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5.4 Risultati

5.4.2 Accuratezza del modello

1890

L’altra quantità fondamentale per studiare la rete è l’accuratezza della formazione e del test

1891

della rete definita come:

1892

Acc = ΣT P + ΣF P

T otal population = ΣT P + ΣF P

ΣT P + ΣF P + ΣT N + ΣF N (5.4) In figura 5.4(a) è riportato un esempio di curve per il campione di convalida e di test,

1893

attraverso lo studio di queste si può compendere se il modello ha problemi o meno di overfitting.

1894

(a) Rappresentazione della funzione di accuratezza in funzione del numero di iterazioni o epoche che si effettuano per compiere l’apprendimento della rete.

(b) Rappresentazione della funzione di accuratezza in funzione del numero di iterazioni o epoche che si effet-tuano per compiere l’apprendimento della rete ottenuto analizzando i dati di PADME.

Figura 5.4: Plot relativi allo studio della funzione di accuratezza.

1895

La curva in blu rappresenta un accuratezza del campione di convalida molto piccola rispetto

1896

alla curva determinata per il campione pcon il quale si testa il modello, questo è indice del fatto

1897

che il modello subisce un overfitting. Per l’analisi dell’esperimento PADME si ottine la curva

1898

riportata in figura 5.4(b).

1899

Si può osservare come la curva di accuratezza ottenuta con il campione di convalida si trovi

1900

sopra quella della stessa ottenuta dal processo di test, anche se di poco. Questo indica che

1901

la rete sta modellizzando il problema compiendo un problema di underfitting, si costruisce un

1902

modello con un numero di parametri inferiori a quelli che effettivamente sono necessari.

1903

Analisi cinematica

1905

Per ricavare la variabile mA0 consideriamo il problema dal punto di vista cinematico. Nello

1906

stato iniziale abbiamo il positrone del fascio che incide su di un eletttrone della targhetta.

1907

Quest’interazione produce uno stato finale caratterizzato da un fotone e da un fotone oscuro,

1908

per cui possiamo scrivere per le particelle del fascio:

1909

pe+ = (Ebeam, ~pe+); (A.1)

per gli elettroni apparteneti alla targhetta, considerando che sono fermi, il momento è nullo:

1910

pe = (me, 0); (A.2)

. nell’interazione questi producono un fotone e un fotone oscuro di momento generico:

1911

pγ = (Eγ, ~pγ), pA0 = (EA0, ~pA0). (A.3) Per la conservazione del quadrimomento possiamo affermare che

1912

pe+ + pe = pγ+ pA0 (A.4)

per cui possiamo scrivere

1913

pA0 = pe+ + pe− pγ (A.5)

considerando il modulo quadro dei membri e osservando che |pA0|2 = (EA20 − p2A0) = m2A0,

1914

otteniamo:

1915

m2A0 = (Ee+ + me− Eγ)2− (~pe+− ~pγ)2 (A.6)

m2A0 = Ee2+ + m2e− Eγ2+ 2Ee+me− 2EγEe+ − 2Eγme− p2e+ − Eγ2+ 2pe+Eγcosθ (A.7) dove θ è l’angolo incluso tra la direzione del fascio e quella del fotone. Proseguendo nel calcolo:

1916

m2A0 = 2m2e+ 2meEe+ − 2Eγme− 2EγEe+ + 2pe+Eγcosθ (A.8) 96

97

1917

= 2m2e+ 2meEe+ − 2Eγme(1 + Ee+ me +pe+

mecosθ) (A.9)

considerando che il momento può anche essere dato da pe+ = Ee+βe+, dove βe+ = ve+/c con ve+

1918

data dalla velocità del positrone, si può riscrivere l’equazione nella seguente maniera:

1919

m2A0 = 2m2e+ 2me[Ee+ − Eγ(1 + Ee+

me (1 − βe+cosθ))] (A.10)

1920

∼ 2me[Ee+ − Eγ(1 + Ee+

me (1 − (1 −θ2

2)))] (A.11)

1921

= 2me[Ee+ − Eγ(1 + Ee+

2meθ2)]. (A.12)

Dunque si ottiene che

1922

mA0 = r

2me[Ee+ − Eγ(1 + Ee+

2meθ2)]. (A.13)

Analisi del bremsstrahlung senza la

1924

correlazione in energia

1925

Nella sezione 4.4 è stata descritta la stegia per il riconoscimento degli eventi di bremsstrahlung

