Hadrons in FGT: Measurement & Calibration of P , - PowerPoint PPT Presentation

Hadrons ¡in ¡FGT: ¡ ¡ Measurement ¡& ¡Calibration ¡of ¡ ¡ P , π +/- , K+/- , K0 ¡ ¡ Xinchun ¡Tian, ¡Sanjib ¡ ¡R. ¡ ¡Mishra, ¡Roberto ¡Petti ¡ ¡ 01

ECAL ¡ High-­‑Resolu,on ¡Fine ¡Grain ¡Tracker: ¡ ¡ Reference ¡ND ¡of ¡DUNE ¡ μ ¡ Detector ¡ Dipole-­‑B Transition ¡Radiation ➳ e +/-­‑ ¡ID ¡⇒ γ ν dE/dx ¡ ➳ Proton, ¡ π +/-­‑ , ¡ K +/-­‑ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ STT ¡& ¡Ar-­‑Target Magnet/Muon ¡Detector ➳ μ +/- e +/- ☙ ~ 3.5m ¡x ¡3.5m ¡x ¡6.5m ¡STT ¡(ρ ≃ 0.1gm/cm 3 ) ¡ ( ⇒ Absolute ¡Flux ¡measurement ) ☙ 4 π -­‑ECAL ¡in ¡a ¡Dipole-­‑B-­‑Field ¡(0.4T) 1X 0 ¡~ ¡600 ¡cm ¡/ ¡ 1 λ ¡~ ¡1200 ¡cm ☙ 4 π -­‑ μ-­‑ Detector ¡(RPC) ¡in ¡Dipole ¡and ¡Downstream ☙ Pressurized ¡Ar-­‑target ¡( ≃ x5 ¡FD-­‑Stat) ➾ LAr-FD 02

Charged Hadron Measurement in FGT ✴ Proton , π - / π + , K - / K + ✴ K 0 s ➳ π - + π + ✴ Track-reconstruction in STT: Curvature ⇒ | p | & “-” or “+” // Calorimetric constraint ⇒ 4 π - coverage Direction-cosines ⇒ STT Track-fit extrapolated to the vertex including dE/dx ✴ ID Measurement: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡dE/dX ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡TR ¡discriminant ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Calorimetric ¡Shower ¡Shape ¡ ¡ ✴ Calibration : 03

ν μ-­‑QE ¡Events ¡ ¡in ¡ ¡NOMAD HiResM ν for LBNE 12 Muon 6.702 GeV/c Proton 0.178 GeV/c Figure 14: A ν µ -QE candidate in NOMAD Muon 6.836 GeV/c Proton 0.238 GeV/c 04 Figure 15: A ν µ -QE candidate in NOMAD

ν μ-­‑ ∆ ++ ¡Candidates ¡ ¡in ¡ ¡NOMAD ∆ ++ Candidate Event P μ - = 3.29 GeV P ’pr’ = 0.659 GeV P ’π+’ = 0.263 GeV p M++ = 1.261 GeV 𝜈 - π + In FGT ❧ x2 higher track-points in μ ¡ ❧ ~x5-10 higher track-points in p/pi What we are looking for. ∆ ++ Candidate Event P μ - = 5.789 GeV P ’ pr ’ = 0.393 GeV P ’ π +’ = 0.157 GeV M++ = 1.231 GeV μ - `π +’ `pr’ 05

Momentum Reconstruction using Curvature in the B-Field ✴ Need a uniform B-Field with Good ¡design ¡uniformity ( ~ 1% variation over the volume of 3.5m x 3.5m x 6.5m ) ✴ Detailed B-Field map variations measured with ≤ 10% precision ⇒ B-Field known to ~0.1% precision ✴ Continual monitoring of the B-Field during operation ⇒ Built in instrumentation in the field volume, especially the edges & yokes 06

