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久保田　隆至（メルボルン大学） ２０１２年日本物理学会若手奨励賞記念講演 2012 / 03 / 24

Measurement of the Weak Boson Production Cross Section in the Events with Muons in Proton-Proton Collisions at √s = 7 TeV with the ATLAS Detector. 久保田　隆至（メルボルン大学） ２０１２年日本物理学会若手奨励賞記念講演 2012 / 03 / 24. ATLAS 実験が 2010 年 3 月、物理データ取得開始 現在まで 約5 fb -1 のデータを収集 → SM Higgs の 探索などで 物理結果を報告

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久保田　隆至（メルボルン大学） ２０１２年日本物理学会若手奨励賞記念講演 2012 / 03 / 24

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Presentation Transcript

  1. Measurement of the Weak Boson Production Cross Section in the Events with Muons in Proton-Proton Collisions at √s = 7 TeV with the ATLAS Detector 久保田　隆至（メルボルン大学） ２０１２年日本物理学会若手奨励賞記念講演 2012 / 03 / 24

  2. ATLAS実験が2010年3月、物理データ取得開始 • 現在まで約5 fb-1のデータを収集 →SM Higgsの探索などで物理結果を報告 • 本研究：2010年4月から7月までの4ヶ月間のデータ • 約300nb-1の結果 • ATLAS実験最初期の物理結果のひとつ →　検出器を理解しながら、標準模型を再発見していた時期 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  3. 講演の概要 • 研究の背景、目的、内容 • 測定手法 • 実験装置 • LHC加速器 • ATLAS検出器 • 測定の結果 • ミューオントリガー効率 • W→mn事象の断面積 • Z→mm事象の断面積 • 結論 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  4. 研究の背景、目的、内容 • 研究の背景 • LHC：世界最高エネルギーの加速器 →PDFなどの陽子陽子衝突の構造がどうなっているのか知らない →　どの程度理解できてるか実験初期に見積もっておくことは、その後の全ての解析において重要 • 理論的不定性の少ないW / Z 粒子の生成断面積測定は良いプローブ • 研究の目的 • 世界最高エネルギー（√s = 7 TeV：当時）でのpp衝突におけるW / Z 粒子の生成断面積を測定し、理論予想と一致するかを検証する • 研究の内容 • クリーンなミューオンチャンネルへの崩壊を見る →LHC加速器のpp衝突で生成されるZ→mm、W→mn事象の断面積の測定 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  5. pp（pp）衝突でのウィークボソン生成断面積測定pp（pp）衝突でのウィークボソン生成断面積測定 • レプトンに崩壊するモードでの測定結果 • SppS (CERN): UA1実験、UA2実験　√s = 0.63 TeV • Tevatoron (Fermilab): CDF実験、D0実験　√s = 1.8, 1.96 TeV • RHIC (BNL): PHENIX実験　√s = 0.5 TeV • LHC (CERN): ATLAS実験　√s = 7 TeV W→ln Z→ll ATLAS ATLAS Tevatoron Tevatoron SppS SppS PHENIX 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  6. 生成断面積計算の不定性 • Next-to-Next-to leading order (NNLO)精度の計算 • PDF (MSTW 2008 NNLO) + パートン断面積(FEWZ)：系統誤差 5 % • PDFの不定性 • as （0.1145 ~ 0.1176）由来: < 2.5 % • Fitting parameter由来 (90 % C.L.): < 3.5 % • 断面積計算の不定性 • Renormalization and factorization scale由来: < 1.0 % MSTW NNLO 2008 (68 % C.L) C. Anastasiou et al. [arXiv:hep-ph/0312266] Graeme Watt [arXiv:1201.1295] Z rapidity 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  7. 測定手法 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  8. 生成断面積測定手法 • Nsig– シグナル領域に残った事象数 • Nbg– シグナル領域の背景事象の推定数 • A （acceptance） – geometrical / kinematical acceptance (MCシミュレーション) • C （correction factor） – 事象再構成の効率 (MCシミュレーション) • Lint– 積分ルミノシティ MCで算出、Cには実データ測定の補正 各要素を測定し組み合わせる 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  9. ルミノシティ測定 • Van der Meer Scan でビームの断面のプロファイルを測定 • 加速器の設定値と合わせてルミノシティを算出 Van der Meer Scan（x – y 2次元） pp非弾性散乱の計数 加速器の設定値 x Dx Dx z xy断面のプロファイル 系統誤差：１１% ATLAS collaboration [arXiv:1101.2185] LUCID検出器： Al. tubes filled with C4F10 5.5 < |h| < 6.0, |z| = 17 m カウンティング系統誤差：5 % Beampipe 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  10. 