Studies of Diffractive Jet-Gap-Jet Events using √s = 13.6 TeV ATLAS Data
Loading...
DOI
Date
2025
Authors
Patel, Pragati
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Thesis supervisors
Reviewers
Publisher
The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences
License Type
Creative commons license
Abstract
Zbadanie właściwości procesu produkcji układu dżet-przerwa-dżet jest bardzo interesujące zarówno z punktu widzenia eksperymentu jak i teorii. Po dokonaniu pierwszych obserwacji opartych o dane zgromadzone przez detektory CDF oraz D0 [4, 5] na akceleratorze Tevatron pomiar został przeprowadzony z wykorzystaniem danych zgromadzonych przez eksperymenty na LHC. Dla przykładu, pierwsza publikacja Współpracy ATLAS na ten temat oparta była o weto na obecność dżetu w tak zwanej przerwie w pseudopospieszności [6]. Z kolei Współpraca CMS opublikowała wynik pomiaru procesu tzw. dyfrakcyjnej produkcji dżet-przerwa- dżet [7]. Należy jednak nadmienić, że pomiary te, wykonane przy energiach w układzie środka masy 7 oraz 13 TeV, były obarczone dużą niepewnością. Ponadto, proces produkcji układu dżet-przerwa-dżet w procesie z podwójną wymianą Pomeronu, postulowany w Ref. [8], nie został nigdy zmierzony. Powyższe fakty stanowią mocną podstawę i motywację dla wykonania pomiaru procesu produkcji dżetów z przerwą w pseudopospieszności używając danych dostarczonych przez LHC przy energii zderzeń √s = 13.6 TeV.
Analiza przestawiona w niniejszej dysertacji została oparta o dane zebrane pod- czas jednego ze specjalnych naświetlań detektora ATLAS na LHC wykonanych w 2022 roku. Ustawienia punktu pracy akceleratora skutkowały średnim prawdopodobieństwem oddziaływania proton-proton podczas przecięcia się wiązek na poziomie 0.05. Bazując na doświadczeniach z analizy danych zebranych przy energii 13 TeV, taki zestaw danych (w tym wypadku ATLAS run 428770) powinien zapewnić dużą czystość próbki. Dodatkowo scałkowana świetlność wynosząca prawie 30 nb−1 daje nadzieję na wykonanie obserwacji o dużej znaczności statystycznej.
Sygnaturą procesu dżet-przerwa-dżet jest obecność co najmniej dwóch dżetów odseparowanych od siebie tak zwaną przerwą w pseudopospieszności. Eksperymentalnie, taka przerwa definiowana jest jako brak widocznej w detektorze aktywności (zrekonstruowanych śladów lub energii powyżej pewnego poziomu) w danym obszarze pseudopospieszności. W przypadku procesu dyfrakcyjnej produkcji dżet-przerwa-dżet sygnaturą jest dodatkowo obecność protonu rozproszonego pod małym kątem. Proton taki po oddziaływaniu poruszą się wewnątrz rury próżniowej akceleratora i może zostać zarejestrowany przy użyciu dedykowanych detektorów. W niniejszym przypadku są to detektory ATLAS Forward Proton (AFP).
