LHC-ATLAS実験におけるZ粒子と D中間子の随伴生成の断面積測定

LHC-ATLAS実験におけるZ粒子と
D中間子の随伴生成の断面積測定
二ノ宮陽一，奥山豊信A，徳宿克夫B，
長野邦浩B，河野能知C，坂本宏
東大素セ，東大理A，高エネ研B，お茶大理C
本研究の目的
■
Z粒子とcクォークの随伴生成の生成断面積を測定
□
摂動QCDの検証
□ 陽子内のcクォークの分布関数(PDF) □ グルーオン分岐比(g→cc)
c
g
■
Z
c
q
_
q
先行研究
Z
c
_
c
□ D0でZ+c-jetの測定 (Phys.Rev.Lett. 112, 042001)
■ g→ccの寄与が理論の予想よりも大きいことを示唆
ATLASでは、本研究が初の測定となる
19/09/2014
日本物理学科会
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Z+c測定の困難な点 (1/2)
W/Z
plus jets / heavy flavor production
■ 生成断面積が小さい
is a good probe of QCD…
■ Z+cとZ+bは同程度なため、b崩壊やB中間子から寄与が無
q
g
b
g
W±
Q
Q
g
Z
b
Z0
Q
σ [pb]
視できない
First-order
production is sensitive
to the proton PDF
バックグラウンド
Z
Provides qstringent test of perturbative
QCD calculations
_
q
19/09/2014
b
_
b
日本物理学科会
√s [TeV]
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Z+c測定の困難な点 (2/2)
■
荷電相関(OS-SS法)が使えない
□ cクォークの分布測定ではZ+ccはバックグラウンドとなるためシグ
ナルと区別が必要
シグナル
c
Z
c
g
q
_
q
Z
c
_
c
□ W+cの場合は、Wとcの荷電が反対のもの(OS)と同じもの(SS)を引
くことでW+ccを消しW+cを取り出すことができる(前講演参照)
□ しかしZ+cの場合はこの方法は使えない
19/09/2014
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4/19
解析のStrategy
■
2012年のLHC運転において、ATLAS実験により取得された重心
系エネルギー 8 TeV, 約 20 fb-1の陽子・陽子衝突データを使用
■
cクォークの同定はD中間子を再構成する方法を用いる
■
Zボソンは2つのレプトンに崩壊する事象を使用
□ Z→ee, Z→µµ
■
以下2つの解析を順に行う
□ Z+Dの包括的な生成断面積測定
□ cクォークの分布に感度がある事象を用いた測定
■ Z+b(b)やZ+ccなどの事象の見積もりが重要
本講演では断面積測定のためのシグナル見積もり方法、バックグラウンドの
評価についてお話します
19/09/2014
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Z粒子生成事象の選別
■
レプトンの選別
□ pT > 20 GeV, ¦η¦ < 2.4
□ レプトンが衝突点付近から来ていることを要求
□ ミューオンの周りに他の荷電粒子がない
□ ミューオンとのdRが0.1より小さい電子は除外
■
Zの選別
□ 2つのレプトンが逆電荷を持つ
□ 66 GeV < mll < 116 GeV
Entries/GeV
・dR2 = (η(μ) - η(e))2 + (φ(μ) - φ(e))2
×103
1800
ATLAS work in progress
1600
L dt = 20 fb , s = 8 TeV
-1
1400
Z
1200
ll
1000
800
600
400
200
0
60
19/09/2014
日本物理学科会
70
80
90
100
110
120
mll [GeV]
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D中間子の再構成方法
■ ４つの崩壊過程を使用
□ D →Kππ
□ D*→D0π : D0→Kπ、D0→Kππ0、D0→Kπππ
■ 内部検出器の情報から飛跡の二次崩壊点を再構成
□ vertex ﬁttingのχ2が小さい(χ2< 5)
■ Dが崩壊までに十分飛んでいる
K
□ Lxy(D ) > 1 mm 、 Lxy(D*) > 0 mm
■ Dが衝突点からきている
π
D±
□ ¦d0¦ < 1 mm
π
■ Dの周囲に他のトラックがない
□
pT/ΣpTdR<0.4
pT(D)/ΣpTdR<0.4
> 0.5
W+D(前講演)と同じD中間子再構成方法を用いている
W+Dの事象を用いて系統誤差の見積もりなどを行う予定
19/09/2014
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7/19
9000
ATLAS work in progress
8000
-1
L dt = 20 fb , s = 8 TeV
7000
Entries/MeV
Entries/10 MeV
D中間子の質量ピーク
6000
ZD±, D±
5000
-1
L dt = 20 fb , s = 8 TeV
1000
800
K
Data
4000
ATLAS work in progress
1200
600
3000
ZD*, D*
D0
(K )
Data
400
2000
200
1000
2500
ATLAS work in progress
-1
2000
0
135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185
m = m(D*) - m(D0) [MeV]
Entries/MeV
Entries/MeV
0
1600 1650 1700 17501800 1850 1900 1950 2000 2050 2100
mK [MeV]
L dt = 20 fb , s = 8 TeV
6000 ATLAS work in progress
-1
5000
