ATLAS実験内部飛跡検出器の 運動量再構成精度 春季日本物理学会@岡山大学 21th.March.2010 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、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）、陣 内修（東工大）、寄田浩平、木村直樹（早稲田大） 他アトラスSCTグループ 内部飛跡検出器(Inner Detector) ソレノイド磁場(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 r-φ方向断面図 η=-ln(tan(θ/2)) ビーム軸を含む断面図 Y[mm] 1000mm Layer数 位置分解能 TRT 36層 170 mm SCT 4層 16 mm Pixel 3層 14 mm PIXEL |η|<2.5の範囲で精密飛跡再構成が可能！ 2720mm Z[mm] Motivation 研究の目的 Pt=p・sinθ - 実験データから横方向運動量(以下Pt)の絶対値(スケールファクター)を見積もる。 Why? 物理 粒子質量の精密測定に必要不可欠 1. 新粒子の質量測定(Higgs) 2. モデルの決定ができる 検出器 • • • • 非一様磁場の補正 検出器のミスアライメント 検出器固有の位置分解能や物質量の確認 m粒子検出器の較正 どの範囲のPt Scaleに注目するか？ ・HiggsやNew Physicsに効くHigh Pt How? 既知の粒子質量Xを再構成することで崩壊粒子の J/ψ 質量再構成 PtScale を見積もる aJ/ψ→μμ X 制動放射が少なく、内部飛跡検出器で最も安定 に測定できるμ粒子を用いる Muon Pt Range 1.5pb-1 Z0ボソンがμ粒子対に崩壊する事象を 用いてhigh Pt range の Pt Scaleを見 積もる。 b Analysis Method 1. Z→mm eventの再構成 Event selection(Basic) •At least one muon with Pt>10 GeV •nMuon(staco)=2 •nIDtracks=2 with Pt>15GeV •Opposite charge Additional Event Selection(Track quality) •Loose SiHit>=6 •Medium SiHit>=10 •Tight PixelHits>=3,SCTHits>=8,c2/ndf<1.4 If needed (in real data), I will add ! 2.Pt-ηの領域に区切ってPtScaleを評価 Basic Selectionを通ったeventで ① 両方のμ粒子が0<|η|<0.4の領域に入った場合に、Ptビンに分けPtScaleを決定 ② 次に、片方のμ粒子は0<|η|<0.4とし、他方のμ粒子のηに従いそのηでのPtScaleを決定 For example: muon1 η =0.3 (tag) muon2 η =1.6 (probe) η =1.6領域の質量分布として再構成する。 ηを6つの領域に分けて質量を再構成し、 それぞれのPtScale を見積もる。 ->convolution fit ,template fit Y tag(0<|η|<0.4) Z probe Convolution fit method Fit function Truth情報を良く再現！ MC質量分布 をfitできる Mz vs |η| 正しくZ質量を再 構成できる statistical error s(Mz) vs |h| Effect of Internal Radiation effect of “Internal Radiation” 赤:gaussian Mean of (MzRec-MzTrue) distribution 青: from convolution fit to MzRec Isolation cut μ μ Mz vs |η| (no radiation) Mz vs |h| Summary of Convolution Fit • Zmass will be shifted by internal radiation • It can be recovered using isolation cut, but need to understand the systematics Next trial, use Template Fit to include internal radiation effects Template Fit -include internal radiation effect - internal radも考慮した質量分布を検出器の分解能分なまらせ、中心値のズ レを scale factorとすることでPt Scaleを見積もる f MC distribution z - ( S1 * S 2 * xm - M uu ) f ZRe c ( xm )＝ Af zMC ( M uu )e 2σ2 Xm: 再構成した質量 σ: Pt分解能によるMz 分解能劣化分 A: normalization S1 ,S2: Pt Scale Factor それぞれのPtビン毎でのfzMC （Templa Te）を用意することで、Ptのビン毎に、そ れぞれ正確にフィッティングすることがで きる。 