Transcript ATLAS実験におけるZ`粒子のレプトン対崩壊の探索

ATLAS実験における
Z’粒子のレプトン対崩壊の探索
Approve された図しか見せられないため、selectionの説明
がわかりにくいかもしれませんがご容赦下さい
石川 明正
神戸大学
20100325
関西高エネルギーグループ研究発表会
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ゲージ対称性
• 標準理論
– SU(3)C×SU(2)L×U(1)Y
– SU(2)L×U(1)Y対称性はヒッグス機構により破れ、ゲージ粒
子は質量を獲得。W±,Z0
• ゲージ粒子は本当にこれだけ？
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GUT
• 標準模型の三つの力を統一しよう
– １つの群と１つのカップリングから標準模型を説明したい
– SU(3)C×SU(2)L×U(1)Yを内包するさらに大きなゲージ群が必
要となる
–  新たなゲージ粒子(と新たな Higgs 粒子)
• Z’粒子は中性のゲージボゾン
– SU(5), SO(10), E6, E8, SO(32)…
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SU(5) GUT
• SU(3)C×SU(2)L×U(1)Yを内包する最小の群
– 新たな荷電ゲージ粒子 X4/3, Y1/3 は1015GeVぐらいの質量
– Quark と Lepton をつなぐ相互作用
• 陽子と電子の電荷の量子化の説明
– 標準理論粒子のハイパーチャージをチューニングパラメータ無く説明
– 美しい！
• しかし、SKでの pe+p0 の寿命から排除
– SK : t(pe+p0) > 8.2x1033year
– SU(5) : t(pe+p0) < 1032 year
Phys. Rev. D 79 (2009) 112010
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SUSY SU(5) GUT
• SUSY particle を入れることにより
– coupling unification at 1016GeV!
• SUSY を信じる motivation の１つ
– X, Yの質量が 1016GeVと重くなる
• X, Y を介した崩壊は suppress
• Dominant な崩壊は color triplet Higgsinoを介す
• SKでの pK+n の寿命から排除されかけてる
– SK : t(pK+n0) > 2.3x1033year
Phys. Rev. D 72, 052007 (2005)
– SUSY SU(5) : t(pK+n0) ~< 1034 year
• SU(5)より大きな群が必要
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SO(10) GUT
• SO(10)
– 物質場の統一
• SU(5):10表現と5表現（+nR）16表現の物質場
• SO(10)の壊れ方
– SO(10)  SU(4)×SU(2)L×SU(2)R
• Left-Right Symmetric Model
• Z’R
– SO(10)  SU(5)×U(1)c
• Z’c
• Subgroup に SU(5) を持つので SU(5) の良いところを引き継ぐこと
が可能！
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E6 GUT
• E6
– String に inspire された GUT
– 物質場は27表現(16+10+1)
• extra matter の存在
• E6の壊れ方
– E6  SO(10)×U(1)y
• Z’y
– E6 が壊れた時のZ’y と SO(10)が壊れ
た時のZ’c が mixing を起こす
– いろいろなZ’模型ができる
Z’
qE6
explanation
c
p/2
Pure SO(10)
y
0
Pure E6
h
p-arctan(√5/3)
細谷mechanism で壊れた時
I
arctan(√3/5)
hと直交
N
arctan(√15)
nR neutral
Large Majorana mass
or avoid BBN on Dirac n mass
S
arctan(√15/9)
m problem を解決
いっぱい模型があると比較が大変なのでベンチマークモデル
として、標準模型と同じ性質で質量が重い Z’SSM も導入
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Z’の質量は？
• GUT に基づくからGUT scale?
– 必ずしもそうではない
• たとえば m problem を解決するために導入する場合にはEW
scale (~TeV)にあるべき
• LHC で探しましょう
– CDF が下限 MZ’SSM > 1071GeV を設定
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LHC
・ 陽子・陽子衝突型加速器
・ 周長27km
・ 重心系エネルギー 7TeV
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ATLAS
• 飛跡検出器(Inner Detector:ID)
– Pixel, Silicon Strip 検出器
• |h| < 2.5
– 遷移輻射検出器
• カロリーメータ
– EM : 鉛 + Liquid Argon
• dET/ET = 10%/√E (GeV) + 0.7%
• |h| < 2.47
– Hadron : 鉄 + シンチタイル
• ミューオン
– ドリフトチューブ3層
– カソードストリップチェンバー
– Troid 磁石
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• dpT/pT ~ 10% at 1 TeV
• |h| < 2.7
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解析
• モード
– 電子対と ミューオン対
• データ
– 39pb-1 電子
– 42pb-1 ミューオン
• シグナル
– 1TeV Z’SSM : s*B=120pb
• 背景事象
–
–
–
–
Drell-Yan : 主要だが小さい
Top pair
Diboson WW, WZ, ZZ
QCD : 電子で重要
• 解析方針
– 信頼出来る検出器の領域・カットを使用する
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• Extreme High ET (>>100GeV) においてまだ検出器の校正が完璧ではない
Selectionと検出効率
• 電子
• ミューオン
– ET > 25GeV
– |h| < 2.47
• 1.37<|h| < 1.52 を除く
– シャワー形状がEM consistent
– Had Cal への漏れが少ない
• Hadron を除く
• 分解能を保証
– ID track との muon の matching
• 分解能を改善
– ID track との matching
• g を除く
– 最内層の pixel hit を要求
• Conversion を除く
– Calo Energy Isolation
• Jet を除く
• Sum ET / Electron ET < 0.05 (R<0.3)
– 1TeV Z’SSMの検出効率 60%
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– pT > 25GeV
– |h| < 2.4
– Muon３層のヒットを要求
– Impact parameter
• d0 < 0.2mm (s~0.03mm)
• z0 < 1.0mm (s~0.2mm)
– Track Isolation
• Jet を除く
• Sum pT/ Muon pT < 0.05 (R<0.3)
– 1TeV Z’SSMの検出効率 40%
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Electron Isolation
• 電子モードはQCD背景事象の理
解が重要
– High ET では Drell-Yan より大きい
• 三つのData-Driven methods で
QCD background を check
