Transcript カロリメータ
ＩＬＣ実験におけるストリップ型カロリメータの クラスタリングアルゴリズムの開発 044S116N 永曽 有亮 目次 ＩＬＣ実験 カロリメータ ＰＦＡ クラスタリング 結論と展望 ＩＬＣ計画 次世代の電子陽電子衝突型線形加速器実験 ヒッグス粒子の性質の精密測定 新しい物理の探索 衝突エネルギー0.2~1ＴｅＶまで ＩＬＣの測定器 ビーム軸に近い方向から 以下のような測定器が提案されている バーテックス検出器 中央飛跡検出器 カロリメータ ミューオン測定器 巨大な測定器 14m x 14m x 13m 13k tons 信号のチャンネル数 ～3億チャンネル カロリメータ カスケードシャワーを利用し、入射粒子 のエネルギーを測定する検出器 カスケードシャワー 物質に入射した粒子が生成する二次粒子群は、 さらに二次粒子を生成する。 この過程は新たな粒子を生成できるエネルギーを 下回るまで続き、粒子数が指数関数的に増大する 吸収層 全吸収型カロリメータ サンプリング型カロリメータ ・吸収体=検出体 ・吸収体と検出体を交互に組み合わせた積層型 ・カロリメータ内で失う全エネルギーを測定できるので分解能に優れる ・輻射長の小さい物質を用いてサイズを小さく出来、コストも低い ・コストが高く、大量生産が困難 ・エネルギー分解能は全吸収型に劣る タイル型カロリメータと ストリップ型カロリメータ Y層 タイル型 ストリップ型 空気層 空気層 ｙ ｙ 吸収層 検出体 ｘ 断面図 タイルを極端に小さくできない ｙ 吸収層 ｚ 検出体 １スーパーレイヤーの構造 ゴーストが発生する 断面図 ｘ X層 ストリップ型カロリメータにおけるゴーストの存在 例えば右のように(赤・青いずれかもしくは両方）荷電粒子が入射 ↓ 青のように入射したか赤のように入射したかそれとも 両方のパターンが入射したか分からない 存在しない入射粒子の組をゴーストという y ? ? z x ? ? カロリメータとエネルギー分解能 マルチジェットイベントのそれぞれのジェットからペアを作る ジェットを精度良く測定できないと、質量の再構成において 精密にもとの粒子を特定できない だからジェットのエネルギー分解能がよくなる必要がある W+ e- H Z＊ W- Z e+ 6Jets ILCで求められる ジェットのエネルギー分解能 ee WWνν、ZZνν 60% / √E 30% / √E 30 % / √EjetならW,Zの区別がつく 目標値：30% / √Ejet どうすればエネルギー分解能がよくなるか？ PFA ( Particle Flow Algorithm ) ジェットのエネルギー分解能をよくするための 解析手段と期待されている 実際にどうやってＰＦＡを用いるのか？ １．クラスタリング ２．トラッカーによる飛跡とクラスターとの対応付け ３．カロリメータ内の荷電粒子起源のクラスターを取り除く ４．荷電粒子のエネルギー分解能はトラッカー、中性粒子の エネルギー分解能はカロリメータによるものになる なぜそうしたほうがいいの？ Ejet = E charged + E γ+ En.h. charged γ neutral hadron dp / p =10-4~10-5 x p dE / E = 15% / √E dE / E = 60% / √E 最も精度良く測定するには 荷電粒子・・・トラッカー 中性粒子・・・カロリメータ 究極の検出器 1７% / √E jet PFAの概念図 電磁カロリメータ ハドロンカロリメータ 中性粒子 (neutral hadron) 荷電粒子 (electron) 中性粒子 (gamma) 荷電粒子 (charged hadron) 現実の問題 σjetを構成しているもの 荷電粒子 トラッカーの運動量分解能 dp / p =10-4~10-5 x p 光子 電磁カロリメータの分解能 dE / E = 15% / √E 中性ハドロン ハドロンカロリメータの分解能 dE / E = 60% / √E σconfusion カロリメータ内でのジェット内のシャワーの混合 σconfusionをよくすることが課題 σconfusionの改善 ・カロリメータを細分化する ・カロリメータと衝突点との距離を大きくする ・磁場をかける ・電磁シャワーの横方向の広がりをおさえる 本研究の目的 ＰＦＡの初段階であるクラスタリングを行うための ストリップ型のカロリメータ用にアルゴリズムを開発し、 そのアルゴリズムの評価を行う。 