]> git.uio.no Git - u/mrichter/AliRoot.git/blob - PWGLF/FORWARD/doc/alice-int-2012-040.tex
renamed all files for ALICE-INT-2012-040 with corresponding prefix
[u/mrichter/AliRoot.git] / PWGLF / FORWARD / doc / alice-int-2012-040.tex
1 \documentclass[11pt]{article}
2 \usepackage{pwglfforward}
3 \title{%
4   {\LARGE EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH}\\%
5   {\Large European Organization for Particle Physics}\\[2ex]%
6   {\normalsize%
7     \begin{tabular}[t]{@{}p{.25\textwidth}@{}%
8         p{.5\textwidth}@{}%
9         p{.25\textwidth}@{}}%
10       % \vfil%
11       \vfil
12       \includegraphics[keepaspectratio,width=.12\textwidth]{alicelogo}%
13       \vfil%
14       &% 
15       \vfil
16       \begin{center}%
17         {\LARGE\bf Analysing the FMD data for $\dndeta$}%
18       \end{center}%
19       \vfil
20       &%
21       % \vfil%
22       \vfil
23       \begin{tabular}[t]{@{}p{.25\textwidth}@{}}
24         \hfill\includegraphics[keepaspectratio,width=.12\textwidth]{%
25           cernlogo}\\
26         \hfill ALICE--INT--2012--040 v2\\
27         \hfill \today%
28       \end{tabular}%
29       \vfil%
30     \end{tabular}}}
31 \author{Christian Holm
32   Christensen\thanks{\texttt{$\langle$cholm@nbi.dk$\rangle$}}\quad\&\quad
33   Hans Hjersing Dalsgaard\thanks{\texttt{$\langle$canute@nbi.dk$\rangle$}}\\ 
34   Niels Bohr Institute\\
35   University of Copenhagen}
36 \date{}
37 \begin{document}
38 \pdfbookmark{Analysing the FMD data for dN/deta}{top}
39 \maketitle 
40
41 \tableofcontents 
42 \section{Introduction}
43
44 This document describes the steps performed in the analysis of the
45 charged particle multiplicity in the forward pseudo--rapidity regions
46 with the \FMD{} detector \cite{FWD:2004mz,cholm:2009}. The document
47 also include a summary (see section \ref{prelim}) of the request for
48 preliminary figures for the measurement of $\dndeta$ with
49 SPD\cite{ruben,Aamodt:2010cz}, VZERO\cite{maxime}, and FMD.
50 %  The primary detector used for this is the \FMD{}
51
52 The \FMD{} is organised in 3 \emph{sub--detectors} \FMD{1}, \FMD{2},
53 and \FMD{3}, each consisting of 1 (\FMD{1}) or 2 (\FMD{2} and~3)
54 \emph{rings}.  The rings fall into two types: \emph{Inner} or
55 \emph{outer} rings.  Each ring is in turn azimuthally divided into
56 \emph{sectors}, and each sector is radially divided into
57 \emph{strips}.  How many sectors, strips, as well as the $\eta$
58 coverage is given in \tablename~\ref{tab:fmd:overview}.
59
60 \begin{table}[htbp]
61   \begin{center}
62     \caption{Physical dimensions of Si segments and strips.}
63     \label{tab:fmd:overview}
64     \vglue0.2cm
65     \begin{tabular}{|c|cc|cr@{\space--\space}l|r@{\space--\space}l|}
66       \hline
67       \textbf{Sub--detector/} &
68       \textbf{Azimuthal}&
69       \textbf{Radial} &
70       $z$ &
71       \multicolumn{2}{c|}{\textbf{$r$}} &
72       \multicolumn{2}{c|}{\textbf{$\eta$}} \\ 
73       \textbf{Ring}&  
74       \textbf{sectors} &
75       \textbf{strips} & 
76       \textbf{[cm]} &
77       \multicolumn{2}{c|}{\textbf{range [cm]}} &
78       \multicolumn{2}{c|}{\textbf{coverage}} \\
79       \hline
80       FMD1i & 20& 512& 320  &  4.2& 17.2& 3.68&  5.03\\
81       FMD2i & 20& 512&  83.4&  4.2& 17.2& 2.28&  3.68\\
82       FMD2o & 40& 256&  75.2& 15.4& 28.4& 1.70&  2.29\\
83       FMD3i & 20& 512& -75.2&  4.2& 17.2&-2.29& -1.70\\
84       FMD3o & 40& 256& -83.4& 15.4& 28.4&-3.40& -2.01\\
85       \hline
86     \end{tabular}
87   \end{center}
88 \end{table}
89
90 The \FMD{} \ESD{} object contains the scaled energy deposited $\Delta
91 E/\Delta E_{mip}$ for each of the 51,200 strips.  This is determined
92 in the reconstruction pass.  The scaling to $\Delta E_{mip}$ is done
93 using calibration factors extracted in designated pulser runs.  In
94 these runs, the front-end electronics is pulsed with an increasing
95 known pulse size, and the conversion factor from ADC counts to $\Delta
96 E_{mip}$ is determined \cite{cholm:2009}.
97
98 The \SPD{} is used for determination of the position of the primary
99 interaction point except in the case of displaced vertex analysis as
100 discussed in section \ref{sec:sub:sub:dispvtx}.
101
102 The analysis is performed as a two--step process.  
103 \begin{enumerate}
104 \item The Event--Summary--Data (\ESD{}) is processed event--by--event
105   and passed through a number of algorithms, and
106   $\dndetadphi$ for each event is output to an Analysis--Object--Data
107   (\AOD{}) tree (see \secref{sec:gen_aod}).
108 \item The \AOD{} data is read in and the sub--sample of the data under
109   investigation is selected (e.g., \INEL{}, \INELONE{}, \NSD{} in p+p data, or
110   some centrality class in Pb+Pb data) and the $\dndetadphi$ histogram read for
111   those events to build up $\dndeta$ (see \secref{sec:ana_aod}).
112 \end{enumerate}
113 The details of each step above will be expanded upon in the
114 following. 
115
116 In Appendix~\ref{app:nomen} is an overview of the nomenclature used in
117 this document.
118
119 \section{Generating $\dndetadphi[i]$ event--by--event}
120 \label{sec:gen_aod}
121
122 When reading in the \ESD{}s and generating the $\dndetadphi$
123 event--by--event the following steps are taken (in order) for each
124 event $i$ and FMD ring $r$.
125 \begin{description}
126 \item[Event inspection] The global properties of the event is
127   determined, including the trigger type and primary interaction
128   point\footnote{`Vertex' and `primary interaction point' will be used
129     interchangeably in the text, since there is no ambiguity with
130     particle production vertex in this analysis.} $z$ coordinate (see
131   \secref{sec:sub:event_inspection}).
132 \item[Sharing filter] The \ESD{} object is read in and corrected for
133   sharing.  The result is a new \ESD{} object (see
134   \secref{sec:sub:sharing_filter}).
135 \item[Density calculator] The (possibly un--corrected) \ESD{} object
136   is then inspected and an inclusive (primary \emph{and} secondary
137   particles), per--ring charged particle density
138   $\dndetadphi[incl,r,v,i]$ is made.  This calculation depends in
139   general upon the interaction vertex position along the $z$ axis
140   $v_z$ (see \secref{sec:sub:density_calculator}).
141 \item[Corrections] The 5 (one for each FMD ring)
142   $\dndetadphi[incl,r,v,i]$ are corrected for secondary production and
143   acceptance.  The correction for the secondary particle production is
144   highly dependent on the vertex $z$ coordinate.  The result is a
145   per--ring, charged primary particle density $\dndetadphi[r,v,i]$
146   (see \secref{sec:sub:corrector}).
147 \item[Histogram collector] Finally, the 5 $\dndetadphi[r,v,i]$ are
148   summed into a single $\dndetadphi[v,i]$ histogram, taking care of
149   the overlaps between the detector rings.  In principle, this
150   histogram is independent of the vertex, except that the
151   pseudo--rapidity range, and possible holes in that range, depends on
152   $v_z$ --- or rather the bin in which the $v_z$ falls (see
153   \secref{sec:sub:hist_collector}).
154 \end{description}
155
156 Each of these steps will be detailed in the following. 
157
158 \subsection{Event inspection}
159 \label{sec:sub:event_inspection}
160
161 The first thing to do, is to inspect the event for triggers.  A number
162 of trigger bits, like \INEL{} (Minimum Bias for Pb+Pb), \INELONE{},
163 \NSD{}, and so on is then propagated to the \AOD{} output.
164
165 Just after the sharing filter (described below) but before any further
166 processing, the vertex information is queried.  If there is no vertex
167 information, or if the vertex $z$ coordinate is outside the
168 pre--defined range, then no further processing of that event takes
169 place.
170
171 \subsubsection{Displaced Vertices}
172 \label{sec:sub:sub:dispvtx}
173
174 The analysis can be set up to run on the `displaced vertices' that
175 occur during LHC Pb+Pb running. Details on the displaced vertices, and
176 their selection can be found in the VZERO analysis note \cite{maxime}.
177
178 \subsection{Sharing filter}
179 \label{sec:sub:sharing_filter}
180
181 A particle originating from the vertex can, because of its incident
182 angle on the \FMD{} sensors traverse more than one strip (see
183 \figref{fig:share_fraction}).  This means that the energy loss of the
184 particle is distributed over 1 or more strips.  The signal in each
185 strip should therefore possibly be merged with its neighboring strip
186 signals to properly reconstruct the energy loss of a single particle.
