ATLAS 実験内部飛跡検出器の飛跡再構成精度

Tsukuba Univ.筑波大学　塙　慶太金信弘、黒川悠文、原和彦（筑波大）池上陽一、海野義信、高力孝、寺田進（高エ研）花垣和則（大阪大）、中野逸夫（岡山大）、高嶋隆一（京都教育大）、他アトラス SCTグループ

Outline1. 導入 LHC 加速器 ,ATLAS 検出器 , 内部飛跡検出器

2. モチベーション , 方法 calibration , Z->mumu

3.Result momentum resolution ,momentum scale, effect of misalignment

4.Summary ,Plan

LHC(Large Hadron Collider) LHC(Large Hadron Collider) 周長２７ｋｍ周長２７ｋｍ７ｘ７ＴｅＶ陽子・陽子衝突器７ｘ７ＴｅＶ陽子・陽子衝突器 (( 設計値設計値 ))瞬間ルミノシティー 瞬間ルミノシティー 1.0×101.0×103434cmcm-2-2ss--11 (( 設計設計値値 ))

地下約 100m に 4 箇所の観測点がある

ATLAS 検出器

LHC の汎用型検出器

最大の目標は Higgs 粒子の発見

中心から、内部飛跡検出器、カロリメーター、ミュー粒子検出器で構成

ATLAS ー J SCT グループは、内部飛跡検出器の SCT （ Semi Conductor Tracker ）バレル部のシリコン検出器を建設し、運転調整に携わっている。

内部飛跡検出器 (Inner Detector)

5

磁場 (2T) 中で荷電粒子の飛跡を測定し、運動量測定や生成座標の再構成を行う PT [GeV/c] = 0.3Bρ [Tm] (ρ: 曲率半径、 B: 磁束密度 )

ビーム軸方向断面図r-Φ 方向断面図

Layer数

Resolution

TRT 36 層 170μm

SCT 4 層 16μm

Pixel 3 層 14μm

Eta 毎の Pt Scale , Pt Resolution を測定する、測定法を確立する！

MotivationDetermination of the Inner Detector tracking performance in data( 前段階 :Simulation)

Use first well measured Z mass • Pt scale （不均一磁場）• Pt resolution( 物質 ) (intrinsic, alignment) * 最も精度の出る muon を使う

Today !

方法• Z->mumu sample を使い Inner Detector で reconstruction

した際の track 情報より Z の質量を組む。 （ MuonID には MuonSpectrometer の情報を使った）

• 右が Z の invariant mass を 組む際の event selctoion

• この invariant mass 分布を fit し、 True 情報とくらべることで、 method の確立と Pt scale や Pt resolution を測定した。

○Event Selection ・ Pt>15GeV and |eta|<2.5 ・ dR(ID-True)<0.002 ・ nRadiation =0(μ->μγ cut) ・ opposite charge

約 40% (geometry+efficiency)

・測定は右図のように一つの Muon が |eta|<0.4に入ってくる event を拾いもう一方のMuon が入ってくる eta の範囲を区別することで ,eta毎の sca ｌ e や resolution を評価した。

5fb-1: ～ 3k event (0.0<|eta|<0.4)

Fix!(0<|eta|<0.4)

Y

Z

比較 , 測定項目

① 2muon の invariant mass を組み fit(fit region:91.1876±20GeV) Inner detector の muon 情報を使い mass(MzRec) を組

み、 MzRec 分布を breit-wigner と gaussian の convolution で fitする。

② MzRec-MzTrue の差を gaussian fit event by event で MzRec と検出器を通す前 Mz の値 (MzTrue) の差の分布を gaussian で fit (scale check!)③ Eta 毎に 2muon の resolution の二乗和平均 ×Zmass(input) selection を通った event の Δ(1/Pt)*Pt の分布を gaussian で fit し、その際の sigma を検出器の Pt の resolution として二つの

Pt resolution の二乗和平均に Zmass を掛けることで、 Zmass のresolution とした。 (resolution check!)

scale and resolution using convolution fitFit function:Breit-wigner* + Drell-Yan with gaussian smearing

Mz Scale ： convolution fit の Mzから input(91.1876) を引いた値Mz Resolution:gasussian のsmearing 分が検出器の resolution

*mass depedent Γz function

)/()-( 24222

22

zz

z

MsMs

M

Γ＋

Γ

sm

dmmGmBmF

＝※

＝ ''' )m-(*)()(

2.4952 固定！

Scale and resolution using gaussian fit

ΔMz(MzRec-MzTruth)

・ (|Ztrue-Input(91.1876)|<20GeV)・ gaussian fit ±2σ

さまざまな eta の範囲でgaussian fit と convolution fitの σ,Scale を比べることでMethod の確認 (next page)

