert der Benutzer Messungen, die 2 p_T Abschnitte (tief-hoch) und der Knopf für das Menü der Magnetfeldkalkulation und des Tabelleninhaltes angegeben. Außerdem, wird dem Benutzer erlaubt die Messwerte der Tabelle zu importieren / exportieren.

Demo mode wird automatisch durch die Ereignisse der zurzeit ausgewählten Gruppe wiederholt.

Optionen erlauben es den Benutzern, die Farben und Breiten aller Objekte auszuwählen, die in der Ansicht angezeigt werden. So können Benutzer das web application nach ihren persönlichen Vorlieben gestalten, oder Wichtiges hervorheben.

Bestandteile des Detektors

Während ein Teilchen den ATLAS-Detektor passiert, trifft es auf die folgenden Subdetektoren:

• Innerer Detektor (wo geladene Teilchen Spuren hinterlassen)

• Elektromagnetische Kalorimeter (Elektronen und Photonen hinterlassen ihre gesamte Energie)

• Hadronische Kalorimeter (Protonen, Neutronen, Pionen und andere Hadronen hinterlassen ihre Energie)

• Magnetsystem (lenkt alle geladenen Teilchen ab)

• Myonenspektrometer (nur Myonen können es erreichen und Spuren hinterlassen)

Ein Beispiel von verschiedenen Teilchen, die in den verschiedenen Schichten aufeinander einwirken, wird in der obigen Abbildung gezeigt. Die Abbildung zeigt einen stark vereinfachten Detektor. Die neutralen Teilchen hinterlassen Spuren nur in den Kalorimetern, das heisst im inneren Spurerkennungsdetektor finden sich keine Spuren. Andererseits sind die Neutrinos "unsichtbar"; sie hinterlassen in keinem Teil Spuren. Die einzige Möglichkeit, ihre Gegenwart zu "erraten" ist anhand der fehlenden Energie/des Impulses, was weiter unten besprochen wird.

p_T

Der Impuls in der Fläche, die senkrecht zum Strahl steht. Dieser Bestandteil des Impulses wird Querimpuls genannt (p_T). Massive Teilchen entstehen häufig mit hohem p_T.

Unveränderliche Masse

Die unveränderliche Masse wird auch Ruhemasse genannt, und entspricht einem bestimmten Teilchen. Nach Einsteins Theorie ist die unveränderliche Masse eine Menge, die sich mit wechselnder Geschwindigkeit oder je nach Referenzrahmen nicht ändert. Wenn die Masseinheiten so gewählt werden, dass die Lichtgeschwindigkeit c=1 ist, wird die unveränderliche Masse folgendermassen definiert:

E ist die Energie und p = m*ν der Teilchenimpuls. Um die unveränderliche Masse eines Teilchens festzustellen, welches beinahe sofort wieder zerfällt, muss man seine Zerfallsprodukte betrachten. Man muss die Energie und den Impuls, der jedes zerfallenden Teilchens messen und anschliessend ihre Energien summieren.
E = E1 + E2 + E3+ ...
Das gleiche gilt für alle ihre Impulse

Das Resultat ist die unveränderliche Masse. Wenn du ein Teilchen beobachtest, dann sollte die Masse, die in jedem Ereignis errechnet wurde, fast identisch sein. Wenn du dann nämlich eine Aufstellung der Massenverteilung für verschiedene Ereignisse vornimmst, sollte sich ein Höchstwert um die Masse des Teilchens ergeben.