187
188 \begin{figure}[htbp]
189   \centering
190   \figinput[3cm]{share_fraction}
191   \caption{A particle traversing 2 strips and depositing energy in
192     each strip. }
193   \label{fig:share_fraction}
194 \end{figure}
195
196 The effect is most pronounced in low--flux\footnote{Events with a low
197   hit density.} events, like proton--proton collisions or peripheral
198 Pb--Pb collisions, while in high--flux events the hit density is so
199 high that most likely each and every strip will be hit and the effect
200 cancels out on average.
201
202 Since the particles travel more or less in straight lines toward the
203 \FMD{} sensors, the sharing effect is predominantly in the $r$ or
204 \emph{strip} direction.  Only neighbouring strips in a given sector are
205 therefore investigated for this effect.  
206
207 Algorithm~\ref{algo:sharing} is applied to the signals in a given
208 sector.
209
210 \begin{algorithm}[htpb]
211   \belowpdfbookmark{Algorithm 1}{algo:sharing}
212   \SetKwData{usedThis}{current strip used}
213   \SetKwData{usedPrev}{previous strip used}
214   \SetKwData{Output}{output}
215   \SetKwData{Input}{input}
216   \SetKwData{Nstr}{\# strips}
217   \SetKwData{Signal}{current}
218   \SetKwData{Eta}{$\eta$}
219   \SetKwData{prevE}{previous strip signal} 
220   \SetKwData{nextE}{next strip signal} 
221   \SetKwData{lowFlux}{low flux flag} 
222   \SetKwFunction{SignalInStrip}{SignalInStrip}
223   \SetKwFunction{MultiplicityOfStrip}{MultiplicityOfStrip}
224   \usedThis $\leftarrow$ false\;
225   \usedPrev $\leftarrow$ false\;
226   \For{$t\leftarrow1$ \KwTo \Nstr}{ 
227     \Output${}_t\leftarrow 0$\;
228     \Signal $\leftarrow$ \SignalInStrip($t$)\;
229
230     \uIf{\Signal is not valid}{ 
231       \Output${}_t \leftarrow$ invalid\;
232     }
233     \uElseIf{\Signal is 0}{ 
234       \Output${}_t \leftarrow$ 0\;
235     }
236     \Else{
237       \Eta$\leftarrow$ $\eta$ of \Input${}_t$\;
238       \prevE$\leftarrow$ 0\;
239       \nextE$\leftarrow$ 0\;
240       \lIf{$t \ne 1$}{ 
241         \prevE$\leftarrow$ \SignalInStrip($t-1$)\;
242       }
243       \lIf{$t \ne $\Nstr}{ 
244         \nextE$\leftarrow$ \SignalInStrip($t+1$)\;
245       }
246       \Output${}_t\leftarrow$
247       \MultiplicityOfStrip(\Signal,\Eta,\prevE,\nextE,\\
248       \hfill\lowFlux,$t$,\usedPrev,\usedThis)\;
249     }   
250   }
251   \caption{Sharing correction}
252   \label{algo:sharing}
253 \end{algorithm}
254
255 Here the function \FuncSty{SignalInStrip}($t$) returns the properly
256 path--length corrected signal in strip $t$.  The function
257 \FuncSty{MultiplicityOfStrip} is where the real processing takes
258 place (see page \pageref{func:MultiplicityOfStrip}). 
259
260 \begin{function}[htbp]
261   \belowpdfbookmark{MultiplicityOfStrip}{func:MultiplicityOfStrip}
262   \caption{MultiplicityOfStrip(\DataSty{current},$\eta$,\DataSty{previous},\DataSty{next},\DataSty{low
263       flux flag},\DataSty{previous signal used},\DataSty{this signal
264       used})} 
265   \label{func:MultiplicityOfStrip}
266   \SetKwData{Current}{current} 
267   \SetKwData{Next}{next} 
268   \SetKwData{Previous}{previous} 
269   \SetKwData{lowFlux}{low flux flag}
270   \SetKwData{usedPrev}{previous signal used}
271   \SetKwData{usedThis}{this signal used}
272   \SetKwData{lowCut}{low cut}
273   \SetKwData{total}{Total}
274   \SetKwData{highCut}{high cut}
275   \SetKwData{Eta}{$\eta$}  
276   \SetKwFunction{GetHighCut}{GetHighCut}
277   \If{\Current is very large or \Current $<$ \lowCut} {
278     \usedThis $\leftarrow$ false\;
279     \usedPrev $\leftarrow$ false\;
280     \Return{0}
281   }
282   \If{\usedThis}{ 
283     \usedThis $\leftarrow$ false\;
284     \usedPrev $\leftarrow$ true\;
285     \Return{0}
286   }
287   \highCut $\leftarrow$ \GetHighCut($t$,\Eta)\;
288   %\If{\Current $<$ \Next and \Next $>$ \highCut and \lowFlux set}{ 
289   %  \usedThis $\leftarrow$ false\;
290   %  \usedPrev $\leftarrow$ false\;
291   %  \Return{0}
292   %}
293   \total $\leftarrow$ \Current\;
294   \lIf{\lowCut $<$ \Previous $<$ \highCut and not \usedPrev}{ 
295     \total $\leftarrow$ \total + \Previous\;
296   }
297   \If{\lowCut $<$ \Next $<$ \highCut}{ 
298     \total $\leftarrow$ \total + \Next\;  
299     \usedThis $\leftarrow$ true\;
300   }
301   \eIf{\total $>$ 0}{ 
302     \usedPrev $\leftarrow$ true\;
303     \Return{\total}
304   }{
305     \usedPrev $\leftarrow$ false\;
306     \usedThis $\leftarrow$ false\;
307     \Return{0}
308   }
309 \end{function}
310 Here, the function \FuncSty{GetHighCut} (see below) evaluates a fit to the energy
311 distribution in the specified $\eta$ bin (see also
312 \secref{sec:sub:density_calculator}).  It returns
313 $$
314 \Delta_{mp} - 2 w
315 $$
316 where $\Delta_{mp}$ is the most probable energy loss, and $w$ is the
317 width of the Landau distribution.  
318
319 The \KwSty{if} in line 5, says that if the previous strip was merged
320 with current one, and the signal of the current strip was added to
321 that, then the current signal is set to 0, and we mark it as used for
322 the next iteration (\DataSty{previous signal used}$\leftarrow$true).
323
324 % The \KwSty{if} in line 10 checks if the current signal is smaller than
325 % the next signal, if the next signal is larger than the upper cut
326 % defined above, and if we have a low--flux event\footnote{Note, that in
327 %   the current implementation there are never any low--flux events.}.
328 % If that condition is met, then the current signal is the smaller of
329 % two possible candidates for merging, and it should be merged into the
330 % next signal.  Note, that this \emph{only} applies in low--flux events.
331
332 In line 11, % 15, 
333 we test if the previous signal lies between our low and
334 high cuts, and if it has not been marked as being used.  If so, we add
335 it to our current signal.  
336
337 The next \KwSty{if} on line 12 % 16 
338 checks if the next signal is within our
339 cut bounds.  If so, we add that signal to the current signal and mark
340 it as used for the next iteration (\DataSty{this signal
341   used}$\leftarrow$true).  It will then be put to zero on the next
342 iteration by the condition on line 6.
343
344 Finally, if our signal is still larger than 0, we return the signal
345 and mark this signal as used (\DataSty{previous signal
346   used}$\leftarrow$true) so that it will not be used in the next
347 iteration. Otherwise, we mark the current signal and the next signal
348 as unused and return a 0. 
349
350
351 \subsection{Density calculator}
352 \label{sec:sub:density_calculator}
353
354 The density calculator loops over all the strip signals in the sharing
355 corrected\footnote{The sharing correction can be disabled, in which
356   case the density calculator uses the input \ESD{} signals.} \ESD{}
357 and calculates the inclusive (primary + secondary) charged particle
358 density in pre--defined $\etaphi$ bins.
359
360 \subsubsection{Inclusive number of charged particles: Energy Fits} 
361 \label{sec:sub:sub:eloss_fits}
362
363 The number charged particles in a strip $\mult[,t]$ is calculated
364 using multiple Landau-like distributions fitted to the energy loss
365 spectrum of all strips in a given $\eta$ bin.
366 \begin{align}
367   \Delta_{i,mp} &= i (\Delta_{1,mp}+ \xi_1 \log(i))\nonumber\\
368   \xi_i         &= i\xi_1\nonumber\\
369   \sigma_i      &= \sqrt{i}\sigma_1\nonumber\\
370   \mult[,t]     &= \frac{\sum_i^{N_{max}}
371     i\,a_i\,F(\Delta_t;\Delta_{i,mp},\xi_i,\sigma_i)}{
372     \sum_i^{N_{max}}\,a_i\,F(\Delta_t;\Delta_{i,mp},\xi_i,\sigma_i)}\quad,
373 \end{align}
374 where $F(x;\Delta_{mp},\xi,\sigma)$ is the evaluation of the Landau
375 distribution $f_L$ with most probable value $\Delta_{mp}$ and width
376 $\xi$, folded with a Gaussian distribution with spread $\sigma$ at the
377 energy loss $x$ \cite{nim:b1:16,phyrev:a28:615}.
