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ATLAS実験ミューオン検出器の
実験データを用いた
検出効率評価法の研究
久保田 隆至（東大素セ）、山下 了（東大素セ）、他ATLAS日本標準模型グループ
2009年9月11日 日本物理学会2009年秋季大会@甲南大学
p1
研究の動機
• ATLAS検出器でsingle-muon、di-muonの生成断面積の質量分布を測定する
- 重い中性粒子の探索：新物理（GUT、compositeness、余剰次元 etc.） 数TeV
- Zボソンのdσ/dy、dσ/dpt、、、：QCD
数10～100GeV
質量、崩壊幅：検出器の較正
- Bs → μμ、J/psi → μμ、Upsilon → μμ：FCNC、Bの物理 数GeV
• 生成断面積の測定 = ミューオン（対）の計数
σ sig 
(N  N BG )
L  A   ana
σsig：測定したい断面積
N ：生成ミューオン数
NBG：背景事象からのミューオン数
L ：ルミノシティ
A ：アクセプタンス補正
εana：解析効率
N = （再構成されたミューオンの数）/（ミューオンの検出効率）
実データでの トリガー効率⊗トラッキング効率 評価システム
p2
講演の流れ
• pt=5GeV～100GeV、|η|<2.5の領域での検出効率評価
• Z→μμの質量ピークを利用したtag & probe法を用いる
- トリガー、トラッキング効率を全てtag & probe法で
求める
• 陽子陽子加速器：QCDバックグラウンドが大きい
特に低Ptで内部飛跡検出器のミューオンが埋もれる
→ ミューオン検出器のヒットを利用し、
バックグラウンドを除去する手法の開発
→ シミュレーションサンプルでのバックグラウンド
除去能力評価
Z → μμ
• バックグラウンド除去サンプルを用いた各効率の計算
実験1年目に期待される100pb-1での検出効率評価の
評価精度の見積もり
- ミューオン検出器のトラッキング効率
- トリガー効率
Inner track probe candidates
今回の講演で使用したシミュレーションデータは
重心系エネルギー10TeVのもの
pt > 6GeV, 100pb-1
bbの寄与 大
p3
ATLAS検出器
Proton
(5TeV)
Proton
(5TeV)
内部飛跡検出器
Calorimeters
- Pixel Detector
- EM Calorimeter
- Silicon Tracker
- Hadron Calorimeter
- TRT Tracker
- Solenoid Magnet（2.0T）
独立にトラッキング
ミューオン検出器
- Toroid Magnets
- Trigger Chambers
- Tracking Chambers
p4
内部飛跡検出器
Pixel detector
Coverage : |η| < 2.5
Barrel:3 cylindrical Layers
Endcap: 3 discs
# of measurement:3
Silicon Tracker
Coverage：|η| < 2.5
Barrel : 4cylindrical Layers
Endcap: 9 discs
# of measurements:8
Barrel Silicon Tracker
End-cap Silicon Tracker
○ 検出器最内層、ソレノイド磁場（2.0T）
○ pt >0.5GeV, |η| < 2.5をカバー
○ 物質量：0.5～2.5X0, 0.2～0.7λ
TRT Tracker
Coverage：|η| < 2.0
Barrel: 73 straw planes
Endcap: 160 straw planes
# of measurements:36
p5
ミューオン検出器
Thin Gap Chamber
Monitored drift tubes
(Tracking)
Coverage : |η| < 2.7
# of measurement:20
Cathode Strip Chambers
(Tracking)
Coverage：2.0 < |η| < 2.5
# of measurements:4
Resistive Plate Chambers
(Trigger)
Coverage：|η| < 1.05
# of measurements:12
Thin Gap Chambers
(Trigger)
Coverage：2.7> |η| > 1.05
# of measurements:17
○ 検出器最外層、トロイド磁場（1.0～7.5Tm）
