Korrekciók - Alkalmazás: Töltött hadronok eloszlásai 95

II. Kísérleti program LHC energiákon 39

8. Alkalmazás: Töltött hadronok eloszlásai 95

13.3. Korrekciók

El®ször a nyers hozamokat (∆N_measured) binenként korrigáljuk a rekonstruált (η, p_T) értékük alapján, a hamis pályák (fake) és a másodlagos részecskék részarányára (seco):

∆N⁰ = ∆N_measured·(1−fake)·(1−seco). (13.1) Egy bint akkor használunk fel kés®bb, ha a hamis pályák aránya 0,1 alatt, a másodlagos részecskéké pedig 0,25 alatt vannak.

A részecskék η eloszlása lapos és az η mérési pontossága nagyon jó. Ugyanakkor a mértp_T eloszlás gyorsan változik az alacsony impulzusú tartományban, ezért a mért dif-ferenciális hozamokat korrigálnunk kell, minden η szeletben külön-külön. A p_T mérés R válaszmátrixait a szimulációból kapjuk minden részecsketípusra. A mért és a szimulált értékek eltérnek kaonokra és protonokra nagyon alacsonyp_T-nél: az átlagos rekonstruált p_T mintegy 0,025 GeV/c-vel kisebbnek adódik. A különbség oka az, hogy minden töltött részecskét piontömeg feltételezéssel nyomkövettünk. Ebben az analízisben ap_T spektrum egy egyszer¶ visszaállítását használtuk, az ún. lineáris regularizációt [13]. A módszer a szokásosχ²-es(Ro−m)^TV⁻¹(Ro−m)tag és egy regularizáló λo^THo tag összegét mini-malizálja, aholoésmaz eredeti és a mért dierenciális hozamok d²N/dηdp_T vektorai. A mért értékek kovarianciáját egy diagonális mátrixszal közelítjük: V_ij ≈ m_iδ_ij. A λ para-métert úgy állítjuk be, hogy a minimalizálandó jósági függvény végs® értéke megegyezzen a szabadsági fokok számával. A gyakorlatbanλ értéke10⁻⁵ nagyságrendjébe esik.

A következ® lépésben a már helyes (η, pT) értékeken alapuló korrekciókat hajtjuk végre, úgymint az akceptancia (acc, ha nagyobb, mint 0,5), a nyomkövetés hatásfoka (e, ha nagyobb, mint 0,5), a többszörös rekonstrukció gyakorisága (mult, ha kisebb, mint 0,1):

dc_245_11

1 N_ev

d²N

dηdp_T_corrected = 1

acc·e·(1−mult)

∆N⁰

N_ev∆η∆p_T, (13.2) ahol N_ev a felhasznált DS események megfelel®en korrigált száma (13.2 szakasz).

A dierenciális hozamokat (dη) azE/pJacobi alkalmazásával invariáns értékekké (dy) transzformáljuk, miközben az(η, p_T)rácsot a (y, p_T)síkra képezzük le. Ennek érdekében az invariáns értékeket p_T binekben interpoláljuk, hiszen a p_T értékek változatlanok ma-radnak. Az y irányú hibákkal súlyozott interpolációban azokat a bineket használjuk, melyek a leképezett η= arsinh (m_T/p_T·sinhy)pontot közrefogják. A zikai eredmények bemutatását a −1 < y < 1 tartományra korlátozzuk. Az (y, p_T) bineket összegy¶jtjük és megfelel®en átlagoljuk, hogy megkapjuk az 1/N_evd²N/dydp_T számokat a p_T függvé-nyében. Tehát a p_T eloszlások a használt y szeletek feletti átlagolásból származnak: a dierenciális hozamok a keskeny központi tartományban gyakorlatilag függetlenek y-tól.

A szisztematikus bizonytalanságokat és várható értéküket a 13.2 táblázatban foglaltuk össze. A hibák nagy része a korábbi 0,9, 2,36 és 7 TeV-es hadronspektrumokkal foglalkozó cikkekkel közös [8, 14], de vannak új elemek is, mint például a hozamok illesztésével kapcsolatos bizonytalanságok.

