Beam Halo Monitor: il nuovo rivelatore di alone del fascio per l'esperimento CMS a LHC

In questa tesi sono le descritte le fasi progettuali e costruttive del Beam Halo Monitor (BHM), un rivelatore installato sull'esperimento CMS, durante il primo lungo periodo di shutdown di LHC, che ha avuto luogo tra il 2013 ed il 2015. BHM è un rivelatore ad emissione di luce Cherenkov ed ha lo scopo di monitorare le particelle di alone prodotte dai fasci di LHC, che arrivano fino alla caverna sperimentale di CMS, ad ogni bunch crossing (25 ns). E' composto da 40 moduli, installati alle due estremità di CMS, attorno alla linea di fascio, ad una distanza di 1.8 m da questa. Ciascun modulo è costituito da un cristallo di quarzo, utilizzato come radiatore ed un fotomoltiplicatore. Sono descritte in maniera particolare le prove eseguite sui moduli che lo compongono: la caratterizzazione dei fotomoltiplicatori ed i test di direzionalità della risposta. Queste costituiscono la parte di lavoro che ho svolto personalmente. Inoltre sono descritte le fasi di installazione del rivelatore nella caverna sperimentale, a cui ho preso parte ed alcuni test preliminari per la verifica del funzionamento.

Characteristics of multijet t/t events reconstructed by CMS in pp collisions at 13 TeV

We present here a characterization of the Monte Carlo samples used at CMS in the current LHC run (Run 2, sqrt(s)=13 TeV) and we compare them to the ones used in the previous run (Run 1, sqrt(s)=8 TeV). We then use these samples to reconstruct the top quark mass from the all-hadronic decay products and we compare the efficiencies of the standard reconstruction method when applied to the two different samples. We finally find a way to improve the efficiency for 13 TeV samples by using jets reconstructed with a different algorithm, the Cambridge-Aachen algorithm.

Investigation of petabyte-scale data transfer performances with PhEDEx for the CMS experiment

PhEDEx, the CMS transfer management system, during the first LHC Run has moved about 150 PB and currently it is moving about 2.5 PB of data per week over the Worldwide LHC Computing Grid (WLGC). It was designed to complete each transfer required by users at the expense of the waiting time necessary for its completion. For this reason, after several years of operations, data regarding transfer latencies has been collected and stored into log files containing useful analyzable informations. Then, starting from the analysis of several typical CMS transfer workflows, a categorization of such latencies has been made with a focus on the different factors that contribute to the transfer completion time. The analysis presented in this thesis will provide the necessary information for equipping PhEDEx in the future with a set of new tools in order to proactively identify and fix any latency issues. PhEDEx, il sistema di gestione dei trasferimenti di CMS, durante il primo Run di LHC ha trasferito all’incirca 150 PB ed attualmente trasferisce circa 2.5 PB di dati alla settimana attraverso la Worldwide LHC Computing Grid (WLCG). Questo sistema è stato progettato per completare ogni trasferimento richiesto dall’utente a spese del tempo necessario per il suo completamento. Dopo svariati anni di operazioni con tale strumento, sono stati raccolti dati relativi alle latenze di trasferimento ed immagazzinati in log files contenenti informazioni utili per l’analisi. A questo punto, partendo dall’analisi di una ampia mole di trasferimenti in CMS, è stata effettuata una suddivisione di queste latenze ponendo particolare attenzione nei confronti dei fattori che contribuiscono al tempo di completamento del trasferimento. L’analisi presentata in questa tesi permetterà di equipaggiare PhEDEx con un insieme di utili strumenti in modo tale da identificare proattivamente queste latenze e adottare le opportune tattiche per minimizzare l’impatto sugli utenti finali.

Studio della parametrizzazione del fondo per la ricerca del bosone di higgs nel modello supersimmetrico minimale con l'esperimento cms a lhc

Questa tesi si svolge nell’ambito della ricerca del bosone di Higgs supersimmetrico all’esperimento CMS del Cern, sfruttando le collisioni protone-protone dell’acceleratore LHC. Il lavoro da me svolto riguarda lo studio della parametrizzazione dell’insieme dei dati che costituiscono il fondo dell’eventuale presenza di un segnale del bosone di Higgs nel modello supersimmetrico minimale. Ho eseguito dei fit al fondo aspettato tramite il package Root, utilizzando diverse funzioni per parametrizzarne analiticamente l’andamento. Nel lavoro di tesi mostro come tali funzioni approssimano i dati e ne discuto le loro caratteristiche e differenze.