2 dM uu Pt scale vs pt at 4.5 fb-1 - まず|η|<0.4(Pttag)のPt Scaleを決める。 recPtビン分けによる補正後 両方のμ粒子が|η|<0.4のイベントを使う。 1. 両方のμ粒子が40<Pt<50 GeVのイベントを 使い、この領域のPt Scaleを決める。 2. 次に一方のμ粒子が40<Pt<50GeV（ この PtScaleは既知）、片方のμ粒子が 50<Pt<60GeVのイベントに対してPtScaleを 決める 3. 30<Pt<40GeVの領域に関しても同様に一方 は決まった値を使い、Scaleを決定する。 テンプレートと同じMCによるサンプルに対し ては統計誤差のみを考慮した（違いはMCの 統計の精度で補正できる）。ジェネレータの 違いによりPt分布が異なれば誤差2の評価 が異なる⇒MCによる系統誤差 誤差 1. フィッティングの統計誤差 2. Ptビンが真とrecで異なるための統計誤 差（MCのイベント数） MC Systematic Error Pythiaの4.5/fbのサンプルをテンプレート。 ⇒他のGeneratorサンプルに対するスケール評価の違いをみることでMC systematic errorを見積もる。(MC@NLO 200/pbのサンプル) 前ページでは Reco: Pythiaで作ったイベントを検出器 シミュレーションを通した後の分布 Pythia MCで作ったテンプレート ここでは Reco: MC@NLOで作ったイベントを検出器 シミュレーションを通した後の分布 m粒子の運動量分布の違 いが、Ptビン分けによる 補正量の違いとして出て くる可能性がある！ Overall Systematic Uncertainty GeneratorによるPtScaleの中心値の違いをMCの系統誤差とする 誤差の比較（×10-3） 横方向運動量の ビン分けによる 補正の系統誤差 MCの系統誤差 30<Pt<40 GeV 0.8 2.2 40<Pt<50 GeV 0.25 0.45 50<Pt<60 GeV 1.2 5.1 ・MC@NLOの統計不足 の ため系統誤差が支配的。 ・統計量を増やすことでMC 系統誤差は減らせる。 全(Pt-η)領域での横方向運動量スケール決定精度 MC系統誤差は 含まない。 High η程、統計が少ないた め、決定精度が悪くなる。 統計の少ない領域 MC系統誤差(×10-3) 20<pt<30 GeV 30<pt<40 GeV 40<pt<50 GeV 50<pt<60 GeV 0.0<|η|<0.4 1.5 2.2 0.45 5.1 0.4<|η|<0.8 - 2.3 2.0 5.3 0.8<|η|<1.2 - 1.9 0.67 7.9 1.2<|η|<1.6 - 1.8 0.43 - 1.6<|η|<2.0 - 3.1 5.8 - 2.0<|η|<2.5 2.0 0.97 - - 積分ルミノシティー当たりの決定精度 積分ルミノシティーごとのイベント量を使いスケール決定精度を見積もった。 補正量やMCの系統誤差は、4.5/fbでの値を使用した。 0.03 20<Pt<30GeV 積分ルミノシティー[pb-1] 40<Pt<50GeV 積分ルミノシティー[pb-1] 積分ルミノシティー当たりのScale決定精度 30<Pt<40GeV 積分ルミノシティー[pb-1] 50<Pt<60GeV 積分ルミノシティー[pb-1] Summary and plan Pt～50GeV における内部飛跡検出器のPt Scale決定精度を、Z0ボソン がμ粒子対に崩壊するモンテカルロサンプルを使い評価した。 2種類の方法(Convolution fit ,Template fit)を試みた。 1. Internal radiation を含まないConvolution fitでは、その効果をisolation等 により抑制できるが、カロリーメータを含んだ系統誤差の検討が必要 2. Internal radiationを含むTemplate fitによりPtScaleを見積もった。 4.5/fbのデータ量で、 0.0<|η|<0.4の領域では、40<Pt<50 GeVの範囲で ～0.05%の決定精度がある(内~0.045%はMCの系統誤差) 内部飛跡検出器全η領域、20<Pt<60 GeV(一部を除く)のPt範囲でスケー ルを決めることができる。 