378 \begin{align}
379   \label{eq:energy_response}
380   F(x;\Delta_{mp},\xi,\sigma) = \frac{1}{\sigma \sqrt{2 \pi}}
381   \int_{-\infty}^{+\infty} d\Delta' f_{L}(x;\Delta',\xi)
382   \exp{-\frac{(\Delta_{mp}-\Delta')^2}{2\sigma^2}}\quad,
383 \end{align}
384 where $\Delta_{1,mp}$, $\xi_1$, and $\sigma_1$ are the parameters for
385 the first MIP peak, $a_1=1$, and $a_i$ is the relative weight of the
386 $i$-fold MIP peak.  The parameters $\Delta_{1,mp}, \xi_1,
387 \sigma_1, \mathbf{a} = \left(a_2, \ldots a_{N_{max}}\right)$ are
388 obtained by fitting 
389 $$
390 F_j(x;C,\Delta_{mp},\xi,\sigma,\mathbf{a}) = C 
391 \sum_{i=1}^{j} a_i F(x;\Delta_{i,mp},\xi_{i},\sigma_i) 
392 $$
393 for increasing $j$ to the energy loss spectra in separate $\eta$ bins.
394 The fit procedure is stopped when for $j+1$: (the default values for
395 each value are included below) 
396 \begin{itemize}
397 \item the reduced $\chi^2$ exceeds a certain threshold (usually 20), or
398 \item the relative error $\delta p/p$ of any parameter of the fit
399   exceeds a certain threshold (usually 0.12), or 
400 \item when the weight $a_j+1$ is smaller than some number (typically
401   $10^{-5}$). 
402 \end{itemize}
403 $N_{max}$ is then set to $j$.  Examples of the result of these fits
404 are given in \figref{fig:eloss_fits} in Appendix~\ref{app:eloss_fits}.
405 \subsubsection{Inclusive number of charged particles: Poisson Approach} 
406 \label{sec:sub:sub:poisson}
407 Another approach to the calculation of the number of charged particles
408 is using Poisson statistics. This is the default choice because it is
409 less sensitive to the stability of the fits required for the energy
410 fits method. 
411 Assume that in a region of the FMD % where
412 $\mult$ 
413 %is azimuthally uniform in $\eta$ intervals it 
414 is
415 distributed according to a Poisson distribution. This means that the
416 probability of $\mult=n$ becomes:
417 \begin{equation}
418 P(n) = \frac{\mu^n e^{-\mu}}{n!} \label{eq:PoissonDef}
419 \end{equation}
420 In particular the measured occupancy, $\mu_{meas}$, is the probability
421 of any number of hits, thus using \eqref{eq:PoissonDef} :
422 \begin{equation}
423 \mu_{meas} = 1 - P(0) = 1 - e^{-\mu } 
424 %\Rightarrow \mu = \ln
425 %(1 - \mu_{meas})^{-1} \label{eq:PoissonDef2}
426 \end{equation}
427 which implies:
428 \begin{equation}
429 \mu = \ln
430 (1 - \mu_{meas})^{-1} \label{eq:PoissonDef2}
431 \end{equation}
432 The mean number of particles in a hit strip becomes:
433 \begin{eqnarray}
434 C &=& \frac{\sum_{n>0} n P(n>0)}{\sum_{n>0} P(n>0)} \nonumber \\
435   &=& \frac{e^{-\mu}}{1-e^{-\mu}} \mu  \sum \frac{\mu^n}{n!} 
436   \nonumber \\
437   &=& \frac{e^{-\mu}}{1-e^{-\mu}} \mu e^{\mu} \nonumber \\
438   &=& \frac{\mu}{1-e^{-\mu}}
439 \end{eqnarray}
440 %While $\mu$ can be calculated analytically for practical purposes we
441 With $\mu$ defined in \eqref{eq:PoissonDef2} this calculation is
442 carried out per event in
443 regions of the FMD each containing 256 strips\footnote{Note that this means that the same factor is used for each of the 256 strips.}. %Defining
444 %$\mu_{meas}^{region}$ to be the measured occupancy
445  In such a region,
446 $\mult$ for a hit strip ($N_{hits} \equiv 1$) in that region becomes:
447 \begin{equation}
448 \mult = N_{hits} \times C = 1 \times C = C
449 \end{equation}
450 Where C is calculated using $\mu_{meas}^{region}$.
451
452 The Poisson method and the energy fits method have been compared in
453 \cite{hhd:2009} where it is found that the two methods are in good
454 agreement. The residual difference between the methods contributes to
455 the systematic error.
456
457 \subsubsection{Azimuthal Acceptance}
458
459 Before the signal $\mult[,t]$ can be added to the $\etaphi$
460 bin in one of the 5 per--ring histograms, it needs to be corrected for
461 the $\varphi$ acceptance of the strip.
462
463 The sensors of the \FMD{} are not perfect arc--segments --- the two
464 top corners are cut off to allow the largest possible sensor on a 6''
465 Si-wafer.   This means, however, that the strips in these outer
466 regions do not fully cover $2\pi$ in azimuth, and there is therefore a
467 need to correct for this limited acceptance.  
468
469 The acceptance correction is only applicable where the strip length
470 does not cover the full sector.  This is the case for the outer strips
471 in both the inner and outer type rings.  The acceptance correction is
472 then simply 
473 \begin{align}
474   \label{eq:acc_corr}
475   \Corners{} &= \frac{l_t}{\Delta\varphi}\quad
476 \end{align}
477 where $l_t$ is the strip length in radians at constant $r$, and
478 $\Delta\varphi$ is $2\pi$ divided by the number of sectors in the
479 ring (20 for inner type rings, and 40 for outer type rings). 
480
481 Note, that this correction is a hardware--related correction, and does
482 not depend on the properties of the collision (e.g., primary vertex
483 location). 
484
485 The final $\etaphi$ content of the 5 output vertex dependent,
486 per--ring histograms of the inclusive charged particle density is then
487 given by
488 \begin{align}
489   \label{eq:density}
490   \dndetadphi[incl,r,v,i\etaphi] &= \sum_t^{t\in\etaphi}
491   \mult[,t]\,\Corners{}
492 \end{align}
493 where $t$ runs over the strips in the $\etaphi$ bin. 
494
495 \subsection{Corrections}
496 \label{sec:sub:corrector}
497
498 The corrections code receives the five vertex dependent,
499 per--ring histograms of the inclusive charged particle density
500 $\dndetadphi[incl,r,v,i]$ from the density calculator and applies
501 two corrections 
502
503 \subsubsection{Secondary correction}
504 %%
505 %%                hHits_FMD<d><r>_vtx<v> 
506 %% hCorrection = -----------------------
507 %%                hPrimary_FMD_<r>_vtx<v>
508 %%
509 %% where 
510 %% - hPrimary_FMD_<r>_vtx<vtx> is 2D of eta,phi for all primary ch
511 %%   particles
512 %% - hHits_FMD<d><r>_vtx<v>  is 2D of eta,phi for all track-refs that
513 %%   hit the FMD - The 2D version of hMCHits_nocuts_FMD<d><r>_vtx<v>
514 %%   used below. 
515 This is a 2 dimensional histogram generated from simulations, as the
516 ratio of primary particles to the total number of particles that fall
517 within an $\etaphi$ bin for a given vertex bin
518
519 \begin{align}
520   \label{eq:secondary}
521   \SecMap{} &=
522   \frac{\sum_i^{\NV[,v]}\mult[,\text{primary},i]\etaphi}{
523     \sum_i^{\NV[,v]}\mult[,\text{\FMD{}},i]\etaphi}\quad,
524 \end{align}
525 where $\NV[,v]$ is the number of events with a valid trigger and a
526 vertex in bin $v$, and $\mult[,\FMD{},i]$ is the total number of
527 charged particles that hit the \FMD{} in event $i$ in the specified
528 $\etaphi$ bin and $\mult[,\text{primary},i]$ is number of
529 primary charged particles in event $i$ within the specified
530 $\etaphi$ bin.
531
532 $\mult[,\text{primary}]\etaphi$ is given by summing over the
533 charged particles labelled as primaries \emph{at the time of the
534   collision} as defined in the simulation code.  That is, it is the
535 number of primaries within the $\etaphi$ bin at the collision
536 point --- not at the \FMD{}.
537
538 $\SecMap$ varies from $\approx 1.5$ for the most forward bins to
539 $\approx 3$ for the more central bins. Figure \ref{secondaries} shows
540 the $\dndeta$ of secondaries from various sources assessed with MC
541 simulations to give an idea of the magnitude of the effects of
542 secondaries.
543 \begin{figure}[]
544   \centering
545   \figinput[\textwidth]{secondary_origin}
546   \caption{$\dndeta$ for secondaries and primaries in the FMD. The
547     same plot for the SPD inner layer is included for comparison.}
548   \label{secondaries}
549 \end{figure} 
550  
551 %For pp, different event
552 %generators were used and found to give compatible results within
553 %3--5\%.   
554 For pp, at least some millions of events must be
555 accumulated to reach satisfactory statistics.  For Pb--Pb where the
556 general hit density is larger, reasonable statistics can be achieved
557 with less simulated data.   
558
559 \subsubsection{Acceptance due to dead channels}
560
561 Some of the strips in the \FMD{} have been marked up as \emph{dead},
562 meaning that they are not used in the reconstruction or analysis.
563 This leaves holes in the acceptance of each defined $\etaphi$
564 which need to be corrected for.  