1926

utilizzando il rivelatore ECAL e il veto per i positroni. Si è osservato come in questi

rivela-1927

tori esistono due correlazioni in particolare: tra i tempi in cui si registrano i segnali nei due

1928

calorimetri, si consulti la figura 4.11, e tra l’energia del positrone con quella del fotone. Nel

1929

rivelatore dedicato alla rivelazione dei positroni si osserva una correlazione tra energia di e+ e

1930

finger che ha registrato il segnale, come si può osservare in figura 4.13. Questa viene utilizzata

1931

per ricostruire il valore dell’energia che il positrone dovrebbe avere secondo la correlazione, se

1932

questo sommato con l’energia ricostruita del fotone restituisce un risultato in un intervallo di

1933

[500, 650]M eV , allora si considera lo stesso come evento di bremsstrahlung.

1934

La distribuzione riportata in figura 4.14 però non ci suggerisce che i parametri utilizzati per

1935

la ricostruzione siano i migliori, ragion per cui ci si chiede se ci siano degli errori

nell’imple-1936

mentazione del taglio. Se così fosse omettendo questo particolare studio le efficienze e i limiti

1937

del parametro di accoppiamneto per l’esperimento dovrebbero migliorare. Si decide quindi di

1938

osservare come variano le efficienze del segnale, il numero di eventi di fondo e infine il

parame-1939

tro 2 quando la determinazione di eventi di bremsstrahlung viene effettuata solo attraverso la

1940

correlazione temporale.

1941

In particolare si può osservare l’anadamento dell’efficienza per la selezione applicata al

1942

campione di segnale, per le diverse masse, immerso nel pileup in figura B.1, in cui vengono

1943

rappresentate le efficienze per il taglio utilizzando sia la correlazione energetica che quella

1944

temporale, sia quelle in cui il riconoscimento dell’evento di bremsstrahlung viene effettuato solo

1945

con la richiesta della coicidenza temporale. Essendo quest’ultimo metodo meno stringente, le

1946

efficienze risultano essere, coerentemente con ciò che ci si aspetta, più basse.

1947

E’ utile studiare l’andamento del numero di eventi di fondo atteso riportato in figura B.2,

1948

in cui si hanno le curve rosse e blu, che sono relative all’analisi precedente e quelle nere e verdi

1949

invece sono costruite attraverso gli eventi a cui è stata richesta solo la coincidenza temporale.

1950

In particolare in nero si hanno il numero di eventi per il fondo totale (rappresentato dai “•”)

1951

e per quello solo di tre fotoni (“”) nell’intervallo [µ − 3σ, µ + 3σ], dove con µ si è intesa la

1952

98

99

M(MeV)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

ε

0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

EffBrem_1 EffBrem3sigma_1 EffBrem2sigma_1 EffBrem_1NOEne EffBrem3sigma_1NOEne EffBrem2sigma_1NOEne

Figura B.1: Efficienze per i campioni di segnale immersi nel pileup generati alle diverse masse.

Con la simbologia “*” si rappresentano le efficienze ottenute attraverso il riconoscimento di eventi di bremsstrahlung utilizzando la correlazione temporale tra il tempo del fotone e quello del positrone e quella tra l’energia depositata da e+ con il rispettivo finger per eventi che superano il taglio (nero) per eventi interni a 3σ (rosso) e a 2σ (blu) dalla media di MA0; utilizzando “N” invece si rappresentano gli stessi eventi sopracitati (rispettango la colorazione) ma con il taglio determinato dalla sola correlazione temporale.

media della distribuzione di MA0 e σ la corrispondente larghezza per le diverse ipotesi di massa.

1953

In verde invece, con la stessa simbologia, vengono rappresentati gli eventi interni all’intervallo

1954

[µ − 2σ, µ + 2σ].

1955

Infine si osservi in figura B.3 l’andamento del parametro di accoppiamento 2 al livello

1956

di confidenza del 68%, in cui i nuovi limiti vengono rappresentati per l’intervallo di 2σ e 3σ

1957

attraverso il simbolo “*”.

1958

Si può osservare, quindi, come la scelta del taglio effettuato considerando la correlazione

1959

temporale ed energetica migliora i limiti della costante.

