диплом

1. Моделирование прохождения частиц
через слои эмульсионного
нейтринного детектора
эксперимента OPERA.
Выполнил:
студент 614 группы
Кузнецов Алексей
(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus)
Дипломная работа на тему:
Научный руководитель:
кандидат ф.-м. наук
Анохина А.ММосква
2011 год

2. Нейтрино и нейтринный
осцилляции
U -унитарная матрица ПМНС(Понтекорво-Маки-Накагава-Сакато)

3. 3
Pb
Емульсионныу пластины
ντ
τ
1 mm
эмульсии (CS)
ECC брик
Электрон
ные
трековые
детектор
ы
• Интенсивный высокоэнергичный поток мюонных нейтрино
• Массивная мишень
• Обнаружение тау лептона и его продукты распада
• Используются электронные детекторы для целеуказания на область
взаимодействия
В основе эксперимента: брики из емульсий + электронные детекторы

4. Детектор OPERA
Мишенная
зона
Мюонный
спектрометр
SM1 SM2SM1 SM2
4A. Ereditato - CERN - 4 June 2010

5. Постановка задачи для
диплома
• Моделирование и анализ кинематических параметров
частиц в эксперименте OPERA
• Определение точности процедуры восстановления
вершины взаимодействий нейтрино (мюонного и
таонного) с мишенью
• Определение угла излома треков. В случае распада
таона и излома трека частицы адронного кластера
(кластер из нейтрино мюонного)
• Определение возможных фоновых типов событий

6. Моделирование взаимодействия
нейтрино со свинцовой мишенью
Для моделирования процессов взаимодействия нейтрино разных
ароматов со свинцовой мишенью использовался генератор событий
NEUGEN и соответствующая библиотека сечений для моделирования
нейтрино-ядерных взаимодействий в области энергий 100МэВ –
100ГэВ .
Было смоделировано порядка 10000 событий взаимодействия
таонного нейтрино и мюонного с ядрами свинца для трех энергий
нейтрино: E=16GeV,E=20GeV,E=25GeV.
νµ CC+ рождение очарованных
част.
charm
µ
ντ CC
τ
µ, e, hadron
Сигнал Шум

7. Cечение взаимодействия мюонного нейтрино с нуклоном, отнесенное к энергии
нейтрино. Выделены вклады квази-упругих (линия ----), квази-упругих и резонансных
(линия -⋅-⋅-⋅-) процессов. Сплошная линия () – полное сечение взамодействия,
включающее глубоко-неупругие процессы.

8. Прослеживание частиц
Geant4 (англ. GEometry ANd Tracking) — это система библиотек
для компьютерного моделирования процессов прохождения
элементарных частиц через вещество, на основе совокупности
подходов, вместе называемых «метод Монте-Карло».
При помощи данного пакета была создана модель
эмульсионного блока, состоящего из 56 чередующихся
елементов, состоящих из: свинца, ядерной эмульсии,
пластиковой подложки, ядерной эмульсии. Что соответствует
реальному эмульсионному элементу детектору OPERA брику:

9. Генератор нюген дает характеристики вторичных частиц при
взаимодействия нейтрино таонного с нуклоном - таона и частиц
адронного кластера, и при взаимодействии нейтрино мюонного
— мюона и частиц адронного кластера.
Полученные параметры взаимодействия (импульс, энергия,
координаты точек рождения частиц), передаются пакету
Geant4, с помощью которого осуществляется прослеживание
частиц по объему детектора.
Рассмотрены каналы распада:

10. Задание разброса координат
частиц по Гауссу
Для того чтобы модельные данные были близки к реальным
данным, было учтено что реальное пятно в эмульсии имеет
характерные размеры.
На рис приведены полученные в эксперименте точности
восставноления координат X и Y в эмульсии используемой в
эксперименте Opera.
В подпрограмме были заложены экспериментальные и
полученные с помощью Geant 4 точки трека были «размыты» по
соответствующему двумерному нормальному распределению.
Xσ
Распределение для X Распределение для Y
Yσ
Yσ

11. Полученный «разброс»

12. Восстановление вершины взаимодействия
мюонного-нейтрино и таонного-нейтрино с
мишенью
1)Апроксимация точек трека прямой до
излома.
Пусть имеется набор точек
k=1..n . Прямая L – минимально удален-
ная от всех точек прямая, ищется иссле-
ванием на экстремум суммарного рас-
стояния от точек до этой прямой.
Для этого мною было написана
программа на С++.

13. 2) Поиск вершины взаимодействия.
Пусть имется n прямых, разобьем
их на всевозможные пары.
Для каждой пары находится
ортогональный отрезок им
обоим и его середина.
В итоге считается средняя точка всех середин.
Процедура восстановления вершины проведена для
E=16GeV,20GeV,E=25GeV
Точность восстановления –
есть разница между
полученной вершиной и
исходной вершиной.