565
566 Dead channels are marked specially in the \ESD{}s with the flag
567 \textit{Invalid Multiplicity}.  This is used in the analysis to build
568 up and event--by--event acceptance correction in each $\etaphi$
569 bin by calculating the ratio
570 \begin{align}
571   \label{eq:dead_channels} 
572   \DeadCh{} &= 
573   \frac{\sum_t^{t\in\etaphi}\left\{\begin{array}{cl}
574         1 & \text{if not dead}\\
575         0 & \text{otherwise}
576       \end{array}\right.}{\sum_t^{t\in\etaphi} 1}\quad,
577 \end{align}
578 where $t$ runs over the strips in the $\etaphi$ bin.  This correction
579 is obviously $v_z$ dependent since the $\etaphi$ bin to which a strip $t$
580 corresponds to depends on its  position relative to the primary vertex.
581
582 Alternatively, pre--made acceptance factors can be used.  These are
583 made from the off-line conditions database (\OCDB{}).
584
585 The 5 output vertex dependent, per--ring histograms of the primary
586 charged particle density is then given by
587 \begin{align}
588   \dndetadphi[r,v,i\etaphi] &=
589   \SecMap{} \frac{1}{\DeadCh{}}\dndetadphi[incl,r,v,i\etaphi]
590 \end{align}
591
592 \subsection{Histogram collector}
593 \label{sec:sub:hist_collector}
594
595 The histogram collector collects the information from the 5 vertex
596 dependent, per--ring histograms of the primary charged particle
597 density $\dndetadphi[r,v,i]$ into a single vertex dependent histogram
598 of the charged particle density $\dndetadphi[v,i]$.  
599
600 To do this, it first calculates, for each vertex bin, the $\eta$ bin
601 range to use for each ring.  It investigates the secondary correction
602 maps $\SecMap{}$ to find the edges of each map.  The edges are given
603 by the $\eta$ range where $\SecMap{}$ is larger than some
604 threshold\footnote{Typically $t_s\approx 0.1$.}  $t_s$. The code
605 applies safety margin of a number of bins, $N_{cut}$\footnote{Typically
606   $N_{cut}=1$.}, to ensure that the data selected does not have too
607 large corrections associated with it.
608
609 It then loops over the bins in the defined $\eta$ range and sums the
610 contributions from each of the 5 histograms.  In the $\eta$ ranges
611 where two rings overlap, the collector calculates the average and adds
612 the errors in quadrature\footnote{While not explicitly checked, it was
613   found that the histograms agrees within error bars in the
614   overlapping region}.
615
616 The output vertex dependent histogram of the primary
617 charged particle density is then given by
618 \begin{align}
619   \label{eq:superhist}
620   \dndetadphi[v,i\etaphi] &=
621   \frac{1}{N_{r\in\etaphi}}\sum_{r}^{r\in\etaphi}  
622   \dndetadphi[r,v,i\etaphi]\\
623   \delta\left[\dndetadphi[v,i\etaphi]\right] &=
624   \frac{1}{N_{r\in\etaphi}}\sqrt{\sum_{r}^{r\in\etaphi}   
625     \delta\left[\dndetadphi[r,v,i\etaphi]\right]^2}
626   \quad,
627 \end{align}
628 where $N_{r\in\etaphi}$ is the number of overlapping histograms
629 in the given $\etaphi$ bin. 
630
631 The histogram collector stores the found $\eta$ ranges in the
632 underflow bin of the histogram produced.  The content of the overflow
633 bins are 
634 \begin{align}
635   \label{eq:overflow}
636   I_{v,i}(\eta) &= 
637   \frac{1}{N_{r\in(\eta)}}
638   \sum_{r}^{r\in(\eta)} \left\{\begin{array}{cl} 
639       0 & \eta \text{\ bin not selected}\\ 
640       1 & \eta \text{\ bin selected}
641       \end{array}\right.\quad,
642 \end{align}
643 where $N_{r\in(\eta)}$ is the number of overlapping histograms in the
644 given $\eta$ bin.  The subscript $v$ indicates that the content
645 depends on the current vertex bin of event $i$.
646
647 \section{Building the final $\dndeta$}
648 \label{sec:ana_aod}
649
650 To build the final $\dndeta$ distribution it is enough to sum
651 \eqref{eq:superhist} and \eqref{eq:overflow} over all accepted
652 events, $\NA$, and correct for the acceptance $I(\eta)$ 
653 \begin{align}
654   \dndetadphi[\etaphi] &= \sum_i^{\NA}\dndetadphi[i,v\etaphi]\\ 
655   I(\eta) &= \sum_i^{\NA}I_{i,v}(\eta)\quad.
656 \end{align}
657 Note, that $I(\eta)\le\NA$.  
658
659 We then need to normalise to the total number of events $N_X$, given
660 by 
661 \begin{align}
662   \N{X}{} &= \frac{1}{\epsilon_X}\left[\NA + \alpha(\NnotV -
663     \beta)\right]  \label{eq:fulleventnorm}\\
664   & = \frac{1}{\epsilon_X}\left[\NA + \frac{\NA}{\NV}(\NT-\NV{} -
665     \beta)\right]\nonumber \\
666   & =\frac{1}{\epsilon_X}\NA\left[1+\frac{1}{\epsilon_V}-1-
667     \frac{\beta}{\NV}\right]\nonumber\\ 
668   & = \frac{1}{\epsilon_X}\frac{1}{\epsilon_V}\NA
669   \left(1-\frac{\beta}{\NT{}}\right)\nonumber
670 \end{align}
671 where
672 \begin{description}
673 \item[$\epsilon_X$]  is the trigger efficiency for type
674   $X\in[\text{\INEL},\text{\INELONE},\text{\NSD} for p+p data and MB
675   for Pb+Pb data]$
676 \item[$\epsilon_V=\frac{\NV{}}{\NT{}}$] is the vertex efficiency
677   evaluated over the data.
678 \item[$\NA$] is the number of events with a trigger \emph{and} a valid
679   vertex in the selected range
680 \item[$\NV{}$] is the number of events with a trigger \emph{and} a valid
681   vertex. 
682 \item[$\NT$] is the number of events with a trigger.
683 \item[$\NnotV{}=\NT-\NV{}$] is the number of events with a trigger
684   \emph{but no} valid vertex
685 \item[$\alpha=\frac{\NA}{\NV}$] is the fraction of accepted events of
686   the total number of events with a trigger and valid vertex.  
687 \item[$\beta=\N{a}{}+\N{c}{}-\N{e}{}$] is the number of background
688   events \emph{with} a valid off-line trigger. This formula is the
689   simplest case of one bunch crossing per trigger/background
690   class. For more complicated collision setups the fractions in the
691   formula change.
692 \end{description}
693 The two terms under the parenthesis in \eqref{eq:fulleventnorm} refers
694 to the observed number of event $\NA$, and the events missed because
695 of no vertex reconstruction.  Note, for $\beta\ll\NT{}$
696 \eqref{eq:fulleventnorm} reduces to the simpler expression
697 $$
698 \N{X}{} = \frac1{\epsilon_X}\frac1{\epsilon_V}\NA{}
699 $$
700 The trigger efficiency $\epsilon_X$ for a given trigger type $X$ is
701 evaluated from simulations as
702 \begin{align}
703   \epsilon_X = \frac{\N{X\wedge \text{T}}{}}{\N{X}{}}\quad,
704 \end{align}
705 that is, the ratio of number of events of type $X$ with a
706 corresponding trigger to the number of events of type $X$. 
707
708 The final event--normalised charged particle density then becomes 
709 \begin{align}
710   \frac{1}{N}\frac{dN_{\text{ch}}}{d\eta} &= 
711   \frac{1}{\N{X}{}} \int_0^{2\pi} d\varphi
712   \frac{\dndetadphi[\etaphi]}{I(\eta)}
713   \label{eq:eventnormdndeta}
714 \end{align}
715
716 If the trigger $X$ introduces a bias on the measured number of events,
717 then \eqref{eq:eventnormdndeta} need to be modified to 
718 \begin{align}
719   \frac{1}{N}\frac{dN_{\text{ch}}}{d\eta} &= 
720   \frac{1}{\N{X}{}} \int_0^{2\pi} d\varphi
721   \frac{\frac{1}{B\etaphi}\dndetadphi[\etaphi]}{I(\eta)}
722   \label{eq:eventnormdndeta2}\quad,
723 \end{align}
724 where $B\etaphi$ is the bias correction.  This is typically
725 calculated from simulations using the expression 
726 \begin{align}
727   B\etaphi = \frac{\frac{1}{\N{X\wedge
728         \text{T}}{}}\sum_i^{\N{X\wedge \text{T}}{}}
729     \mult[,\text{primary}]\etaphi}{\frac{1}{\N{X}{}}\sum_i^{\N{X}{}}
730     \mult[,\text{primary}]\etaphi}
731 \end{align}
732
733 \section{Systematic Errors} \label{fmdsysterror} 
734 \begin{table} 
735 \centering
736 \begin{tabular}{|c|c|c|}
737 \hline
738  Effect & Magnitude in Pb+Pb analysis & Magnitude in p+p
739  analysis \\
740 \hline
741  Variation of the cuts in sec. \ref{sec:sub:sharing_filter} & 2\%   &  3\% \\
742 \hline
743 Calculation of $\mult$ & 3\%   &  4\% \\
744 \hline
745  Material budget   & 7 \%  & 7 \%  \\
746 \hline
747  Generator    & 2\%  & 2\%   \\
748 \hline
749 Vertex and trigger bias    & N/A  &  3\%  \\
750 \hline
751  Centrality   & 1\% --6\%   & N/A  \\
752 \hline
753  Normalization   & N/A  &  1.3\% - 3\% \\
754 \hline
755 \hline
756 Total in quadrature & 8.2\% -- 10.1\% & 9.4 \% -- 9.8\% \\
757 \hline
758 \end{tabular}
759 \caption[Systematic Errors in the FMD]{The table summarizes the
760   systematic errors in the FMD including the total systematic error
761   obtained by addition in quadrature.} \label{systerrors} 
762 \end{table}
763 The systematic errors on the $\dndeta$ measurement are discussed in detail in 
764 \cite{hhd:2009}. The results for the systematic errors in p+p and
765 Pb+Pb data are shown in table \ref{systerrors}. A short summary of the elements of the table is given here:
766 \begin{itemize}
767 \item The variations of the cuts in section \ref{sec:sub:sharing_filter} are carried out by re--running the analysis with different cuts and taking the observed differences as the contribution to the systematic error.
