Studies of the ATLAS Muon spectrometer with testbeam and simulated physics data

Abstract

In the ATLAS detector, muon related measurements are achieved by a huge Muon Spectrometer installed at the outermost region of the detector. At the LHC energies, high-pT muons are expected to be measured with a momentum resolution of ∼10% at 1 TeV. The main detecting element of the Muon Spectrometer is the Monitored Drift Tube chamber. The reconstruction potential of a BIS type Monitored Drift Tube chamber, in a special setup at the H8 Testbeam experimental area at CERN, is investigated. Data from the BIS muon chamber with both muon and positron beams are taken and the reconstruction of track segments in the chamber is studied. The correlation of the precision coordinate of the reconstructed track segment with the calorimeter cluster barycentre is also studied. In the ATLAS detector, muons lose parts of their energy in the Calorimetric System before reaching the Muon Spectrometer. As the muon energy increases radiative effects start playing a significant role in the energy loss mechanism and increase the probability for a big muon energy loss, often called as catastrophic. The probability for catastrophic energy losses of 350 GeV muons when they pass through the ATLAS calorimeters is studied with H8 testbeam data. Information on catastrophic muon energy losses in the calorimeters and also on the isolation of muons can be retrieved by a direct measurement of the calorimeter response. For this reason, a precise energy deposition measurement method in the calorimeters is developed. The method enriches the muon object at the AOD analysis level with information on calorimeter isolation and the collection of calorimeter cells associated with the measurement. The method is applied on single muon and tt̄ → 4ℓ + X events. Finally, the Z boson pair production through the process pp → ZZ(∗) → ℓℓℓℓ, where ℓ = e or ℓ = µ is of great interest for the LHC physics searches because it constitutes the irreducible background to the observation of the Higgs boson production through the 4 lepton decay. The observation expectations of pp → ZZ → 4ℓ channel with 1 fb⁻¹ of data is investigated and analysis methods on simulated events of signal and tt̄ and Zbb̄ backgrounds processes are described.

Στον ανιχνευτή ATLAS, οι μετρήσεις που σχετίζονται με μιόνια πραγματοποιούνται από ένα τεράστιο Μιονικό Φασματόμετρο που βρίσκεται εγκατεστημένο στην εξωτερική περιοχή του ανιχνευτή. Στις ενέργειες του LHC, ακόμα και μιόνια μεγάλης εγκάρσιας ορμής, ~1 TeV, αναμένεται να μετρηθούν με διακριτική ικανότητα της τάξης του ~10%. Η βασική ανιχνευτική μονάδα του Μιονικού Φασματόμετρου είναι ο θάλαμος ολίσθησης μιονίων. Μελετάται η ικανότητα ανακατασκευής τροχιών ενός θαλάμου μιονίων τύπου BIS, σε μια ειδική πειραματική διάταξη στην δέσμη ελέγχου H8 στο CERN, με δεδομένα που λήφθηκαν με δέσμες μιονίων και ποζιτρονίων. Επίσης μελετάται η συσχέτιση μεταξύ της συντεταγμένης που μετράται με ακρίβεια της ανακατασκευασμένης τροχιάς όταν προεκταθεί στο θερμιδόμετρο, και του βαρύκεντρου της συστοιχίας κυψελίδων του θερμιδόμετρου από τις οποίες πέρασε το μιόνιο. Στον ανιχνευτή ATLAS, τα μιόνια χάνουν μέρος της ενέργειας τους στα θερμιδόμετρα πριν φτάσουν στο Μιονικό Φασματόμετρο. Καθώς η ενέργεια των μιονίων αυξάνει, φαινόμενα ακτινοβολίας αρχίζουν να παίζουν σημαντικό ρόλο στον μηχανισμό απώλειας ενέργειας και αυξάνεται η πιθανότητα μεγάλης απώλειας ενέργειας η οποία συχνά αναφέρεται ως ‘καταστροφική’. Με δεδομένα από την δέσμη ελέγχου H8, μελετάται η πιθανότητα ‘καταστροφικής’ απώλειας ενέργειας μιονίων ενέργειας 350 GeV, όταν αυτά διαπερνούν τα θερμιδόμετρα του ATLAS. Πληροφορίες για ‘καταστροφική’ απώλεια ενέργειας αλλά και για τον βαθμό απομόνωσης των μιονίων, μπορούν να ληφθούν από απευθείας μέτρηση της απόκρισης του θερμιδόμετρου. Για το λόγο αυτό, αναπτύσσεται μία ακριβής μέθοδος μέτρησης της απόθεσης ενέργειας στα θερμιδόμετρα. Η μέθοδος εμπλουτίζει την ανακατασκευασμένη τροχιά του μιονίου από άλλα σωματίδια στα θερμιδόμετρα και με την συλλογή των θερμιδομετρικών κυψελίδων που σχετίζονται με την μέτρηση. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε γεγονότα ενός μιονίου και γεγονότα tt̄ → 4ℓ + X. Τέλος, η παραγωγή ζεύγους μποζονίων Ζ μέσω του καναλιού pp → ZZ(*) → ℓℓℓℓ, όπου ℓ = e ή μ είναι μεγάλου ενδιαφέροντος για τις μελέτες φυσικής στο LHC γιατί αποτελεί το κυρίως υπόβαθρο με χαρακτηριστικά πανομοιότυπα με το σήμα του μποζονίου Higgs, όταν διασπάται του σε 4 λεπτόνια. Μελετώνται οι προσδοκίες παρατήρησης του καναλιού pp → ZZ → 4ℓ με ολοκληρωμένη φωτεινότητα 1 fb⁻¹ και περιγράφονται οι μέθοδοι ανάλυσης σε γεγονότα από προσομοίωση του σήματος καθώς και γεγονότα από τα κύρια κανάλια υποβάθρου tt̄ και Zbb̄.