久保田 隆至(メルボルン大学)...
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Measurement of the Weak Boson Production Cross Section in the Events with Muons in Proton-Proton Collisions at √s = 7 TeV with the ATLAS Detector. 久保田 隆至(メルボルン大学) 2012年日本物理学会若手奨励賞記念講演 2012 / 03 / 24. ATLAS 実験が 2010 年 3 月、物理データ取得開始 現在まで 約5 fb -1 のデータを収集 → SM Higgs の 探索などで 物理結果を報告 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Measurement of the Weak Boson Production Cross Section in the Events with Muons
in Proton-Proton Collisions at √s = 7 TeV with the ATLAS Detector
久保田 隆至(メルボルン大学)2012年日本物理学会若手奨励賞記念講
演2012 / 03 / 24
• ATLAS 実験が 2010 年 3 月、物理データ取得開始○ 現在まで約 5 fb-1 のデータを収集→ SM Higgs の探索などで物理結果を報告
• 本研究: 2010 年 4 月から 7 月までの 4 ヶ月間のデータ○ 約 300 nb-1 の結果○ ATLAS 実験最初期の物理結果のひとつ→ 検出器を理解しながら、標準模型を再発見していた時期
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 2
講演の概要
• 研究の背景、目的、内容• 測定手法• 実験装置
○ LHC 加速器○ ATLAS 検出器
• 測定の結果○ ミューオントリガー効率○ W→mn 事象の断面積○ Z→mm 事象の断面積
• 結論
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 3
研究の背景、目的、内容
• 研究の背景○ LHC :世界最高エネルギーの加速器 → PDF などの陽子陽子衝突の構造がどうなっているのか知らない → どの程度理解できてるか実験初期に見積もっておくことは、その後の全ての解析において重要○ 理論的不定性の少ない W / Z 粒子の生成断面積測定は良いプローブ
• 研究の目的○ 世界最高エネルギー(√ s = 7 TeV :当時)での pp 衝突における W / Z
粒子の生成断面積を測定し、理論予想と一致するかを検証する
• 研究の内容○ クリーンなミューオンチャンネルへの崩壊を見る → LHC 加速器の pp 衝突で生成される Z→mm 、 W→mn 事象の断面積の測定
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 4
pp ( pp )衝突でのウィークボソン生成断面積測定• レプトンに崩壊するモードでの測定結果
○ SppS (CERN): UA1 実験、 UA2 実験 √ s = 0.63 TeV○ Tevatoron (Fermilab): CDF 実験、 D0 実験 √ s = 1.8, 1.96 TeV○ RHIC (BNL): PHENIX 実験 √ s = 0.5 TeV
• LHC (CERN): ATLAS 実験 √ s = 7 TeV
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ATLAS ATLASZ→llW→ln
TevatoronTevatoron
PHENIX
SppSSppS
• Next-to-Next-to leading order (NNLO) 精度の計算
• PDF (MSTW 2008 NNLO) + パートン断面積 (FEWZ) :系統誤差 5 %○ PDF の不定性
– as ( 0.1145 ~ 0.1176 )由来 : < 2.5 %– Fitting parameter 由来 (90 % C.L.): < 3.5 %
○ 断面積計算の不定性– Renormalization and factorization scale 由来 : < 1.0 %
MSTW NNLO 2008 (68 % C.L)
生成断面積計算の不定性
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演Z rapidity
C. Anastasiou et al.[arXiv:hep-ph/0312266]
6
GeV) 116 M (66 nb.05.096.0)(σnb.52.046.10)(σ
ZBRWBR
Z
W n
Graeme Watt[arXiv:1201.1295]
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 7
測定手法
生成断面積測定手法
• Nsig – シグナル領域に残った事象数• Nbg – シグナル領域の背景事象の推定数• A ( acceptance ) –
geometrical / kinematical acceptance (MC シミュレーション )• C ( correction factor ) – 事象再構成の効率 (MC シミュレー
ション )• Lint – 積分ルミノシティ
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 8
各要素を測定し組み合わせる
MCで算出、 Cには実データ測定の補正