Niniejsza rozprawa została skomponowana w następujący sposób. Pierwszy rozdział stanowi krótkie wprowadzenie do chromodynamiki kwantowej potrzebnej do zrozumienia procesu produkcji dżetów z przerwą w pseudopospieszności. Rozdział 2 zawiera krótki opis akceleratora LHC, który dostarczył danych do omawianego pomiaru. Szczególny nacisk został położony na opis otoczenia punktu oddziaływania eksperymentu ATLAS, który jest kluczowy do zrozumienia kinematyki rozproszonych protonów. Rozdział ten zawiera również opis aparatury użytej do pomiarów – detektora ATLAS. Oprócz zwyczajowego opisu „centralnej” części eksperymentu koniecznej do rekonstrukcji dżetów oraz przerwy w pseudopospieszności, obszerniej omówione zostały zagadnienia poświęcone pomiarowi rozproszonych protonów w detektorach AFP. Rozdział 3 poświęcony jest rozważaniom na temat wyboru odpowiedniej próbki danych do analizy. Znaczna jego część jest poświęcona opisowi własności, w szczególności jakości, zebranych danych. Natomiast własności odpowiednich próbek Monte Carlo są pokrótce przedstawione w rozdziale 4. Najobszerniejszą część rozprawy stanowi rozdział 5, w którym w szczegółach zostały opisane aspekty rekonstrukcji obiektów użytych w analizie: dżetów, prz- erwy w pośpieszności definiowanej w opartciu o zrekonstruowane ślady jak i klas- try w kalorymetrach, protonów. Rozdział rozpoczyna się analizą wydajności trygerów użytych do selekcji przypadków. W przypadku analizy niedyfrakcyjnej – bez tagowanego protonu – argumentowana jest konieczność połączonego użycia dwóch trygerów, w zależności od pędu poprzecznego wiodącego dżetu. Jest to podyktowane użyciem na poziomie trugera czynników skalujących (prescale) oraz efektywności zastosowanych algo- rytmów trygerowych. W przypadku procesów dyfrakcyjnej produkcji, rekomendowane zostało użycie trygera opartego o obecność protonu w detektorze AFP oraz dżetu. Tryger ten, pomimo niewydajności związanej z tagowaniem protonu, wynoszącej 91.25 ± 0.29 oraz 45.92 ± 0.13 w zależności o tego czy proton jest po stronie A czy C detektora ATLAS, oferuje zapis największej ilości przypadków. Rozdział 5 zawiera również obszerną dyskusję na temat kalibracji oraz wydajności rekonstrukcji detektora AFP. Szczególnie interesująca jest oczekiwana precyzja odwikłania energii protonu, która wynosi δξ/ξ ≈ 1%. Nie mniej ważna jest akceptancja detektora AFP, która pozwala na zarejestrowanie protonów które straciły pomiędzy 0.03 a 0.09 swojej początkowej energii. Duża cześć rozdziału została poświęcona rekonstrukcji „centralnych” obiektów takich jak ślady cząstek naładowanych, energia deponowana w kalorymetrze oraz dżety. W szczególności, w przypadku tej ostatniej, konieczne było wykonanie dedykowanej kalibracji.
Mając opracowane charakterystyki kluczowych obiektów, możliwe było rozpoczęcie analizy danych pod kątem poszukiwania przypadków z przerwą w pseudopospieszności. Opis ten stanowi treść rozdziału 6. Na początek, na bazie wygenerowanych próbek Monte Carlo, przeprowadzone zostały rozważania różnych definicji przerwy w pseudopospieszności. Na ich podstawie przeprowadzona została selekcja przypadków w danych eksperymentalnych. Wymaganie obecności co najmniej dwóch dżetów o pędzie poprzecznym co najmniej 30 GeV oraz 20 GeV, mających pseudopospieszność przynajmniej |η| > 1.5, znajdujących się w przeciwnych hemisferach (ηJ1 × ηJ2 < 0) oraz przerwy w pseudopospieszności zdefiniowanej jako brak zrekonstruowanych śladów oraz klastrów o sumie energii większej niż 2 GeV w obszarze |η| < 1, poskutkowało wyłonieniem 234 przypadków- kandydatów o sygnaturze dżet-przerwa-dżet. Uwzględniając świetlność wynoszącą 29.65 ± 0.44 nb−1, przekrój czynny został oszacowany na: fid ND JGJ = 7.9 ± 0.5 nb. Rozdział 6 zawiera również opis selekcji dyfrakcyjnych przypadków produkcji dżetów, która w świetle opisywanej analizy dżet-przerwa-dżet stanowi krok pośredni do identyfikacji przypadków z tagowanym protonem. Selekcja przypadków została oparta o wymagania dżetów o odpowiednim pędzie poprzecznym (min. 30/20 GeV), ograniczeniu na liczbę zrekonstruowanych wierzchołków oraz związki kinematyczne pomiędzy energią zdeponowaną w kalorymetrze oraz odwikłaną z położenia protonu w AFP. Po zastosowaniu powyższych wymagań, zaobserwowano 4011 oraz 1328 przypadków z protonem tagowanym odpowiednio po stronie A oraz C. Analiza oparta o próbki Monte Carlo sugeruje obecność znacznej domieszki tła pochodzącego od przypadków niedyfrakcyjnych. Należy jednak nadmienić, że może one zostać zredukowane po zaadresowaniu zaobserwowanych problemów z rekonstrukcją wierzchołka oddziaływania. Złożenie selekcji opisanych powyżej zaowocowało wyłonieniem kandydatów o sygnaturze dyfrakcyjnej produkcji dżet-przerwa-dżet z pojedynczym tagowaniem protonu. W analizowanej próbce danych znaleziono 7 takich przypadków, co przekłada się na oszacowanie przekroju czynnego na poziomie:
• σfid SD JGJ, A = 0.19 ± 0.08 nb dla protonu tagowanego po stronie A,
• σfid SD JGJ, C = 0.15 ± 0.10 nb dla protonu po stronie C.