L dt = 20 fb , s = 8 TeV
4000
1500
3000
1000
ZD*, D*
0
D
(K
0
)
ZD*, D*
2000
Data
500
D0
(K
)
Data
1000
0
135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185
m = m(D*) - m(D0) [MeV]
0
135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185
m = m(D*) - m(D0) [MeV]
■ D の質量ピーク、m(D*)-M(D0)でπslowに相当するピークが確認できる
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8/19
シグナルテンプレートとフィット方法
■
B0→μD(*)をコントロールサンプルとしてD中間子の質量ピーク
のテンプレートを作成 (W+D解析と同じ)
□ B0→μD(*)コントロールサンプルはZ+Dの事象とは完全に独立
■
得られたテンプレートを用いて、Z+D事象のD中間子質量分布
にフィットを行い、D中間子の生成量を見積もった
□ バックグラウンドの見積もりはD は2次関数、D*は対数関数を使用
□
□
B0→μD(*)の選別
■
MET < 25 GeV, mT(μν) < 40 GeV
(Wからの寄与を除く)
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B0→μD(*)の再構成
■
■
■
pT(μ) > 18GeV
μとDが異符号
dR(μ, D) < 1.0、m(μD) < 5 GeV
9/19
ATLAS work in progress
8000
-1
L dt = 20 fb , s = 8 TeV
7000
Entries/MeV
9000
6000
ZD±, D±
5000
±
Entries/10 MeV
テンプレートを用いたフィットの結果 (1/2)
K
3000
2000
ZD*, D*
200
-1
2000
L dt = 20 fb , s = 8 TeV
(K )
0
135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185
m = m(D*) - m(D0) [MeV]
Entries/MeV
ATLAS work in progress
0
D
Data
Fit
Signal
Background
400
0
1600 1650 1700 17501800 1850 1900 1950 2000 2050 2100
mK [MeV]
Entries/MeV
1000
600
1000
2500
-1
L dt = 20 fb , s = 8 TeV
800
± ±
Data
Fit
Signal
Background
4000
ATLAS work in progress
1200
6000
ATLAS work in progress
-1
L dt = 20 fb , s = 8 TeV
5000
4000
1500
3000
1000
500
ZD*, D*
0
D
(K
0
)
ZD*, D*
2000
Data
Fit
Signal
Background
1000
0
135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185
m = m(D*) - m(D0) [MeV]
D0
(K
)
Data
Fit
Signal
Background
0
135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185
m = m(D*) - m(D0) [MeV]
■ テンプレートと関数を用いて質量ピークがフィットできている
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10/19
テンプレートを用いたフィットの結果 (2/2)
■
Z+Dの包括的な生成断面積測定
□ テンプレートと関数でフィットができていることを確認
□ 抽出したシグナル量をunfoldして生成断面積を求める (現在進行中)
■
cクォークの分布に感度がある事象を用いた測定
□ Z+b(b)やZ+ccの寄与を見積もる必要がある
モンテカルロを用いて評価を行った
19/09/2014
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11/19
Z+cc、Z+b(b)の見積もり (1/2)
■
cクォークPDFに感度を高めるは、Z+ccやZ+b(b)などの事象
の選別が必要
c
シグナル
Z
q
g
c
_
q
b
Z
q
g
b
_
q
q
Z
c
_
c
Z
b
_
b
Z
g
■
始状態をgc, gb, qq, gqに分けて評価した
19/09/2014
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fragmentation
12/19
Z+cc、Z+b(b)の見積もり
■
使用したモンテカルロサンプル
□ Z+D (PowhegPythia8)
Entries
D中間子が再構成でき、且つ
truthとマッチングできた事象数
12000
ATLAS Simulation
10000
work in progress
8000
6000
4000
2000
0
このサンプルでは
gc : 52%
gb : 21%
qq : 15%
gq : 12%
で、cクォークPDFに感度
のあるgcが優勢( 50%)で
あることがわかった
gc
gb
qq
gq
更に他の寄与を下げて
感度を高める方法を考える
Initial state
19/09/2014
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13/19
ZとD中間子の運動量比を用いた評価 (1/2)
■
ZボソンとD中間子のpTの比
□ Z+bやg→ccなどは小さくなることが予想できる
c
q
Z
g
c
_
q
c
pT(c)
Z
pT(Z)
_
c
pT(c) < pT(Z)
pT(D)/pT(Z) > pT(D)/pT(Z)?