1960

M(MeV)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

evBkgN

10 102

103

104

NBkg1_3sigma NBkg1_2sigma N3gamma1_3sigma N3gamma1_2sigma NBkg1_3sigmaNOEne NBkg1_2sigmaNOEne N3gamma1_3sigmaNOEne N3gamma1_2sigmaNOEne

Figura B.2: Rappresentazione del numero totale (rappresentato con il simbolo “•”) e solo per il campione di e+e→ 3γ (“”) di eventi che superano la selezione nei 2σ e 3σ rispetto alla media della distribuzione di MA0. In particolare in rosso e in blu vengono rappresentati gli eventi taggati utilizzando entrambe le correlazioni, mentre in nero e in verde quelli che superano il taglio in cui si richiede la sola coincidenza temporale.

M(MeV)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

2ε

6

10 5

10 4

10

3sigma 2sigma 3sigmaNOEne 2sigmaNOEne

Figura B.3: Andamento del parametro di accoppiamento 2 con livello di confidenza al 68% per gli eventi in 2σ (blu) e 3σ (rosso) rispetto alla media della distribuzione di MA0. Attraverso la simbologia si intende dividere le due strategie di analisi: “*” per gli eventi taggati come bremsstrahlung utilizzando la sola correlazione temporale tra γ e e+, e “N” utilizzando non solo questa correlazione ma anche quella tra energia del positrone e finger in cui si registra il segnale.

Appendice C

1961

Analisi dei positroni di alta energia

1962

L’interazione del positrone del fascio con un nucleo della targhetta, come si è già detto, causa

1963

un rallentamento del positrone che genera un fotone. Questo fenomeno è stato analizzato

1964

utilizzando il calorimentro elettromagnetico ECAL e il veto per i positroni, ciò nonostanete

1965

nel progetto dell’esperimento c’è un altro rivelatore volto a registrare i segnali provenienti

1966

da positroni altamente energetici: il “HEPVeto”(High Energy Positron Veto). Come nel caso

1967

di ECAL, anche in questo calorimetro si vuole determinare la correlazione esistente tra le

1968

caratteristiche del fotone e quelle del positrone. In particolare si osserva che tra il tempo

1969

ricostruito del fotone e il tempo in cui viene registrato un segnale nel HEPVeto sono correlati,

1970

si osservi la figura C.1. Si determinano in particolar modo i parametri caratteristici della retta

0 10 20 30 40 50 60

Figura C.1: Correlazione esistenta tra i tempi in cui si registra un fotone in ECAL e un positrone in HEPVeto per il campione di fondo da bremsstrahlung.

1971

101

in cui la densità di eventi è più alta, e attraverso questi, noto il tempo del fotone, si ricostruisce

1972

quello che dovrebbe avere il positrone te+recall. Per determinare gli eventi di bremsstrahlung in

1973

cui il positrone ha perso solo una piccola frazione di energia si confronta il tempo ricostruito

1974

te+recall con quello registrato dal rivelatore, e si considera di rigettare tutti quegli eventi che

1975

sono in tempo con quello previsto entro 2ns.

1976

Implementando questo taglio nell’analisi descritta nel capitolo 4, si osserva che per il

cam-1977

pione di fondo da bremsstrahlung vengono rigettati gran parte degli eventi. In figura C.2 si può

1978

osservare la popolazione degli eventi che supera la selezione rispetto al taglio subito

precedente-1979

mente (relativo alla correlazione esistente per il il veto dei positroni). Come si può osservare il

200

100 0 100 200 300 400 500 600

2)

A'(MeV M2 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Figura C.2: Per gli eventi di fondo da bremsstrahlung viene riportato il grafico ottenuto dalla divisione della MA20 tra la distribuzione ottenuta dal campione che supera il taglio per positroni di alta energia e quella relativa agli eventi che superano il taglio utilizzando solo il veto dei positroni.

1980

taglio è funzionale ad alte masse di A0, queste infatti corrispondono a piccole energie dei fotoni

1981

quindi ad alte energie dei e+.

1982

Quindi si implementa il taglio anche per il campione di segnale immerso nel pileup ottenendo

1983

i risultati riportati in figura C.3. Si può osservare come si riduce l’efficienza del segnale oltre

1984

quella di fondo, ragion per cui i limiti per il parametro di accoppiamento 2 con livello di

1985

confidenza al 68% si riducono notevolmente. Infatti si passa da 2 ∼ 3 · 10−6 per la selezione

1986

iniziale a un 2 ∼ 7 · 10−6 considerando questo ultimo taglio descritto per il campione generato

1987

con MA0 = 10M eV e immerso nel pileup.