14. Графики точность восстановления вершины взаимодействия
нейтрино мюонного по трекам адронного кластера и треку мюона по энергиям

15. Графики точность восстановления вершины взаимодействия таонного нейтрино
по трекам адронного кластера и треку мюона по энергиям

16. N-количество
треков
E=16GeV E=20GeV E=25GeV
2 трека, , мм, без
размывки ,N
0.493667(0.976359),
2491
0.478540(0.686605) ,
2270
0.477784(0.785668) ,
2106
2 трека, , мм, с
размывкой
0.490299(0.977086) ,
2491
0.475202(0.686716) ,
2270
0.477784(0.786668) ,
2106
3 трека, , мм, без
размывки ,N
0.596520(0.845540) ,
1015
0.538543(0.922684) ,
894
0.490774(0.640451) ,
929
3 трека, , мм, с
размывкой
0.593760(0.845839)
,1015
0.534953(0.923273) ,
894
0.487268(0.640066) ,
929
4 трека, , мм, без
размывки ,N
0.601376(1.291432) ,
1705
0.524320(0.695912) ,
1800
0.576232(1.354816) ,
1697
4 трека, , мм, с
размывкой
0.600017(1.292055) ,
1705
0.522733(0.693421) ,
1800
0.570615(1.356052) ,
1697
5 треков и больше,
, мм, без
размывки ,N
0.648732(0.936442) ,
2081
0.597565(1.140742) ,
2399
0.563619(0.743239) ,
2637
5 треков и больше,
, мм, с
размывкой ,N
0.645245(0.934764) ,
2081
0.569306(0.815317) ,
2399
0.557907(0.742530) ,
2637
Таблица точность восстановления вершины взаимодействия
нейтрино мюонного по трекам адронного кластера и треку мюона по энергиям

17. E=16GeV E=20GeV E=25GeV
2 трека, , мм, без
размывки ,N
0.967686(1.384491) 1.045625(1.674384) 1.044378(1.676590)
2 трека, , мм, с
размывкой
0.965054(1.385183) 1.020061(1.499309) 1.044378(1.676590)
3 трека, , мм, без
размывки ,N
0.844864(0.991588) 0.845844(0.9484848) 0.8468784(0.984546)
3 трека, , мм, с
размывкой
0.840859(0.985980) 0.845484(0.9456446) 0.8468484(0.915165)
4 трека, , мм, без
размывки ,N
0.894783(0.904746) 0.898811(1.123322) 0.893704(1.118848)
4 трека, , мм, с
размывкой
0.890331(0.902398) 0.893704(1.118848) 0.893704(1.118848)
5 треков и больше,
, мм, без
размывки ,N
0.833946(0.963031) 0.807750 (1.093885) 0.806428(1.095625)
5 треков и больше,
, мм, с
размывкой ,N
0.828547(0.965128) 0.806428(1.095625) 0.806428 (1.095625)
Таблица точность восстановления вершины взаимодействия нейтрино
таонного по трекам адронного кластера и треку таона энергиям

18. Сравнение длин треков таонов с
фоновыми событиями

19. Фоновое событие является рожедние чармированного мезона в составе адронного
кластера при взаимодействии нейтрино мюонного.

20. Трек частиц кластера с изломом
Трек частиц кластера без изломом

21. E=16GeV E=20GeV E=25GeV
0.592074(0.237383) 0.603301(0.230004) 0.672730(0.271256)
L(h’),мм 24.148619(22,12021
2)
24.457432(22,13151
5)
24.631369(22,32323
)
L(h),мм 26.406615(21.80478
3)
26.727604(21.65648
6)
26.848555(21.66964
0)
L(D+
,Ds
+
)
1.429295(1.542355 ) 1.490417 (1.525653) 1.713732(1.876194)
Итоговая таблица для длин
8 процентов обработанных треков адронного кластера для
мюонного взаимодействия
имеют длину до излом до 2 мм. Будут являться фоном
при поиске таонного взаимодействия.

22. Определение угла излома
трека по трем каналам
Изображен угол излома
(kink)
Распределения по углу излома

23. Распределение по углам излома(kink)

24. Таблица углов излома трека для разных распадов

25. Заключения и выводы
• В ходе выполненной работы на основе литературных
источников была изучена проблема осцилляций нейтрино
• Была проанализирована работа численного генератора
нейтринных событий NEUGEN (v3.5.5). Создан банк из
взаимодействия нейтрино мюонного и нейтрино таонного с
энергиями 16, 20, 25 ГэВ со свинцовой мишенью,
используемой в эксперименте по поиску осцилляций
нейтрино OPERA.
• Исследованы многочисленные кинематические
характеристики частиц, рождающихся при взаимодействии
нейтрино, построены распределения, получены средние
значения и дисперсии распределений.
• На основании сравнения кинематических характеристик
таонов и чармированных мезонов, выбраны параметры на
основании которых можно разделять классы событий с
рождением таонов и фоновых (с рождением чармированных
мезонов). Эти параметры будут использованы в дальнейшем
при обработке экспериментальных данных и поиске событий
с осцилляциями.

26. Большое спасибо за
внимание!!!!