768 \item To assess the error on the calculation of the multiplcity the two methods for counting particles (see section \ref{sec:sub:density_calculator}) are compared.
769 \item The systematic error on the material budget description was found from simulations with $\pm 10 \%$ increased density.
770 \item Several event generators were used to assess the error from the particular choice of generator in the analysis. The same procedure was used to assess the error from the MC dependent part of the correction for trigger and vertex bias (p+p only). 
771 \item The systematic error on the centrality selection was obtained from variations of the different methods for measuring centrality. 
772 \end{itemize}
773
774 \section{Using the per--event $\dndetadphi[i,v]$ histogram for other
775   analysis} 
776
777 \subsection{Multiplicity distribution} 
778
779 To build the multiplicity distribution for a given $\eta$ range
780 $[\eta_1,\eta_2]$, one needs to find the total multiplicity in that
781 $\eta$ range for each event. To do so, one should sum the
782 $\dndetadphi[i,v]$ histogram over all $\varphi$ and in the selected
783 $\eta$ range.
784 \begin{align}
785   n'_{i[\eta_1,\eta_2]}, &= \int_{\eta_1}^{\eta_2}d\eta\int_0^{2\pi}d\varphi
786   \dndetadphi[i,v]\quad.\nonumber
787 \end{align}
788 However, $n'_i$ is not corrected for the coverage in $\eta$ for the
789 particular vertex range $v$.  One therefor needs to correct for the
790 number of missing bins in the range $[\eta_1,\eta_2]$.  Suppose
791 $[\eta_1,\eta_2]$ covers $N_{[\eta_1,\eta_2]}$ $\eta$ bins, then the acceptance
792 correction is given by 
793 \begin{align}
794   A_{i,[\eta_1,\eta_2]} = \frac{N_{[\eta_1,\eta_2]}}{\int_{\eta_1}^{\eta_2}d\eta\,
795     I_{i,v}(\eta)}\quad.\nonumber
796 \end{align}
797 The per--event multiplicity is then given by 
798 \begin{align}
799   n_{i,[\eta_1,\eta_2]} &= A_{i,[\eta_1,\eta_2]}\,n'_{i,[\eta_1,\eta_2]}\nonumber\\
800   &= \frac{N_{[\eta_1,\eta_2]}}{\int_{\eta_1}^{\eta_2}\eta
801     I_{i,v}(\eta)} \int_{\eta_1}^{\eta_2}d\eta\int_0^{2\pi}d\varphi
802   \dndetadphi[i,v]
803   \label{eq:event_n}
804 \end{align}
805
806 \subsection{Forward--Backward correlations} 
807
808 To do forward--backward correlations, one need to calculate
809 $n_{i,[\eta_1,\eta_2]}$ as shown in \eqref{eq:event_n} in two bins
810 $n_{i,[\eta_1,\eta_2]}$ and $n_{i,[-\eta_2,-\eta_1]}$ \textit{e.g.},
811 $n_{i,f}=n_{i,[-3,-1]}$ and $n_{i,b}=n_{i,[1,3]}$. 
812
813 \clearpage
814 \section{Some results}
815
816 %% \figurename{}s \ref{fig:1} to \ref{fig:3} shows some results.
817 Figures below show some examples \cite{hhd:2009}.  Note these are not
818 finalised plots.
819 \begin{figure}[]
820   \centering
821   \figinput[\textwidth]{results_ppdndeta}
822   \caption{$\dndeta$ for pp for \INEL{} events at
823     $\sqrt{s}=\GeV{900}$, $\sqrt{s}=\TeV{2.76}$, and $\sqrt{s}=\TeV{7}$
824     $\cm{-10}\le v_z\le\cm{10}$, rebinned by a factor 5 \cite{hhd:2009}. 
825     % Middle panel
826     % shows the ratio of ALICE data to UA5, and the bottom panel shows
827     % the ratio of the right (positive) side to the left (negative) side
828     % of the forward $\dndeta$.
829   }
830   \label{fig:1}
831 \end{figure} 
832 \begin{figure}[]
833   \centering
834   \figinput[\textwidth]{results_PbPbdndeta}
835   \caption{$\dndeta$ for Pb+Pb for Minimum Bias events at
836     $\sqrt{s_{NN}}=\TeV{2.76}$ $\cm{-10}\le v_z\le\cm{10}$, rebinned by a
837     factor 5 in 10 centrality intervals \cite{hhd:2009}. 
838 % Middle panel
839 %    shows the ratio of ALICE data to UA5, and the bottom panel shows
840 %    the ratio of the right (positive) side to the left (negative) side
841 %    of the forward $\dndeta$.
842 }
843   \label{fig:2}
844 \end{figure} 
845
846
847 \clearpage
848
849 \section{Analysis for QM 2012 and Paper} \label{prelim}
850 \subsection{Analysis}
851
852 Following the development of the displaced vertex technique for VZERO
853 \cite{maxime} it was decided also to attempt such an analysis with the
854 FMD using exactly the same event selection and centrality selection as
855 the VZERO analysis.
856
857 The analysis described in this note was used successfully on these
858 special events. Three detectors contribute to this measurement: SPD
859 with tracklets covering $-2<\eta<2$ \cite{ruben,Aamodt:2010cz}, VZERO
860 covering $-3<\eta<-1.25$ and $1.25<\eta<5.25$, and FMD covering
861 $-5<\eta<-1.25$ and $1.25<\eta<5.5$. The extended coverage of the
862 VZERO and FMD comes from the positions of the displaced vertices. The
863 full pseudorapidity coverage of the combined measurement is
864 $-5<\eta<5.5$.
865
866 To combine the measurements the individual measurements were weighted
867 by their systematic error before a weighted average was taken to form
868 the final $\dndeta$. The systematic error is calculated as an average
869 in quadrature with a contribution from the residual difference between
870 the measurements.
871
872 Due to the nature of the ZDCvsZEM centrality determination (see
873 \cite{maxime} for details) the centrality selection of the measurement
874 with SPD, VZERO, and FMD is limited to $30\%$ central collisions. The
875 centrality bins considered are thus $0-5\%$, $5-10\%$, $10-20\%$, and
876 $20-30\%$.
877
878 The selected vertices with full pseudorapidity coverage for FMD in
879 this analysis are $\cm{112.5}$, $\cm{150}$, $\cm{187.5}$, $\cm{225}$,
880 $\cm{262.5}$, $\cm{300}$. For vertices $v_z > \cm{300}$ and $v_z <
881 \cm{112.5}$ a cut is imposed in pseudorapidity to only accept data
882 with $|\eta| > 4$ to avoid regions in ALICE known to have issues with
883 the material budget description.
884
885 \subsection{Analysis Performance}
886
887 This section includes some plots to assess the validity of the
888 analysis. This includes comparisons between the measurements used
889 (SPD, VZERO, and FMD) and $\dndphi$ from the FMD.
890
891 Figure \ref{coverage} shows the pseudorapidity coverage of the FMD
892 when using FMD1 and FMD2I as a function of vertex with displaced
893 vertices.
894 \begin{figure}[hbp]
895   \centering
896   \figinput[\textwidth]{performance_coverage}
897   \caption{Pseudorapidity coverage of the FMD as a function of vertex
898     with displaced vertices.}
899   \label{coverage}
900 \end{figure} 
901
902 Figure \ref{spdfmdvzero} shows the results of the measurements of the
903 SPD, VZERO, and FMD. It is seen that there is good agreement between
904 the three different measurements albeit residual differences of up to
905 $6 \%$ remain.
906 \begin{figure}[hbp]
907    \centering
908   \figinput[\textwidth]{performance_spdfmdvzero}
909   \caption{$\dndeta$ measured with nominal vertices with the SPD and
910     displaced vertices with VZERO and FMD. It is seen that there is
911     good agreement between the measurements.}
912   \label{spdfmdvzero}
913 \end{figure} 
914
915 Figure \ref{ratiofmdvzero} shows the ratios of the measurements of FMD
916 and VZERO to the combined measurement and to the SPD measurement. It
917 is seen that the residual differences are small and there is good
918 agreement between the three different measurements.