Az eseményválogatással és az átlapoló ütközésekkel (13.2 szakasz) kapcsolatos kor-rekciók többnyire korreláltak minden (η, p_T) binben, ezért általános korrekcióként kezelhet®k. A hozamokra 3,0%, az átlagos p_T-re pedig 1,0% szisztematikus bizony-talanságot kapunk.

A pixel-beütések hatásfoka és a detektorelemek helyzetének esetlegesen hibás isme-rete többnyire korrelált hibákat eredményez, hozzájárulásuk 0,3% körül alakul.

Vannak olyan, többnyire nem korrelált bizonytalanságok, melyek mértéke (η, pT) függvénye. Míg a nyomkövet® akceptanciájának és a nyomkövetés hatásfokának bi-zonytalansága általában kicsi (1% és 2%), értékük kis p_T-n gyorsan változik, ahol a korrekció bizonytalansága akár az 56%-ot is elértheti. A többszörös és hamis pályák korrekciójának bizonytalanságát a tényleges korrekció 50%-ával becsültük.

A másodlagos részecskéknél (13.2 szakasz) ezt az arányt 10%-nek választottuk. Az illesztett hozamok bizonytalansága (12.6 szakasz) szintén ide tartozik.

Az általános szisztematikus hibán kívül a kapott értékek statisztikus és szisztematikus hibái többnyire nem korreláltak. A súlyozott átlagolások során és kés®bb az eredmények illesztésénél a kétféle hiba négyzetes összegét (p

stat²+ syst²) fogjuk használni, melyet a továbbiakban kombinált bizonytalanságnak hívunk. A teljesen korrelált szisztematikus hibákat (eseményválogatás, átlapoló ütközések) nem tüntettük fel az ábrákon.

182 Alkalmazás: Azonosított töltött hadronok eloszlásai

13.2. táblázat. A spektrumokra vonatkozó szisztematikus bizonytalanságok összefoglalása. A zárójelben megadott hibák azhpTimérésére vonatkoznak. Az egyes részecsketípusokra (π,K,p) jellemz® értékeket pT=0,6 GeV/cesetére adtuk meg.

Forrás A forrás A hozam

bizonytalansága [%] bizonytalansága [%]

Teljesen korrelált, általános

Eseményválogatás 3,0 (1,0)

3,0(1,0)

Átlapoló ütközések 0,3

Többnyire korrelálatlan, adott relatív mérték¶

Pixel beütés hatásfoka 0,3

A detektorelemek helyzete 0,1 0,3

Többnyire korrelálatlan,(y, p_T) függ®, változó π K p

A nyomkövet® akceptanciája 16 1 1 1

A rekonstrukció hatásfoka 25 2 2 2

Pályák többszörös rekonstrukciója a korrekció 50%-a Hamis pályák részaránya a korrekció 50%-a <0,5 <0,5 0,5 Másodlagos részecskék a korrekció 10%-a <0,5 2 logεeloszlások illesztése σlogε ésσ_scale alapján 1 2 1

13.4. Eredmények

A korábbi, azonosítatlan és azonosított részecskékkel foglalkozó cikkekben a Tsallis-Pareto eloszlás [15, 16, 17, 18] következ® alakját alkalmaztuk:²

d²N

dydp_T = dN

dy ·C·p_T

1 + (m_T−m) nT

−n

, (13.3)

ahol

C= (n−1)(n−2)

nT[nT + (n−2)m] (13.4)

és m_T = p

m²+p²_T. Szabad paramétereink a dN/dy integrált hozam, az n kitev®, vala-mint a meredekségT reciproka. A fenti alakkal az adatok jól illeszthet®k, felhasználásával könnyen extrapolálhatunkp_T = 0felé azhp_Tiés adN/dykiszámítására. A függvény alkal-mazhatóságát Monte Carlo spektrumok illesztésével ellen®riztük, a kapotthp_TiésdN/dy számok megfeleltek a valós értékeknek. Néhány, nemextenzív termodinamikán alapuló, részecskekeltéssel foglalkozó modell [16] szerint aT paraméter az egy részecskére jutó át-lagos energiával kapcsolatos, mígna folyamatok nemextenzivitását jellemzi, vagyis annak a mértékét, hogy a kapott spektrumok mennyire térnek el egy Boltzmann-eloszlástól.