• Van der Meer Scan でビームの断面のプロファイルを測定• 加速器の設定値と合わせてルミノシティを算出
ルミノシティ測定
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演
z
LUCID 検出器:
Beampipe
Al. tubes filled with C4F10
5.5 < |h| < 6.0, |z| = 17 mカウンティング系統誤差: 5 %
x
9
int
bgsig
LCANN
xy 断面のプロファイル
Van der Meer Scan ( x – y 2 次元)pp 非弾性散乱の計数
DxDx
加速器の設定値
系統誤差:11 %ATLAS collaboration[arXiv:1101.2185]
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 10
実験装置
LHC 加速器
• 世界最高エネルギー√ s = 7 TeV (当時)の陽子陽子衝突型加速器(デザイン値: 14 TeV )
• ルミノシティ :1032 cm-2s-1 を達成(デザイン値: 1034cm-2s-1 )
• 4 つの大型検出器
○ ATLAS 、 CMS 、 LHCb 、 ALICE
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ATLAS 検出器
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演
内部飛跡検出器( ID ) (|h|<2.5, r< 1150mm, B=2T): • シリコンピクセル検出器• シリコンストリップトラッカー• TRT 検出器/pT ~ 0.05 % ×pT (GeV) 1 %
ミューオン検出器 (|h|<2.7, 5m < r < 10m) : 空芯トロイド磁場 + トリガー、トラッキングチェンバー
電磁カロリメータ (|h| < 3.2, 1500mm < r < 1970mm): Pb-LAr アコーディオンエネルギー分解能 : /E ~ 10 %/E 0.7 %
Proton(3.5TeV)
Proton(3.5TeV)
12
ハドロンカロリーメータ (|h|<4.9, 2280mm < r < 4250mm):• 鉄・シンチレータータイル (|h| < 1.7)• Cu / W-LAr (|h| > 1.7)エネルギー分解能 :/E ~ 50 %/E 3 %
x
y
z
○ 右手系○ h = -ln (tan(θ/2))
内部飛跡検出器( Inner Detector: ID )
• ソレノイド磁場 ( 2.0 T )• 3種類の飛跡検出器
○ Pixel Detectors (Pixel)– |h| < 2.5– 3 ヒット / track– チャンネル分解能:
10mm (Rf), 115mm (z)○ Semiconductor Trackers (SCT)
– |h| < 2.5– 8 ヒット / track– チャンネル分解能:
17mm (Rf), 580mm (z)○ Transition Radiation Tubes (TRT)
– |h| < 2.0– 36 ヒット / track– チャンネル分解能: 130mm
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衝突点z
ミューオン検出器( Muon Spectrometer:MS )
• トロイド磁場• 三層構造( Inner + Middle + Outer )• 飛跡検出器( |h| < 2.7 )
○ Monitored Drift Tubes ( MDT )– |h| < 2.7– チャンネル分解能: 80mm
○ Cathode Strip Chambers ( CSC )– 2.0 < |h| < 2.7 for inner only– チャンネル分解能: 60mm
• トリガー検出器( |h| < 2.4 )○ Thin Gap Chamber ( TGC )
– 1.05 < |h| < 2.4○ Resistive Plate Chamber ( RPC )
– |h| < 1.05
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演
|h| = 1.05
14
m
m+
ドリフトチューブ
z
ミューオン飛跡再構成
• ID トラック○ 運動量分解能が良い
• MS トラック○ ミューオン検出器でミューオンと識別されている
• コンバインドトラック○ ID と MS のトラックをつなぐ○ 運動量分解能の良いミューオン
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 15
ミューオントリガー• ヒットコインシデンス
○ 3層( R1, 2, 3 or TGC1, 2, 3 )○ 2 次元座標( h f )
• 曲率の見積り( dhdf )○ d :仮想無限大運動量トラックとのズレ
• pT閾値レベルの算出○ dhdf情報を LUT ( look up table )で統合
(コインシデンスマトリックス)○ pT閾値レベルの決定( 6段階)
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 16
d
衝突点
衝突点へ
ミューオン
• 実験データ○ 2010 年 4 月~ 7 月に取得されたデータを使用○ 解析に適した検出器状況を要求 ( LHC安定、磁石安定、トリガー OK 、 ID OK 、ミューオン OK 、カ
ロリーメータ OK )○ W / Z 解析: pT閾値 = 6 GeV のシングルミューオントリガー
解析用データサンプル
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積分ルミノシティ:W→mn : 310 nb-1