919 \begin{figure}
920   \centering
921   \begin{minipage}{0.5\linewidth}
922     \centering
923     \figinput[\textwidth]{performance_ratio_tocombined}
924   \end{minipage}%
925   \begin{minipage}{0.5\linewidth}
926     \centering
927     \figinput[\textwidth]{performance_ratio_tospd}
928   \end{minipage}%
929   \caption{Left: Ratio of FMD and VZERO measurements to the combined
930     $\dndeta$ measured with SPD, VZERO and FMD. Right: Ratios of FMD
931     and VZERO measurement to SPD measurement in regions of
932     overlap. It is worth pointing out that the residual differences
933     can come from the fact that the VZERO analysis uses SPD for
934     absolute calibration while the FMD analysis does not. This means that the
935     centrality determination for displaced vertices will affect the
936     FMD analysis the most because the VZERO analysis has an additional
937   constraint from the SPD analysis that uses the ZDCvsZEM centrality
938   at midrapidity where it can be crosschecked with other means of
939   centrality determination. Such a crosscheck is not possible elsewhere.}
940   \label{ratiofmdvzero}
941 \end{figure} 
942
943 Since $\dndeta$ is an average taken over $\varphi$ it is instructive
944 to consider $\dndphi$ to check that these distributions are flat as
945 they should be. Figure \ref{dndphi_pos} shows examples of the
946 $\dndphi$ distributions for FMD1. Figure \ref{dndphi_neg} shows
947 examples from FMD2 (inner ring). The two low points at $\varphi \sim
948 5.5$ in Figure \ref{dndphi_neg} are understood as coming from two
949 dying chips in FMD2I. They are considered dead in the final analysis
950 and corrected for. It is seen that the trends are quite flat within
951 $\sim 5\%$ as expected. The same trend is observed for all the
952 distributions.
953
954 \begin{figure}
955   \centering
956   \figinput[\textwidth]{performance_dndphi_fmd1}
957   \caption{Examples of $\dndphi$ from FMD1 (positive
958     pseudorapidities). The distributions are essentially flat.}
959   \label{dndphi_pos}
960 \end{figure} 
961
962 \begin{figure}
963   \centering
964   \figinput[\textwidth]{performance_dndphi_fmd2}
965   \caption{Examples of $\dndphi$ from FMD2I (negative
966     pseudorapidities). The two low points at $\varphi \sim 5.5$ are
967     understood as the result of two dying chips in FMD2I. They are
968     considered dead in the final analysis and corrected for
969     accordingly. Apart from these points, the distributions are
970     essentially flat.}
971   \label{dndphi_neg}
972 \end{figure} 
973
974 Figure \ref{pervertex} shows the analysis performed for each
975 vertex. The material budget effects for vertices $<\cm{112.5}$ are
976 clearly seen.
977
978 \begin{figure}
979   \centering
980   \figinput[0.8\textwidth]{performance_pervertex_negfield}
981   \figinput[0.8\textwidth]{performance_pervertex_posfield}
982 %\end{minipage}%
983   \caption{Top: Analysis per vertex for negative field data. Bottom:
984     Analysis per vertex for positive field data. In the two plots the
985     vertices where the full coverage is used are shown in blue. For
986     the red and green points there a cut is applied for the
987     pseudorapidity so that only points with $|\eta|>4$ are used in the
988     analysis.}
989 \label{pervertex}
990 \end{figure} 
991
992 Figure \ref{leftright} shows the ratio of the postive and negative
993 pseudorapidities for the FMD. It is seen that there are discrepancies
994 of up to $\sim 5 \%$.
995 \begin{figure}
996   \centering
997   \figinput[0.7\textwidth]{performance_ratio_leftright}
998   \caption{Ratios of the positive and negative pseudorapidities for
999     the FMD (ratio is negative over positive). The grey band indicates
1000     the combined systematic error for FMD1I and FMD2I assuming
1001     excluding all contributions from event selection and material
1002     budget (i.e. the minimum systematic error between FMD1I and
1003     FMD2I).}  \label{leftright}
1004 \end{figure} 
1005
1006 \subsection{Results}
1007
1008 This section summarizes the final results of the analysis and includes
1009 the figures for approval.
1010
1011 Figure \ref{combineddndeta} shows the combined $\dndeta$ from SPD,
1012 VZERO, and FMD in the full pseudorapidity range of $-5<\eta<5.5$.
1013
1014 \begin{figure}
1015   \centering
1016   \figinput[\textwidth]{results_PbPbdndeta_sat}
1017   \caption{Request for ALICE preliminary: Combined $\dndeta$ measured
1018     with SPD, VZERO and FMD. The VZERO and FMD measurements are made
1019     with displaced vertices and the SPD measurement is made at the
1020     nominal vertex. The fits are fits to a function $f(\eta) = A\exp
1021     (\frac{\eta -a_1}{2 a_2^2}) - B\exp (\frac{\eta -b_1}{2 b_{2}^2})$
1022     i.e. a Gaussian centered on $ \eta = 0$ subtracted from a similar
1023     Gaussian.}
1024   \label{combineddndeta}
1025 \end{figure} 
1026
1027 Figure \ref{dndetaoverNpart} shows $dN/d\eta/(N_{part}/2)$ based on
1028 figure \ref{combineddndeta} and data taken from \cite{Aamodt:2010cz}.
1029 \begin{figure}
1030   \centering
1031   \figinput[\textwidth]{results_PbPbnpart_sat}
1032   \caption{Request for ALICE preliminary: The $dN/d\eta/(N_{part}/2)$
1033     measured with SPD, VZERO and FMD. The VZERO and FMD measurements
1034     are made with displaced vertices and the SPD measurement is made
1035     at the nominal vertex. The values of $N_{part}$ and the
1036     measurement at $-0.5<\eta<0.5$ taken from \cite{Aamodt:2010cz}.}
1037   \label{dndetaoverNpart}
1038 \end{figure} 
1039
1040 Using figure \ref{dndetaoverNpart}, figure \ref{RatiodndetaoverNpart}
1041 is constructed. It shows the ratios of $dN/d\eta/(N_{part}/2)$ in the
1042 following $\eta$ bins: $0.5<\eta<1.5$, $1.5<\eta<2.5$, $2.5<\eta<3.5$,
1043 $3.5<\eta<4.5$, and $4.5<\eta<5.5$ to the published
1044 $dN/d\eta/(N_{part}/2)$ at $-0.5<\eta<0.5$. These ratios are found to
1045 be flat for all pseudorapidity intervals.
1046
1047 \begin{figure}
1048   \centering
1049   \figinput[\textwidth]{results_PbPbnpart_ratio}
1050   \caption{Request for ALICE preliminary: Ratios of
1051     $dN/d\eta/(N_{part}/2)$ at $0.5<\eta<1.5$, $1.5<\eta<2.5$,
1052     $2.5<\eta<3.5$, $3.5<\eta<4.5$, and $4.5<\eta<5.5$ to the
1053     published $dN/d\eta/(N_{part}/2)$ at $-0.5<\eta<0.5$. The ratios
1054     are found to be flat for all the pseudorapidity intervals.}
1055   \label{RatiodndetaoverNpart}
1056 \end{figure} 
1057
1058 With the analysis presented in figure \ref{combineddndeta} it is also
1059 possible to study longitudinal scaling from LHC to RHIC
1060 energies. Figure \ref{longscaling} shows $\dndeta$ as a function of
1061 $y'=\eta-y_{beam}$ from Figure \ref{combineddndeta} and results from
1062 the BRAHMS\cite{Bearden:2001qq} and PHOBOS\cite{Alver:2010ck}
1063 experiments at RHIC. From the figure it is seen that with the wide
1064 coverage of the SPD, VZERO, and FMD measurement it is indeed likely
1065 that longitudinal scaling exist from RHIC to LHC energies.
1066
1067 \begin{figure}
1068   \centering
1069   \figinput[\textwidth]{results_PbPblongscaling_sat}
1070   \caption{Request for ALICE preliminary: Study of Longitudinal
1071     scaling. $\dndeta$ as a function of $y'=\eta-y_{beam}$ from Figure
1072     \ref{combineddndeta} and the BRAHMS\cite{Bearden:2001qq} and
1073     PHOBOS\cite{Alver:2010ck} experiments at RHIC. The fits are the
1074     function from figure \ref{combineddndeta} and a straight line
1075     ending in $\eta=y_{beam}$. From the figure it seems likely that
1076     longitudinal scaling exists from RHIC to LHC energies.}
1077   \label{longscaling}
1078 \end{figure} 
1079
1080 Finally the total number of produced charged particles,
1081 $N_{ch}=\int^{y_{beam}}_{-y_{beam}}\dndeta d\eta$, has
1082 been calculated from the fits in Figure \ref{combineddndeta}. The
1083 obtained values of $N_{ch}$ versus $N_{part}$ are shown in figure
1084 \ref{totalNch}. The systematic errors on $N_{ch}$ have been assessed
1085 by the procedure of varying fit functions discussed in \cite{maxime}.
1086
1087 \begin{figure}
1088   \centering
1089   \figinput[\textwidth]{results_PbPbtotalnch_sat}
1090   \caption{Request for ALICE preliminary: Total number of charged
1091     particles, $N_{ch}=\int^{y_{beam}}_{-y_{beam}}\dndeta d\eta$,
1092     obtained from the fitted function in figure
1093     \ref{combineddndeta}. The systematic errors on this plot were
1094     assessed by variation of the fit function as described in \cite{maxime}.}
1095   \label{totalNch}
1096 \end{figure} 
1097
1098 \subsection{Comparison to old Preliminary}
1099
1100 At QM 2011 figures were approved for preliminary status and
1101 shown. Roughly six months later it was found that the execution of the
1102 FMD analysis had a flaw\footnote{A boolean variable was wrong in a
1103   configuration macro for FMD.} which caused the results to be lower
1104 than what they should be. The top panel of Figure
1105 \ref{prelimcomparison} shows a comparison between the distribution in
1106 Figure \ref{combineddndeta} and the preliminary (ALI-PREL-2536) shown
1107 at QM 2011. The top panel shows the same comparison with the proper
1108 FMD distribution instead of the incorrect one. It is clear that the
1109 agreement observed between VZERO, SPD, and FMD at QM 2011 does not
1110 hold with the FMD analysis run properly for nominal vertices.