Mz Scale ： gaussian meanMz Resolution:gasussian sigma

0<|eta|<0.4 |eta|>2.0

Pt Resolution[%] ～ 2.08% ～ 5.37%

Pt=45GeV に対して

～ 0.936 GeV ～ 2.42 GeV

Momentum resolution による Z 崩壊幅の寄与

Breit wigner と gaussian の convolution fit は Pt Resolution をよく再現する。

Real data での運動量分解能測定可能！

※ΔMz(Rec-True)=2σ以内の event->今後 :fit quality の要求やhit 情報の要求

Momentum scale(5fb-1)

accuracy Breit with gaussian smear Gaussian fit (ΔMz(Rec-True)

Eta ～ 0.0 ～ 16MeV ～ 10MeV

Eta ～ 1.4 ～ 20MeV ～ 17MeV

eta~0 で Pt の scale は１ σ の確率で 40MeV以内で決まる

Scale に関してもconvolution fit はよく再現できている。

粒子生成率あたりの scale決定精度Pt scale 決定精度 [MeV]

統計量が増えることで Scale決定精度があがることが確認できた。100pb-1 でも 1σ の確率で 160MeV以内にきまる。

Effect of Miss Alignment(50pb-1)

ΔMz(Rec-True) (50pb-1 event)

Gaussian mean[GeV/C2]

Gaussian sigma[GeV/C2]

Perfect alignment -0.006±0.030 1.97±0.06

Miss alignment(aligned) -0.015±0.033 2.30±0.06 ( ～ 20%悪化 )

Miss alignment(Not Aligned) -0.177±0.066 4.45±0.12

ΔMz(Rec-True) for Miss AlignmentMzRec for Miss Alignment

50pb-1 では、 45GeV Muon の分解能に対して無視できる Mass ShiftPerfect alignment の精度を出すにはさらなる統計必要

Summary

• Z→mumu から ID の運動量測定（スケール、分解能）を見積もる方法を研究した。

• Invariant mass 分布の fit により、 Pt scale とresolution を評価できる。

• Pt scale は 5 fb-1 で 40MeV以内に決まる。• Miss alignment(50pb-1) による mass shift の効果は見られない。精度を出すためにはさらなる統計が必要

Plan• Track quality が高いものを選ぶ• EM cluster 情報から γ の出る事象を取り除

く• Miss alignment （ ID ） sample• J/ψ->mumu sample:low pt region• Combined state (IDSA と MuonSA の関係 )

Back up

Inner Detector tracking performance内部飛跡検出器の物質量

90 度方向で約 0.4X0 　

MuonSpectrometer を Muon の同定に使っているので Eta ～0.0,Eta ～ 1.3 は検出効率落ちる。

Single muon Pt Resolution [%](45 GeV)

Eta

赤 : 計算値 *1

青 :Z->mumu sample

*ATL-COM-INDET-2008-004

Eta

[%]*)1( TruePtPt

Δ

Truec PtPtPt

1-

1)

1( Re＝Δ

Inner Detector tracking performance

ID dominates MS only

for identification

Cross-over region

MS dominantes

各検出器での運動量分解能の寄与

Wrong charge fraction

Radiation

それぞれ区別の使いない別過程ある。

PhysRevD47,4889PDG よりBR(Z->μμγ)<5.6×10^-4BR(Z->μμ) ～ 3.37%5Mevent の約 90K以下Cut: 約 30K

Zγ event

Effect of Radiation

Plan dR cut,energy cut の最適化 (mu->muγ,Zγ event)

Combined status

Randau tail

Eta dependence

Early Study(My Analysis) Combined Muon や MuonSAに　　よって Reconstruct された Z が mass を小さく見積もる。

現在のアルゴリズムの改良・ energy parameterizatoinにカロリメーターの depositを入れてみる

Tail を削った ZmassRec は trueを良く再現する

Plan

Cosmic data も解析中！ (with kurokawa)　・ ATLAS唯一の real data　・ ・ ratio ・ check (ID detail) ・ momentum , efficiency

比較項目• Sigma:2muon の invariant mass を組み fit(±20GeV)• Sigma:MzRec-MzTrue の residual を gaussian fit• Eta 毎に２ muon の resolution の二乗和平均

×Zmass(91.1876)　

Δ＋

Δ＝

Δ 22 )()(2

1

B

B

A

A

AB

AB

一つの 0<|eta|<0.4を通った Muon として固定 (~2%)

Several Eta region

Single Muon momentum Resolution(%) in Zmumu sample

Fix!(0<|eta|<0.2)

Y

Z

Z mass fit with several eta region

parameters

Single Muon

momentum

Fit function

内部飛跡検出器

23/04/21 30

磁場 (2T) 中で荷電粒子の飛跡を測定し、運動量測定や生成座標の再構成を行う PT [GeV/c] = 0.3Bρ [Tm] (ρ: 曲率半径、 B: 磁束密度 )

r-Φ 方向断面図

1m

ビーム軸方向断面図

resolution contribution to Z mass shift (GeV/c2)