セットアップ ２ｍ 衝突点 ２ｍ ２．１ｍ EMCAL シミュレータ geant4を使用 π0を入射させた HCAL EMCAL・・・ W(3mm)+Sci(2mm)+Air(1mm) 30Layers(15 super layer) HCAL・・・ Pb(20mm)+Sci(5mm)+Air(1mm) 50Layers(25 super layer) クラスタリングとは？ X層 Y層 X層 Y層 本研究における クラスタリングアルゴリズム ヒットストリップの定義 隣接したヒットストリップの結合 Ｘ，Ｙクラスターの対応付け クラスターの分離 ストリップ型カロリメータはＸ、Ｙの構造が異なるので、 Ｘ、Ｙ層別々の処理をしていく方法を取った。 ヒットストリップの定義 荷電粒子が通過したと考えられるストリップの事 10GeVのμを入射させた gamma1GeV,10GeV ０．１ＭＩＰ １ＭＩＰ 拡大 ０．１ＭＩＰ １ＭＩＰ ＭＩＰ 横軸：１つのシンチレータに落ちたエネルギー（MeV） １ＭＩＰ ０．２５ＭｅＶ 横軸：エネルギースレッショルド（MeV） 縦軸：メインクラスターがカロリメータに落ちた 全エネルギーに占める割合 検出器の性能により エネルギースレッショルドは 0.1MIP( 0.025MeV )に決まる 隣接したヒットストリップの結合 手順 a 全ヒットストリップの中で１番エネルギーが 落ちたヒットストリップを見つける b そのまわり(注目する範囲)を見て同じクラスターに 属するヒットストリップがあるか確認する c まわりにヒットストリップがあった場合には、 そのまわりにも再帰的に調べる d a~cをヒットストリップがなくなるまで続ける 仮想的なイベント a) １番エネルギーが落ちたストリップ を見つける 注目している範囲 注目している範囲 c) 再帰的に処理をする クラスターができた 残りの中で１番エネルギーが 落ちているストリップ b) 注目しているストリップ の周りを調べる クラスター１ クラスター２ 実際にはこれらを３次元で行っていて、 Ｘ、Ｙ層別々に処理している ｘ、ｙストリップの対応付け これまでの手順で、ｘ、ｙにクラスターが複数存在する場合、 どれとどれをペアにするかの基準が必要になる １．クラスターの重心 ２．クラスターのエネルギー Χ２＝｛（Ｅｘ－Ｅｙ）/（σＥｘ－Ｅｙ）｝２ ＋｛（Ｘｘ－Ｘｙ）/（σＸｘ－Ｘｙ）｝２＋｛（Ｙｘ－Ｙｙ）/（σＹｘ－Ｙｙ）｝２＋｛（Ｚｘ－Ｚｙ）/（σＺｘ－Ｚｙ）｝２ Χ２が最小になる組み合わせをペアにする （注） ○ｘ：ｘストリップでの値 σ カロリメータにγを １発入射させて これらの値を求めた 値 σＥｘ－Ｅｙ ０．０３１×√(Ｅｘ＋Ｅｙ) σＸｘ－Ｘｙ １５．１６ / √Ｅｘ σＹｘ－Ｙｙ １６．４２ / √Ｅｘ σＺｘ－Ｚｙ ４６．４２ / √Ｅｘ クラスターの分離 クラスターの分離が必要なのは？ ・・・右のような特殊なイベントに対処するため 方法１ 手順 １．ピークストリップを奥行き方向につなげて クラスターの軸（串）を作る ２．串と各層との交点を算出する ３．分離したいクラスターに属するヒットストリップ それぞれに対し、串との距離を計算する。 ４．交点とヒットストリップとの距離の近い方を その串に振り分けていく 串１ Ｙ 仮想的なイ ベント 串２ 手順２ 交点の算出 Ｚ Ｘ 手順１ 串の作成 注目しているヒットストリップ 距離２ 手順３ 距離の比較 距離1 分離できた この分離を全層について行う 手順４ 振り分け完了 ｘストリップ ｙストリップ 串１との交点 ｙ 串2との交点 ｚ ｘ 距離1 仮想的なイベント 串1 距離2 串２ 注目しているヒットストリップ ｘストリップの情報から串を作る 串2に属するクラスター サイズの大きいストリップでは方法１では問題がある！！ このようなときに対処する方法を考えた 方法２ 手順 １．ピークストリップを奥行き方向につなげて クラスターの軸（串）を作る ２．串と各層との交点を算出する （１．２は方法１と同様） ３．交点をヒットストリップに射影する ４．