Transcript スライド タイトルなし - 筑波大学素粒子実験室

CDF実験の現状と将来
金 信弘
筑波大学物理学系
For the CDF Collaboration
はじめに
ＣＤＦ実験の成果
ＣＤＦ実験の現状
ＣＤＦ実験の今後の計画
素粒子とは？
原子
原子核
陽子
クォーク
電子
物理学発展の歴史
1900年
17世紀半ば
古典力学
2000年
19世紀後半
電磁気学
1881年
マイケルソン・モーレー
の光速測定実験→エーテル否定
相対論
黒体輻射測定
量子力学
1896年
ベクレル放射線発見
1897年
トムソン電子発見
素粒子と素粒子間の力（素粒子物理標準理論）
物質を構成する粒子（フェルミオン）
クォーク
アップ(0.002)
ダウン(0.005)
電荷
2/3
- 1/3
チャーム(1.3)
トップ(175 )
ストレンジ(0.14) ボトム( 4.2)
レプトン
電子(0.0005)
ミュー粒子(0.106)
タウレプトン(1.8)
電子ニュートリノ
ミューニュートリノ
タウニュートリノ
-1
0
力を伝える粒子（ゲージボソン）
強い力
グルオン(0)
電磁気力
光子(0)
弱い力
Ｗ粒子(80)
Ｚ粒子(91)
（ ）内の数字はGeVの
単位で書かれた質量
質量の起源（ヒッグス機構）
ヒッグスポテンシャル
V (f) = m2f2 /2 + lf4 /4 ( l
m2 > 0 (ビッグバン直後)
真空の相転移（対称性の破れ）
m2 < 0 (現在)
大統一理論
三つの力（電磁力、弱い力、
強い力）は、宇宙創生直後の高
温時には対称性が成り立ち、同
一の力であった。それが冷えて
きたときに対称性が破れて異な
る力に見えるようになった。
超対称性理論
すべてのフェルミオン（ボソン）には超対称粒
子のボソン（フェルミオン）のパートナーが存在
する。この超対称性を仮定すると、三つの力の
大統一がある高温状態で成り立つ。
この理論は有望であると考えられている。この
理論が正しければ、質量150GeV/c2以下のヒッ
グス粒子が存在するし、また標準理論で期待さ
れる以上のＫ中間子、τ粒子、Ｂ中間子の稀崩
壊が起こる。
ビッグバン宇宙と素粒子物理
大統一理論
真空の相転移
粒子反粒子対称性の破れ
電弱統一理論
ヒッグス粒子
主要な高エネルギー加速器研究所
欧州共同原子核研究所(欧) CERN
フェルミ国立加速器研究所
(米国) FERMILAB
高エネルギー加速器研究機構(日本) KEK
(著作権：白い地図工房)
ブルックへブン国立加速器
研究所(米国) BNL
スタンフォード線形加速器研究所(米国) SLAC
2TeV陽子反陽子衝突実験（CDF実験）
米国フェルミ国立加速器研究所テバトロン加速器
RunI (1992～1996)
√ s = 1.8 TeV
CDF
( 110pb-1 )
Tevatron Ring
RunII（2001～）
√ s = 1.96 TeV
+ Main Injector
Main Injector
( 9fb-1 の予定)
CDFII Detector
Muon System
Drift Chamber
Central Calor.
New
Solenoid
Old
Partially
New
Time-of-Flight
Plug Calor.
日本グループの分担
Muon
○プラグ・カロリメーター（金、清矢）
筑波大、KEK、早稲田大、フェルミ研、ロチェスター大、UCLA、他
○シリコン・バーテックス検出器 SVXⅡ（岩田）
Silicon Microstrip
広島大、岡山大、京都教育大、フェルミ研、LBNL、ピッツバーグ大、他
Tracker
○中間部シリコン検出器 ISL （原、奥沢）
筑波大、大阪市大、近畿大、フェルミ研、LBNL、ピサ大、他
○データ収集・モニター装置 DAQ（下島、宮本、有澤）
Front End Electronics
筑波大、KEK、早稲田大、フェルミ研、MIT、ロチェスター大、他
Triggers / DAQ (pipeline)
○ＴＯＦカウンター （受川）
Online & Offline Software
筑波大、フェルミ研、ペンシルバニア大、他
ジェット：
クォークは単独では検出不可
能で、多数のハドロンがクォー
クの進行方向に出てくるジェット
として観測される。
＊ハドロン
中間子（メソン）
qq
π，K，ρ，・ ・ ・
重粒子（バリオン） qqq
p, n, Λ，Σ， ・ ・ ・
CDF実験の経過と主要な成果
陽子反陽子衝突実験（米国フェルミ国立加速器研究所）
1981年8月 CDF設計報告書
1985年10月 陽子反陽子初衝突
1987年
テスト実験
1988年6月 物理実験(Run0)
～1989年5月
1992年4月 物理実験(Run1)
～1996年2月
1994年
トップクォーク発見
1998年
Bc中間子発見
2001年4月～ 物理実験(Run2)再開
ヒッグス粒子探索、トップクォークの物理、
新粒子・新現象の探索、Ｂ中間子のＣＰ非保存、
電弱相互作用と強い相互作用。
若手研究者の育成
CDF実験
近松 健
博士論文 （過去10年間に26篇）
Top-Quark Search in the Dilepton Channel in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions (1994.2)
PRL 73 (1994) 225; citation 527
PR D50 (1994) 2966; citation 631
大石 竜太郎 Measurement of the Cross Section for Charmed Meson Production Associated with a Prompt Photon
in 1.8 TeV Proton-Antiproton Collisions (1995.1)
PRL 77 (1996) 5005; citation 6
満塩 尚史 Measurement of Neutral B Meson Mixing in Electron-Muon Events in 1.8-TeV
Proton-Antiproton Collision (1996.1)
浅川 高史 Properties of High-Mass Multijet Events at the Fermilab Proton-Antiproton Collider(1996.2)
PR D54 (1996) 4221; citation 23