1988

103

200

100 0 100 200 300 400 500 600

2)

A'(MeV M2 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180

Figura C.3: In blu è rappresentata la distribuzione per il campione di segnale per MA0 = 10M eV immerso nel pileup che supera i tagli descritti nel capitolo 4, in rosso invece la popolazione di eventi che supera il taglio implementato per il HEPVeto.

Scelta della soglia energetica per i segnali

1990

registrati in ECAL

1991

Nella sezione 4.2 si è studiato come un segnale viene registrato in ECAL e come poterlo

cor-1992

reggere per poter definire le caratteristiche del fotone. Nella medesima sezione si argomenta

1993

che la scelta più ragionevole, per il campione genetato con MA0 = 10M eV , è implementare una

1994

energia di soglia per gli eventi registrati in ECAL pari a 50M eV . Successivamente in figura

1995

4.22 si è osservato che tale soglia tagliava parte del segnale per i campioni generati con masse

1996

superiori a 17.5M eV , quindi si è impostata al valore di Ethr = 20M eV per poi proseguire lo

1997

studio. In questa sezione ci si propone di studiare il campione imponendo Ethr = 50M eV .

1998

I risultati che si ottengono per il campione di fondo sono rappresentati in figura D.1. Si

M(MeV)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

2ε

6

10 5

10 4

10

(thr=20MeV) σ 2

(thr=50MeV) σ 2

Figura D.1: Rappresentazione del numero totale (rappresentato con il simbolo “*” nel caso di Ethr= 50M eV e “” per Ethr = 20M eV ) e solo per il campione di e+e→ 3γ (“•” per Ethr= 50M eV e “♦”

per Ethr = 20M eV ) di eventi che superano la selezione nei 2σ (blu) e 3σ (rosso) rispetto alla media della distribuzione di MA0.

1999

possono osservare in rosso le curve relative agli eventi interni all’intervallo [µ − 3σ, µ + 3σ] e in

2000

blu quelli interni a [µ − 2σ, µ + 2σ], dove con µ si è intesa la media della distribuzione di MA0 e σ

2001

104

105 la corrispondente larghezza per le diverse ipotesi di massa. In figura inoltre sono rappresentati

2002

i due andamenti relativi al numero di eventi attesi per il fondo totale (caratterizzato da un

2003

numero maggiore di eventi) e per il solo fondo dei tre fotoni, rappresentato dalle curve con il

2004

numero di eventi minore.

2005

Si può osservare che per le analisi condotte con le due soglie, il numero di eventi atteso è

2006

sempre lo stesso fatta eccezione per la massa MA0 in cui il numero di eventi attesi è maggiore

2007

se si impone Ethr = 20M eV .

2008

M(MeV)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

evBkgN

102

103

104

NBkg1_3sigma_50 NBkg1_2sigma_50 N3gamma1_3sigma_50 N3gamma1_2sigma_50

NBkg1_3sigma NBkg1_2sigma N3gamma1_3sigma N3gamma1_2sigma

Figura D.2: Rappresentazione della costante di accoppiamento 2 con livello di confidenza al 68%, per l’analisi in cui Ethr= 20M eV (rappresentata con “•”) e per quella con Ethr= 50M eV (“N”).

Si può osservare in figura D.2 come per basse masse impostare Ethr = 50M eV migliori

2009

il limite anche se di piccole quantità, la stessa cosa però non si osserva per il campione di

2010

MA0 = 20M eV in cui, come ci si aspettava, l’imposizione della soglia energetica a quel valore

2011

fa perdere gran parte del segnale che come conseguenza porta il peggioramento del valore di 2.

2012

Tabelle riassuntive per i diversi metodi

2014

Massa 10MeV

Tabella E.1: Cl(0)