– Inverted identification : Isolation
selection を逆にして見積もる
– Matrix method : 電子efficiency と
QCD fake 測定し、Tight selection と
Loose selection を pass する event 数
から QCD と電子を分離
– Isolation fit : Isolation 変数を fit する
ことにより QCD と 電子を分離
• 三つの方法は consistent
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最終的な不変質量分布
• M<110GeV でのデータとMCがあうように規格化
– ルミノシティー*検出効率の誤差がある程度キャンセル
• データとMC はM>110GeV 以上でも良くあっている
– P-value 5%(電子) 22%（ミューオン）
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M>400GeV
Observed
Expected BG
電子
3events
2.9+-0.3events
ミューオン
1events
1.6+-0.1events
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系統誤差
• 主要な系統誤差は
– M<110GeV でのDrell-Yan断面積
– PDF at M=1TeV
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断面積への制限
• 得られたデータに対して
Signal/Background Template を用いて
Baysian fit し 95% C.L. を設定
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Z’質量の下限
• Z’I と Z’S で TeVatron を超える下限！
Z’
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TeVatron
ATLAS
SSM 1.071
1.048
c
0.930
0.900
y
0.917
0.738
h
0.938
0.771
I
0.817
0.842
N
0.900
0.763
0.858
0.871
S
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最も不変質量が大きな電子対 event, 617GeV
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最も不変質量が大きな
ミューオン対 event, 768GeV
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まとめ
• ATLASが2010年に収集したデータを用いてZ’の探索
を行った
• Z’I と Z’S の質量の下限は TeVatron を超える
• 来年度はすべての Z’ 模型において TeVatron を上回る予定
• 他の共鳴に対する制限も与える予定
–
–
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–
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RS Graviton
ADD Graviton
RPV n~
….
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backup
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Matrix Method
• １つの sample に４つの selection TT, TL, LT, LL をかけ、event 数を数える
• Efficiency と fake rate は別のpure な sample から測定
r: efficiency
f: fake rate
• QCD background の数は
– NQCD = r*f*NRF + f*r*NFR + f*f*NFF
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最終的なレプトン ET/PT分布
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最終的なレプトン h 分布
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Dimuon に崩壊する resonance
• Randall-Sundrum Warped Extra Dimension GKK
• Z’
• R-parity
violating SUSY sneutrino
_
– dd  n~, ll’が小さいと long lived
• Higgs
– SM, 2HDM : h, H, A (Yukawa が小さいので sensitivity は限られるが)
– Triplet Higgs: H++ (VEV 小さく W とcouple しにくい、 Yukawa は SM とは別、Little
Higgs、LRSM)
– Singlet : S (NMSSM、 m problem、軽い)
• Technicolor mesons rT, wT
– QCD での質量獲得の analogy
– LEP の精密測定(S parameter<0.1, TC S=0.3)で死んだと思ったけど
• Z*
– Compositeness, Excited Z, L=1, Spin 1, Higgs の代わりにEWSB を起こす Z*もいる
• 他にもいろいろ
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hep-th/9905221
RS1 Model
• 4 + 1 次元
–
–
–
–
–
余剰次元は半径 の S1/Z2 orbifold上にコンパクト化
2つの3次元空間の膜(Brane)が余剰次元方向に離れて存在
片側の SM Brane に標準模型粒子が拘束
重力子は余剰次元(Bulk)を伝搬する  KK Graviton
Planck
空間の計量は以下のように書ける
•
•
•
•
Brane
: ミンコフスキー空間の位置
: 余剰次元の位置
: 余剰次元の半径
: 余剰次元の曲率
– 余剰次元の場所によって大きく計量が変わる
• Planck Brane では重力は強い
•  L ~ 1TeV とすると
~12
S1/Z2
=0
Warped Factor
– アインシュタイン方程式の解である
– 本当のPlank Scale L = Mpl*exp( -
SM Brane
p)
Extra Dimension
(Bulk)
=p
Model Parameter と GKK の性質
• 二つのModel Parameters
– Coupling : k/Mpl = 0.01 ~ 0.1
• 0.1 :曲率が余剰次元の半径以下
– 最初のKK励起状態の質量 : MG
• Mass of KK Graviton
– Mn = xn * k/Mpl * L
• Narrow Width
xn :1次のベッセル関数の根
x1 = 3.83
x2 = 7.02
x3 = 10.17
– 検出器の分解能より狭い
Parameter Space
KK Tower
e+e-  GKK
GKK Width
JoAnne Hewett, Maria Spiropulu Ann.Rev.Nucl.Part.Sci.52:397-424,2002
KK Gravitonの生成
• 質量が低いところではグルーオンフュージョンが支配的
– xの小さいグルーオンはいっぱいいる
• クォーク対消滅は質量の高いところで重要
– Valence クォークの影響
7TeV
KK Gravitonの崩壊
• 標準模型の粒子にユニバーサルに結合
– 重要な崩壊モードは diphoton(4%) と dilepton(2%).
• 崩壊角度 : Spin 2!
– (a) : gg  GKK  ff, (b) : qq  GKK  ff
– (c) : gg  GKK  gg, (a) : qq  GKK  gg
Cross Section * BF
k/Mpl, MG[GeV]
s*B [fb]
0.01, 300
871
0.01, 400
224
0.01, 500
81
0.10, 1000
209
0.10, 1100
122
0.10, 1200
75