ハドロン衝突実験での第三世代粒子測定法の改善とその

＜公募研究＞
ハドロン衝突実験での第三世代
粒子測定法の改善とその発展性
top quark
b quark
τ leptonの研究です。
寄田浩平（早稲田大学）
2011年7月1日（金）
於三重県の温泉
第三世代粒子の重要性（１）
 やはり始めはヒッグス粒子、、。
Low Mass
High Mass
> 質量の制限：（95% CL）
- MH > 114.4 GeV (LEP)
- MH < 158 GeV (SM global fit)
（MPV: 89 +35-26 GeV）
- 158~173 GeVにはない(Tevatron)
ex) MSSM Higgs：
あるなら、この辺にありそう、、。
 小さいHiggsは重くない！
2/19
第三世代粒子の重要性（２）
 トップクォークとヒッグス粒子：
トップ湯川結合の最新値（質量から計算）
？
1
mf 
Yf  v
2
現在のYtは0.996 !?
→ なんだかTop Quarkの役割は大きそう、。
Gateway to BSM ?
 Top quarkは一筋縄ではいかない、、
が、多くの理論でもその重要性は高い。
- Z’
- Top-Color
- FCNC等々たくさん。
3/19
第三世代粒子同定の難しさ
τ lepton：
→ ハドロン崩壊し、細いジェットに
b quark jet:
→ 2次崩壊点を作る特徴
Top quark:
→ いろいろな終状態に崩壊
e/μなどに比べ、非常に同定が難しい（フェイクレートも高い）。また、終状態に
ニュートリノを含むため、parton levelのエネルギー運動量測定が難儀。
4/19
本研究課題の目的
“「第三世代粒子」の同定、測定は非常に重要。でも非常に難しい“
もちろん、各所で様々な努力がなされてはいますが、、
(1) さらに第三世代粒子を積極的に使う。
(2) 同定法・エネルギー分解能を改善。
(3) ヒッグス粒子探索や新粒子・新現象
探索の実行性の幅を広げる。
 これらの課題を実験の枠組みを超え
て考察し、包括的な成果をだす。
→ 2大エネルギーフロンティア実験：
- CDF/Tevatron実験@FNAL
- ATLAS/LHC実験@CERN
5/19
CDF/Tevatron実験@FNAL
 今年9月30日に終了することが決定
→ 最終的には10fb-1のデータが解析可能
 LHCとの競合、Consistencyの確認等、まだまだ重要な役割。
Low Mass Search
CDF
(mH=115 GeV)
Exp. Limit/Lumi.
WH→lvbb
[email protected]
ZH→vvbb
[email protected]
ZH→llbb
[email protected]
VH/VBF→bbjj
[email protected]
H/VH/VBF→ττ+jets
[email protected]
H→γγ
[email protected]
H→bbを基本軸にどれだけ総合的な感度を上げられるか！
＊本研究はH→ττに焦点を当てている。
6/19
τを用いたヒッグス粒子探索（１.１）
Weak Boson Associated Production
VBF
Gluon Fusion
e/μ+τhad+>=2jet
 ττ+ jetsは全過程から寄与！
 Event Selection （ 8.3fb-1 ）
e/μ + τhad channel (& e + μ)
1 isolated e/μ with Pt > 10
1 hadronic τ with Pt > 15(20)
Z boson veto
 解析はMVAを利用
－Support Vector Machine
8.2event
(MH=115GeV/c2)
7/19
τを用いたヒッグス粒子探索（１.２）
Analysis optimization by Support Vector Machine
e/μ+τhad+1jet
e/μ+τhad+>=2jet
No systematic yet
Signal×100
e + μ+ 1 jet
7.8×SM (MH=115GeV/c2)
e + μ+ >= 2 jet
Limit: ~11×SM with systematics.
来週にデータオープンの予定
（結果は今月中に正式承認される予定）
8/19
τを用いたヒッグス粒子探索（２.１）
Simple Event Selection
•
•
•
•
Require vertex quality
Require 3 or 4 lepton including τh
Charge sum of leptons ±1(3L) or 0(4L)
Missing ET significance > 1.0
6.2fb-1
BG Estimation
Data
3L
4L
lll
llτ
eμτ
lττ
LLLL
292±9
225±32
7.0+1.8-1.3
22.3+6.7-5.9
3.8±1.1
284
203
8
16
6
S<<Bなので様々なKinematicsを使って、MVA(今回はSVM)で最終判別をした。
9/19
τを用いたヒッグス粒子探索（２.２）
５つのカテゴリー（lll、llτ、eμτ、lττ、LLLL）それぞれで解析→ Global Likelihood
L0
L1
Exp:17.3×σSM
L2
L3
Obs:18.5×σSM
> Tevatronで初めての結果。
他と統合することにより、ヒッグス
粒子の棄却・発見に貢献できる。
10/19
τ粒子同定の改善について
■ Training sample
Signal:W→τν (MC)
Background:Jet sample (data)
Background
Signal
■ Training category
・1 prong, 3prong で分割
・Energy で分割
■ Input variable
1prong
Cut Base Tau ID で拾える範囲
細いjetというτの特徴を活かす
⇒ Signal region, Isolation region の変数
* Fake率を保ち、～20％程度向上！現在SFとsystematicsを見積もり中
ATLAS/LHC実験