2Természetes egységeket használunk.

dc_245_11

Bár a pionok és kaonok hozamát nagyobb impulzuson nem tudjuk egyértelm¶en meg-határozni (12.6 szakasz), dierenciális hozamuk összegét nagy pontossággal ismerjük.

Emiatt a pionok (kaonok) d²N/dydp_T értékeit|y|<1 ésp <1,20 GeV/c(p < 1,05 GeV/c) mellett, valamint összegük d²N/dηdp_T számait |η| < 1 és 1,05 < p < 1,5 GeV/c esetén egyidej¶leg illesztjük. Mivel a nagy számban keletkez® pionok p/E arányát ezeknél az impulzusoknál már közelíthetjük p_T/m_T-vel η ≈ 0 körül, az illesztés során a következ®

alakot használjuk:

d²N dηdpT

≈ dN

dy ·C· p²_T mT

1 + m_T−m nT

⁻ⁿ

. (13.5)

Az elméleti függvény nem feltétlenül tudja teljesen leírni az azonosított részecskék p_T spektrumát. A pionok és protonok esetében a meggyeltp_Ttartomány megfelel®en széles:

a hozam és az átlagos p_T kis szisztematikus hibával meghatározható. Kaonokra a mérési pontok száma kicsi és a lefedett p_T tartomány korlátozott. Ezt úgy vesszük gyelembe, hogy a pionok és kaonok együttes illesztése során a kaonokat felülsúlyozzuk, vagyis a következ® jósági függvényt minimalizáljuk: χ²_π +χ²_π+K+ 4·χ²_K.

A választott függvényhez tartozó átlagos hp_Ti transzverzális impulzust nem tudjuk zárt alakban megadni. Értékét és hibáját a (13.3) egyenlet numerikus integrálásával kap-juk meg.

A következ®kben bemutatott, √

s = 0,9, 2,76 és 7 TeV-es tömegközépponti energiás eredmények a |y|<1 tartományra vonatkoznak. A hibavonalak a nem korrelált statiszti-kus, a sávok pedig a nem korrelált szisztematikus bizonytalanságokat mutatják. A teljesen korrelált normálási bizonytalanság 3,0%. A mért mennyiségek (átlagos transzverzális im-pulzus, részecskearányok) modellekkel (a Pythia6 [9] D6T és Z2 tune-jai és a Pythia8 [19] 4C tune-ja) való összehasonlítását is megadjuk.

Inkluzív mérések Pozitív és negatív hadronok (pionok, kaonok, protonok) transzver-zális impulzus eloszlását a 13.3 ábrán láthatjuk, melyeken a Tsallis-Pareto parametrizáció-val elvégzett illesztések eredményeit is bemutatjuk. Az illesztések jó min®ség¶ek, aχ²/ndf értékek a következ® tartományokban mozognak: 0,61,5 pionokra, 0,62,1 kaonokra, 0,4 1,1 protonokra. A 13.4 ábra az adatok és a különböz® Pythia tune-ok összehasonlítását mutatja. A D6T és a 4C a mért spektrumok alatt és fölött halad, a Z2 általában közel áll a mérésekhez (a kis p_T-s protonok kivételével).

A részecskehozamok arányának transzverzális impulzus függését a 13.5 ábrán láthat-juk. Míg ap/πarányokat mindegyik tune leírja, aK/πarányoknál már jelent®s eltéréseket találunk. Az ellentétesen töltött részecskék aránya 1 körül van minden p_T-re, mint azt a párban keletkezett részecskék esetény= 0körül várható. A p/parányok a√

snövelésével 1 felé tartanak.

184 Alkalmazás: Azonosított töltött hadronok eloszlásai

13.3. ábra. Azonosított töltött hadronok (pionok, kaonok, protonok) transzverzális impulzus eloszlása a

|y|<1 tartományban, pozitív (0,9 TeV-en, balra) és negatív (2,76 TeV-en, jobbra) részecskékre. A kao-nokat és protokao-nokat a jelmagyarázatnak megfelel®en skáláztuk. A berajzolt görbék a (13.3) egyenletnek megfelel® illesztések. A hibavonalak a nem korrelált statisztikus, a sávok a nem korrelált szisztematikus hibákat mutatják. A teljesen korrelált normálási bizonytalanság 3,0%. A többi ábra a [4] referenciában található.