Z→mm: 331 nb-1
W→mn 解析のみ
解析用データサンプル( MC )
• MC シミュレーションデータ○ PYTHIA (POWHEG for tt) + MRST LO* の組で生成○ Geant4 + 検出器シミュレーション + 事象再構成アルゴリズム○ NNLO 計算の断面積で規格化○ QCD di-jetサンプルのみ、実データで規格化定数を求める○ Z→mm 、 W→mn には pile –up ( ~2 minimum bias反応を追加)
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 18
Process Generator S x BR (nb.)Z→mm (mℓℓ > 66 GeV) PYTHIA 0.99 ± 0.05
W→mn PYTHIA 10.46 ± 0.52
Z→tt (mℓℓ > 66 GeV) PYTHIA 0.99 ± 0.05
W→tn→mnn PYTHIA 3.68 ± 0.18
tt POWEG 0.16 ± 0.01
QCD di-jet (1 muon with pT > 8 GeV)
PYTHIA 10.6×106
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演
ミューオントリガー効率の評価
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ミューオントリガー効率の評価
• (評価対象) pT閾値 = 6 GeV のシングルミューオントリガー• TGC と RPC の 2 ビンで評価• トリガーバイアスを避ける
A. ジェットトリガー事象を用いるB. Z→mm 事象のタグ & プローブ法
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 20
1.ミューオントラック(コンバインド)を選択
2.トラックを外挿(磁場、物質を考慮)
3.トリガーシグナルを探す
ミューオン検出器
衝突点
A.ジェットトリガー事象を用いた評価
• ジェットトリガー = カロリーメータ情報 → バイアスとならない• Heavy Flavor メソンの崩壊 → 高統計• p 粒子バックグラウンドの除去
○ ct =7.8 m 、検出器中で折れ曲がるトラック○ ID とミューオン検出器の pT の差( pT
ID - PTMS )で排除
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 21
muon
jet
崩壊点
m
p
外挿
ミューオンが飛んで無い方向にトリガーを探すことになる
p 事象によるバイアス
ミューオン選別
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 22
ミューオン選別:○ コンバインドト
ラック○ |h| < 2.4○ pT > 20 GeV○ pT
MS > 10 GeV ○ |pT
ID – pTMS| < 15
GeV○ |z0| < 10 mm
pTMS :ミューオン検出器で測定された pT
pTID : ID で測定された pT
z0: 崩壊点との z方向インパクトパラメータ
p 粒子除去宇宙線除去
ミューオンの分布
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 23
h 分布
f 分布 pT 分布
endcap
barrel
endcap
barrel
Endcap - 2307 (+: 1187, -: 1120)Barrel - 3173 (+: 1670, -: 1503)
m-
m+
ミューオントリガー効率分布
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 24
h 分布 f 分布( endcap ) f 分布( barrel )
構造を支える”脚”:RPC に穴が空いてる
endcapbarrel
x
y
トリガー効率長期安定性
• 2010 年 4 月 11 日~ 2010 年 7 月 18 日
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 25
endcap
barrel
時間 時間
MC への補正• ミューオントリガー効率の MC への補正
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 26
Data: 0.865 +- 0.007 (stat) +- 0.017 (syst)MC : 0.950 +- 0.001 (stat) +- 0.006 (syst) SF : 0.911 +- 0.008 (stat) +- 0.017 (syst)
Data: 0.763 +- 0.008 (stat) +- 0.015 (syst)MC : 0.793 +- 0.002 (stat) +- 0.010 (syst) SF : 0.961 +- 0.010 (stat) +- 0.018 (syst)
MC
datacorrected ε
εCC
scale factor
pT > 20 GeV
pT > 20 GeV
データと MC の差( 8% ) :• チェンバーのヒット効率• コインシデンスウィンドウのチューニング
endcap barrel
トリガー効率評価における系統誤差の導出
• スケールファクターの系統誤差
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 27
Endcap (%) Barrel (%)飛跡再構成アルゴリズム中のトリガーバイアスの不定性
0.5 1.5
pT = 20 GeV カットに対する安定性 0.8 1.0