1111
1112 \begin{figure}
1113   \centering
1114   \begin{minipage}{0.5\linewidth}
1115     \centering
1116     \figinput[\textwidth]{oldprelim_wrong}
1117   \end{minipage}%
1118   \begin{minipage}{0.5\linewidth}
1119     \centering
1120     \figinput[\textwidth]{oldprelim_right}
1121   \end{minipage}%
1122   \caption{Left: Comparison of new combined $\dndeta$ to the data
1123     shown at QM 2011. Right: The same comparison with the properly run
1124     FMD analysis at nominal vertices (`FMD Hits'). The difference is
1125     clearly seen around $|\eta| \sim 2$.}
1126   \label{prelimcomparison}
1127 \end{figure} 
1128
1129 \subsection{Summary of Systematic Errors}
1130
1131 Table \ref{combinedsyst} shows the various sources of systematic
1132 errors for the combined measurement of VZERO, SPD, and FMD collected
1133 from Table \ref{fmdsysterror}, \cite{maxime}, and
1134 \cite{ruben,Aamodt:2010cz}. The `common' section of the table refers
1135 to source of systematic errors identified as common in the different
1136 measurements. These errors were evaluated for the displaced vertices
1137 analysis in the following way:
1138 \begin{itemize}
1139 \item Centrality errors come from variation in the parameters used in
1140   the scaling of the ZEM signal (see \cite{maxime}).
1141 \item Material budget errors were estimated by analyzing a simulation
1142   and adding a weight of $0.9$ or $1.1$ to all physical processes
1143   except decays for all secondary particles. This approach was used in
1144   the absence of suitable ALICE simulation productions.
1145 \item $p_T$ weights were developed to assess the effect of the
1146   difference in $p_T$ spectra measured by ALICE and in the HIJING
1147   generator.
1148 \end{itemize}
1149
1150 \begin{table} 
1151   \centering
1152   \begin{tabular}{|c|c|}
1153     \hline
1154     Source of Error & Magnitude   \\
1155     \hline
1156     Common   &   \\
1157     \hline
1158     Centrality  & 1-4\%    \\
1159     \hline
1160     $p_T$ weights (FMD+VZERO)  & 2\%   \\
1161     \hline
1162     % Strangeness Enhancement  & 1\%    \\
1163     % \hline
1164     Material budget(FMD+VZERO)  & 4\%    \\
1165     \hline
1166     Generator  & 2\%    \\
1167     \hline
1168     SPD   &   \\
1169     \hline
1170     Background Subtraction & 0.1\%-2\%    \\
1171     \hline
1172     Particle Mix & 1\%   \\
1173     \hline
1174     Weak Decays & 1 \%   \\
1175     \hline
1176     Extrapolation to zero $p$ & 2\%    \\
1177     \hline
1178     VZERO &   \\
1179     \hline
1180     Fluctuation between rings & 3\%   \\
1181     \hline
1182     Normalization & 3\%-4\%   \\
1183     \hline
1184     FMD  &  \\
1185     \hline
1186     Variation of Cuts    &  2\%  \\
1187     \hline
1188     Calculation of Multiplicity    &  3\%  \\
1189     \hline
1190   \end{tabular}
1191   \caption[Combined Systematic Errors]{The table summarizes the
1192     systematic errors in the SPD\cite{ruben,Aamodt:2010cz},
1193     VZERO\cite{maxime}, and FMD\cite{hhd:2009}.} \label{combinedsyst}  
1194 \end{table}
1195
1196 The errors are obtained using variation of the quantities studied in
1197 MC simulations. In particular the studies of the dependence on the
1198 material budget are carried out with special MC simulations where the
1199 material density of ALICE is increased.
1200
1201 \subsection{Technical Details}
1202
1203 Here, the technical aspects of the analysis are described. The SPD
1204 analysis was done on run 137366, reconstruction pass 2 while the FMD
1205 and VZERO analysis were carried out on a total of 126 runs (46 with
1206 negative field and 80 with positive field) to obtain the necessary
1207 statistics for the displaced vertices. These runs were selected to be
1208 of good quality for VZERO, SPD, FMD, and ZDC. These data were also
1209 from pass 2 reconstruction.
1210
1211 The AliRoot version for SPD is: \textbf{v5-03-24-AN}, for VZERO:
1212 \textbf{v5-03-28-AN}, and for FMD: \textbf{v5-03-26-AN}.
1213
1214 For the analysis of the displaced vertices presented here the
1215 production LHC12c2 was used (the simulation was done with an anchor
1216 run for each field polarity). This production includes the latest
1217 version (as of July 2012) of the ALICE geometry and alignment.
1218
1219 There is a twiki page for the paper using this analysis:
1220 \url{https://twiki.cern.ch/twiki/bin/viewauth/ALICE/PWGLFGeoPbPbdNdeta}.
1221 \clearpage
1222 %% \currentpdfbookmark{Appendices}{Appendices}
1223 \appendix 
1224 \section{Nomenclature} 
1225 \label{app:nomen}
1226
1227 \begin{table}[hbp]
1228   \centering
1229   \begin{tabular}[t]{|lp{.8\textwidth}|}
1230     \hline 
1231     \textbf{Symbol}&\textbf{Description}\\
1232     \hline 
1233     \INEL & In--elastic event\\ 
1234     \INELONE & In--elastic event with at least one tracklet in the
1235     \SPD{} in the region $-1\le\eta\le1$\\ 
1236     \NSD{} & Non--single--diffractive event.  Single diffractive
1237     events are events where one of the incident collision systems
1238     (proton or nucleus) is excited and radiates particles, but there
1239     is no other processes taking place\\ 
1240     \hline
1241     $\NT{}$ & Number of events with a valid trigger\\
1242     $\NV{}$ & Number of events with a valid trigger \emph{and} a valid
1243     vertex.\\  
1244     $\NA{}$ & Number of events with a valid trigger
1245     \emph{and} a valid vertex \emph{within} the selected vertex range.\\ 
1246     $\N{a,c,ac,e}{}$ & Number of events with background triggers $A$,
1247     $B$, $AC$, or $E$, \emph{and} a valid off-line trigger of the
1248     considered type.   Background triggers are typically flagged with
1249     the trigger words \texttt{CINT1-A},  \texttt{CINT1-C},
1250     \texttt{CINT1-AC}, \texttt{CINT1-E}, or similar.\\
1251     \hline
1252     $\mult{}$ & Charged particle multiplicity\\ 
1253     $\mult[,\text{primary}]$ & Primary charged particle multiplicity
1254     as given by simulations\\ 
1255     $\mult[,\text{\FMD{}}]$ & Number of charged particles that hit the
1256     \FMD{} as given by simulations\\ 
1257     $\mult[,t]$ & Number of charged particles in an \FMD{} strip as
1258     given by evaluating the energy response functions $F$\\ 
1259     \hline
1260     $F$ & Energy response function (see \eqref{eq:energy_response})\\
1261     $\Delta_{mp}$ & Most probably energy loss\\ 
1262     $\xi$ & `Width' parameter of a Landau distribution\\
1263     $\sigma$ & Variance of a Gaussian distribution\\ 
1264     $a_i$ & Relative weight of the $i$--fold MIP peak in the energy
1265     loss spectra.\\ 
1266     \hline
1267     $\Corners{}$ & Azimuthal acceptance of strip $t$\\ 
1268     $\SecMap{}$ & Secondary particle correction factor in $\etaphi$
1269     for a given vertex bin $v$\\  
1270     $\DeadCh{}$ & Acceptance in $\etaphi$ for a given vertex bin $v$\\ 
1271     \hline
1272     $\dndetadphi[incl,r,v,i]$ & Inclusive (primary \emph{and}
1273     secondary) charge particle density in event $i$ with vertex $v$,
1274     for \FMD{} ring $r$.\\ 
1275     $\dndetadphi[r,v,i]$ & Primary charged particle
1276     density in event $i$ with vertex $v$ for \FMD{} ring $r$. \\
1277     $\dndetadphi[v,i]$ & Primary charged particle density in event $i$
1278     with vertex $v$\\  
1279     $I_{v,i}(\eta)$ & $\eta$ acceptance of event $i$ with vertex $v$\\ 
1280     $I(\eta)$ & Integrated $\eta$ acceptance over $\NA$ events.