加藤 幸弘 Search for Chargino-Neutralino Production in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions (1996.9)
PRL 76 (1996) 4307; citation 33
林 英一郎 Search for New Neutral Gauge Bosons in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions (1996.9)
PRL 79 (1997) 2192; citation 110
秋元 秀美 Observation of Subclusters Within Jets Produced at the Fermilab Tevatron
Proton-Antiproton Collider (1997.1)
下島 真
Measurement of the Photon Angular Distribution in the W+Photon Production in 1.8 TeV
Proton-Antiproton Collisions (1997.1)
青田 慎
A Measurement of Top Quark Mass and Kinematics Properties in Fermilab 1.8-TeV
Proton-Antiproton Collisions (1997.1)
PRL 80 (1998) 2525; citation 65
PRL 80 (1998) 5720; citation 9
高野 剛
Measurement of the Cross Section for Diphoton Production in 1.8 TeV Proton-Antiproton
Collisions (1997.2)
PRL 81 (1998) 1791; citation 50
佐藤 博之 Measurement of W-Photon and Z-Photon Couplings in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions (1997.6)
鈴木 潤一 Observation of the Bc Meson in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions (1998.1)
PRL 81 (1998) 2432; citation 117
PR D58 (1998) 112004; citation 116
CDF実験 博士論文 （過去10年間に26篇）の続き
Measurement of Time Dependent B0 B0 Mixing in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions (1997.6)
PR D60 (1999) 112004; citation 17
岡部 正和 Measurement of the Strong Coupling Constant from Two Jet Production Cross Section in 1.8-TeV
Proton-Antiproton Collisions (1998.1)
池田 拓史 Observation of Diffractive Bottom Quark Production in 1.8-TeV Proton-Antiproton
Collisions (1999.1)
PRL 84 (2000) 232; citation 39
湊 浩之
Measurement of the W Boson Transverse Momentum Distribution in 1.8 TeV Proton-Antiproton
Collisions (1999.1)
半田 隆信 Search for Technicolor Particles in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions (1999.1)
PRL 84 (2000) 1110; citation 10
菊地 俊章 Search for Single Top Quark Production in 1.8-TeV Proton-Antiproton Collisions (1999.12)
PRD 65 (2002) 091102; citations 24
寺師 弘二 Observation of Dijet Production by Double Pomeron Exchange in 1.8-TeV Proton-Antiproton
Collisions (2000.1)
PRL 85 (2000) 4215; citation 58
中田 方斉 Measurement of the Diffractive Structure Function of the Antiproton in 1.8-TeV
Proton-Antiproton Collisions (2001.1)
PRL 88 (2002) 151802; citations 15
田中 雅士 Search for Radiative B -Hadron Decays with the Collider Detector at Fermilab (2001.1)
PRD 66 (2002) 112002;
栗野 浩一 Measurement of the Cross Section and Heavy Quark Composition of gamma + mu Events Produced
in ppbar Collisions at √s =1.8 TeV (2002.9)
PRD 65 (2002) 012003; citations 1
宮崎 由之 Search for Scalar Top Quark Pair-Production by R-Parity Violating Decay Mode in ppbar
Collisions at √s =1.8 TeV (2002.9)
高野 秀明 Search for W-boson Pair Production in the Lepton + Jet Channel in 1.8-TeV Proton-Antiproton
Collisions (2003.4)
井門 幸二 Search for New Neutral Gauge Bosons in 1.96-TeV Proton-Antiproton Collisions (2004.1)