Evaluation of a cloud infrastructure for the CMS distributed data analysis in the top quark sector at the LHC

Nella fisica delle particelle, onde poter effettuare analisi dati, è necessario disporre di una grande capacità di calcolo e di storage. LHC Computing Grid è una infrastruttura di calcolo su scala globale e al tempo stesso un insieme di servizi, sviluppati da una grande comunità di fisici e informatici, distribuita in centri di calcolo sparsi in tutto il mondo. Questa infrastruttura ha dimostrato il suo valore per quanto riguarda l'analisi dei dati raccolti durante il Run-1 di LHC, svolgendo un ruolo fondamentale nella scoperta del bosone di Higgs. Oggi il Cloud computing sta emergendo come un nuovo paradigma di calcolo per accedere a grandi quantità di risorse condivise da numerose comunità scientifiche. Date le specifiche tecniche necessarie per il Run-2 (e successivi) di LHC, la comunità scientifica è interessata a contribuire allo sviluppo di tecnologie Cloud e verificare se queste possano fornire un approccio complementare, oppure anche costituire una valida alternativa, alle soluzioni tecnologiche esistenti. Lo scopo di questa tesi è di testare un'infrastruttura Cloud e confrontare le sue prestazioni alla LHC Computing Grid. Il Capitolo 1 contiene un resoconto generale del Modello Standard. Nel Capitolo 2 si descrive l'acceleratore LHC e gli esperimenti che operano a tale acceleratore, con particolare attenzione all’esperimento CMS. Nel Capitolo 3 viene trattato il Computing nella fisica delle alte energie e vengono esaminati i paradigmi Grid e Cloud. Il Capitolo 4, ultimo del presente elaborato, riporta i risultati del mio lavoro inerente l'analisi comparata delle prestazioni di Grid e Cloud.

Measurement of the top quark mass in multijet events with the CMS experiment at LHC

La massa del quark top è qui misurata per mezzo dei dati raccolti dall’esperimento CMS in collisioni protone-protone ad LHC, con energia nel centro di massa pari ad 8 TeV. Il campione di dati raccolto corrisponde ad una luminosità integrata pari a 18.2 /fb. La misura è effettuata su eventi con un numero di jet almeno pari a 6, di cui almeno due b-taggati (ovvero identificati come prodotto dell’adronizzazione di due quark bottom). Il valore di massa trovato è di (173.95 +- 0.43 (stat)) GeV/c2, in accordo con la media mondiale. The top quark mass is here measured by using the data that have been collected with the CMS experiment in proton-proton collisions at the LHC, at a center-of-mass energy of 8 TeV. The dataset which was used, corresponds to an integrated luminosiy of 18.2 /fb. The mass measurement is carried out by using events characterized by six or more jets, two of which identified as being originated by the hadronization of bottom quarks. The result of the measurement of the top quark mass performed here is: (173.95 +- 0.43 (stat)) GeV/c2, in accordance with the recently published world average.

Studi di data popularity nell'analisi distribuita su Grid dell'esperimento CMS a LHC

