Методы поиска вершины взаимодействия в трековой системе детектора

“Методы поиска вершины взаимодействия в трековой системе детектора OPERA“ Горнушкин Ю. А. Дмитриевский С. Г. Ососков Г. А. Чуканов А. В. 17. 02. 2011 1

Основные задачи эксперимента OPERA • Эксперимент с длинной базой • Поиск ® осцилляций по прямому обнаружению в пучке для подтверждения атмосферных нейтринных аномалий и объяснения результатов K 2 K и MINOS. • Поиск ® e осцилляций для измерения 13 • Ожидаемое число – 10 (5 лет) 17. 02. 2011

LNGS: the world largest underground physics laboratory: ~100’ 000 m 3 caverns’ volume, ~3’ 100 m. w. e. overburden CERN 73 0 k m LNGS S CNG OPERA 17. 02. 2011 A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010 3

JINST 4 (2009) P 04018 OPERA Hybrid Detector Target Veto Target SM 1 SM 2 RPC Muon Detector construction: Sept. 2003 Spring 2007 Drift tubes Spectrometer 53 BRICK WALLS • ~150000 bricks • ~1. 25 kton 10 20 m Brick Manipulator System TARGET TRACKERS • Trigger task • Brick identification • 2 x 31 scintillating strip walls read with PMT • 0. 817. 02. 2011 cm resolution 10 m m HIGH PRECISION TRACKERS spatial resolution < 0. 5 mm INNER TRACKERS • 990 -ton dipole magnets (B = 1. 55 T) RPC resolution ~1. 3 cm RPC and drift tubes for µ identification, charge and momentum measurement

OPERA ECC brick OPERA emulsion film 75. 4 mm 125 mm 8. 3 kg 10 X 0 beam Lead plate 57 emulsion films 56 Pb plates 1 mm 100 mm “Emulsion Cloud Chamber” The OPERA target consists of 150’ 000 ECC bricks. Total 105’ 000 m 2 of lead surface and 111’ 000 m 2 of film surface (~ 8. 9 million films) Total target mass: 1. 25 kton 17. 02. 2011 Pb 2 emulsion layers (44 m thick) poured on a 200 m plastic base

OPERA hybrid detector: 150000 bricks, 1. 25 k. T SM 1 SM 2 Hybrid target structure. (CS) Muon spectrometer (8× 10 m 2) Target and Target Tracker (6. 7 m)2 ● Target : 77500 bricks, 29 walls ● Target tracker : 31 XY doublets of 256 scintillator strips + WLS fibres + multi-anodes PMT for • Vertex brick identification • Calorimetry 17. 02. 2011 Instrumented dipole magnet JINST 4 (2009) P 04018 ● 1. 53 T ● 22 XY planes in both arms High precision tracker 6 4 -fold layers of drift tubes

Схема работы эксперимента Регистрация события (электронный детектор) Поиск кирпича с вершиной (Brick. Finding) Реконструкция события Сканирование и анализ §Извлечение кирпича §Поиск треков в вето пластине §Проявка кирпича 17. 02. 2011 15 февраля 2011

Brick Finding Task Event trigger and reconstruction Brick identification Selection of a brick most probably containing the neutrino interaction – Reduce scanning load – Minimize the target mass loss 17. 02. 2011

Сложность задачи поиска вершины • Вылетающие в заднюю полусферу продукты реакции мешают определению стенки с вершиной • Пространственное разрешение ТТ ~10 мм • Трековые детекторы (ТТ плоскости) разделены толстым слоем вещества (10 рад. дл. ) • Кросстоки в многоканальном ФЭУ производят доп. хиты, затрудняющие реконструкцию события 17. 02. 2011

Основные алгоритмы поиска вершины взаимодействия с помощью электронных детекторов • Предварительная фильтрация в ТТ для устранения х -токов, шумов, отдельно стоящих хитов и т. п. (Клеточный автомат) • Восстановление треков (Hough transform, Kalman filter, метод «прослеживания» ) • Определение оси адронного ливня ( «робастное» взвешивание) • Определение стенки мишени с наибольшей вероятностью содержащей вершину (Neural Network) • Путем пересечения треков, оси ливня и положения наиболее вероятной стенки мишени определяется карта вероятности для «кирпичиков» 17. 02. 2011

Фильтрация события – использование клеточного автомата Control area Surrounding area TT walls 17. 02. 2011

Example of HT Track Recognition: event 234948251 Proposed HT track finding Found and give track parameters: 17. 02. 2011

Реконструкция направления адронной струи Метод «перевзвешивания» отсчётов – вес отсчёта зависит от расстояния до прямой и энергии отсчёта ε 17. 02. 2011

Типичное нейтринное взаимодействие по каналу Заряженного Тока 17. 02. 2011

Фильтрация события Удаление изолированных отсчётов (клеточный автомат) 17. 02. 2011

Реконструкция мюонного трека Hough-transform, Кальман-фильтр, метод прослеживания 17. 02. 2011

Реконструкция направления адронной струи Метод «перевзвешивания» отсчётов 17. 02. 2011

Определение стенки с помощью нейронной сети 17. 02. 2011

Определение кирпича с нейтринным взаимодействием 17. 02. 2011

Результаты Измерение с помощью набора МК Эффективность определения 1 -й стенки: 88% Эффективность определения 2 -х стенок: 98% Эффективность поиска вершины при извлечении 1 кирпича: 72% 2 -х кирпичей: 87% 3 -х кирпичей: 92% Наша программа продемонстрировала лучшие результаты и была принята в качестве основной для целеуказания (определения кирпича с вершиной) в эксперименте OPERA 17. 02. 2011

Кандидат в СС взаимодействие 7 3 5 g 2 1 kink point primary vertex g 1 2 6 4 ( cand) 8 (daughter) 1 radiation length 0. 033 interaction length beam side view top view The viewer of scintillation Target Tracker 17. 02. 2011 15 февраля 2011 Эксперимент OPERA, А. Чуканов Event ECC pink color

Заключение • С самого начала участия в эксперименте ОПЕРА группа ОИЯИ разрабатывала алгоритмы, методы и программное обеспечение для анализа данных электронных детекторов • Мы опирались на богатый опыт решения такого рода задач в нашем институте, что предопределило конечный успех в создании алгоритма поиска вершины события в детекторе ОПЕРА • Вклад Г. А. Ососкова в эту работу по праву можно назвать стратегическим, поскольку его идеи легли в основу пакета программ Brick. Finding’а, а сами программы написаны в значительной степени его учениками • В настоящее время эксперимент ОПЕРА успешно продолжается. Обнаружение первого события осцилляций мюонных нейтрино в тау нейтрино входит в число наиболее важных результатов, полученных в прошлом году в ЦЕРН. • Впереди еще много интересных задач и мы рассчитываем на плодотворное сотрудничество! 17. 02. 2011

Крепкого Вам здоровья и новых творческих успехов, уважаемый Геннадий Алексеевич!