○ pt：3GeV～1TeV, |η| < 2.7をカバー
○ 物質量：100～200X0, 10～20λ（ミューオン検出器手前）
ATLAS実験のトラッキング
p6
１
Inner track
muon track
２
１．内部飛跡検出器, ミューオン検出器で
独立にトラッキング
→ Inner Track, Muon Track
２．両者をマッチング（d0, z0,運動量, 電荷）
→ Combined Track
３種類のトラック → トラッキング効率も３種類
combined track
• Inner Track:
崩壊点の情報 → 運動量分解能が良い
• Muon Track:
カロリーメータの後ろ → 低バックグラウンド
• Combined Track:
両者の利点を合わせ持つ
p7
ATLAS実験のトリガー
L1_EM7
L1_MU10
…
L2_e10
L2_mu10
…
EF_e10
EF_mu10
…
OR
Data recording
○ トリガーも３段階
- LVL1：ハードウェアトリガー
- LVL2, Event Filter ：ソフトウェアトリガー
○ トリガー判定ごとにトリガービットが保存される
これを利用してトリガー効率を評価する
トリガービット：
トリガーの種類、トリガーのあった
位置情報（η、Φ）を持つオブジェクト
p8
tag & probe法
• 中性粒子（J/ψ、Υ、Z）→ μμの崩壊のミューオンを集める
• 評価対象の検出器の情報を使わず、バイアスを抑える
（例）Z → μμサンプルを用いたミューオン検出器の
トラッキング効率評価
１．“ミューオン”のCombined Track（tag）を用意
２．tagとの不変質量がZの領域にあるInner Track
（probe）を用意
不変質量の条件でミューオンライクなトラックを
集める
３．probeの先にMuon Trackが再構成されてるか
調べ、ミューオン検出器のトラッキング効率を
評価する
サンプル収集にミューオン検出器の情報を使わない
→ バイアスがない
σ ( Z   ) ~ 1nb @ 10TeV
1000 muons / 1pb
-1
p9
検出効率の評価方法
○ ミューオン検出器のトラッキング効率
Corresponding
Muon Track?
１．Combined Trackのtagを用意する
２．Inner Trackのprobeを探す
３．probeの方向にMuon Trackがあるか
評価する
○ トリガー効率
Corresponding
Trigger bit?
１．Combined Trackのtagを用意する
２．Combined Trackのprobeを探す
３．probeの方向にトリガービットが
あるか評価する
○ Muon Trackをprobe：内部飛跡検出器のトラッキング効率評価
○ Muon, Inner Trackをprobe：Combined Trackの効率評価
確実にミューオンをprobeをする必要
p10
バックグラウンド
（バックグラウンドの物理プロセスで）たまたまtagとprobeが組めてしまう
• Combined, Muon Trackは“（ハドロン崩壊の）ミューオン”
• Inner Trackは“ハドロン”
→ Inner TrackのQCDバックグラウンド除去が重要
イベントトポロジーでQDCバックグラウンドを
• イベントごと
• トラック単位で
除去する
Z→μμイベントの特徴：
○ 2本のenergetic Isolated muon
- 不変質量がmZ(=91.1876GeV)
- 高いpt～45GeV
- back-to-back（ΔΦ～π）
○ ニュートリノがいない：small Missing Et
○ ハドロンが少ない：small Et sum
Z → μμ
p11
バックグラウンド
（バックグラウンドの物理プロセスで）たまたまtagとprobeが組めてしまう
• Combined, Muon Trackは“（ハドロン崩壊の）ミューオン” OK
• Inner Trackは“ハドロン” NG
→ Inner TrackのQCDバックグラウンド除去が重要
イベントトポロジーでQDCバックグラウンドを
• イベントごと
• トラック単位で
除去する
Z→μμイベントの特徴：
○ 2本のenergetic Isolated muon
- 不変質量がmZ(=91.1876GeV)
- 高いpt～45GeV
- back-to-back（ΔΦ～π）
○ ニュートリノがいない：small Missing Et
○ ハドロンが少ない：small Et sum
Z → μμ
p12