13.4. ábra. Azonosított töltött hadronok (pionok, kaonok, protonok) transzverzális impulzus eloszlása a

|y|<1tartományban, pozitív (2,76 TeV-en, balra) és negatív (7 TeV-en, jobbra) részecskékre. A 13.3 áb-rával megegyez® mért értékeket Pythia jóslatokkal együtt ábrázoltuk. A hibavonalak a nem korrelált statisztikus, a sávok a nem korrelált szisztematikus hibákat mutatják. A teljesen korrelált normálási bizonytalanság 3,0%. A többi ábra a [4] referenciában található.

Részecskeszám-függ® mérések A különféle mérhet® mennyiségek részecskeszám-függésének itt következ® vizsgálatát a p-p ütközésekben nagy részecskeszámoknál meg-gyelt érdekes hadronkorrelációs eredményeink [20] motiválják. Ezek a centrális p-p üt-közésekben esetlegesen fellép® kollektív, a nehézionok ütközésére jellemz® folyamatokra utaltak. A részecskearányok multiplicitás-függése érzékeny a kozmikus sugarak zikájá-ban használatos Monte Carlo modellekbe épített végállapoti kölcsönhatások

dc_245_11

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

0 0.5 1 1.5 2

Ratios

p_T [GeV/c]

pp √s = 7 TeV CMS

(K⁺+K⁻)/(π⁺+π⁻) (p+⁻p)/(π⁺+π⁻) Pythia6 D6T

Pythia6 Z2 Pythia8 4C

0.6 0.8 1 1.2 1.4

0 0.5 1 1.5 2

Ratios

p_T [GeV/c]

π⁻/π⁺ K⁻/K⁺

−p/p pp √s = 7 TeV

CMS

13.5. ábra. Részecskehozamok arányai a transzverzális impulzus függvényében √

s = 7 TeV esetén. A hibavonalak a nem korrelált statisztikus, a téglalapok a nem korrelált szisztematikus hibákat mutatják.

A berajzolt görbék a Pythia6 (D6T és Z2 tune-ok) valamint a Pythia8 4C tune-jának jóslatai. A többi ábra a [4] referenciában található.

13.3. táblázat. A rekonstruált (N_rec) és a valós (N_tracks) részecskék száma közötti összefüggés a vizsgált 12 multiplicitás-osztályra.

N_rec 0-9 10-19 20-29 30-39 40-49 50-59 60-69 70-79 80-89 90-99 100-109 110-119 hN_tracksi 7 16 28 40 52 63 75 86 98 109 120 131

ció, color reconnection, kollektív folyás) jellemz®ire is [21].

A rekonstruált részecskék száma alapján 12 eseményosztályt deniáltunk (13.3 táb-lázat) a következ® módon: N_rec = (0-9), (10-19), (20-29), . . . (100-109) és (110-119).

Hogy megkönnyítsük a modellekkel való összehasonlítást, a |η|<2,4 tartományban mért valódi N_tracks részecskeszámokat modellekb®l határoztuk meg. Egy adott multiplicitás-osztályban kapott hN_tracksi számok az energiától és a Pythia tune-októl nagyban füg-getlennek mutatkoztak.

Töltött hadronok normált transzverzális impulzus spektrumát néhány kiválasztott multiplicitás-osztályban, a |y| < 1 tartományban 13.6 ábra mutatja, √

s = 0,9, 2,76 és 7 TeV esetén. A pozitív és a negatív részecskék hozamait összeadtuk. A növekv® mul-tiplicitású adatsorokat egymás után a függ®leges tengely mentén felfelé csúsztattuk. Az eloszlásokat ismét a Tsallis-Pareto parametrizációval illesztettük. A pionok eloszlásai fel-t¶n®en hasonlóak, alig változnak √

s-sel és a részecskeszámmal. A kaonok és protonok esetén világosan látszik, hogy az eloszlások a részecskeszám növelésével er®teljesen átala-kulnak. A meredekség T reciproka a multiplicitással növekszik, az n kitev® pedig lapos viselkedést mutat (13.7 ábra). A tune-ok a pionokra túl magas értékeket jósolnak. A

ka-186 Alkalmazás: Azonosított töltött hadronok eloszlásai