実験装置 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  11. LHC加速器 • 世界最高エネルギー√s = 7 TeV（当時）の陽子陽子衝突型加速器 （デザイン値：14 TeV） • ルミノシティ:1032 cm-2s-1を達成 （デザイン値：1034cm-2s-1） • 4つの大型検出器 • ATLAS、 CMS、 LHCb、 ALICE 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  12. ATLAS検出器 ミューオン検出器(||<2.7, 5m < r < 10m): 空芯トロイド磁場 + トリガー、トラッキングチェンバー y x z • 　右手系 • h = -ln (tan(θ/2)) Proton (3.5TeV) • 内部飛跡検出器（ID）(||<2.5, r< 1150mm, B=2T): • 　シリコンピクセル検出器 • 　シリコンストリップトラッカー • TRT検出器 • /pT ~ 0.05 % ×pT (GeV)  1 % Proton (3.5TeV) 電磁カロリメータ(|h| < 3.2, 1500mm < r < 1970mm): Pb-LAr アコーディオン エネルギー分解能: /E ~ 10 %/E  0.7 % • ハドロンカロリーメータ(||<4.9, 2280mm < r < 4250mm): • 　鉄・シンチレータータイル (|h| < 1.7) • Cu/W-LAr (|h| > 1.7) • エネルギー分解能:/E ~ 50 %/E  3 % 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  13. 内部飛跡検出器（Inner Detector: ID） • ソレノイド磁場 （2.0 T） • ３種類の飛跡検出器 • Pixel Detectors (Pixel) • |h| < 2.5 • 3 ヒット / track • チャンネル分解能： 10mm (Rf), 115mm(z) • Semiconductor Trackers (SCT) • |h| < 2.5 • 8 ヒット / track • チャンネル分解能： 17mm (Rf), 580mm (z) • Transition Radiation Tubes (TRT) • |h| < 2.0 • 36 ヒット / track • チャンネル分解能：130mm 衝突点 z 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  14. ミューオン検出器（MuonSpectrometer:MS） ドリフトチューブ • トロイド磁場 • 三層構造（Inner + Middle + Outer） • 飛跡検出器（|h| < 2.7） • Monitored Drift Tubes （MDT） • |h| < 2.7 • チャンネル分解能：80mm • Cathode Strip Chambers（CSC） • 2.0 < |h| < 2.7 for inner only • チャンネル分解能：60mm • トリガー検出器（|h| < 2.4） • Thin Gap Chamber （TGC） • 1.05 < |h| < 2.4 • Resistive Plate Chamber （RPC） • |h| < 1.05 |h| = 1.05 m+ m- z 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  15. ミューオン飛跡再構成 • IDトラック • 運動量分解能が良い • MSトラック • ミューオン検出器でミューオンと識別されている • コンバインドトラック • IDとMSのトラックをつなぐ • 運動量分解能の良いミューオン 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  16. ミューオントリガー • ヒットコインシデンス • 3層（R1, 2, 3 or TGC1, 2, 3） • 2次元座標（h -f） • 曲率の見積り（dh - df） • d：仮想無限大運動量トラックとのズレ • pT閾値レベルの算出 • dh - df情報をLUT（look up table）で統合 （コインシデンスマトリックス） • pT閾値レベルの決定（6段階） ミューオン d 衝突点へ 衝突点 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  17. 解析用データサンプル • 実験データ • 2010年4月～7月に取得されたデータを使用 • 解析に適した検出器状況を要求 　 （LHC安定、磁石安定、トリガーOK、IDOK、ミューオンOK、カロリーメータOK） • W / Z 解析：pT閾値 = 6 GeVのシングルミューオントリガー W→mn解析のみ 積分ルミノシティ： W→mn : 310 nb-1 Z→mm : 331 nb-1 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  18. 解析用データサンプル（MC） • MCシミュレーションデータ • PYTHIA (POWHEG for tt) + MRST LO* の組で生成 • Geant4 + 検出器シミュレーション + 事象再構成アルゴリズム • NNLO計算の断面積で規格化 • QCD di-jetサンプルのみ、実データで規格化定数を求める • Z→mm、W→mnにはpile –up （~2 minimum bias反応を追加） 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  19. ミューオントリガー効率の評価 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  20. ミューオントリガー効率の評価 • （評価対象）pT閾値 = 6 GeVのシングルミューオントリガー • TGCとRPCの2ビンで評価 • トリガーバイアスを避ける A.　ジェットトリガー事象を用いる B.Z→mm事象のタグ&プローブ法 ３．トリガーシグナルを探す ２．トラックを外挿 （磁場、物質を考慮） ミューオン検出器 １．ミューオントラック（コンバインド）を選択 衝突点 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  21. A.