Właściwą cześć rozprawy kończy podsumowanie otrzymanych wyników wraz z wykazem rekomendacji odnośnie przyszłej analizy danych. Ponadto, w dodatkach obszernie opisane zostały techniczne aspekty studiów wydajności wykonanie podczas doktoratu: zagadnienie znalezienia tzw. „prawdziwej’’ optyki LHC oraz wpływ efektu rotacji stacji AFP na odwikłanie energii protonu. Ostatni załącznik stanowi krótki opis studiów wykonanych na potrzeby potencjalnego użycia „rzymskich garnków” na akceleratorze High Luminosity LHC.
The study of the properties of the jet-gap-jet production process is of great interest from both experimental and theoretical perspectives. Following the initial observations made using data collected by the CDF and D0 detectors [1, 3] at the Tevatron accelerator, measurements have also been performed using data from experiments at the LHC. For example, the first publication by the ATLAS Collaboration on this topic employed a veto on the presence of a jet within the so-called pseudorapidity gap [2]. In turn, the CMS Collaboration published the result of the measurement of the diffractive jet-gap-jet production process [5]. It should be noted, however, that these measurements, performed at centre-of-mass energies of 7 and 13 TeV, were affected by large uncertainties. Furthermore, the production process of the jet-gap-jet system in the double Pomeron exchange process, postulated in [4], has yet to be measured. These observations strongly motivate the measurement of jet-gap-jet production using data from the LHC at a collision energy of √ s = 13.6 TeV.
The analysis presented in this dissertation is based on data collected during one of the special exposures of the ATLAS detector at the LHC performed in 2022. The accelerator operating point settings resulted in an average probability of proton-proton interaction during beam intersection of 0.05. Based on experience from the analysis of data collected at an energy of 13 TeV, such a data set (specifically, ATLAS run 428770) should ensure high sample purity. Additionally, the integrated luminosity of almost 30 nb−1 % of the collected data offers the potential for observations with high statistical significance. The signature of the jet-gap-jet process is the presence of at least two jets separated from each other by the so-called pseudorapidity gap. Experimentally, such a gap is defined as the lack of visible activity in the detector (i.e., reconstructed tracks or energy above a certain level) in a given pseudorapidity region. In the case of the diffractive jet-gap-jet production process, the signature additionally includes the presence of a proton scattered at a small angle. After the interaction, this proton continues to travel inside the accelerator vacuum tube and can be detected using dedicated detectors —-in this case, the ATLAS Forward Proton (AFP) detectors. This dissertation is organized as follows. Chapter 1 provides a brief introduction to quantum chromodynamics needed to understand the process of producing jets with a pseudorapidity gap. Chapter 2 contains a short description of the LHC accelerator, which delivered data for the discussed measurement with particular emphasis on the environment of the ATLAS experiment’s interaction point, crucial to understanding the kinematics of scattered protons. This chapter also describes the equipment used for the measurements - the ATLAS detector. In addition to the general overview of the “central” part of the experiment necessary for reconstructing jets and the pseudorapidity gap, it discusses in more detail the measurement of scattered protons using the AFP detectors. Chapter 3 focuses on the selection of an appropriate data sample for analysis. A significant part of it is devoted to the description of the properties, dedicating a significant portion to describing the properties and, in particular, the quality of the collected data. Chapter 4 briefly presents the properties of the corresponding Monte Carlo samples. The most extensive part of the thesis is Chapter 5, which details various aspects of the reconstruction of objects used in the analysis: jets, the rapidity gap defined based on the reconstructed tracks and clusters in calorimeters, and protons. The chapter begins with an analysis of the efficiency of triggers used for event selection. In the case of non-diffraction analysis – without a tagged proton – the need for the combined use of two triggers arises depending on the transverse momentum of the leading jet. This is dictated by the use of scaling factors (prescale) at the trigger level and the efficiency of the employed trigger algorithms. For diffractive production processes, it is recommended to use a trigger based on the detection of a proton in the AFP detector along with a jet. Despite the inefficiency of proton tagging, which is 91.25 ± 0.29 and 45.92 ± 0.13 depending on whether the proton is on the A or C side of the ATLAS detector, this trigger delivers the largest number of events. Chapter 5 also includes a comprehensive discussion of the calibration and reconstruction efficiency of the AFP detector. Of particular interest is the expected precision of the proton energy measurement, which is δξ/ξ ≈ 1%. Equally important is the acceptance of the AFP detector, which allows the detection of protons that have lost between 0.03 and 0.09 of their initial energy.