p 粒子バックグラウンドの効果( *1 ) 0.4 0.1
トラックの外挿方法 1.0 0.4
トラックに 2 つ以上のトリガーがマッチした時の優先順位の付け方( *2 )
1.2 0.1
トラックの先にトリガーを探す領域の大きさ( *3 )
0.2 0.1
W / Z 事象とのミューオンの h 分布の違いの効果
0.3 0.5
合計 1.9 1.9
MC
datacorrected ε
εCC
scale factor
1. |pTID - pT
MS| カット値( 20±5GeV )2. 最も近いトリガー or 最も pT閾値の高いトリガー3. DR = 3 ± 1
• Z→mm 事象の 2 本のミューオン(タグ & プローブ)○ 不変質量のカットでバックグラウンドを排除
• タグミューオンがイベントトリガーを鳴らしたことを要求○ プローブミューオンのトリガーバイアスが無くなる
• プローブミューオンでトリガー効率を測定
B. タグ&プローブ法による評価
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 28
• 109 の Z→mm 事象 = 218 ミューオン• Z→mm 断面積測定と同じ事象
• ジェットトリガー事象での評価との比較 (実データ)• 統計誤差内で一致
endcap: 0.865 +- 0.035 (stat)barrel : 0.747 +- 0.047 (stat)
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 29
W / Z 断面積測定
W/Z プリセレクション
• 宇宙線、検出器ノイズのイベントの排除○ 1 つ以上のバーテックスを要求し、宇宙線事象を排除
– 再構成に用いられたトラック数 > 2– 原点からの距離( z座標) < 150 mm
○ ETmiss を用いる W→mn 測定では、フェイクジェットを排除
• high-pT のミューオン(コンバインド)を要求○ pT > 15 GeV○ |h| < 2.4○ pT
MS > 10 GeV○ |pT
ID – pTMS| < 15 GeV
○ |z0| < 10 mm
• W→mn 、 Z→mm MC はバーテックスの数(パイルアップ)を事象毎にウェイトアクセプタンスへの影響 ~ 0.2 %
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 30
イベント毎のバーテックスの数トリガー効率測定と同一
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演
W → mn 事象の断面積測定
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W→μν 事象
本解析での事象選択• 1本の high-pt ( > 20 GeV ) , isolated ミューオン• High-pt ニュートリノ → Large missing ET(> 25 GeV)• 大きな横質量( mT > 40 GeV )
2011年 3月 24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 32
))cos(1(2m TTT mnnm fD pp
W→mn :カットフロー
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 33
• W→mn 事象数 = 1181 (W+: 709, W-: 472)
12345
6
789
10
1
10
2 3
4 5
67
89
プリセレクション
W→mn 事象選別
int
bgsig
LCANN
ミューオンの pT > 8 GeV@ QCD MC
7. ミューオン pT > 20 GeV8. Isolated9. ET
miss > 25 GeV10. MT > 40 GeV
W→mn :ミューオン分布
• 全事象選別後のミューオン分布○ スケールファクター、 QCD スケール補正後○ ミューオン数で規格化○ エラーは統計誤差のみ
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ミューオンアイソレーション
• ミューオンから DR < 0.4 の中の ID トラックの pT の和をミューオンの pT で割った値が 0.2以下
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 35
• W→mn 全事象選別後• プリセレクション後
• (自分以外の)全事象選別後の ETmiss 、横質量
○ スケールファクター、 QCD スケール補正後○ イベント数で規格化○ エラーは統計のみ
W→mn : ETmiss 、 MT
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 36
W→mn :背景事象
• QCD 事象 : QCD 、 non-QCD 事象の Isolation カットへの効率を評価し、 シグナル領域に残る事象数を推定
• 宇宙線:○ 宇宙線がイベントセレクションを通過する確率( non-colliding bunch ):e = ( 1.1±0.2 (stat) ) ×10-10
○ ミニマムバイアスの断面積:50±10 (stat) mb
○ オーバーラップ:1.1×10-10×50 mb×310 nb-1 = 1.7±0.8 (stat)
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 37
int
bgsig
LCANN
QCDQCDnonQCDnonQCDisol
QCDnonQCDloose
NεNε N
NNN
+
+
QCDnonQCD
isolnonQCDlooseQCD εε