ジェットトリガー事象を用いた評価 ミューオンが飛んで無い方向に トリガーを探すことになる • ジェットトリガー = カロリーメータ情報 →　バイアスとならない • Heavy Flavorメソンの崩壊　→　高統計 • p粒子バックグラウンドの除去 • ct =7.8 m、検出器中で折れ曲がるトラック • IDとミューオン検出器のpTの差（pTID - PTMS）で排除 m 外挿 p 崩壊点 p事象によるバイアス jet muon 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  22. ミューオン選別 • ミューオン選別： • 　コンバインドトラック • |h| < 2.4 • pT > 20 GeV • pTMS > 10 GeV • |pTID – pTMS| < 15 GeV • |z0| < 10 mm p粒子除去 宇宙線除去 pTMS：ミューオン検出器で測定されたpT pTID：IDで測定されたpT z0: 崩壊点とのz方向インパクトパラメータ 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  23. ミューオンの分布 f分布 pT分布 endcap h分布 endcap m- m+ barrel barrel Endcap - 2307 (+: 1187, -: 1120) Barrel - 3173 (+: 1670, -: 1503) 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  24. ミューオントリガー効率分布 h分布 f分布（barrel） f分布（endcap） barrel endcap y x 構造を支える”脚”： RPCに穴が空いてる 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  25. トリガー効率長期安定性 • 2010年4月11日～2010年7月18日 barrel endcap 時間 時間 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  26. MCへの補正 • ミューオントリガー効率のMCへの補正 scale factor • データとMCの差（8%）: • 　チェンバーのヒット効率 • 　コインシデンスウィンドウのチューニング pT > 20 GeV pT > 20 GeV endcap barrel Data: 0.865 +- 0.007 (stat) +- 0.017 (syst) MC : 0.950 +- 0.001 (stat) +- 0.006 (syst) SF : 0.911 +- 0.008 (stat) +- 0.017 (syst) Data: 0.763 +- 0.008 (stat) +- 0.015 (syst) MC : 0.793 +- 0.002 (stat) +- 0.010 (syst) SF : 0.961 +- 0.010 (stat) +- 0.018 (syst) 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  27. トリガー効率評価における系統誤差の導出 • スケールファクターの系統誤差 scale factor • |pTID - pTMS|カット値（20±5GeV） • 最も近いトリガー or 最もpT閾値の高いトリガー • DR = 3 s ± 1s 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  28. B.タグ＆プローブ法による評価 • Z→mm事象の2本のミューオン（タグ&プローブ） • 不変質量のカットでバックグラウンドを排除 • タグミューオンがイベントトリガーを鳴らしたことを要求 • プローブミューオンのトリガーバイアスが無くなる • プローブミューオンでトリガー効率を測定 endcap: 0.865 +- 0.035 (stat) barrel : 0.747 +- 0.047 (stat) • ジェットトリガー事象での評価との比較 • 　（実データ） • 統計誤差内で一致 • 109のZ→mm事象= 218ミューオン • Z→mm断面積測定と同じ事象 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  29. W / Z 断面積測定 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  30. W/Zプリセレクション • 宇宙線、検出器ノイズのイベントの排除 • 1つ以上のバーテックスを要求し、宇宙線事象を排除 • 再構成に用いられたトラック数 > 2 • 原点からの距離（z座標） < 150 mm • ETmissを用いるW→mn測定では、フェイクジェットを排除 • high-pTのミューオン（コンバインド）を要求 • pT > 15 GeV • |h| < 2.4 • pTMS > 10 GeV • |pTID – pTMS| < 15 GeV • |z0| < 10 mm • W→mn、Z→mm MCはバーテックスの数 （パイルアップ）を事象毎にウェイト アクセプタンスへの影響 ~ 0.2 % イベント毎のバーテックスの数 トリガー効率測定と同一 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  31. W →mn事象の断面積測定 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  32. W→μν事象 本解析での事象選択 • １本のhigh-pt（> 20 GeV）, isolated ミューオン • High-ptニュートリノ → Large missing ET(> 25 GeV) • 大きな横質量（mT> 40 GeV） 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  33. W→mn：カットフロー ミューオンのpT > 8 GeV @ QCD MC プリセレクション 1 2 3 1 2 3 4 5 4 5 6 7 6 8 9 10 7 8 9 10 W→mn事象選別 7.　