■
D中間子のpTとdRが0.4以内のトラックのpTの総和の比率 :
pT(D)/ΣpTdR<0.4 (p.7にて既出)
□ 既に現在カットに用いている (pT(D)/ΣpTdR<0.4 > 0.5)
19/09/2014
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14/19
A
w
0.9
0.8
0.7
0.6
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
ATLAS Simulation
0.1
work in progress
0
0
dR<0.4
Dp /sumPT
pT(D)/Σp
T T
dR<0.4
Dp /sumPT
pT(D)/Σp
T T
1
gc
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Dp /Zp
pT(D)/p
(Z)
T T T
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.2
ATLAS Simulation
0.1
work in progress
0
0
1
dR<0.4
Dp /sumPT
pT(D)/Σp
T T
dR<0.4
Dp /sumPT
pT(D)/Σp
T T
ZとD中間子の運動量比を用いた評価 (2/2)
0.7
0.6
0.4
0.3
0.3
work in progress
0
0
gq
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
0.2
ATLAS Simulation
0.1
work in progress
0
0
Dp /Zp
pT(D)/p
T T(Z)
T
■
Dp /Zp
pT(D)/p
T T(Z)
T
0.8
0.4
0.1
1
0.9
0.5
ATLAS Simulation
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
0.5
0.2
gb
qq
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
Dp /Zp
pT(D)/p
T T(Z)
T
始状態によって分布の密度が異なることが見て分かる
19/09/2014
日本物理学科会
15/19
0.9
0.8
0.7
0.6
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.2
ATLAS Simulation
0.1
work in progress
0
0
dR<0.4
Dp /sumPT
pT(D)/Σp
T T
dR<0.4
Dp /sumPT
pT(D)/Σp
T T
1
gc
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Dp /Zp
pT(D)/p
(Z)
T T T
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.2
ATLAS Simulation
0.1
work in progress
0
0
1
dR<0.4
Dp /sumPT
pT(D)/Σp
T T
dR<0.4
Dp /sumPT
pT(D)/Σp
T T
ZとD中間子の運動量比を用いた評価 (2/2)
0.7
0.6
0.4
0.3
0.3
work in progress
0
0
gq
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
0.2
ATLAS Simulation
0.1
work in progress
0
0
Dp /Zp
pT(D)/p
T T(Z)
T
■
Dp /Zp
pT(D)/p
T T(Z)
T
0.8
0.4
0.1
1
0.9
0.5
ATLAS Simulation
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
0.5
0.2
gb
qq
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
Dp /Zp
pT(D)/p
T T(Z)
T
始状態によって分布の密度が異なることが見て分かる
19/09/2014
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16/19
Entries
pT(D)/pT(Z)分布
■
800
700
前ページの2次元プロットをx軸方向に射影したもの
600
dR<0.4 > 0.5 のカットがかかっている
□ pT(D)/Σp
T
500
Entries
240
400 220
200
300
180
200 160
140
100 120
100
0 80
60
40
20
0
0
■
gc
gb
gq
qq
ATLAS Simulation
work in progress
1
2
3
4
6
Lxy [mm]
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
gcは比率が大きい方に偏ることがわかる
19/09/2014
5
日本物理学科会
1
Dp /Z_p{T}
T
17/19
Z+b崩壊からの見積もり
BはDに比べて寿命が長いため(cτ(B0) 455 μm, cτ(B )
492μm)、B由来のDはd0やLxyが大きくなる
ATLAS Simulation
103
Entries
Entries
■
gc
gb
gq
qq
work in progress
800
ATLAS Simulation
700
work in progress
600
500
102
400
gc
gb
gq
qq
300
10
200
100
1
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2
0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
0
d0 [mm]
■
1
2
3
4
5
6
Lxy [mm]
gbの区別に効果が期待できる
19/09/2014
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18/19
まとめ
■
Z+DはATLASでは未測定で、8TeVデータを用いた解析で
初測定を目指している
■
Z+Dの事象を観測し、シグナル量をフィットで求めた
■
cクォークのPDF測定のためには特定の始状態の事象が全体
のどれだけ占めているかの見積もりが必要
□ 現状のカットでもcクォークPDFに直接感度がある素過程が約半
分を占めていることがわかった
□ Z+Dのシグナルモンテカルロを用いて評価を行った結果、D中間
子とZボソンのpT比やd0、Lxy分布が異なることを確認
□ テンプレートでフィットすることで始状態の比を得ることが期
待できる
■
今後、系統誤差の見積もり、断面積測定を行う
19/09/2014
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19/19
Back up
19/09/2014
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20/19
TruthのInitial particleの分布
particle 2
■
45000
g
40000
b
ATLAS Simulation
b
work in progress
35000
c
30000
c
25000
s
20000
s
15000
u
u
10000
d
5000
d
d
d
u
u
s
s
c
c
b
b
g
0
particle 1
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