ATLAS実験ミューオン検出器の 実験データを用いた 検出効率評価法の研究 久保田 隆至（東大素セ）、山下 了（東大素セ）、他ATLAS日本標準模型グループ 2009年9月11日 日本物理学会2009年秋季大会@甲南大学 p1 研究の動機 • ATLAS検出器でsingle-muon、di-muonの生成断面積の質量分布を測定する - 重い中性粒子の探索：新物理（GUT、compositeness、余剰次元 etc.） 数TeV - Zボソンのdσ/dy、dσ/dpt、、、：QCD 数10～100GeV 質量、崩壊幅：検出器の較正 - Bs → μμ、J/psi → μμ、Upsilon → μμ：FCNC、Bの物理 数GeV • 生成断面積の測定 = ミューオン（対）の計数 (N NBG) σsig L A ana σsig：測定したい断面積 N ：生成ミューオン数 NBG：背景事象からのミューオン数 L ：ルミノシティ A ：アクセプタンス補正 εana：解析効率 N = （再構成されたミューオンの数）/（ミューオンの検出効率） 実データでの トリガー効率⊗トラッキング効率 評価システム p2 講演の流れ • pt=5GeV～100GeV、|η|<2.5の領域での検出効率評価 • Z→μμの質量ピークを利用したtag & probe法を用いる - トリガー、トラッキング効率を全てtag & probe法で 求める • 陽子陽子加速器：QCDバックグラウンドが大きい 特に低Ptで内部飛跡検出器のミューオンが埋もれる → ミューオン検出器のヒットを利用し、 バックグラウンドを除去する手法の開発 → シミュレーションサンプルでのバックグラウンド 除去能力評価 Z → μμ • バックグラウンド除去サンプルを用いた各効率の計算 実験1年目に期待される100pb-1での検出効率評価の 評価精度の見積もり - ミューオン検出器のトラッキング効率 - トリガー効率 Inner track probe candidates 今回の講演で使用したシミュレーションデータは 重心系エネルギー10TeVのもの pt > 6GeV, 100pb-1 bbの寄与 大 p3 ATLAS検出器 Proton (5TeV) Proton (5TeV) 内部飛跡検出器 Calorimeters - Pixel Detector - EM Calorimeter - Silicon Tracker - Hadron Calorimeter - TRT Tracker - Solenoid Magnet（2.0T） 独立にトラッキング ミューオン検出器 - Toroid Magnets - Trigger Chambers - Tracking Chambers p4 内部飛跡検出器 Pixel detector Coverage : |η| < 2.5 Barrel:3 cylindrical Layers Endcap: 3 discs # of measurement:3 Silicon Tracker Coverage：|η| < 2.5 Barrel : 4cylindrical Layers Endcap: 9 discs # of measurements:8 Barrel Silicon Tracker End-cap Silicon Tracker ○ 検出器最内層、ソレノイド磁場（2.0T） ○ pt >0.5GeV, |η| < 2.5をカバー ○ 物質量：0.5～2.5X0, 0.2～0.7λ TRT Tracker Coverage：|η| < 2.0 Barrel: 73 straw planes Endcap: 160 straw planes # of measurements:36 p5 ミューオン検出器 Thin Gap Chamber Monitored drift tubes (Tracking) Coverage : |η| < 2.7 # of measurement:20 Cathode Strip Chambers (Tracking) Coverage：2.0 < |η| < 2.5 # of measurements:4 Resistive Plate Chambers (Trigger) Coverage：|η| < 1.05 # of measurements:12 Thin Gap Chambers (Trigger) Coverage：2.7> |η| > 1.05 # of measurements:17 ○ 検出器最外層、トロイド磁場（1.0～7.5Tm） ○ pt：3GeV～1TeV, |η| < 2.7をカバー ○ 物質量：100～200X0, 10～20λ（ミューオン検出器手前） ATLAS実験のトラッキング p6 １ Inner track muon track ２ １．内部飛跡検出器, ミューオン検出器で 独立にトラッキング → Inner Track, Muon Track ２．両者をマッチング（d0, z0,運動量, 電荷） → Combined Track ３種類のトラック → トラッキング効率も３種類 combined track • Inner Track: 崩壊点の情報 → 運動量分解能が良い • Muon Track: カロリーメータの後ろ → 低バックグラウンド • Combined Track: 両者の利点を合わせ持つ p7 ATLAS実験のトリガー L1_EM7 L1_MU10 … L2_e10 L2_mu10 … EF_e10 EF_mu10 … OR Data recording ○ トリガーも３段階 - LVL1：ハードウェアトリガー - LVL2, Event Filter ：ソフトウェアトリガー ○ トリガー判定ごとにトリガービットが保存される これを利用してトリガー効率を評価する トリガービット： トリガーの種類、トリガーのあった 位置情報（η、Φ）を持つオブジェクト p8 tag & probe法 • 中性粒子（J/ψ、Υ、Z）→ μμの崩壊のミューオンを集める • 評価対象の検出器の情報を使わず、バイアスを抑える （例）Z → μμサンプルを用いたミューオン検出器の トラッキング効率評価 １．