L’esperimento CMS a LHC ha raccolto ingenti moli di dati durante Run-1, e sta sfruttando il periodo di shutdown (LS1) per evolvere il proprio sistema di calcolo. Tra i possibili miglioramenti al sistema, emergono ampi margini di ottimizzazione nell’uso dello storage ai centri di calcolo di livello Tier-2, che rappresentano - in Worldwide LHC Computing Grid (WLCG)- il fulcro delle risorse dedicate all’analisi distribuita su Grid. In questa tesi viene affrontato uno studio della popolarità dei dati di CMS nell’analisi distribuita su Grid ai Tier-2. Obiettivo del lavoro è dotare il sistema di calcolo di CMS di un sistema per valutare sistematicamente l’ammontare di spazio disco scritto ma non acceduto ai centri Tier-2, contribuendo alla costruzione di un sistema evoluto di data management dinamico che sappia adattarsi elasticamente alle diversi condizioni operative - rimuovendo repliche dei dati non necessarie o aggiungendo repliche dei dati più “popolari” - e dunque, in ultima analisi, che possa aumentare l’“analysis throughput” complessivo. Il Capitolo 1 fornisce una panoramica dell’esperimento CMS a LHC. Il Capitolo 2 descrive il CMS Computing Model nelle sue generalità, focalizzando la sua attenzione principalmente sul data management e sulle infrastrutture ad esso connesse. Il Capitolo 3 descrive il CMS Popularity Service, fornendo una visione d’insieme sui servizi di data popularity già presenti in CMS prima dell’inizio di questo lavoro. Il Capitolo 4 descrive l’architettura del toolkit sviluppato per questa tesi, ponendo le basi per il Capitolo successivo. Il Capitolo 5 presenta e discute gli studi di data popularity condotti sui dati raccolti attraverso l’infrastruttura precedentemente sviluppata. L’appendice A raccoglie due esempi di codice creato per gestire il toolkit attra- verso cui si raccolgono ed elaborano i dati.

Misura della sezione d'urto di produzione tt-barra nel canale adronico in collisioni pp con radice di s = 8tev a cms

La sezione d'urto di produzione per coppie tt-barra viene misurata utilizzando dati raccolti dall'esperimento CMS in collisioni protone-protone ad LHC, con energia nel sistema del centro di massa radice di s = 8 TeV. Il campione raccolto corrisponde ad una luminosità integrata di 19.5 fb^-1. La misura viene effettuata su eventi che contano un numero di jet pari o superiore a 6, almeno due dei quali identificati come prodotto dell'adronizzazione di quark bottom. Il valore di sezione d'urto ottenuto è (260 pm 10 (stat)) pb, in accordo con le previsioni teoriche del Modello Standard.

Analisi dello spettro di massa invariante j/psi pi+ pi- in collisioni p-p a sqrt(s) = 8 tev con il rivelatore cms

In questo lavoro di tesi è stato studiato lo spettro di massa invariante del sistema J/psi pi+ pi-, m(J/psi pi+ pi-), in collisioni protone-protone a LHC, con energia nel centro di massa sqrt(s)) pari a 8 TeV, alla ricerca di nuovi stati adronici. Lo studio è stato effettuato su un campione di dati raccolti da CMS in tutto il 2012, corrispondente ad una luminosità integrata di 18.6 fb-1. Lo spettro di massa invariante m(J/psi pi+ pi-), è stato ricostruito selezionando gli eventi J/psi->mu+ mu- associati a due tracce cariche di segno opposto, assunte essere pioni, provenienti da uno stesso vertice di interazione. Nonostante l'alta statistica a disposizione e l'ampia regione di massa invariante tra 3.6 e 6.0 GeV/c^2 osservata, sono state individuate solo risonanze già note: la risonanza psi(2S) del charmonio, lo stato X(3872) ed una struttura più complessa nella regione attorno a 5 GeV/c^2, che è caratteristica della massa dei mesoni contenenti il quark beauty (mesoni B). Al fine di identificare la natura di tale struttura, è stato necessario ottenere un campione di eventi arricchito in adroni B. È stata effettuata una selezione basata sull'elevata lunghezza di decadimento, che riflette la caratteristica degli adroni B di avere una vita media relativamente lunga (ordine dei picosecondi) rispetto ad altri adroni. Dal campione così ripulito, è stato possibile distinguere tre sottostrutture nello spettro di massa invariante in esame: una a 5.36 GeV/c^2, identificata come i decadimenti B^0_s-> J/psi pi+ pi-, un'altra a 5.28 GeV/c^2 come i candidati B^0-> J/psi pi+ pi- e un'ultima allargata tra 5.1 e 5.2 GeV/c^2 data da effetti di riflessione degli scambi tra pioni e kaoni. Quest'ultima struttura è stata identificata come totalmente costituita di una combinazione di eventi B^0-> J/psi K+ pi- e B^0_s-> J/psi K+ K-.

Multivariate analysis methods in the search for the Higgs boson produced in association with top pairs at the ATLAS experiment at LHC.