バックグラウンドプロセス
（a）W→μν
• ptの高い、Isolateしたミューオン
• 大きなmissing Et
○ Isolation
○ Et miss cut
（c）ttbar
• WbWbの組み合わせ
• 大きな Et sum, missing Et
○ isolation
○ impact parameter
○ Et sum, missing Et cut
（b）bb, cc
muon
hadron
• ptの低い、Isolateしてないミューオン
• 大きなImpact parameter
○ isolation
○ pt
○ impact parameter
（d）J/ψ, Υ
• ptカットは5GeVに固定
• Impact Parameterは実験初期に
使えるか分からないので、今回は
考えない
• Isolationに依存する部分が大きい
• 小さな質量を持つミューオン対
○ Isolation
○ invariant mass
p13
ミューオンヒット
Isolation以外でQCDのバックグラウンドを落とす手法の開発
→ ハドロンはカロリーメータで吸収され、ミューオン検出器に届かない
→ Inner Trackの外挿先にミューオン検出器のヒットを要求しバックグラウンドを除く
Extrapolated path
1. ミューオンヒットにInner Trackを外挿
2. Significanceを計算
3．5σまでをアソシエイトヒットとする
Muon Chamber
ミューオンヒットの要求：
○ ミューオン検出器の最外層に１つ
○ バイアスのかからない範囲で
一定数のヒットを要求する
（例：5 @ エンドキャップMDT
典型的なヒット数= 20）
Are There Hits?
Hadron calo
p14
Inner Trackのバックグラウンド除去
• 10pb-1のシミュレーションデータでイベントセレクション後のバックグラウンドを評価
イベントセレクション
⓪ イベントの選択
- L1, L2, EFをsingle muon pt>6GeVで通過
- MissingEt < 60GeV
- Etsum(total) < 3500GeV,
Etsum(hadron) < 3200GeV,
Etsum(EM) < 800GeV
① tagとなるCombined Trackの選択
- ヒット数、フィットクオリティでpre-cut
- |η| < 2.5, pt > 5GeV
- Isolation
process
σ[nb]
# of event
Lumi.[pb-1]
Z→μμ
1.0
9871
10
Drell-Yann→μμ
0.60
6016
10
ttbar
0.21
2055
10
W→μν
9.4
93709
10
W→τν
9.4
93709
10
Z→ττ
1.0
10196
10
cc→μ + X
33
49860
1.5
bbmu→μμ + X
62
246946
4.0
Direct
4.2
24000
5.7
② probeとなるInner Trackの選択
Upsilon→μμ
- ヒット数、フィットクオリティでpre-cut
Direct J/ψ →μμ
22
217500
10
- |η| < 2.5, pt > 5GeV
bb J/ψ →μμ
11
109671
10
- tagトラックと反対の電荷を持つ
- tagトラックとのΔΦ>1.0
jetjet 1muon
3.1
19980
6.5
- ミューオン検出器のヒットを要求する
使用したシミュレーションサンプル
- Isolation
- tagトラックとの不変質量がmzに最も近く、mzとの差が10GeV以内
p15
カットフロー
• 各カットの後のprobe トラック（候補）数
• 寄与をミューオン（Z→μμ、その他）とそれ以外（主にハドロン）に分類
ハドロンバックグラウンド
154273 → 509：300倍
pre-cut
Opposite
Charge
Pt
+ EtMiss
+ EtSum
ΔΦ
Isolation
Muon
Hit
Mμμ
@ 95% C.L
○ signal eff. = 76.8±2.6%
（wrt # of event）
○ S/B >124.4±4.3
○ # of signal = 7586± 261
○ # of BG < 61
○ Purity > 99.20 ± 0.03%
 ミューオンはシグナルとする
 BGが残らなかったサンプルも
3個の寄与があると仮定
• muon (Wμν) ×1
• muon (bbJ/ψ)×1
• muon (ppJ/ψ)×1
• muon (bbμμ)×30
No hadrons!
