Implementación de un sistema automático para la validación de muones y estudio de la identificación y aislamiento de muones con el detector CMS para el Run II del LHC

Abstract

RESUMEN: El LHC ha tenido un comportamiento extraordinario durante su primer extenso periodo de toma de datos, el Run I, entre 2010 y 2012, destacando el histórico descubrimiento de una partícula compatible con el bosón de Higgs del Modelo Estándar. Estos resultados no hubieran sido posibles sin la excelente eficiencia de los detectores. En particular, CMS destaca por su capacidad para detectar muones, proporcionando una medida precisa de su momento en un amplio rango de energías y en la máxima aceptancia geométrica posible. Este tipo de objetos presentan una signatura muy limpia en el detector, y además están involucrados en los principales procesos físicos explorados en el LHC, no solo en el marco del Modelo Estándar sino también extensiones tales como la Supersimetría. Para que los datos de los muones detectados puedan ser utilizados en los análisis físicos es necesario aportar garantías sobre la calidad de la reconstrucción de los mismos. En este trabajo se exponen los resultados de la implementación de un método automático para la certificación de datos de muones. Se ha elaborado un test estadístico para comparar muestras de datos de muones con respecto a muestras de referencia, a partir de la distribución del 𝜒2 del ajuste global de la traza del muon dividido entre el número de grados de libertad. Los resultados presentan una alta sensibilidad a aquellas muestras que no superan la certificación manual, siendo además independientes del pile-up y del número de eventos. Por otro lado, el LHC se encuentra en un periodo extenso de parada técnica, en preparación a las condiciones del siguiente largo periodo de toma de datos, el Run II, que dará comienzo el segundo trimestre de 2015. Es fundamental evaluar el impacto que tendrán sobre los muones las nuevas condiciones de colisión que tendrán lugar, así como los nuevos algoritmos de reconstrucción elaborados para optimizar el rendimiento del detector ante dichas condiciones. Para ello se presentan en este trabajo varios estudios llevados a cabo con diferentes tipos de muestras de muones, analizando los criterios de identificación Tight, de aislamiento, y su eficiencia. En primer lugar, se ha estudiado el impacto de los nuevos algoritmos de reconstrucción mediante muestras de datos. En segundo lugar, se ha evaluado el impacto de las nuevas condiciones de colisión por medio de muestras de Drell-Yan simuladas por métodos de Monte-Carlo. Finalmente, se ha realizado un estudio de señal frente al fondo para muestras de HWW y W+jets con respecto a las nuevas condiciones, tomando como referencia el análisis de la desintegración del bosón de Higgs a dos bosones 𝑊+𝑊− en el canal dileptónico. Los resultados más importantes para estos estudios son el aumento de la eficiencia de identificación debido a los nuevos algoritmos de reconstrucción, y el deterioro del aislamiento a causa del incremento de la contribución de pile-up “out-of-time”, en el escenario de 25 ns entre cruces de paquetes de protones

ABSTRACT: The LHC has had an excellent behaviour during the first long data-taking period between 2010 and 2012, the so-called Run I, achieving the great highlight of the discovery of a particle which is compatible with the Standard Model Higgs boson. This excellent results would not have been feasible without the excellent performance of the detectors. Particularly, CMS is designed to detect muons with high efficiency, providing a precise and accurate measurement of their momentum over a wide range of energies and exploting the full geometric acceptance of the detector. Also muons are one of the cleanest objects to be measured at colliders, and they are involved in the main physical processes to be explored with the LHC, not only within the Standar Model but also in extensions such as Supersimetry. In order to be able to use the muon data in the physics analyses, strong garanties must be given on the quality of its reconstruction. In this work the results on an automatic method for muon data certification are presented. A statistical test has been developed in order to compare muon data samples with respect to a reference sample, using 𝜒2 of the global track fit over the number of degrees of fredom distirbution. The results show a high sensibility to samples not considered valid by the manual certification, and they are also independent to pile-up distribution and number of events on the samples. Secondly, LHC is currently during a technical stop period, in preparation for the new data-taking period conditions, Run II, which will start on the second quarter of 2015. It is key to evaluate the consecuences that this new conditions will have over the muon properties, as well as those taken place by the effects of the new reconstruction algorithms implemented to optimize the performance of the detector. For this purpose several studies are presented in this work, performed with different types of muon samples, analysing the Tight ID and isolation criteria and their efficiencies. First, the impact of the new reconstrucion algorithm has been evaluated, using data samples. Secondly, the effect of the new collision conditions has been measured, taking Monte Carlo simuleted samples for Drell-Yan process. Last, a study on the performance of signal over background with respecto to the new conditions is presented, using HWW and W+Jets samples, taking the analysis on Higgs boson decay to a 𝑊+𝑊− pair on the leptonic channel as a reference. The most important results obtained for this studies are the increase on identificaction efficiency due to the new reconstruction algorithms, and the worsening of the isolation caused by the contribution on out-of-time pile up that appears when a 25 ns bunch crossing period is achieved.