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 26395 23938 12131

taglio su R 19592 17574 4632

taglio su Eγ 19168 17089 2367

like-bremsstrahlung(t) 0 8836 2288

like-bremsstrahlung(E) 0 5016 2141

segnale 19168 12073 226

in 3σ 19083 12020 39

in 2σ 18368 11664 27

2015

106

107 Tabella E.2: Cl(0)*

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 26395 23938 12131

taglio su R 19592 17574 4632

taglio su Eγ 0 0 0

like-bremsstrahlung(t) 0 9107 3928

like-bremsstrahlung(E) 0 5128 3112

segnale 19592 12446 1520

in 3σ 19466 12304 49

in 2σ 18693 11870 32

Tabella E.3: leading1Cl

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 33310 32527 17594

taglio su R 22830 22010 5813

taglio su Eγ 22323 21362 2929

like-bremsstrahlung(t) 0 11004 2835

like-bremsstrahlung(E) 0 6245 2622

segnale 22323 15117 307

in 3σ 22096 14990 67

in 2σ 21011 14331 45

Tabella E.4: leading1Cl*

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 33310 32527 17594

taglio su R 22830 22010 5813

taglio su Eγ 0 0 0

like-bremsstrahlung(t) 0 11345 4920

like-bremsstrahlung(E) 0 6388 3847

segnale 22830 15622 1966

in 3σ 22530 15341 80

in 2σ 21369 14615 51

Tabella E.5: Leading3Cl

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 33354 34155 23035

taglio su R 22831 22757 7970

taglio su Eγ 22324 21909 3692

like-bremsstrahlung(t) 0 11335 3258

like-bremsstrahlung(E) 0 6455 2826

segnale 22324 15454 866

in 3σ 22096 15280 144

in 2σ 21011 14599 68

Tabella E.6: leading3Cl*

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 33354 34155 23035

taglio su R 22831 22757 7970

taglio su Eγ 0 0 0

like-bremsstrahlung(t) 0 11797 6054

like-bremsstrahlung(E) 0 6656 4291

segnale 22831 16101 3679

in 3σ 22530 15640 224

in 2σ 21369 14887 83

Tabella E.7: true 1cl

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 33150 21857 17311

taglio su R 22876 21213 5822

taglio su Eγ 22355 17089 2925

like-bremsstrahlung(t) 0 10915 2830

like-bremsstrahlung(E) 0 6163 2645

segnale 22355 15552 280

in 3σ 20918 15260 60

in 2σ 20918 14396 43

109 Tabella E.8: true 1cl*

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 33150 32068 17311

taglio su R 22876 21857 5822

taglio su Eγ 0 0 0

like-bremsstrahlung(t) 0 11263 4928

like-bremsstrahlung(E) 0 6305 3884

segnale 2286 15552 1938

in 3σ 22589 15260 68

in 2σ 21293 14396 50

Tabella E.9: true1cl +cl

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 30425 29280 14972

taglio su R 22208 21084 5581

taglio su Eγ 21705 20465 2810

like-bremsstrahlung(t) 0 10548 2717

like-bremsstrahlung(E) 0 5963 2542

segnale 21705 14502 268

in 3σ 21533 15382 54

in 2σ 20437 13676 39

Tabella E.10: true1Cl+Cl*

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 30425 29280 14972

taglio su R 22208 21084 5581

taglio su Eγ 0 0 0

like-bremsstrahlung(t) 0 10884 4729

like-bremsstrahlung(E) 0 6097 3738

segnale 22208 14987 1843

in 3σ 21976 14721 61

in 2σ 20798 13955 45

Tabella E.11: true 3cl

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 33357 34155 23128

taglio su R 22901 22837 8049

taglio su Eγ 22377 21951 3669

like-bremsstrahlung(t) 0 11344 3251

like-bremsstrahlung(E) 0 6434 2857

segnale 22377 15517 812

in 3σ 22152 15337 181

in 2σ 20932 14513 71

Tabella E.12: true 3cl*

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 33357 34155 23128

taglio su R 22901 22837 8049

taglio su Eγ 0 0 0

like-bremsstrahlung(t) 0 11838 6113

like-bremsstrahlung(E) 0 6640 4361

segnale 22901 16197 3688

in 3σ 22612 15712 362

in 2σ 21308 14813 104

Tabella E.13: true3cl +cl

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 30487 30458 15489

taglio su R 22232 21770 5733

taglio su Eγ 21726 21037 2874

like-bremsstrahlung(t) 0 10855 2780

like-bremsstrahlung(E) 0 6159 2599

segnale 21726 14878 275

in 3σ 21552 14750 57

in 2σ 20450 14028 41

111

Tabella E.14: true3Cl+Cl*

Contatori Campioni

degli eventi: Puro Pile-up Fondo

prima selezione 30487 30458 15489

taglio su R 22232 21770 5733

taglio su Eγ 0 0 0

like-bremsstrahlung(t) 0 11268 4852

like-bremsstrahlung(E) 0 6336 3827

segnale 22232 15434 1906

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