津野 総司 Tests of Enhanced Leading Order QCD in W Boson plus Jet Production in 1.96-TeV Proton-Antiproton
Collisions (2004.1)
桑原 朋子
Tevatron Status
Run I（1992～1996）:
Record Luminosity 2x1031 cm-2sec-1
Integrated Luminosity 110 pb-1 on Tape
2002
2003
2004
Initial Luminosity
Record 1 x1032 cm-2s-1
Run II（2001～）:
1 x1032 cm-2sec-1 （July 2004）
(Weekly Integrated Luminosity 18 pb-1 )
Integrated Luminosity 670 pb-1
– 540 pb-1 on Tape
– 350 pb-1 analyzed
Schedule:
2 fb-1
9 fb-1
(by spring of 2006)
(by the end of 2009)
2004
2003
2002
Total
Integrated Luminosity
Weekly record 18 pb-1
6７0 pb-1
10
Integrated Luminosity (fb-1)
9
-1
RunII
Projected
Integrated
Luminosity
Integrated Luminosity (fb )
8
April ’06
2fb-1
7
6
Design Projection
Now
5
Oct. ’09
8.5fb-1
Base Projection
4
3
2
1
0
9/29/03
9/29/04
9/30/05
10/1/06
10/2/07
10/2/08
10/3/09
Start of Fiscal Year
(DOE review on
Feb.24,2004)
Integrated Luminosity per Week (pb-1)
Phase 5
Phase 4
(Tevatron upgrades
(Stacktail upgrade)
complete)
50
-1
Integrated Luminosity per Week (pb)
60
We are here now
40
30
20
Phase 6
(No upgrade-related studies)
Design Projection
Phase 3
(Recycler &
Electron Cooling)
Phase 2
(Slip Stacking)
Base Projection
Phase 1
(FY04)
x
10
0
9/29/03
9/29/04
9/30/05
10/1/06
Start of Fiscal Year
10/2/07
10/2/08
10/3/09
RunII Projected Integrated Luminosity
(DOE review on Feb.24,2004)
10
9
Middle of 2007
ms =24ps-1(5σ)
-1
Integrated Luminosity (fb )
8
Spring of 2006
ΔMHiggs ～ 30%
MHiggs ＜120GeV
(95%CL)
ms =18ps-1(5σ)
7
6
5
Design Projection
Base Projection
4
3
Now
End of 2009
MHiggs ＜180GeV
(95%CL)
2
1
0
9/29/03
9/29/04
9/30/05
10/1/06
Start of Fiscal Year
10/2/07
10/2/08
10/3/09
Physics Results from Run2
published papers
–
–
–
–
–
ElectroWeak Physics
New Particle Search
QCD
Top Physics
B Physics
0
0
0
1
4
submitted papers
3
4
0
3
2
Published papers
Ds, D+ mass difference PRD68, 072004 (2003).
Search for D →μμ PRD68, 091101 (2003).
Prompt Charm Cross Section PRL 91, 241804 （2003).
Observation of X(3872) PRL 93, 072001 (2004).
Measurement of the tt-bar Production Cross Section Using Dilepton Events
list
PRL. 93, 142001 (2004).
W・Zボソン生成崩壊： e, μチャンネル
σZ • Br(Z→e+e−) = 267.0 ± 6.3 ± 15.2 ± 16.0 pb
stat. syst. lumi.
σW • Br(W→e) = 2.64 ± 0.01 ± 0.09 ± 0.16 nb
stat. syst. lumi.
σZ • Br(Z→μ+μ−) = 246 ± 6 ± 12 ± 15 pb
stat. syst. lumi.
W·B(Wμ) = 2.64  0.02  0.12  0.16 nb
stat
syst
lum
W・Zボソン生成崩壊： τチャンネ
ル
Z0τeτh
Z0t
We have a clear
eth signal.
Further study of backgrounds is underway. •
•
•
•
•
W→τν
Look for jet within narrow 10 degree cone
Isolated within wider 30 degree cone
pT(t) > 25 GeV
ETmiss > 25 GeV
Ncand = 2345
Not only interesting as an EWK
measurement, it is important for Higgs
and SUSYsearches.
小川貴志（早稲田大）博士論文解析中
σW • Br(W→ t) = 2.62 ± 0.07 ± 0.21 ± 0.16
nb
W・Zボソン生成断面積
関連解析：井門孝治（早稲田大）博士論文
（RunⅡ）
Sample
Back.
•B(W-->ll) (nb)
e
38625
6%
2.64±0.01stat±0.09sys±0.16lum