Design by BARC: Sanjay Malhotra & team 15 1.37% B"rela've"varia'on"along"Z"(beam)"axis" B"rela've"varia'on"in"X-Y"plane" 1% 0.9" RELATIVE(VARIATION(IN(MAGNETIC(FIELD((%)( 0.8" 0.7" 0.5% 0.6" 0.5" 0.4" 0.0% 0.3" 0.2" 0.1" -0.5% 0" -3250" -2750" -2250" -1750" -1250" -750" -250" 0" 250" 750" 1250" 1750" 2250" 2750" 3250" Z4(AXIS(IN(MM((LONGITUDINAL)( -1% BARC, India -1.26% ✦ B uniformity in 3 . 5 m × 3 . 5 m × 7 m tracking volume better than 2% (field simulations) ✦ Maximal deformation of C yoke 1.16 mm, maximal buckling of bobbin 1 mm ✦ Glo-Sci-51,23 measure absolute and relative ν µ , ν e and ¯ ν µ , ¯ ν e spectra separately. = ⇒ Low- ν technique for relative fluxes requires muon energy scale to < 0 . 2% = ⇒ B field mapping to better than 1% matches the requirement 07

Proton Momentum Resolution in FGT 6 10 × 0.25 Events σ ~ 5.5% 0.2 0.15 0.1 0.05 0 1 0.5 0 0.5 1 − − p /p ∆ Proton Proton π - / π + : Momentum Resolution σ ~ 7.5% 08

π + Momentum ¡ ¡in ¡ ¡ ν μ-­‑Induced ¡Resonance ¡ ( ∆ ++ ) ¡Interactions ¡ 6 10 × 6 10 × Events FGT ¡ CC-Res Events CC-Res FGT ¡ 0.9 CC-QE CC-QE 0.5 CC-DIS CC-DIS 0.8 CC-Coh π + CC-Coh + π Others Others 0.7 Background 0.4 Background MC MC 0.6 P π z ¡< ¡0 ¡ 0.3 0.5 ➾ 34% 0.4 0.2 ✴ Compare ¡the ¡ 0.3 0.2 resolution ¡of ¡these ¡ 0.1 0.1 plots ¡to ¡the ¡extant ¡ 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 measurements ¡ P (GeV) P (GeV) π π ✴ P π is ¡ the ¡most ¡ NOMAD NOMAD sensitive ¡measure ¡of ¡ ¡ the ¡nuclear ¡effect, ¡esp. ¡ FSI ¡ P π z ¡< ¡0 ¡ 33% ✴ MC ¡underestimates ¡ the ¡Backward-­‑going ¡ π 09

Angular Resolution of π - / π + in FGT ✴ A ¡few ¡mRads ✴ Best exemplified by the Coherent- π + / π - analysis Sensitivity dictated by ζ π = E π ( 1-cos 𝛊 π ) & |t| 10

_ ν μ-­‑Coh π + ¡ ¡& ¡ ¡ ν μ-­‑Coh π - Candidates ¡ ¡in ¡ ¡NOMAD Coherent- π + Candidate P ! = 3.04 ; P π = 1.45 (GeV) ζπ =0.021 ; mP T = 0.045 (GeV) | t | = 0.004 GeV 2 π + ! - In FGT ❧ x2 higher track-points in μ ¡ ❧ ~x5-10 higher track-points in p/pi 𝜈 + π - Coherent- π - Candidate P 𝜈 = 2.94 ; P π = 1.08 (GeV) ζπ =0.033 ; mPT = 0.14 (GeV) | t | = 0.022 GeV 2 11

Salient Resolution Functions ( θ π ) Coherent- π + in FGT 3 3 10 10 × × Events Events =0.0008 σ Fit =0.0002 σ 12 Fit 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0 0.01 0.005 0 0.005 0.01 0.04 0.02 0 0.02 0.04 − − − − - [GeV] 2 ζ ζ t -t [GeV ] Gen Rec Gen Rec 12

Validation of the ( θ π ) Resolution Functions: Coherent - π + Analysis ¡in ¡NOMAD Events Events Coh π + Coh π + 400 Bkg Bkg 400 Data Data MC MC 300 300 200 200 100 100 0 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 t (GeV 2 ) ζ π 13

QE-Proton Efficiency in FGT ( Prelim. ) Efficiencies from Fast-MC; cross-checked against NOMAD Purity, in P<1 GeV , estimated from Fast-MC (prelim.) ✴ Efficiency ~ ~55%; Purity >90% Resonance 3-Track ( ∆ ++ ) Efficiency in FGT ( Prelim. ) Efficiencies from Fast-MC; cross-checked against NOMAD Purity, in P<1 GeV , estimated from Fast-MC (prelim.) ✴ Efficiency ~ ~30%; Purity >90% for Proton / Pi+ 14