p16
不変質量分布
Zからのミューオン
Z以外のミューオン
ミューオン以外（主にハドロン）
Track qualityのカットのみ
全cut後
p17
過去の研究からの改善
• ATLAS実験でオフィシャルな解析（arXiv:0901.0512, pp.208 - 228）
14TeVのサンプルで、Pt, Isolationを用いた簡単な研究のみ
これを10pb-1の7TeVのサンプルでエミュレートし、今回の結果と比較
Pre-Cut
@ 95% C.L
○ signal eff. = 68.3±2.5%
（wrt # of event）
○ S/B > 85.3±3.1
○ # of signal = 6739± 246
○# of BG < 79
○ Purity > 98.84 ± 0.06%
Opposite
Charge
Pt
ΔΦ
Isolation
Minv
Cut
本講演の結果はシグナル効率約10%増。
過去の研究はpt>20GeV。
低ptのバックグラウンドを落とせた結果
 BGが残らなかったサンプルも
3個の寄与があると仮定
• Hadron (ttbar)×3
• Hadron (Wμν)×3
• Hadron (Wτν) ×2
ミューオン検出器のトラッキング効率評価
p18
• 100pb-1でのミューオン検出器のトラッキング効率を計算し、評価精度を見積もった
○ 10pb-1でトラッキング効率の中心値を計算
（S/B比から、各ビンにバックグランドを足す）
○ イベント数を100pb-1に外挿する
Muon Track
Inner Track
Inner Trackの先に
ΔR<0.075の範囲に
Muon Trackがあるか？
η依存性
Φ依存性
pt依存性
Inclusive: 96.6±0.1% (95% C.L)
p19
トリガー効率の評価
• 解析のデータストリームをL1, L2, EFともに“single muon w/ pt > 6GeV”と仮定
• 前段のトリガーを通過した条件でトリガー効率の評価
η依存性
Detector
pt = 6GeV
pt 依存性
L1 efficiency
L1_MU6
L1 efficiency
Inclusive:
88.6±0.2% (95% C.L)
L2_mu6
EF_mu6
L2 efficiency
(wrt L1 mu6)
Inclusive:
97.8±0.1% (95% C.L)
L2 efficiency
(wrt L1 mu6)
offline
Trigger
Bit?
EF efficiency
(wrt L2 mu6)
probe
Inclusive:
97.4±0.1% (95% C.L)
EF efficiency
(wrt L2 mu6)
p20
全トリガー効率
• L1効率⊗L2効率⊗EF効率
pt = 6GeV
η依存性
pt 依存性
p21
トリガー効率@Threshold 10GeV
pt = 10GeV
pt = 10GeV
まとめ
ATLAS検出器でsingle-muon, di-muonの生成断面積の質量分布を測定する
→ 実データでトラッキング効率⊗トリガー効率を評価するシステムの構築
① tag & probe法での性能評価法の改良
- pt=5GeV～100GeV、|η|<2.5の領域
- Inner TrackのQCDバックグラウンド除去のため、
トラックの外挿先にミューオンのヒットを要求する手法の開発
- イベントセレクションの構築
ミューオンヒットの他にIsolation, Missing Et, Et sum, ΔΦ等
→ S/B >120、signal efficiency～77%を達成
→ 先行研究よりも約10%のefficiency向上
② 100pb-1でのミューオン検出器の評価精度の検証
- トリガー効率、トラッキング効率（ミューオン検出器）の計算
• 96.58 ± 0.13% （ミューオン検出器のトラッキング効率）
• 88.58 ± 0.23% （L1 トリガー効率）
• 97.79 ± 0.11% （L2 トリガー効率）
• 97.38 ± 0.12% （EFトリガー効率）
③ 今後の方向性
- Truth情報を使った評価方法の妥当性の検証（バイアスの有無）
- fake rateの評価方法の確立
p22
backup
p23
p24
物質量分布
Inner Tracking System
before Muon Detectors
トロイド磁場分布
p25
ミューオン検出器のビニング
“足”の領域
p26
Troid Magnet Configuration
p27
Muon Hit Significance
significan
ce 
pos extrapo . - pos channel
 extrapo. -  channel_wi dth
Extrapolated to Outer Layer of Tracking Chamber
Single muon sample with pt of 7GeV/c
linear
log
p28
p29
ミューオンヒットの要求
• |η| ≦0.1:
Acceptance hole for survice