m
21599
11%
2.64±0.02stat±0.12sys±0.16lum
t
2346
26%
2.62±0.07stat±0.21sys±0.16lum
Sample
•B(Z-->ll) (pb)
e
1830
267±6stat±15sys±16lum
m
1631
246±6stat±12sys±15lum
Background ~ 0.5%
•B(W-->l) and •B(Z-->ll) at
ECM=2TeV are consistent with
standard model prediction.
Measure
Theoretical
prediction
PDG
SM
PDG
combined
Exp
(ppW) (W  e) (Z)
R =
(ppZ) (W) (Z  ee)
Extract
R = 10.54  0.18stat  0.33sys →
Γ(W) = 2.15  0.04stat  0.07sys GeV
consistent with S.M. prediction of 2.09 GeV
W 生成断面積
谷本奈穂（岡山大）博士論文解析中
Study of Wγ production with W→μν at CDF in Run II
•
•
•
Require central 
ET() > 7 GeV
ΔR(l-) = √(Δη2+ΔΦ2) >0.7
133 seen
141 expected
Wγ
σ • Br = 17.2 ± 2.2 (stat.) ± 2.0 (syst.) ± 1.1(lumi.) pb
Cross sections and photon ET spectra are consistent with SM.
WW 生成断面積
Higgs, SUSY Search
•
•
•
•
•
•
•
•
isolated lepton pair
opposite-charge, high pT
ETmiss
Z veto
veto events with jets
∫L = 126 pb-1
5 events seen
(5 with 1.2 ±0.3 BG events
in Run I @ ∫L = 108 pb-1)
9.2 events expected
(2.3 background, 6.9 ± 1.5 W W → l l’’)
Z’ Search
Z’→e+e -,
m+ m-のモードで
井門孝二（早稲田大）博士論文解析中
重いゲージボソン探索
e+m combined
Z’ search history
(e+ e- mode):
Lum.(pb1)
Mass Limit (95% CL)(GeV/c2)
Run1a (1.8TeV)
19.7
505
Run1b (1.8TeV)
90
640
Run2(1.96TeV)
72
650
Run
W + jets Analysis
津野総司（筑波大）博士論文
 First result in Run II. (72pb1)
 Presented in EPS 03’, Aachen.
 Theoretical calculation was
made by GRACE system.
Jet Definition:
 Et > 15 GeV , JetClu (R=0.4)
New features:
 Parton-jet matching.
 Kinematic distributions were
a good agreement with data.
Jet Multiplicity in b-tagged W+jets events
top signal
region
Summary of t t ProductionCross Section Results
t t Cross Section √s-Dependence
最新のトップクォークの質量測定結果
寄田浩平（早稲田大）博士論文解析
近藤都登教授（早稲田大）考案のDLM解析
世界最高エネルギー２TeVの陽子反陽子衝突によ
るトップクォーク対生成（唯一のトップファクトリー）
p p  tt X
トップクォークが
t  bW  b  
t  bW  b q q '
と崩壊して、レプトンと4個のジェット（内1個はｂ
クォークと同定）になった２２事象を選択。
その事象のトップクォークの質量をDynamical
Likelihood Method (DLM)で再構成。
DLM: 力学的最尤法。トップクォークの質量をト
ップクォークの生成確率と崩壊確率を用いた最
尤法で再構成する。
トップクォークの再構成された質量分布
M
top
 177
 4 .5
.8  5 .0 (stat
)  6 .2 (syst) GeV /c
2
最新のトップクォークの質量測定結果
CDF RunII preliminary, 162 pb-1
Data 68 events
佐藤構二（筑波大）博士論文解析
Jet probability アル
ゴリズムを用いて、
4つのジェットのうち
２つがボトムクォー
クのジェットである
と同定できる11事
象を選別。
質量再構成の方法
は従来のものを用
いた。
今後これにDLMを
用いた結果を合わ
せて誤差を小さくす
る。
M
 4 .9
top
 177. 2  4 . 7 (stat)  6 . 6 (syst) GeV/c
2
トップクォークとWボソン質量測定による
ヒッグス粒子の間接探索
テバトロン実験 Run Iの成果 :
Run II
Mtop = 174.3 ± 5.1 GeV/c2
(今年：Mtop = 178.0 ± 4.3 GeV/c2 ）
MW = 80.452 ± 0.062 GeV/c2
ヒッグス粒子の質量に与えられる
現在の制限 : MHiggs < 219GeV
（今年：251 GeV）
@95%CL
RunⅡ 2 fb-1（～2006年春）:
ΔMtop < 3 GeV/c2 ΔMW ～ 30 MeV/c2
→ ΔMHiggs ～ 30%
J/ψ粒子の異常生成
J/ψ粒子の横運動量分布
関連解析： 山下智弘（岡山大）博士論文
データ
QCD理論予測
QCD理論予測の50倍以上のJ/ψ粒子の生
成がRunI実験（～1996年）で観測されている。
Color Octet模型などの新しい理論も考えら
れたが、他のデータと矛盾。
RunII実験（2001年～）でJ/ψ粒子
の生成断面積を PT > 0 GeV の全領域
で測定。
PT > 5GeVの領域ではRunI実験結果
を再現。
PT < 5GeVの領域での理論との比較
が待たれる。
Bh+h
a