Calibration ¡of ¡ ¡ Particle ID Test-Beam Calibration ¡of ¡ ¡STT ¡(TR) ¡and ¡ECAL ¡(Shape) ¡ ¡ ✴ Measurement of the STT prototype in a Test-Beam ⇒ Check/obtain calibration ⇒ dE/dx, TR: e vs 𝜈 vs π vs p vs …. in momentum bins ⇒ Essential before full-scale fabrication ✴ Measurement of the STT and ECAL prototypes in a Test-Beam ⇒ Obtain energy (ADC ⇒ GeV) calibration ⇒ Measure the energy-dependent non-Gaussian tails ⇒ Particle ID: e vs 𝜈 vs π p vs …. shower-shape discriminan ( p ) ⇒ Essential before full-scale fabrication 15

Particle ID: dE/dX FGT$$has$$good$$dE/dx$$particle5ID:$$ ! +- / K +- $ / p 0.1 dE/dx (GeV/m) 14000 0.09 12000 0.08 10000 0.07 0.06 8000 0.05 6000 Proton 0.04 4000 K 0.03 π 2000 0.02 0.01 0 -1 10 1 p (GeV) 16

in situ Calibration of Charged Hadron ID ✴ Measure K 0 s produced in the ν -interactions Expect > 750,000 reconstructed K 0 s ⇒ π - / π + ✴ Constrain the error on the |p|-from-curvature Expect an error <0.1% on the momentum energy scale ✴ Measure Λ produced in the ν -interactions Expect > 500,000 reconstructed Λ ⇒ p / π - 17

Measurement of the Mass-­‑ K 0 s ⇒ ✴ in situ constraint on the Energy-­‑scale NOMAD, 32k K 0 s ⇒ ✴ error on the |p|-scale < 0.2% Mass-K 0 s 18

Measurement of exclusive topologies CC-Data: Armenteros Plot ! High resolution allows K0s excellent reconstruction of exclusive decay modes ! NOMAD performed detailed analysis of strange Pt Λ , ¯ particle production: Λ (GeV) ! resonances in CC & NC ∆ are easier to reconstruct ! Constraints on NC decay mode ∆ → N γ Lam-Bar Lambda P-Asym Roberto Petti South Carolina Group ✴ Λ ➳ Calibration ¡of ¡Proton ¡Reconstruction 19

Exclusive Particles reconstructed using ν -induced Hadrons ✴ ∆ ++ ✴ ρ + ✴ ρ 0 ✴ 𝜚 …. ➾ Providing ¡check, ¡constraint ¡on ¡the ¡hadrons ¡from ¡ ν - interaction ¡ ¡ 20

Reconstructed ¡ ¡Particles ¡ ¡using ¡ ¡Hadronic ¡ ¡Tracks ¡ (NOMAD Data) ∆ ++ 21

Reconstructed ¡ ¡Particles ¡ ¡using ¡ ¡Hadronic ¡ ¡Tracks ¡ (NOMAD Data) 60 Events Coh ρ + Background Data 40 MC ρ + 20 0 0 0.5 1 1.5 2 m( π + γγ ) (GeV) 22

Reconstructed ¡ ¡Particles ¡ ¡using ¡ ¡Hadronic ¡ ¡Tracks ¡ (NOMAD Data) Quasi-Exclusive ρ 0 in NC Coh ρ 0 MC NC-MC Bkg(DS-Wt) CC-MC Bkg OBG-K0 Bkg ρ 0 23

Reconstructed ¡ ¡Particles ¡ ¡using ¡ ¡Hadronic ¡ ¡Tracks ¡ (NOMAD Data) Number of Events 𝜚 60 𝜚 ⇒ K - / K + In FGT, expect a better suppression 50 of the background. Coh- 𝜚 40 30 NC-DIS OBG - K 0s 20 10 Coh ρ 0 0 0.95 1 1.05 1.1 1.15 M KK (10MeV) 24