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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