Momentum resolution measurment using Z

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
Outline
1.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)
周長２７ｋｍ
７ｘ７ＴｅＶ陽子・陽子衝突器 (設計値)
瞬間ルミノシティー 1.0×1034cm-2s-1 (設計値)
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)
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
ビーム軸方向断面図
Layer数 Resolution
TRT
36層
170μm
SCT
4層
16μm
Pixel 3層
14μm
5
Motivation
Determination 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)
Today !
*最も精度の出るmuonを使う
Eta毎のPt Scale , Pt Resolutionを測定する、
測定法を確立する！
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
○Event Selection
・Pt>15GeV and |eta|<2.5
組む際のevent selctoion
・dR(ID-True)<0.002
約40%
(geometry+efficiency)
5fb-1:～3k event (0.0<|eta|<0.4)
・nRadiation =0(μ->μγ cut)
・opposite charge
• 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。
・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
scaｌeやresolutionを評価した。
Z
Fix!(0<|eta|<0.4)
Y
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 fit
Fit function:
Breit-wigner* + Drell-Yan with gaussian
smearing
F (m)＝
B(m ' ) * G (m - m ' )dm'
※m＝ s
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
Γ2 M z 2
2
2
4
2
( s - M z ) 2＋ s (Γ/ M z )
2.4952固定！
Scale and resolution using gaussian fit
ΔMz(MzRec-MzTruth)
・ (|Ztrue-Input(91.1876)|<20GeV)
・gaussian fit ±2σ
Mz Scale：gaussian mean
Mz Resolution:gasussian sigma
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)
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
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 scale(5fb-1)
Scaleに関しても
convolution fitは
よく再現できている。
eta~0 でPtのscaleは１σ
の確率で40MeV以内で
決まる
accuracy
Breit with gaussian smear
Gaussian fit (ΔMz(RecTrue)
Eta～0.0
～16MeV
～10MeV
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) for Miss Alignment
MzRec for Miss Alignment
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
-1
50pb では、45GeV Muonの分解能に対して無視できるMass Shift
Perfect 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
Δ(
1
) * PtTrue [%]
Pt
Eta
90度方向で約0.4X0
Single muon Pt Resolution [%](45 GeV)
赤:計算値*1
青:Z->mumu sample
1
1
1
Δ( )＝ Re c - True
Pt Pt
Pt
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。
*ATL-COM-INDET-2008-004
Eta
Inner Detector tracking performance
各検出器での運動量分解能の寄与
ID dominates
MS only
for identification
Cross-over
MS
region
dominantes
Wrong charge fraction
Radiation
Effect of Radiation
Zγ event
それぞれ区別の
使いない別過程
ある。
PhysRevD47,4889
PDGより
BR(Z->μμγ)<5.6×10^-4
BR(Z->μμ)～3.37%
5Meventの約90K以下
Cut:約30K
Plan
dR cut,energy cutの最適化
(mu->muγ,Zγ event)
Combined status
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。
Tailを削ったZmassRecはtrueを
良く再現する
Randau tail
Plan
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
Cosmic dataも解析中！(with kurokawa)
・ATLAS唯一のreal data
・
・ratio
・check (ID detail)
・momentum , efficiency
Eta dependence
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２muonのresolution の二乗和平均×Zmass(91.1876)
Single Muon momentum Resolution(%)
in Zmumu sample
Δ AB 1 ΔA 2 ΔB 2
＝
(
) ＋(
) 2
A
B
AB
一つの0<|eta|<0.4を
通ったMuonとして固
定(~2%)
Z
Several Eta
region
Fix!(0<|eta|<0.2)
Y
Z mass fit with several eta region
parameters
Single Muon
momentum
Fit function
内部飛跡検出器
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
2015/9/30
1m
ビーム軸方向断面図
30
resolution contribution
to Z mass shift (GeV/c2)

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