The Large Hadron Collider, located at the CERN laboratories in Geneva, is the largest particle accelerator in the world. One of the main research fields at LHC is the study of the Higgs boson, the latest particle discovered at the ATLAS and CMS experiments. Due to the small production cross section for the Higgs boson, only a substantial statistics can offer the chance to study this particle properties. In order to perform these searches it is desirable to avoid the contamination of the signal signature by the number and variety of the background processes produced in pp collisions at LHC. Much account assumes the study of multivariate methods which, compared to the standard cut-based analysis, can enhance the signal selection of a Higgs boson produced in association with a top quark pair through a dileptonic final state (ttH channel). The statistics collected up to 2012 is not sufficient to supply a significant number of ttH events; however, the methods applied in this thesis will provide a powerful tool for the increasing statistics that will be collected during the next LHC data taking.

Performance studies of the CMS distributed analysis system in the associated Higgs boson production with top quarks

L'obiettivo di questa tesi è studiare la fattibilità dello studio della produzione associata ttH del bosone di Higgs con due quark top nell'esperimento CMS, e valutare le funzionalità e le caratteristiche della prossima generazione di toolkit per l'analisi distribuita a CMS (CRAB versione 3) per effettuare tale analisi. Nel settore della fisica del quark top, la produzione ttH è particolarmente interessante, soprattutto perchè rappresenta l'unica opportunità di studiare direttamente il vertice t-H senza dover fare assunzioni riguardanti possibili contributi dalla fisica oltre il Modello Standard. La preparazione per questa analisi è cruciale in questo momento, prima dell'inizio del Run-2 dell'LHC nel 2015. Per essere preparati a tale studio, le implicazioni tecniche di effettuare un'analisi completa in un ambito di calcolo distribuito come la Grid non dovrebbero essere sottovalutate. Per questo motivo, vengono presentati e discussi un'analisi dello stesso strumento CRAB3 (disponibile adesso in versione di pre-produzione) e un confronto diretto di prestazioni con CRAB2. Saranno raccolti e documentati inoltre suggerimenti e consigli per un team di analisi che sarà eventualmente coinvolto in questo studio. Nel Capitolo 1 è introdotta la fisica delle alte energie a LHC nell'esperimento CMS. Il Capitolo 2 discute il modello di calcolo di CMS e il sistema di analisi distribuita della Grid. Nel Capitolo 3 viene brevemente presentata la fisica del quark top e del bosone di Higgs. Il Capitolo 4 è dedicato alla preparazione dell'analisi dal punto di vista degli strumenti della Grid (CRAB3 vs CRAB2). Nel capitolo 5 è presentato e discusso uno studio di fattibilità per un'analisi del canale ttH in termini di efficienza di selezione.

Study of the performances of the H->ZZ*->4l analysis with the CMS phase-II upgrade

The performances of the H → ZZ* → 4l analysis are studied in the context of the High Luminosity upgrade of the LHC collider, with the CMS detector. The high luminosity (up to L = 5 × 10^34 cm−2s−1) of the accelerator poses very challenging experimental con- ditions. In particular, the number of overlapping events per bunch crossing will increase to 140. To cope with this difficult environment, the CMS detector will be upgraded in two stages: Phase-I and Phase-II. The tools used in the analysis are the CMS Full Simulation and the fast parametrized Delphes simulation. A validation of Delphes with respect to the Full Simulation is performed, using reference Phase-I detector samples. Delphes is then used to simulate the Phase-II detector response. The Phase-II configuration is compared with the Phase-I detector and the same Phase-I detector affected by aging processes, both modeled with the Full Simulation framework. Conclusions on these three scenarios are derived: the degradation in performances observed with the “aged” scenario shows that a major upgrade of the detector is mandatory. The specific upgrade configuration studied allows to keep the same performances as in Phase-I and, in the case of the four-muons channel, even to exceed them.