“ミューオン”のCombined Track（tag）を用意 ２．tagとの不変質量がZの領域にあるInner Track （probe）を用意 不変質量の条件でミューオンライクなトラックを 集める ３．probeの先にMuon Trackが再構成されてるか 調べ、ミューオン検出器のトラッキング効率を 評価する サンプル収集にミューオン検出器の情報を使わない → バイアスがない σ(Z ) ~ 1nb @ 10T eV 1000muons / 1pb-1 p9 検出効率の評価方法 ○ ミューオン検出器のトラッキング効率 Corresponding Muon Track? １．Combined Trackのtagを用意する ２．Inner Trackのprobeを探す ３．probeの方向にMuon Trackがあるか 評価する ○ トリガー効率 Corresponding Trigger bit? １．Combined Trackのtagを用意する ２．Combined Trackのprobeを探す ３．probeの方向にトリガービットが あるか評価する ○ Muon Trackをprobe：内部飛跡検出器のトラッキング効率評価 ○ Muon, Inner Trackをprobe：Combined Trackの効率評価 確実にミューオンをprobeをする必要 p10 バックグラウンド （バックグラウンドの物理プロセスで）たまたまtagとprobeが組めてしまう • Combined, Muon Trackは“（ハドロン崩壊の）ミューオン” • Inner Trackは“ハドロン” → Inner TrackのQCDバックグラウンド除去が重要 イベントトポロジーでQDCバックグラウンドを • イベントごと • トラック単位で 除去する Z→μμイベントの特徴： ○ 2本のenergetic Isolated muon - 不変質量がmZ(=91.1876GeV) - 高いpt～45GeV - back-to-back（ΔΦ～π） ○ ニュートリノがいない：small Missing Et ○ ハドロンが少ない：small Et sum Z → μμ p11 バックグラウンド （バックグラウンドの物理プロセスで）たまたまtagとprobeが組めてしまう • Combined, Muon Trackは“（ハドロン崩壊の）ミューオン” OK • Inner Trackは“ハドロン” NG → Inner TrackのQCDバックグラウンド除去が重要 イベントトポロジーでQDCバックグラウンドを • イベントごと • トラック単位で 除去する Z→μμイベントの特徴： ○ 2本のenergetic Isolated muon - 不変質量がmZ(=91.1876GeV) - 高いpt～45GeV - back-to-back（ΔΦ～π） ○ ニュートリノがいない：small Missing Et ○ ハドロンが少ない：small Et sum Z → μμ p12 バックグラウンドプロセス （a）W→μν • ptの高い、Isolateしたミューオン • 大きなmissing Et ○ Isolation ○ Et miss cut （c）ttbar • WbWbの組み合わせ • 大きな Et sum, missing Et ○ isolation ○ impact parameter ○ Et sum, missing Et cut （b）bb, cc muon hadron • ptの低い、Isolateしてないミューオン • 大きなImpact parameter ○ isolation ○ pt ○ impact parameter （d）J/ψ, Υ • ptカットは5GeVに固定 • Impact Parameterは実験初期に 使えるか分からないので、今回は 考えない • Isolationに依存する部分が大きい • 小さな質量を持つミューオン対 ○ Isolation ○ invariant mass p13 ミューオンヒット Isolation以外でQCDのバックグラウンドを落とす手法の開発 → ハドロンはカロリーメータで吸収され、ミューオン検出器に届かない → Inner Trackの外挿先にミューオン検出器のヒットを要求しバックグラウンドを除く Extrapolated path 1. ミューオンヒットにInner Trackを外挿 2. Significanceを計算 3．5σまでをアソシエイトヒットとする Muon Chamber ミューオンヒットの要求： ○ ミューオン検出器の最外層に１つ ○ バイアスのかからない範囲で 一定数のヒットを要求する （例：5 @ エンドキャップMDT 典型的なヒット数= 20） Are There Hits? Hadron calo p14 Inner Trackのバックグラウンド除去 • 10pb-1のシミュレーションデータでイベントセレクション後のバックグラウンドを評価 イベントセレクション ⓪ イベントの選択 - L1, L2, EFをsingle muon pt>6GeVで通過 - MissingEt < 60GeV - Etsum(total) < 3500GeV, Etsum(hadron) < 3200GeV, Etsum(EM) < 800GeV ① tagとなるCombined Trackの選択 - ヒット数、フィットクオリティでpre-cut - |η| < 2.5, pt > 5GeV - Isolation process σ[nb] # of event Lumi.