 陽子・陽子衝突＠7TeV
 瞬間ルミノシティーは1033
を超え、安定に運転。
積分ルミノシティーは>1fb-1
 2011年Winter Conference
に使用されたルミノシティー
は～35pb-1
円周～２７Km
Jura
CMS
LHCb
ALICE
ATLAS
CERN
現在Summer Conferenceに向け、解析が急速に進められている。
ルミノシティーは500～800pb-1以上 ready for analysis。
12/19
トップクォークの物理＠ATLAS/LHC実験
All hadronic decay modeの解析（2011年4月25日に承認済）
> Backgroundは100% data driven
4jet
1btag CR
2btag CR
5jet
CR
CR
>=6jet
CR
SIGNAL
CR: Control Region
Signal RegionのKinematicsの例
13/19
トップクォークの物理＠ATLAS/LHC実験
 非常にシンプルな解析手法を採用：
χ2 Template
> Sensitivity 2.2σ
→Upper limit of 261pb@95% CL
Theory: 165 pb
[Fitted Center value: 118 pb]
> 現在、20倍のデータで鋭意解析中 → 8σレベルへ
> Multijetのヒッグス解析やBSM Search の基礎となる測定！
14/19
トップ湯川結合測定の可能性
（2010年度学部４年生の卒業論文課題の一つ）
？
> これまで、ttH(H→bb)で実行性
が議論された結果、Combinatory
バックグランドのため、解析は困難
と報告されている。
今回の試み：
tt（→alljet）H（→ττ）を見る！
（参考：ΔYb>ΔYτだろうし、、）
100fb-1 4j Et>60GeV
100fb-1 4j Et>60GeV
…やはり両方難しそう。
改善の余地多々あり。
→ 課題：
(1) トリガーの改善
(2) PIDの改善
(3) 解析手法の改善
15/19
ATLAS実験での今後の課題（FTK）
 高ルミノシティー環境下（～1034）で如何に
b jet/τ leptonを選択的にトリガーできるか？
High Luminosityの世界
 Tracking Triggerの重要性（c.f. SVT@CDF）：
Objectの閾値を上げずに、Trigger Rateを抑える！
- Online Vertex Reconstruction、 Momentum Resolutionの改善
Track based isolation、Secondary Vertexの再構成 … 等々
Calo
Muon
Pixel/SCT
WHbb L=3×1034[cm-2・s-1] Pile-up
LVL1
Trigger
RoI
ROD
ROD
ROD
ROB
ROB
ROB
FTK
平均
24μsec
LVL2 CPU Farm
全飛跡再構成を一瞬で可能にする9U VME Hardware Trigger System
→ ATLAS Upgradeとして正式に承認された２つの増強計画の１つ！
16/19
その他の試み
(1) b jet energy scaleの測定に関する研究
Top quark事象を用いてb jet energyを測り、ヒッグス粒子
探索、質量測定に役立てることが目的。
(2) ττ不変質量分解能の改善に関する研究
Z→ττ事象を用いて、分解能を向上させ、
ヒッグス粒子探索、質量測定に役立てることが目的。
Collinear Approximation
Likelihood Method
ヒッグスの質量分布
参考（過去１年間）
本研究に関連する学会講演（日本物理学会）
 ２０１０年３月年次大会＠岡山大学
(1) CDF実験におけるトップクォーク対生成事象を用いたb jet energyの測定
桜井雄基、寄田浩平 (早大理工)
(2) CDF実験におけるτ粒子同定とττ質量分解能の改善
船越雄二郎、蛯名幸二、寄田浩平（早大理工）
(3) ATLAS実験における高速トラッキングトリガーシステムのシミュレーションによる最適化
千葉英誉、木村直樹、寄田浩平（早大理工）
 ２０１０年９月秋季大会＠九州工業大学
(1) CDF実験におけるVh->lνττ,llττによるヒッグス粒子探索
蛯名幸二、舩越雄二郎、寄田浩平（早大理工）
(2) ATLAS実験における高速トラッキングトリガーシステムの構築
木村直樹、千葉英誉、鎌塚翔平、寄田浩平（早大理工）
 ２０１１年３月年次大会（講演資料のみ）
(1) Tevatron/CDF実験におけるVH → lν+ττ,ll+ττによるヒッグス粒子探索
蛯名幸二、寄田浩平（早大理工）
(2) Tevatron/CDF実験におけるττ+2jets事象を用いたヒッグス粒子の探索
桜井雄基、舩越雄二郎、蛯名幸二、寄田浩平（早大理工）
(3) ATLAS実験におけるトップクォーク測定のための多ジェット事象解析
木村直樹、飯澤知弥、寄田浩平（早大理工）
18/19
纏め
 ハドロン衝突実験での第三世代粒子を包括的に研究
－CDF/Tevatron実験でのτを使ったヒッグス粒子探索
－ATLAS/LHC実験におけるトップクォークの物理
－高速トラッキングトリガーシステム(FTK)の構築
＊そのためのシステム構築（ストレージ等）と研究出張に研究費を使用した。
 今後の予定：
－CDF/Tevaron実験での成果の論文発表
－ATLAS/LHC実験でのb jet tagging/bJESの改善
－トップクォーク事象を用いた新粒子探索
－ATLAS/LHC実験でのFTK Trigger Systemの開発を継続
－CDF/ATLAS相互の理解、繋がりを考える
第三世代粒子を軸に、新しいTrigger開発、PID、
物理解析と首尾一貫して研究を進め、新粒子・
新現象探索の基礎を構築したい。
19/19
Higgs Limit @ Tevatron
Higgs Hunting の今後
Tevatron:
LHC:
(2011年9月迄運転10fb-1解析可能)
2011年(1-2fb-1),12年(~5fb-1)

Download Report