Elastic computing on Cloud resources for the CMS experiment

Nowadays, data handling and data analysis in High Energy Physics requires a vast amount of computational power and storage. In particular, the world-wide LHC Com- puting Grid (LCG), an infrastructure and pool of services developed and deployed by a ample community of physicists and computer scientists, has demonstrated to be a game changer in the efficiency of data analyses during Run-I at the LHC, playing a crucial role in the Higgs boson discovery. Recently, the Cloud computing paradigm is emerging and reaching a considerable adoption level by many different scientific organizations and not only. Cloud allows to access and utilize not-owned large computing resources shared among many scientific communities. Considering the challenging requirements of LHC physics in Run-II and beyond, the LHC computing community is interested in exploring Clouds and see whether they can provide a complementary approach - or even a valid alternative - to the existing technological solutions based on Grid. In the LHC community, several experiments have been adopting Cloud approaches, and in particular the experience of the CMS experiment is of relevance to this thesis. The LHC Run-II has just started, and Cloud-based solutions are already in production for CMS. However, other approaches of Cloud usage are being thought of and are at the prototype level, as the work done in this thesis. This effort is of paramount importance to be able to equip CMS with the capability to elastically and flexibly access and utilize the computing resources needed to face the challenges of Run-III and Run-IV. The main purpose of this thesis is to present forefront Cloud approaches that allow the CMS experiment to extend to on-demand resources dynamically allocated as needed. Moreover, a direct access to Cloud resources is presented as suitable use case to face up with the CMS experiment needs. Chapter 1 presents an overview of High Energy Physics at the LHC and of the CMS experience in Run-I, as well as preparation for Run-II. Chapter 2 describes the current CMS Computing Model, and Chapter 3 provides Cloud approaches pursued and used within the CMS Collaboration. Chapter 4 and Chapter 5 discuss the original and forefront work done in this thesis to develop and test working prototypes of elastic extensions of CMS computing resources on Clouds, and HEP Computing “as a Service”. The impact of such work on a benchmark CMS physics use-cases is also demonstrated.

Ricerca di una risonanza ad alta massa nello stato finale mu+mu- a sqrt(s)=13 TeV con il rivelatore CMS

Il Modello Standard descrive la fenomenologia delle interazioni fondamentali con estrema precisione; tuttavia è incompleto e deve esistere nuova fisica oltre tale modello. Al momento non si è in grado di prevedere come e a che scala di energia tale fisica si manifesti. Un’eventuale risonanza nello stato finale μ + μ − a masse elevate costituirebbe un segnale di nuova fisica. Un fenomeno di questo tipo viene catalogato come produzione della particella Z' , la quale non rappresenterebbe necessariamente un nuovo bosone vettore sequenziale alla Z_0 . Questa tesi si colloca nell’ambito della ricerca della Z' nei processi di interazione protone-protone a LHC in termini di una generica risonanza che decade in coppie di muoni di carica opposta. I limiti attualmente fissati stabiliscono che non vi siano segnali di nuove risonanze per il Modello Sequenziale (SSM) al di sotto dei 2960 GeV. In questo lavoro di tesi si effettua un’analisi per un’eventuale Z ', fino a 5 TeV di massa. A Maggio 2015, LHC ha raggiunto un’energia nel centro di massa di 13 TeV aumentando di un fattore 10 o più il potere di scoperta per oggetti con massa superiore a 1 TeV. In questo scenario, favorevole all’osservazione di fenomeni rari, si inserisce la mia ricerca.

Measurement of tt ̄production cross section at 13 TeV in the fully-hadronic channel with CMS

Lo scopo di questa tesi è la misura di sezione d’urto di produzione di coppie top-antitop nel canale adronico. Per la misura sono stati utilizzati i dati raccolti dall’esperimento CMS in collisioni protone-protone ad LHC, con un’energia nel centro di massa pari a 13 TeV. Il campione di dati utilizzato corrisponde ad una luminosità integrata di 2.474 f b^ −1 . L’analisi dati inizia selezionando gli eventi che soddisfano determinate condizioni (e.g. trigger, tagli cinematici, sei o più jet, almeno 2 jet provenienti dall’adronizzazione di due quark bottom) con lo scopo di incrementare la purezza del segnale scartando il più possibile gli eventi di fondo. A seguire, viene ricostruita la massa del quark top usando un fit cinematico. Sulle distribuzioni di tale massa si basa la stima degli eventi di fondo e di segnale. Infine, attraverso un fit di verosimiglianza, si ottiene il valore della sezione d’urto: σ t t ̄ = 893 ± 57 (stat) ± 104 (syst) pb. Questo risultato è in buon accordo con il valore teorico di 832 pb e con altre misure di CMS effettuate in canali differenti.