射影したところにエネルギーを集中させる ｘストリップ ｙ ｙストリップ 串１との交点 串2との交点 ｚ ｘ 仮想的なイベント 串1 串２ クラスター１ ｘストリップの情報から串を作る 対処した クラスター２ ０ π を用いての検証 １ｃｍ×１ｃｍ、１ｃｍ×５ｃｍ、１ｃｍ×１０ｃｍ、１ｃｍ×２０ｃｍ のストリップ型カロリメータに対して、再構成できたイベント数と 不変質量を比較した。 mπ0 = ( E1 + E2 )2 - ( P1 + P2)2 手順 １．２つのクラスターからγを再構成する ２．それらに対して不変質量を組む クラスタリングアルゴリズムを検証する。 パターン１．もともとＸ、Ｙともに分離しているクラスターのみの場合 パターン２．パターン１＋分離の方法１ パターン３．パターン２＋分離の方法２ 以上の３つの結果を比較することで、クラスタリングのアルゴリズム を検証する 分離前 １ｃｍ×１ｃｍ １３５ＭｅＶ １３５ＭｅＶ １ＧｅＶ ２ＧｅＶ ５ＧｅＶ ７ＧｅＶ １０ＧｅＶ １５ＧｅＶ 分離前 １ｃｍ×10ｃｍ １３５ＭｅＶ １３５ＭｅＶ １ＧｅＶ ２ＧｅＶ ５ＧｅＶ ７ＧｅＶ １０ＧｅＶ １５ＧｅＶ 分離方法１ １ｃｍ×１ｃｍ １３５ＭｅＶ １３５ＭｅＶ １ＧｅＶ ２ＧｅＶ ５ＧｅＶ ７ＧｅＶ １０ＧｅＶ １５ＧｅＶ 分離方法１ １ｃｍ×１０ｃｍ １３５ＭｅＶ １３５ＭｅＶ １ＧｅＶ ２ＧｅＶ ５ＧｅＶ ７ＧｅＶ １０ＧｅＶ １５ＧｅＶ パターン１とパターン2との比較 再構成に成功したイベント数 １０００イベントのうち、再構成に成功したイベント数 パターン１ パターン2 分離することで、拾えるイベントが大幅に増えた ストリップのサイズが1ｃｍ×20ｃｍのときのみ、 パターン１とパターン２との比較 再構成した不変質量 １３５ＭｅＶ １３５ＭｅＶ パターン1 パターン2 分離することでストリップ間の違いが少なくなった 分離方法２ １ｃｍ×１０ｃｍ １３５ＭｅＶ １３５ＭｅＶ １ＧｅＶ ２ＧｅＶ ５ＧｅＶ ７ＧｅＶ １０ＧｅＶ １５ＧｅＶ 分離方法２ １ｃｍ×１０ｃｍ １３５ＭｅＶ １３５ＭｅＶ １ＧｅＶ ２ＧｅＶ ５ＧｅＶ ７ＧｅＶ １０ＧｅＶ １５ＧｅＶ パターン２とパターン3との比較 成功したイベント数 分離前 分離後 ほとんど変わらない結果になった パターン２とパターン３との比較 再構成した不変質量 １３５ＭｅＶ パターン２ １３５ＭｅＶ パターン３ 結論 １．ＰＦＡの初段階であるクラスタリングアルゴリ ズムを開発した。 ２．π0の再構成に関しては、ストリップ型カロリ メータでもタイル型カロリメータと同等の性能 が出る。 今後の展望 ジェットを扱う フルシミュレータに組み込む Event Display Z → qq-bar ee+ Red : pion Yellow : gamma Blue : neutron Event Display - Gamma Finding gamma Red : pion Yellow : gamma Blue : neutron Event Display - Track Matching Red : pion Yellow : gamma Blue : neutron Event Display Remaining hits are assumed to be neutral hadrons. Red : pion Yellow : gamma Blue : neutron ヒッグスの生成と崩壊 質量の大きな粒子と強く結合 ヒッグスの生成 できたヒッグスの崩壊分岐比 バーテックス測定器(VTX) 衝突点の極近傍で荷電粒子の飛跡を 精密に測定する為に用いられる。 b/c taggingの性能を上げるために重要 要求される性能 崩壊点の 位置分解能 が数ミクロン 4ないしは5層の CCDを用いて 精密なトラッキング を行う 中間飛跡検出器 バーテックス測定器と 中央飛跡検出器の間に配置 中央飛跡検出器と バーテックス飛跡検出器の トラックの対応付け 両面シリコン マイクロストリップの レイヤーが5層 ~80cm 中央飛跡検出器 荷電粒子の飛跡を正確に測定し その曲率から荷電粒子の運動量を測定する 必要な位置分解能 150μｍ(rΦ方向) ～２ｍ ～５ｍ カロリメータ 粒子のエネルギー、位置の測定 エネルギー分解能 デザインとしては 以下のようなものを検討中 EM: W-Sciのサンドイッチ型 HD: Pb-Sciのサンドイッチ型 ミューオン測定器(MUON) 一番外側で物質内を最後まで突き抜けてくる ミュー粒子を測定