[pb-1] Z→μμ 1.0 9871 10 Drell-Yann→μμ 0.60 6016 10 ttbar 0.21 2055 10 W→μν 9.4 93709 10 W→τν 9.4 93709 10 Z→ττ 1.0 10196 10 cc→μ + X 33 49860 1.5 bbmu→μμ + X 62 246946 4.0 Direct 4.2 24000 5.7 ② probeとなるInner Trackの選択 Upsilon→μμ - ヒット数、フィットクオリティでpre-cut Direct J/ψ →μμ 22 217500 10 - |η| < 2.5, pt > 5GeV bb J/ψ →μμ 11 109671 10 - tagトラックと反対の電荷を持つ - tagトラックとのΔΦ>1.0 jetjet 1muon 3.1 19980 6.5 - ミューオン検出器のヒットを要求する 使用したシミュレーションサンプル - Isolation - tagトラックとの不変質量がmzに最も近く、mzとの差が10GeV以内 p15 カットフロー • 各カットの後のprobe トラック（候補）数 • 寄与をミューオン（Z→μμ、その他）とそれ以外（主にハドロン）に分類 ハドロンバックグラウンド 154273 → 509：300倍 pre-cut Opposite Charge Pt + EtMiss + EtSum ΔΦ Isolation Muon Hit Mμμ @ 95% C.L ○ signal eff. = 76.8±2.6% （wrt # of event） ○ S/B >124.4±4.3 ○ # of signal = 7586± 261 ○ # of BG < 61 ○ Purity > 99.20 ± 0.03% ミューオンはシグナルとする BGが残らなかったサンプルも 3個の寄与があると仮定 • muon (Wμν) ×1 • muon (bbJ/ψ)×1 • muon (ppJ/ψ)×1 • muon (bbμμ)×30 No hadrons! p16 不変質量分布 Zからのミューオン Z以外のミューオン ミューオン以外（主にハドロン） Track qualityのカットのみ 全cut後 p17 過去の研究からの改善 • ATLAS実験でオフィシャルな解析（arXiv:0901.0512, pp.208 - 228） 14TeVのサンプルで、Pt, Isolationを用いた簡単な研究のみ これを10pb-1の7TeVのサンプルでエミュレートし、今回の結果と比較 Pre-Cut @ 95% C.L ○ signal eff. = 68.3±2.5% （wrt # of event） ○ S/B > 85.3±3.1 ○ # of signal = 6739± 246 ○# of BG < 79 ○ Purity > 98.84 ± 0.06% Opposite Charge Pt ΔΦ Isolation Minv Cut 本講演の結果はシグナル効率約10%増。 過去の研究はpt>20GeV。 低ptのバックグラウンドを落とせた結果 BGが残らなかったサンプルも 3個の寄与があると仮定 • Hadron (ttbar)×3 • Hadron (Wμν)×3 • Hadron (Wτν) ×2 ミューオン検出器のトラッキング効率評価 p18 • 100pb-1でのミューオン検出器のトラッキング効率を計算し、評価精度を見積もった ○ 10pb-1でトラッキング効率の中心値を計算 （S/B比から、各ビンにバックグランドを足す） ○ イベント数を100pb-1に外挿する Muon Track Inner Track Inner Trackの先に ΔR<0.075の範囲に Muon Trackがあるか？ η依存性 Φ依存性 pt依存性 Inclusive: 96.6±0.1% (95% C.L) p19 トリガー効率の評価 • 解析のデータストリームをL1, L2, EFともに“single muon w/ pt > 6GeV”と仮定 • 前段のトリガーを通過した条件でトリガー効率の評価 η依存性 Detector pt = 6GeV pt 依存性 L1 efficiency L1_MU6 L1 efficiency Inclusive: 88.6±0.2% (95% C.L) L2_mu6 EF_mu6 L2 efficiency (wrt L1 mu6) Inclusive: 97.8±0.1% (95% C.L) L2 efficiency (wrt L1 mu6) offline Trigger Bit? EF efficiency (wrt L2 mu6) probe Inclusive: 97.4±0.1% (95% C.L) EF efficiency (wrt L2 mu6) p20 全トリガー効率 • L1効率⊗L2効率⊗EF効率 pt = 6GeV η依存性 pt 依存性 p21 トリガー効率@Threshold 10GeV pt = 10GeV pt = 10GeV まとめ ATLAS検出器でsingle-muon, di-muonの生成断面積の質量分布を測定する → 実データでトラッキング効率⊗トリガー効率を評価するシステムの構築 ① tag & probe法での性能評価法の改良 - pt=5GeV～100GeV、|η|<2.5の領域 - Inner TrackのQCDバックグラウンド除去のため、 トラックの外挿先にミューオンのヒットを要求する手法の開発 - イベントセレクションの構築 ミューオンヒットの他にIsolation, Missing Et, Et sum, ΔΦ等 → S/B >120、signal efficiency～77%を達成 → 先行研究よりも約10%のefficiency向上 ② 100pb-1でのミューオン検出器の評価精度の検証 - トリガー効率、トラッキング効率（ミューオン検出器）の計算 • 96.58 ± 0.13% （ミューオン検出器のトラッキング効率） • 88.58 ± 0.23% （L1 トリガー効率） • 97.79 ± 0.11% （L2 トリガー効率） • 97.38 ± 0.12% （EFトリガー効率） ③ 今後の方向性 - Truth情報を使った評価方法の妥当性の検証（バイアスの有無） - fake rateの評価方法の確立 p22 backup p23 p24 物質量分布 Inner Tracking System before Muon Detectors トロイド磁場分布 p25 ミューオン検出器のビニング “足”の領域 p26 Troid Magnet Configuration p27 Muon Hit Significance significance posextrapo. - poschannel extrapo.- channel_width Extrapolated to Outer Layer of Tracking Chamber Single muon sample with pt of 7GeV/c linear log p28 p29 ミューオンヒットの要求 • |η| ≦0.1: Acceptance hole for survice • 1.0<|η|≦1.1 Barrel – Endcap Transition region Outermost Staion: 1. Has hits on outermost MDT Multilayer 2. Has hits on outermost TGC or RPC station → 1 or 2 Typical # of measurement: • MDT: 20 • RPC: 12 • TGC: 17 |η|≦0.1 #MDT > 5 #RPC phi > 2 #RPC eta >2 0.1<|η|≦0.55 #MDT > 10 #RPC phi > 2 #RPC eta >2 Outermost Station 0.55<|η|≦0.60 #MDT > 5 #RPC phi > 2 #RPC eta >2 0.60<|η|<1.0 #MDT > 10 #RPC phi > 2 #RPC eta >2 Outermost Station 1.0<|η|≦1.1 #MDT > 5 (#RPC +#TGC) > 2 for eta, phi 1.1<|η| #MDT > 10 #RPC phi > 2 #RPC eta >2 Outermost Station p30 内部飛跡検出器のヒット |η|≦1.0 #Pixel > 1 #Silicon > 4 #TRT >9 1.0<|η|≦2.0 #Pixel > 1 #Silicon > 4 #TRT >8 2.0<|η|≦2.5 #Pixel > 1 #Silicon > 4 Typical # of measurements: • Pixel: 3 • Silicon: 8 • TRT: 36 カット一覧 pre-cut for Inner Track: • # of Pixel Hits ≥ 2 • # of Silicon Hits ≥ 5 • # of TRT Hits ≥ 10 for |η|<1.0 • ≥9 for |η|≥1.0 • χ2 /ndf < 4 • ndf > 30 for |η|≥2.0 for Muon Track: • nHits (Tracking)≥ 10 for 0.1<|η|<1.05 ≥ 5 for |η|>1.05, |η|<0.1 • nHits (Trigger) for φ ≥ 2 for η ≥ 2 • Outermost Muon Hits • χ2 /ndf < 10 • ndf > 30 for |η|≥2.0 for Combined Track: (for Inner Track) && (for Muon Track) • χ2/ndf < 7 pre-common p31 for event: • Trig_EF_mu6 && Trig_L2_mu6 && Trig_L1_mu6 • Missing Et < 60GeV • Etsum(total) < 3500GeV • Etsum(hadron) < 3200GeV • Etsum(EM) < 800GeV for every track: • |η| < 2.5 • pt > 5GeV BG-reduction for Inner track: • Associated with Outermost muon hits • Associated with nHits (Tracking) ≥ 10 for |η|<1.05 ≥ 5 for |η|>1.05, |η|<0.1 • Associated with nHits (Trigger) for φ ≥ 2 for φ ≥ 2 • ptcone50 < 6GeV • etcone50 < 8GeV • nucone50 < 5 for combined track: • ptcone40 < 10GeV • etcone40 < 10GeV • nucone40 < 5 Inner Track Isolation pre-cutのみ pre-cutのみ Zからのミューオン（×10） Z以外のミューオン ミューオン以外（主にハドロン） p32 pre-cutのみ 左上 : probeを中心とするコーン内のトラックのptの和 ( 0.05 < ΔR < 0.5) 右上 : probeを中心とするコーン内のトラックの数 ( 0.05 < ΔR < 0.5) 左下 : probeを中心とするコーン内のカロリーメータの セルエネルギーの和 ( 0.05 < ΔR < 0.5) p33 データセット process Generator σ[nb] # of event Lumi.