ATLAS 実験内部飛跡検出器の運動量再構成精度

ATLAS実験内部飛跡検出器の運動量再構成精度 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グループ春季日本物理学会@岡山大学 21th.March.2010

PIXEL 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ビーム軸を含む断面図 r-φ方向断面図 η=-ln(tan(θ/2)) Y[mm] 1000mm 2720mm Z[mm] |η|<2.5の範囲で精密飛跡再構成が可能！

J/ψ→μμ Motivation 研究の目的 - 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。 Pt=p・sinθ Muon Pt Range 1.5pb-1 How? Why? J/ψ 質量再構成 • 物理 • 粒子質量の精密測定に必要不可欠 • 新粒子の質量測定(Higgs) • 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粒子検出器の較正既知の粒子質量Xを再構成することで崩壊粒子のPtScale を見積もる a X b 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粒子を用いるどの範囲のPt Scaleに注目するか？・HiggsやNew Physicsに効くHigh Pt 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。

Analysis Method • Event selection(Basic) • At least one muon with Pt>10 GeV • nMuon(staco)=2 • nIDtracks=2 with Pt>15GeV • Opposite charge 1. Z→mm eventの再構成 • 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。 Y tag(0<|η|<0.4) Z 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 probe

Convolution fit method Fit function Truth情報を良く再現！ MC質量分布をfitできる正しくZ質量を再構成できる s(Mz) vs |h| statistical error Mz vs |η|

Effect of Internal Radiation 赤:gaussian Mean of (MzRec-MzTrue) distribution 青: from convolution fit to MzRec effect of “Internal Radiation” Mz vs |h| Isolation cut μ μ • 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 Mz vs |η| (no radiation)

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 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 fzMC distribution 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。

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。 • 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。 • 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 • 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 • フィッティングの統計誤差 • 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 systematicerrorを見積もる。(MC@NLO200/pbのサンプル) 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前ページでは Pythia MCで作ったテンプレート 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ここでは 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）・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)

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 30<Pt<40GeV 積分ルミノシティー[pb-1] 積分ルミノシティー[pb-1] 50<Pt<60GeV 40<Pt<50GeV 積分ルミノシティー[pb-1] 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

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。 • 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 • 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<50GeV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でビン分け補正後：recPt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。 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２７ｋｍ７ｘ７ＴｅＶ陽子・陽子衝突器 ATLAS Control Room in 900GeV Collision 2009年11月23日 900GeVrun 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 Y Y X X Z 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

Breit-Wigner fitting

Convolution fit (all eta region)

Convolution fit to internal On

Internal radiation on in all η region

Misalignment study (Curl) 200Pb-1 Curl large Slop vs Integrated Luminosity 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

Cost : 2,952 MCHF + 328 MCHF = 3,281 MCHF (~3,000 億円) (machine) (exp. area) LHC(Large Hadron Collider)加速器周長２７ｋｍ７ｘ７ＴｅＶ陽子・陽子衝突器 ATLAS Control Room in 900GeV Collision 2009年11月23日 900GeVrun 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

ATLAS 実験内部飛跡検出器の運動量再構成精度