b quark と - HEP Tsukuba Home Page 筑波大学素粒子実験研究室

筑波大学
内部飛跡検出器
中村浩二
中村雄一
井上孝紀
永井義一
基礎問題１
シリコン飛跡検出器の動作原理について述べ
なさい。
2
SCTモジュールの構造
3
Si半導体の性質（１）
◎ Band Gap: E g  1.12 eV
◎ High mobility:
h  450 cm2 Vs
vh   h E  1.5 1010 m s (逆バイアス100Vの時)
⇒厚さ 300m であれば、キャリアがholeの時
25ns でsignalが収集できる
4
Si半導体の性質（２）
10
-3
◎ Si結晶には ni  1.45 10 cm のキャリアがある
⇒ SCT 1 cm に 4.5 10 個のキャリアがある
-2
n  p  ni
8
p : hole density
n : electron density
◎ M.I.P.では、390 eV/ m のエネルギーを落とす
⇒ E (e  - hole pair)  3.6 eV なので、 3.2 104 e- - hole pair
cf . E (gas detector )  30 eV
⇒ gas detector より、efficiency がよい
3.2 104  4.5 108
⇒signalを読み出すために、キャリアを
なくす必要がある。（全空乏化）
5
全空乏化（１）
d＝３００μｍをＶ～１００Ｖで得るには
必要である。

：比抵抗
そのため、ｎバルクの純度を上げる。
1/ 2
 2V0 N A  N D 

d  xn  x p  
N AND 
 e
d：空乏層の厚さ
ε：nバルクシリコンの誘電率
空乏層はp側の不純物濃度が高いとn側
に広がるので
逆バイアスＶをかける
通常Ｖ０=０．７Ｖ
全空乏化により信号大
6
全空乏化（２）
1.2
1.00
1/Ctot(nF)^2
Leak Current (μA）
1
0.10
0.8
0.6
0.4
0.2
0.01
0
100
200
300
Ｂｉａｓ Voltage (V)
400
500
0
0
100
200
300
400
500
Vbias(V)
1/ 2
 2V0 N A  N D 

d  xn  x p  
N AND 
 e
 2V0
C
より、空乏層の厚さは V1/2 に比例する。また、バル
ク暗電流の大きさはdに比例するので、全空乏化電
圧以下では、暗電流はV1/2 に比例する。
C 1
I  V1/2
S
d
V
7
読み出し（１）
Q  2.0 10 4 1.6 10 19 (C)
 3.2(fC )
I  Q t  1.6 10 7 (A)
 0.16( A)
20000個のholeがp+に集まったとき、
0.16μAの電流としてsignalが検出される。
実際には、100 mV/fC 程度の高い増幅率を持つ
アンプを通して、検出される。
8
読み出し（２）
100V
1.
100Vの逆バイアスを加え、n-バルクの全空乏化→signalを増やす
2.
荷電粒子の通過により電子・ホール対が生成される（3.6eVで１対）
3.
電子やホールが電極に移動し、電極に電荷が誘起される（P+には正電荷）
4.
パルス信号はカップリングコンデンサーを通過してアンプにピックアップされる
5.
アンプの信号から電極のピッチに対応した粒子の位置情報が得られる
6.
表裏の電極に角度をつけることで２次元的に位置を再構成できる→第2問
9
基礎問題２
MWPCやアトラスSCTなどバイナリー読み出し検出器
の位置分解能は、
  d 12
(d:wireやstrip間隔）
となることを証明しなさい。
ステレオ角がある場合の、z方向の位置分解能
はどのようになるか示しなさい。
10
片面読み出しでの位置分解能
y
y0+d
y0+d/2
y0
y0-d/2
y0 - d
上図の斜線部分に通過したときｙ０に読
み出される。
11
両面読み出しでの位置分解能
ひし形の中を通過したとき赤
のワイヤーで読み出される。
ひし形の１辺の長さをｄ’、
対角線の長さを２a（y軸方
向）,２bとする。
y0+d
y0+d/2
y0
y0-d/2
d’
Y0-d
2a
2b
・y方向の分解能
ｄ＝８０μｍのとき
、
12
Z方向の位置分解能
×
×
×
×
×
×
×
×
×
z
b
2点間の距離がaに対して無視で
きるくらい小さいので１点とみな
すことが出来る。
Z方向の分解能は片面読み出しのときと同様に b
とできる。
12
Z方向の分解能は５８０μｍとなる。
，
より
13
応用問題
b-quarkとτ-leptonの一生について述
べなさい。
 b quark と、t leptonのlifetime
 CDF 実験におけるb-tagging
14
Weak interaction で崩壊する粒子のlifetime
n
例えば、
μ粒子の崩壊
 all  

1
t
 all    enn  
2
5
192
3
G m
e-
w*
t   2.2 10 [ s ]
6
ne
ct   657[m]
一般的にWeak interaction で崩壊し、W-*がenに崩壊する過程の部分幅
は、fermion massの5乗に比例する。
nt
t enn 
それでは、
t lepton の崩壊
t enn 
 enn 
t all  
t
t all 
w*
5
mt
 5  1.32 106
m
1
tt
   enn  
t enn 
  enn 

t all 
t enn 
 0.18
e- - u u u
ne n d dd
t t  2.8 1013[ s]
15 ]
ct   83.72[ m
さらに、
bメソンの崩壊
benc 
  enn 
ball  
|Vcb|
mb  Vcb
5

5
2
m
 3.09 105
1
tb
c bcen 
 0.11
ball 
b
bcen 
w*
e- - t- u u u c c c
ne nnt d d d s s s
ball 
12

t

1
.
49

10
[ s]
   enn  

b
  enn  bcen  ct   446[m]
PDGの値、
t lepton
t t  (2.906  0.011) 10 [s]
ct t  87.11[m]
B0メソン
t B  (1.536  0.014) 10 [ s ]
ct   460[ m]
13
12
0
5倍長生
き !!
例えば、
40 GeV t lepton
ct t   2[mm16]
SecVtx for b-tagging @ CDF
rf plane
hep-ex/0410041 v2 7 Apr 2005
b-jet
b-taggingとして、
Lxy
Vs
1
Vp
2
Lxy
3
2
2
σ Lxy
σ Lxy  σ1  σ2
・ VpVsではなくjet axis にprojection した、
Lxyを使う。
・Lxyが、PTとともに動くので、Lxy/Lxy
は、ほぼPTによらない。
CDF note 7637 (Updated Top Quuark Mass Measurement in the Lepton+Jets Channel… )
Tagging Efficiency 28%
Rejection Factor 300 (0.34%)
17
Back Up
18
Material interaction
Light flavor
logN
Heavy flavor
Fake Rate
計算用 x1.2
0
Lxy
σ Lxy
After B-Tagging
Over PT / MTtrack ()
19
qqHjjtt Sample (only 3 prong)
Tau PT 分布
Lxyの分布
@ATLAS Full Simulation
SecVtx-PriVtxの距離
Lxy/Lxyの分布
Jet multiplicity の低さからくる、resolutionの悪
20
まじめなstudyが必要！？

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