ミューオンpT > 20 GeV 8.Isolated 9.ETmiss > 25 GeV 10.MT > 40 GeV • W→mn事象数= 1181 (W+: 709, W-: 472) 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  34. W→mn：ミューオン分布 • 全事象選別後のミューオン分布 • スケールファクター、QCDスケール補正後 • ミューオン数で規格化 • エラーは統計誤差のみ 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  35. ミューオンアイソレーション • ミューオンからDR < 0.4 の中のIDトラックのpTの和を ミューオンのpTで割った値が0.2以下 • W→mn全事象選別後 • 　プリセレクション後 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  36. W→mn：ETmiss、MT • （自分以外の）全事象選別後のETmiss、横質量 • スケールファクター、QCDスケール補正後 • イベント数で規格化 • エラーは統計のみ 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  37. W→mn：背景事象 • QCD事象: QCD、non-QCD事象のIsolationカットへの効率を評価し、 　　　シグナル領域に残る事象数を推定 • 宇宙線： • 宇宙線がイベントセレクションを 通過する確率（non-colliding bunch）： e = （1.1±0.2(stat)）×10-10 • ミニマムバイアスの断面積： 50±10 (stat) mb • オーバーラップ： 1.1×10-10×50 mb×310 nb-1 = 1.7±0.8 (stat) • Nloose: Isolation 以外のカットをかけた事象数 (1272) • Nisol: W→mn事象数 (1181) • enonQCD: W / Z事象のミューオンがisolatedな確率 • Z→mm事象で見積り：0.984 +- 0.10 (syst) • eQCD: QCD由来のミューオンがisolatedな確率 • プリセレクション後、15 < pT < 20 GeVのミューオンを • 　コントロールサンプルとして見積り: • 0.226 +- 0.006 (stat) MC 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  38. W→mn：生成断面積×崩壊分岐比 • 信号事象数：1181 • W+: 709 • W- : 412 • バックグラウンド事象数：103.3 ± 10.9 (syst) • W+: 56.4 ± 6.5 (syst) • W- : 47.1 ± 4.6 (syst) • アクセプタンス（A×C）: 0.364 ± 0.018 (syst) • W+: 0.370 ± 0.019 (syst) • W- : 0.355 ± 0.018 (syst) • 積分ルミノシティ: 310 ± 34(syst) nb-1 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  39. Z mm 事象の断面積測定 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  40. Z→μμ事象 本解析での事象選択 • ２本のhigh-pt (> 20 GeV), isolated ミューオン（反対電荷） • Z粒子の不変質量（66 < Mμμ < 116 GeV） 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  41. Z→mm：カットフロー ミューオンのpT > 8 GeV @ QCD MC プリセレクション 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 7 8 9 6 7 8 9 Z→mm事象選別 6.2本のミューオン 7.2本ともisolated 8.　電荷が反対 9.66 < Mmm < 116 GeV • Z→mm事象数 = 109 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  42. Z→mm：背景事象 • MCを信頼してバックグラウンド数を見積もる • total: 0.364 +- 0.163 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  43. Z→mm：ミューオン対不変質量 • 全事象選別後のミューオン対の不変質量 • スケールファクター、QCDスケール補正後 • イベント数で規格化 pT分解能の悪化 log linear 66 < Mmm < 116 GeV 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  44. Z→mm：ミューオン運動量スケール、分解能 スケール 分解能 • 上記パラメータでc2検定 • C1 = 0.97 - 1.01、C2 = 0.03 – 0.10 C1=0.99, C2=0.07, c2 = 0.49 Dc2 C2 Dc2 =1 c2計算領域 C1 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  45. Z→mm：生成断面積×崩壊分岐比 • 信号事象数：109 • バックグラウンド事象数：0.364 ± 0.163 • アクセプタンス（A×C）: 0.369 ± 0.023 • 積分ルミノシティ: 331 ± 36(syst) nb-1 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  46. 結論 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  47. 結論 • W→mn、Z→mm共に理論予想と一致 • W→mnは電荷ごとの生成断面積も一致 W→ln ATLAS Z→ll ATLAS Tevatoron Tevatoron SppS SppS PHENIX √s = 7 TeVの陽子陽子衝突構造がQCDの理論計算と一致する事を世界で最初に示した 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  48. 謝辞 今回、すばらしい賞をいただいたことを機に、以下の方々にあらためてお礼を述べさせて頂きます。 • ５年間指導してくださった山下准教授 • ５年の間研究の場を提供してくださった近藤、小林、徳宿教授はじめATLAS日本グループの皆さん • 駒宮センター長はじめ東京大学素粒子物理国際研究センターの皆さん ありがとうございました 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  49. バックアップ 日本物理学会若手奨励賞記念講演

  50. パートン運動学 • √s = 7 TeVでもTevatronでは見えなかった領域をみている W.J.Stirling, Private Communication 日本物理学会若手奨励賞記念講演

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