MCの違いによる系統誤差はMC (MC@NLO)の統計誤差内。MCの統計 量を増やして、MCの違いによる系統誤差を再度見積もる。 Pt scale vs pt at 4.5fb-1 補正前: recPtまたは TruePtでビン分け 補正前のPt rangeをreconstruct muon で分けたPtScaleは、45±5の範囲の しみだし(resolutionの効果)で35±5と 55±5のptScaleを変えてしまう。 補正後：recPtでビン分け TrueのPtの値でregionを分けた際の PtScaleの値との差を補正する Errorbar=sqrt(Efit^2+Erec^2+Etrue^2) Erec:PtRecで分けた時の時の統計error Pt Range – Ptでビン分けする データ領域を考慮してPt Scaleを決定する。 LHC(Large Hadron Collider)加速器 周長２７ｋｍ ７ｘ７ＴｅＶ陽子・陽子衝突器 ATLAS Control Room in 900GeV Collision 2009年11月23日 900GeV run 2009年11月29日 2.36TeV run シャットダウン 2010年3月実験再開 重心系エネルギ- :7TeV ↓ 修理後: 13～14TeV ATLAS検出器 - A Toroidal LHC ApparatuS LHCの汎用型検出器 • Higgs粒子の発見 • top , heavy bosonの測定 • 新しい物理の探索(SUSY , ExD , …) 中心から •内部飛跡検出器 vertex , momentum |η|<2.5 •Calorimeter -EM |η|<1.475, 1.375<|η|<3.2 - Had |η|<1.7, 1.5<|η|<3.2 - Fcal 3.1<|η|<4.9 •Muon spectrometer |η|<1.0, 1.0<|η|<2.4 X Y Z X Y Z 本研究は内部飛跡検出器の較正 プログラムについて ATLAS検出器 - A Toroidal LHC ApparatuS LHCの汎用型飛跡検出器 •Higgs粒子の発見 •top , heavy bosonの測定 •新しい物理の探索(SUSY , ED , …) 中心から •Inner Detector vertex , momentum |η|<2.5 •Calorimeter -EM |η|<1.475, 1.375<|η|<3.2 - Had |η|<1.7,1.5<|η|<3.2 - FCal 3.1<|η|<4.9 •Muon spectrometer |η|<1.0,1.0<|η|<2.4 *η=-ln(tan(θ/2)) 本研究はInner Detectorの較正 プログラムについて 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 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 Breit-Wigner fitting Convolution fit (all eta region) Convolution fit to internal On Internal radiation on in all η region Misalignment study (Curl) Curl large Slop vs Integrated Luminosity 200Pb-1 Integrate Luminosity[pb-1] Pt Scale and resoution PtScale vs eta Resolution vs eta Perfect alignment Pt scale :<0.1% Zmass Scale per Track quality(4.5 fb-1) Loose Cut Medium Cut Tight Cut 26 LHC(Large Hadron Collider)加速器 周長２７ｋｍ ７ｘ７ＴｅＶ陽子・陽子衝突器 Cost : 2,952 MCHF + 328 MCHF = 3,281 MCHF (~3,000 億円) (machine) (exp. area) ATLAS Control Room in 900GeV Collision 2009年11月23日 900GeV run 2009年11月29日 2.36TeV run -> シャットダウン 2010年2/9 solenoid on,2/11 toroid on ->beam 2/22 -> 900GeV 3/8 -> 7TeV 3/22 重心系エネルギ- :7TeV ↓ 修理後: 13～14TeV
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