NεN N
• Nloose: Isolation 以外のカットをかけた事象数 (1272) • Nisol: W→mn 事象数 (1181)• enonQCD: W / Z 事象のミューオンが isolated な確率
○ Z→mm 事象で見積り: 0.984 +- 0.10 (syst)• eQCD: QCD 由来のミューオンが isolated な確率
○ プリセレクション後、 15 < pT < 20 GeV のミューオンを コントロールサンプルとして見積り : 0.226 +- 0.006 (stat)
MC
• 信号事象数: 1181○ W+: 709○ W- : 412
• バックグラウンド事象数: 103.3 ± 10.9 (syst)○ W+: 56.4 ± 6.5 (syst)○ W- : 47.1 ± 4.6 (syst)
• アクセプタンス( A×C ) : 0.364 ± 0.018 (syst)○ W+: 0.370 ± 0.019 (syst)○ W- : 0.355 ± 0.018 (syst)
• 積分ルミノシティ : 310 ± 34(syst) nb-1
W→mn :生成断面積 × 崩壊分岐比
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 38
int
bgsig
LCANN)Z/W(Brσ Z/W
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演
Z mm 事象の断面積測定
39
Z→μμ 事象
本解析での事象選択•2本の high-pt (> 20 GeV), isolated ミューオン(反対電荷)•Z 粒子の不変質量( 66 < Mμμ < 116 GeV )
2011年 3月 24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 40
Z→mm :カットフロー
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 41
• Z→mm 事象数 = 109
1234
5
6789
1 2
3 4
5
6 7 8 9
プリセレクション
6. 2 本のミューオン7. 2 本とも isolated8. 電荷が反対9. 66 < Mmm < 116 GeV
int
bgsig
LCANN
Z→mm 事象選別
ミューオンの pT > 8 GeV@ QCD MC
Z→mm :背景事象
• MC を信頼してバックグラウンド数を見積もる• total: 0.364 +- 0.163
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 42
int
bgsig
LCANN
Z→mm :ミューオン対不変質量
• 全事象選別後のミューオン対の不変質量○ スケールファクター、 QCD スケール補正後○ イベント数で規格化
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 43
pT 分解能の悪化
66 < Mmm < 116 GeV
linear
log
Z→mm :ミューオン運動量スケール、分解能
• 上記パラメータで c2 検定• C1 = 0.97 - 1.01 、 C2 = 0.03 – 0.10
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 44
)C1(p1
C1
p1
2MCT1dataT
+
gauss
スケール 分解能
Dc2
Dc2 =1
C1=0.99, C2=0.07, c2 = 0.49
c2 計算領域
C2
C1
• 信号事象数: 109• バックグラウンド事象数: 0.364 ± 0.163• アクセプタンス( A×C ) : 0.369 ± 0.023• 積分ルミノシティ : 331 ± 36(syst) nb-1
Z→mm :生成断面積 × 崩壊分岐比
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 45
int
bgsig
LCANN)Z/W(Brσ Z/W
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 46
結論
結論
• W→mn 、 Z→mm共に理論予想と一致• W→mn は電荷ごとの生成断面積も一致
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 47
ATLASW→ln
Tevatoron
PHENIX
SppS
ATLASZ→ll
Tevatoron
SppS
√s = 7 TeV の陽子陽子衝突構造が QCD の理論計算と一致する事を世界で最初に示した
謝辞
今回、すばらしい賞をいただいたことを機に、以下の方々にあらためてお礼を述べさせて頂きます。
• 5年間指導してくださった山下准教授
• 5年の間研究の場を提供してくださった近藤、小林、徳宿教授はじめ ATLAS 日本グループの皆さん
• 駒宮センター長はじめ東京大学素粒子物理国際研究センターの皆さん
ありがとうございました
2011年 3月 24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 48
2011 年 3 月 24 日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 49
バックアップ
パートン運動学
• √s = 7 TeV でも Tevatron では見えなかった領域をみている
2011年 3月 24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演 50
W.J.Stirling, Private Communication