• 1.0<|η|≦1.1
Barrel – Endcap Transition
region
Outermost Staion:
1. Has hits on outermost MDT
Multilayer
2. Has hits on outermost TGC
or RPC station
→ 1 or 2
Typical # of measurement:
• MDT: 20
• RPC: 12
• TGC: 17
|η|≦0.1
#MDT > 5
#RPC phi > 2
#RPC eta >2
0.1<|η|≦0.55
#MDT > 10
#RPC phi > 2
#RPC eta >2
Outermost Station
0.55<|η|≦0.60
#MDT > 5
#RPC phi > 2
#RPC eta >2
0.60<|η|<1.0
#MDT > 10
#RPC phi > 2
#RPC eta >2
Outermost Station
1.0<|η|≦1.1
#MDT > 5
(#RPC +#TGC) > 2
for eta, phi
1.1<|η|
#MDT > 10
#RPC phi > 2
#RPC eta >2
Outermost Station
p30
内部飛跡検出器のヒット
|η|≦1.0
#Pixel > 1
#Silicon > 4
#TRT >9
1.0<|η|≦2.0
#Pixel > 1
#Silicon > 4
#TRT >8
2.0<|η|≦2.5
#Pixel > 1
#Silicon > 4
Typical # of measurements:
• Pixel: 3
• Silicon: 8
• TRT: 36
カット一覧
pre-cut
for Inner Track:
• # of Pixel Hits ≥ 2
• # of Silicon Hits ≥ 5
• # of TRT Hits ≥ 10 for |η|<1.0
•
≥9 for |η|≥1.0
• χ2 /ndf < 4
• ndf > 30 for |η|≥2.0
for Muon Track:
• nHits (Tracking)≥ 10 for 0.1<|η|<1.05
≥ 5 for |η|>1.05, |η|<0.1
• nHits (Trigger) for φ ≥ 2
for η ≥ 2
• Outermost Muon Hits
• χ2 /ndf < 10
• ndf > 30 for |η|≥2.0
for Combined Track:
(for Inner Track) && (for Muon Track)
• χ2/ndf < 7
pre-common
p31
for event:
• Trig_EF_mu6 && Trig_L2_mu6 && Trig_L1_mu6
• Missing Et < 60GeV
• Etsum(total) < 3500GeV
• Etsum(hadron) < 3200GeV
• Etsum(EM) < 800GeV
for every track:
• |η| < 2.5
• pt > 5GeV
BG-reduction
for Inner track:
• Associated with Outermost muon hits
• Associated with nHits (Tracking) ≥ 10 for |η|<1.05
≥ 5 for |η|>1.05, |η|<0.1
• Associated with nHits (Trigger) for φ ≥ 2
for φ ≥ 2
• ptcone50 < 6GeV
• etcone50 < 8GeV
• nucone50 < 5
for combined track:
• ptcone40 < 10GeV
• etcone40 < 10GeV
• nucone40 < 5
Inner Track Isolation
pre-cutのみ
pre-cutのみ
Zからのミューオン（×10）
Z以外のミューオン
ミューオン以外（主にハドロン）
p32
pre-cutのみ
左上 :
probeを中心とするコーン内のトラックのptの和
( 0.05 < ΔR < 0.5)
右上 :
probeを中心とするコーン内のトラックの数
( 0.05 < ΔR < 0.5)
左下 :
probeを中心とするコーン内のカロリーメータの
セルエネルギーの和
( 0.05 < ΔR < 0.5)
p33
データセット
process
Generator
σ[nb]
# of event
Lumi.[pb-1]
Z→μμ
(Mμμ>60GeV, 1 lepton w/ |η|<2.8, Pt>5GeV)
PYTHIA
1.0
9871
10
Drell-Yann→μμ
(10<Mμμ<60 GeV, 1 lepton w/ |η|<2.7, Pt>10GeV )
PYTHIA
0.60
6016
10
ttbar
(1 lepton required)
MC@NLO
0.21
2055
10
W→μν
(1 lepton w/ |η|<2.8)
PYTHIA
9.4
93709
10