[pb-1] Z→μμ (Mμμ>60GeV, 1 lepton w/ |η|<2.8, Pt>5GeV) PYTHIA 1.0 9871 10 Drell-Yann→μμ (10<Mμμ<60 GeV, 1 lepton w/ |η|<2.7, Pt>10GeV ) PYTHIA 0.60 6016 10 ttbar (1 lepton required) MC@NLO 0.21 2055 10 W→μν (1 lepton w/ |η|<2.8) PYTHIA 9.4 93709 10 W→τν (1 lepton w/ |η|<2.8) PYTHIA 9.4 93709 10 Z→ττ (1 lepton required) PYTHIA 1.0 10196 10 cc→μ + X （Ptμ>15GeV/c, |η|<2.5, L1, L2 Triggered） PYTHIA 33 49860 1.5 bbmu→μμ + X （Ptμ>6GeV&Ptμ>4GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered） PYTHIA 62 246946 4.0 Direct Upsilon→μμ （Ptμ>9GeV&Ptμ>0GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered） PYTHIA 4.2 24000 5.7 Direct J/ψ →μμ （Ptμ>6GeV&Ptμ>4GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered） PYTHIA 22 217500 10 bb J/ψ →μμ （Ptμ>6GeV&Ptμ>4GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered） PYTHIA 11 109671 10 jetjet 1muon (1muon with Pt>8GeV, |η|<3, highest jet Et>140～280GeV) PYTHIA 3.1 19980 6.5 p34 CSC Cut Following cuts are applied for both tag & probe muons at each stage CSC cut • pre-cut - |η| < 2.5 - Single muon trigger pt>20GeV/c • Opposite Charge • Mass Cut - |Mμμ – Mz| < 10GeV • Kinematic Cut - Δ Φ > 2.0 rad - Pt > 20GeV/c • Isolation - nucone50 < 5 - ptcone50 < 8GeV/c - etcone50 < 6GeV • Electron Veto - Ejet Energy < 15GeV • True Muon? Emulated Cut • pre-cut - |η| < 2.5 - single muon trigger pt>20GeV/c - nSCTHits + nPixelHits > 0 • Opposite Charge • Mass Cut - |Mμμ – Mz| < 10GeV • Kinematic Cut - Δ Φ > 2.0 rad - Pt > 20GeV/c • Isolation - nucone50 < 5 - ptcone50 < 8GeV/c - etcone50 < 6GeV • Electron Veto - Veto truth electron • True Muon? nucone50 : number of reconstructed tracks in the inner detector ( 0.05 < ΔR < 0.5) ptcone50 : sum of the pts of reconstructed tracks in the inner detector ( 0.05 < ΔR < 0.5) etcone50 : sum of reconstructed energy in the cells of the calorimeter ( 0.05 < ΔR < 0.5) Ejet Energy : energy of a possible reconstructed jet within a hollow cone ( 0.05 < ΔR < 0.5) p35 カットフロー • 各カットの後に残ったイベント数を表示 • 全サンプルの寄与をミューオン（Z→μμ由来、違う）とそれ以外（主にハドロン）に分類 ミューオンヒットの要求で ハドロンが大きく除去された 19502 → 215：100倍 pre-cut Opposite Charge EtMiss EtSum Pt ΔΦ ○ # of signal = 7557± 261 ○ # of BG < 61 ○ Purity > 99.20 ± 0.03% ○ S/B <110.5±4.0 Muon Hit Isolation Mμμ ミューオンはシグナルとする BGが残らなかったサンプルも 3個の寄与があると仮定 （ポアソン、95% C.L） • muon (bbJ/ψ)×1 • muon (bbμμ)×30 No hadron! p36 画像倉庫 Pt(GeV) 15 25 35 45 55 65 75 85 95 評価精度[%] (Endcap) 0.60 0.35 0.30 0.26 0.36 0.98 0.76 2.8 1.7 評価精度[%] (Barrel) 0.29 0.20 0.12 0.12 0.32 0.60 0.42 0.53 1.7
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