tree
b
Vub
• charmless two-body decays
– longer term Bs modes help extract unitarity
angle 
• Signal is a combination of:
–
–
–
–
B0+
B0K+
BsK+K
Bs+K
BR~5x10-6
BR~2x10-5
BR~5x10-5
BR~1x10-5
} (4s),Tevatron
} Tevatron
pengui
n
28026 events
m = 5.252(4) GeV/c2
 = 41.0(4.0) MeVc2
• Requirements
– Displaced track trigger
– Good mass resolution
– Particle ID (dE/dx)
+ hypothesis
M()
BR(BsK+K)
Simulation
BdK
BsKK
Bd 
BsK 
32060 events
m = 5.252(2) GeV/c2
 = 41.1(1.9) MeV/c2
M()
Fitted contributions:
Yield (65 pb-1)
mode
B0K
14817(stat.)17(syst)
B0
BsKK
3914(stat.)17(syst)
9017(stat.) 17(syst)
BsK
311(stat.) 17(syst)
kinematics & dE/dx to separate contributions
CDF RunII Preliminary
D*D0,
Sep.~1.3
D0K
First observation of BsK+K !!
f BR ( B  KK )
s
Result: s
 0 . 74  0 . 20  0 . 22
0
f d BR ( B  K  )
Measure ACP
 