W→τν
(1 lepton w/ |η|<2.8)
PYTHIA
9.4
93709
10
Z→ττ
(1 lepton required)
PYTHIA
1.0
10196
10
cc→μ + X
（Ptμ>15GeV/c, |η|<2.5, L1, L2 Triggered）
PYTHIA
33
49860
1.5
bbmu→μμ + X
（Ptμ>6GeV&Ptμ>4GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered）
PYTHIA
62
246946
4.0
Direct Upsilon→μμ
（Ptμ>9GeV&Ptμ>0GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered）
PYTHIA
4.2
24000
5.7
Direct J/ψ →μμ
（Ptμ>6GeV&Ptμ>4GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered）
PYTHIA
22
217500
10
bb J/ψ →μμ
（Ptμ>6GeV&Ptμ>4GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered）
PYTHIA
11
109671
10
jetjet 1muon
(1muon with Pt>8GeV, |η|<3, highest jet Et>140～280GeV)
PYTHIA
3.1
19980
6.5
p34
CSC Cut
Following cuts are applied for both tag & probe muons at each stage
CSC cut
• pre-cut
- |η| < 2.5
- Single muon trigger pt>20GeV/c
• Opposite Charge
• Mass Cut
- |Mμμ – Mz| < 10GeV
• Kinematic Cut
- Δ Φ > 2.0 rad
- Pt > 20GeV/c
• Isolation
- nucone50 < 5
- ptcone50 < 8GeV/c
- etcone50 < 6GeV
• Electron Veto
- Ejet Energy < 15GeV
• True Muon?
Emulated Cut
• pre-cut
- |η| < 2.5
- single muon trigger pt>20GeV/c
- nSCTHits + nPixelHits > 0
• Opposite Charge
• Mass Cut
- |Mμμ – Mz| < 10GeV
• Kinematic Cut
- Δ Φ > 2.0 rad
- Pt > 20GeV/c
• Isolation
- nucone50 < 5
- ptcone50 < 8GeV/c
- etcone50 < 6GeV
• Electron Veto
- Veto truth electron
• True Muon?
nucone50 : number of reconstructed tracks in the inner detector ( 0.05 < ΔR < 0.5)
ptcone50 : sum of the pts of reconstructed tracks in the inner detector ( 0.05 < ΔR < 0.5)
etcone50 : sum of reconstructed energy in the cells of the calorimeter ( 0.05 < ΔR < 0.5)
Ejet Energy : energy of a possible reconstructed jet within a hollow cone ( 0.05 < ΔR < 0.5)
p35
カットフロー
• 各カットの後に残ったイベント数を表示
• 全サンプルの寄与をミューオン（Z→μμ由来、違う）とそれ以外（主にハドロン）に分類
ミューオンヒットの要求で
ハドロンが大きく除去された
19502 → 215：100倍
pre-cut
Opposite
Charge EtMiss EtSum
Pt
ΔΦ
○ # of signal = 7557± 261
○ # of BG < 61
○ Purity > 99.20 ± 0.03%
○ S/B <110.5±4.0
Muon
Hit
Isolation
Mμμ
 ミューオンはシグナルとする
 BGが残らなかったサンプルも
3個の寄与があると仮定
（ポアソン、95% C.L）
• muon (bbJ/ψ)×1
• muon (bbμμ)×30
No hadron!
p36
画像倉庫
Pt(GeV)
15
25
35
45
55
65
75
85
95
評価精度[%]
(Endcap)
0.60
0.35
0.30
0.26
0.36
0.98
0.76
2.8
1.7
評価精度[%]
(Barrel)
0.29
0.20
0.12
0.12
0.32
0.60
0.42
0.53
1.7