1281     Note, that this has a value of $\NA$ for $(\eta)$ bins where we
1282     have full coverage\\ 
1283     \hline 
1284     $X_t$ & Value $X$ for strip number $t$ (0-511 for inner rings,
1285     0-255 for outer rings)\\ 
1286     $X_r$ & Value $X$ for ring $r$ (where rings are \FMD{1i},
1287     \FMD{2i}, \FMD{2o}, \FMD{3o}, and \FMD{3i} in decreasing $\eta$
1288     coverage).\\ 
1289     $X_v$ & Value $X$ for vertex bin $v$ (typically 10 bins from -10cm
1290     to +10cm)\\ 
1291     $X_i$ & Value $X$ for event $i$\\
1292     \hline
1293   \end{tabular}
1294   \caption{Nomenclature used in this document}
1295   \label{tab:nomenclature}
1296 \end{table}
1297 \clearpage
1298
1299
1300 \section{Second pass example code}
1301 \label{app:exa_pass2}
1302 \lstset{basicstyle=\small\ttfamily,% 
1303   keywordstyle=\color[rgb]{0.627,0.125,0.941}\bfseries,% 
1304   identifierstyle=\color[rgb]{0.133,0.545,0.133}\itshape,%
1305   commentstyle=\color[rgb]{0.698,0.133,0.133},%
1306   stringstyle=\color[rgb]{0.737,0.561,0.561},
1307   emph={TH2D,TH1D,TFile,TTree,AliAODForwardMult},emphstyle=\color{blue},%
1308   emph={[2]dndeta,sum,norm},emphstyle={[2]\bfseries\underbar},%
1309   emph={[3]file,tree,mult,nV,nBg,nA,nT,i,gSystem},emphstyle={[3]},%
1310   language=c++,%
1311 }
1312 \begin{lstlisting}[caption={Example 2\textsuperscript{nd} pass code to
1313     do $\dndeta$},label={lst:example},frame=single,captionpos=b]
1314 void Analyse(int mask=AliAODForwardMult::kInel,
1315              float vzLow=-10, float vzHigh=10, float trigEff=1)
1316
1317   gSystem->Load("libANALYSIS.so");      // Load analysis libraries
1318   gSystem->Load("libANALYSISalice.so"); // General ALICE stuff
1319   gSystem->Load("libPWGLFforward2.so");  // Forward analysis code
1320
1321   int                nT      = 0;              // # of ev. w/trigger
1322   int                nV      = 0;              // # of ev. w/trigger&vertex
1323   int                nA      = 0;              // # of accepted ev.
1324   int                nBg     = 0;              // # of background ev
1325   TH2D*              sum     = 0;              // Summed hist
1326   AliAODForwardMult* mult    = 0;              // AOD object
1327   TFile*             file    = TFile::Open("AliAODs.root","READ");
1328   TTree*             tree    = static_cast<TTree*>(file->Get("aodTree"));
1329   tree->SetBranchAddress("Forward", &forward); // Set the address
1330
1331   for (int i = 0; i < tree->GetEntries(); i++) { 
1332     // Read the i'th event 
1333     tree->GetEntry(i);
1334
1335     // Create sum histogram on first event - to match binning to input
1336     if (!sum) 
1337       sum = static_cast<TH2D*>(mult->GetHistogram()->Clone("d2ndetadphi"));
1338     
1339     // Calculate beta=A+C-E
1340     if (mult->IsTriggerBits(mask|AliAODForwardMult::kA))    nBg++;
1341     if (mult->IsTriggerBits(mask|AliAODForwardMult::kC))    nBg++;
1342     if (mult->IsTriggerBits(mask|AliAODForwardMult::kE))    nBg--;
1343
1344     // Other trigger/event requirements could be defined 
1345     if (!mult->IsTriggerBits(mask)) continue; 
1346     nT++;
1347
1348     // Check if we have vertex and select vertex range (in centimeters) 
1349     if (!mult->HasIpZ()) continue;
1350     nV++;
1351     
1352     if (!mult->InRange(vzLow, vzHigh) continue; 
1353     nA++;
1354
1355     // Add contribution from this event
1356     sum->Add(&(mult->GetHistogram()));
1357   }
1358
1359   // Get acceptance normalisation from underflow bins 
1360   TH1D* norm   = sum->ProjectionX("norm", 0, 0, "");
1361   // Project onto eta axis - _ignoring_underflow_bins_!
1362   TH1D* dndeta = sum->ProjectionX("dndeta", 1, -1, "e");
1363   // Normalize to the acceptance, and scale by the vertex efficiency 
1364   dndeta->Divide(norm);
1365   dndeta->Scale(trigEff * nT/nV / (1 - nBg/nT), "width");
1366   // And draw the result
1367   dndeta->Draw();
1368 }
1369 \end{lstlisting}
1370
1371 \section{$\Delta E$ fits} 
1372 \label{app:eloss_fits}
1373
1374 \begin{figure}[htbp]
1375   \centering
1376   \figinput[\textwidth]{eloss_fits}
1377   \caption{Summary of energy loss fits in each $\eta$ bin (see also
1378     \secref{sec:sub:sub:eloss_fits}).
1379     \newline
1380     On the left side: Top panel shows the
1381     reduced $\chi^2$, second from the top shows the found
1382     scaling constant, 3\textsuperscript{rd} from the top is
1383     the most probable energy loss $\Delta_{mp}$, 4\textsuperscript{th}
1384     shows the width parameter $\xi$ of the Landau, and the
1385     5\textsuperscript{th} is the Gaussian width $\sigma$.
1386     $\Delta_{mp}$, $\xi$, and $\sigma$ have units of $\Delta E/\Delta
1387     E_{mip}$. 
1388     \newline
1389     On the right: The top panel shows the maximum number of
1390     multi--particle signals that where fitted, and the 4 bottom panels
1391     shows the weights $a_2,a_3,a_4,$ and $a_5$ for 2, 3, 4, and 5
1392     particle responses.}
1393   \label{fig:eloss_fits}
1394 \end{figure}
1395
1396 \clearpage
1397 \currentpdfbookmark{References}{References}
1398 \begin{thebibliography}{99}
1399 \bibitem{FWD:2004mz} \ALICE{} Collaboration, Bearden, I.~G.\
1400   \textit{et al} \textit{ALICE technical design report on forward
1401     detectors: FMD, T0 and V0}, \CERN{}, 2004, CERN-LHCC-2004-025
1402 \bibitem{cholm:2009} Christensen, C.~H., \textit{The ALICE Forward
1403     Multiplicity Detector --- From Design to Installation},
1404   Ph.D.~thesis, University of Copenhagen, 2009,
1405   \url{http://www.nbi.dk/~cholm/}.
1406 \bibitem{maxime} Guilbaud, M. \textit{et al}, \textit{Measurement of
1407     the charged-particle multiplicity density at forward rapidity with
1408     ALICE VZERO detector in central Pb-Pb collision at
1409     $\sqrt{s_{NN}}=\TeV{2.76}$}, ALICE internal note, 2012,
1410   \url{https://aliceinfo.cern.ch/Notes/node/17/}.
1411 \bibitem{nim:b1:16}
1412 %% \bibitem{Hancock:1983ry}
1413   S.~Hancock, F.~James, J.~Movchet {\it et al.}, ``Energy Loss
1414   Distributions For Single Particles And Several Particles In A Thin
1415   Silicon Absorber,'' Nucl.\ Instrum.\ Meth.\ \textbf{B1} (1984) 16,
1416   \url{http://cdsweb.cern.ch/record/147286/files/cer-000058451.pdf}.
1417 \bibitem{phyrev:a28:615} 
1418   %% \bibitem{Hancock:1983fp}
1419   S.~Hancock, F.~James, J.~Movchet {\it et al.}, ``Energy Loss And
1420   Energy Straggling Of Protons And Pions In The Momentum Range
1421   0.7-gev/c To 115-gev/c,'' Phys.\ Rev.\ \textbf{A28} (1983) 615,
1422   \url{http://cdsweb.cern.ch/record/145395/files/PhysRevA.28.615.pdf}.
1423 \bibitem{hhd:2009} Dalsgaard, H.~H., \textit{Pseudorapidity Densities
1424     in p+p and Pb+Pb collisions at LHC measured with the ALICE
1425     experiment}, Ph.D.~thesis, University of Copenhagen, 2011,
1426   \url{http://www.nbi.dk/~canute/thesis.pdf}.
1427 \bibitem{ruben} Shahoyan, R. \textit{Determination of $\dndeta$ in
1428     Pb-Pb collision at 2.76 A TeV with SPD tracklets}, ALICE internal
1429   note 2012, \url{https://aliceinfo.cern.ch/Notes/node/59/}.
1430 \bibitem{Aamodt:2010cz} K.~Aamodt {\it et al.}  [ALICE Collaboration],
1431   %``Centrality dependence of the charged-particle multiplicity
1432   %density at mid-rapidity in Pb-Pb collisions at sqrt(sNN) = 2.76
1433   %TeV,''
1434   Phys.\ Rev.\ Lett.\  {\bf 106} (2011) 032301
1435   [arXiv:1012.1657 [nucl-ex]].
1436   %%CITATION = ARXIV:1012.1657;%%
1437 \bibitem{Bearden:2001qq} I.~G.~Bearden {\it et al.}  [BRAHMS
1438   Collaboration],
1439   %``Pseudorapidity distributions of charged particles from Au+Au
1440   %collisions at the maximum RHIC energy,''
1441   Phys.\ Rev.\ Lett.\ {\bf 88} (2002) 202301 [nucl-ex/0112001].
1442   %%CITATION = NUCL-EX/0112001;%%
1443 \bibitem{Alver:2010ck} B.~Alver {\it et al.}  [PHOBOS Collaboration],
1444   % ``Phobos results on charged particle multiplicity and
1445   % pseudorapidity distributions in Au+Au, Cu+Cu, d+Au, and p+p
1446   % collisions at ultra-relativistic energies,''
1447   Phys.\ Rev.\ C {\bf 83} (2011) 024913 [arXiv:1011.1940 [nucl-ex]].
1448   %%CITATION = ARXIV:1011.1940;%%
1449 \end{thebibliography}
1450 \end{document}
1451
1452 % Local Variables:
1453 %   ispell-local-dictionary: "british"
1454 %   TeX-PDF-mode: t
1455 % End:
1456 %
1457 % LocalWords:  tracklet diffractive IsTriggerBits AliAODForwardMult ProjectionX