A significant part of the chapter is devoted to the reconstruction of “central” objects such as tracks of charged particles, energy deposited in the calorimeter and jets. For jets, in particular, a dedicated calibration was required. Once the characteristics of these key objects were established, the analysis of the data could begin, aiming to identify events featuring a pseudorapidity gap. This topic is addressed in Chapter 6. Initially, various definitions of the pseudorapidity gap were examined using generated Monte Carlo samples. Based on these studies, a selection of relevant events within the experimental data was performed.
The selection criteria required the presence of at least two jets with transverse momenta of at least 30 GeV and 20 GeV, respectively, with pseudorapidities satisfying |η| > 1.5. The jets were also required to be located in opposite hemispheres (ηJ1 × ηJ2 < 0). Additionally, a pseudorapidity gap was defined as the absence of reconstructed tracks and clusters with a total energy greater than 2 GeV within the |η| < 1 region.
Applying these criteria resulted in the selection of 234 candidate events with a jet-gap-jet signature. Considering the luminosity of 29.65 ± 0.44 nb−1, the cross section was estimated to be: σfid ND JGJ = 7.9 ± 0.5 nb. Chapter 6 also describes the selection of diffraction jet production events, which, in the context of the jet-gap-jet analysis, is an intermediate step to the identification of events with a tagged proton. The event selection required the presence of jets with transverse momentum of at least 30 and 20 GeV, a constraint on the number of reconstructed vertices, and kinematic relations between the energy deposited in the calorimeter and derived from the proton position in the AFP. After applying these requirements, 4011 and 1328 events were observed with the proton tagged on the A and C sides, respectively. Analysis based on Monte Carlo samples suggests a significant background contribution from nondiffractive events. However, this can be reduced by addressing the observed problems with the interaction vertex reconstruction. The combination of the selection criteria described above resulted in the selection of candidates exhibiting a diffraction signature of jet-gap-jet production with a single tagged proton. In the analyzed data sample, seven such events were found, corresponding to the estimated cross-section of:
• σfid SD JGJ, A = 0.19 ± 0.08 nb for the proton tagged on side A,
• σfid SD JGJ, C = 0.15 ± 0.10 nb for the proton on side C.
The main part of the thesis ends with a summary of the obtained results, together with a set of recommendations for future data analysis. Additionally, the technical aspects of performance studies carried out during this doctoral studies are extensively described in the appendices. These include the problem of determining the so-called “true” LHC optics and the impact of the AFP station rotation on the proton energy reconstruction. The last appendix provides a brief description of studies investigating the potential use of “Roman pots” at the High Luminosity LHC accelerator.
References
[1] F. Abe et al. “Events with a rapidity gap between jets in ¯pp collisions at √s = 630 GeV”. In: Phys. Rev. Lett. 81 (1998), pp. 5278–5283. doi: 10.1103/PhysRevLett.81.5278.
[2] ATLAS Collaboration. “Measurement of dijet production with a veto on additional central jet activity in pp collisions at √s = 7 TeV using the ATLAS detector”. In: JHEP 2011.9 (Sept. 2011). issn: 1029-8479. doi: 0.1007/jhep09(2011)053. url: http://dx.doi.org/10.1007/ JHEP09(2011)053.
[3] F. Abe et al. “Dijet production by color - singlet exchange at the Fermilab Tevatron”. In: Phys. Rev. Lett. 80 (1998), pp. 1156–1161. doi: 10.1103/PhysRevLett.80.1156.
[4] C. Marquet et al. “Gaps between jets in double-Pomeron-exchange processes at the LHC”. In: Phys. Rev. D 87.3 (Feb. 2013). issn: 1550-2368. doi: 10 . 1103 / physrevd . 87 . 034010. url: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.87.034010.
[5] TOTEM, CMS Collaboration. “Hard color-singlet exchange in dijet events in proton-proton collisions at √s = 13 TeV”. In: Phys. Rev. D 104 (2021), p. 032009. doi: 10.1103/PhysRevD.104. 032009. arXiv: 2102.06945 [hep-ex].
Description
Keywords
Citation
Sponsorship:
Narodowe Centrum Nauki (NCN)
Grantnumber:
2019/34/E/ST2/00393
License Type
Attribution 4.0 International