Derivation of Improved K^0_L Response Uncertainty for use in the Jet Energy Scale Calibration at ATLAS

Abstract

The Standard Model of particle physics (SM) attempts to describe the fundamental particles and how they interact with each other. This model is however incomplete, as shown by various experimental observations. ATLAS is one of the experiments currently in operation at the Large Hadron Collider, which aims to search for new physics beyond the SM. To perform these searches, many ATLAS analyses look at collimated sprays of particles, called jets, coming from proton-proton collisions. The calibration of these jets is a multi-step process that uses both simulation and data-driven methods to derive different corrections. Some of these corrections are based on a so-called response, which is a ratio between the energy of particles right after the simulated collision, and the energy of those same particles after they are simulated to interact with the detector material. The first aim of this thesis is to develop software tools that can closely investigate jet response after each step in the calibration.

Furthermore, all jet analyses are dependent on the uncertainty of the jet calibration. A major contribution to this is the uncertainty of particles called kaons (K^0_L), which is currently conservatively estimated to 20% over the entire jet transverse momentum (pT) range. Therefore, the main aim of this thesis is to use the tools developed in order to derive a new improved K^0_L uncertainty. This is done by looking at how the K^0_L response changes depending on what models are used to simulate the particle interactions with the detector material.

Based on the comparison of the K^0_L response from different interaction models, this thesis derives an improved K^0_L response uncertainty of 20% for pT<10 GeV, 10% for 10<pT<100 GeV, 2% for pT above 100 GeV.

Popular Abstract (Swedish)

Ökad noggrannhet vid ATLAS experimentet

Var kommer vi ifrån? Vad hände i Big Bang? Detta är exempel på några av många obesvarade frågor inom fysik. ATLAS är ett experiment vid CERN (Europeiska organisationen för kärnforskning), där tusentals forskare samarbetar med att undersöka produkterna från högenergetiska protonkollisioner, för att få svar på dessa frågor.

En vanligt förekommande produkt från de protonkollisioner, som studeras vid ATLAS, är högenergetiska partikelskurar. När partiklarna i dessa skurar åker genom ATLAS detektorn så interagerar partiklarna på många olika sätt med detektorns material. Vissa av dessa interaktioner skapar kaskader av partiklar inom materialet och avger energi i detektorn som vi kan mäta. Med hjälp av algoritmer, så grupperas dessa mätningar till ett rekonstruerat objekt, en representation av partikelskuren, som kallas jet. Jets är viktiga objekt som används för att relatera mätningarna till den grundläggande fysik som sker i protonkollisionerna.

Mycket av den forskning som pågår vid ATLAS är beroende av jets. För att kunna dra slutsatser från mätningar av jets så måste de kalibreras. Denna kalibrering består av flera steg som kompenserar för olika effekter av partiklarnas interaktion med detektorns material. I ett av kalibreringsstegen så simuleras protonkollisioner, dess resulterade partikelskurar, och som tidigare förklarats, så används algoritmer för att gruppera dessa simulerade partiklar till så kallade sannings-jets. De heter så eftersom de innehåller partiklarnas sanna information. Partiklarna i sannings-jets undergår sedan fortsatt simulering, för att simulera hur partiklarna interagerar och avger energi i detektorn. Den simulerade avgivna energin grupperas sedan till simulerade, rekonstruerade-jets.

Förhållandet mellan den sanna energin i en sannings-jet och energin hos dess rekonstruerade jet kallas respons. Respons är alltså ett mått på hur energin skiljs mellan objekt innan och efter de har interagerat med materialet i detektorn. I kalibreringen av jets så är respons inversen av den kalibreringsfaktor som läggs på rekonstruerade jets i mätningar, för att deras energi korrekt ska representera energin av partikelskurarna, innan de kommer i kontakt med detektorn.

Osäkerheten associerad med denna kalibrering har många bidragande faktorer där en av de största bidragen kommer från osäkerheten i respons från K^0_L mesonen. Liknande en proton så är en K^0_L ett bundet tillstånd av kvarkar, men till skillnad från en proton så har K^0_L ingen elektrisk laddning. På grund av detta så är dess respons uppskattad med väldigt låg noggrannhet.

I min uppsats så använder jag simuleringar av K^0_L i ATLAS detektorn för att uppskatta en ny noggrannhet på dess respons. Detta görs genom att undersöka hur K^0_L responsen skiljer sig beroende på vilka modeller som används för att simulera hur partiklar interagerar med detektor materialet. Slutsatsen av mitt arbete är en 2 till 10 gånger ökad noggrannhet än vad som används vid ATLAS just nu. Detta kommer att leda till noggrannare mätningar för framtida forskning vid ATLAS.

• author: Ekman, Alexander
• supervisor: Caterina Doglioni; Christopher Young; Charles William Kalderon
• organization: Department of Physics; Particle and nuclear physics
• course: FYSM60 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: kaon, neutral kaon, K^0_L, K_Long, klong, single-particle response, response, detector response, calorimeter, ATLAS, CERN, jets, trigger level analysis, TLA, physics list, Monte Carlo, MC
• language: English
• id: 8996766
• date added to LUP: 2019-10-22 09:46:35
• date last changed: 2019-10-22 09:46:35