 
N ( B  K  ) N ( B  K  )

(dE/dx – dE/dx())/(dE/dx)
N (B K 


) N ( B  K 

)
 0 . 02  0 . 15  0 . 02
Bs Yields: CDF BsDs+
BsDs with
Ds f+ and fKK+
BR(Bs  Ds ) = ( 4.8 1.2 1.8 0.8 0.6) 10-3
New measurement !
(Stat) (BR) (sys) (fs/fd)
Previous limit set by OPAL: BR (Bs  Ds  ) < 13%
BR result uses less data
than shown in plot.
Measuring Bs Oscillation
• Bs reconstruction
– e.g. B s  D s  
• Flavor tagging ( Bs or Bs at the time of production?)
– Tagging “dilution”: D=1-2w
Typical power (one tag):
– Tagging power proportional to: D2 D2 = O(1%) at Tevatron
D2 = O(10%) at PEPII/KEKB
• Proper decay time
ct 
L xy
 b 

L xy m B
uncertainty
pT
– Crucial for fast oscillations (i.e. Bs)
 ct 
mB
pT
L
xy
  pT 
 ct 

 pT 
Flavor Tagging
• Strategy: use data for calibration
(e.g. BJ/K, Blepton)
– “know” the answer, can measure
right sign and wrong sign tags.
Results:
Same-side (B+)
D2=(2.10.7)%
(B+/B0/Bs correlations different)
Muon tagging
D2=(0.70.1)%
“same-side” tagging
CDF Bs Sensitivity Estimate
• Current performance:
hadronic mode
– S=1600 events/fb-1 (i.e. effective for produce+trigger+recon)
only
– S/B = 2/1
– D2 = 4%
– t = 67fs
2 sensitivity for ms =15ps-1 with ~0.5fb-1 of data
surpass the current world average
• With “modest” improvements
– S=2000 fb (improve trigger, reconstruct more modes)
– S/B = 2/1 (unchanged)
– D2 = 5% (kaon tagging)
– t = 50fs (event-by-event vertex + L00)
5 sensitivity for ms =18ps-1 with ~1.7fb-1 of data
5 sensitivity for ms =24ps-1 with ~3.2fb-1 of data
ms=24ps-1 “covers” the expected region based upon indirect fits.
• This is a difficult measurement.
• There are ways to further improve this sensitivity…
最新のBc中間子の質量測定結果
p p  Bc X

B c  J / 

 mm

μμがJ/ψから崩壊したことを条件
にして事象を選別し、そのμμとπ
から不変質量を計算。
質量分布をGaussianと一定の
BackgroundでFitした結果、
１８．９±５．７信号事象が観測さ
れた（３．５σ）。
Bc中間子の再構成された質量分布
M
Bc
 6 . 2870  0 . 0048 (stat  syst) GeV /c
2
理論予言値は 6307±17 MeV/c2（QCD)、6304±12 +18/-0 MeV/c2 （unquenched latticeQCD)
Bc中間子セミレプトニック崩壊チャンネルでの研究： 青木雅人（筑波大）博士論文解析
ヒッグス粒子探索
についての記事
CERN研究所（ジュネーブ）
のLEP2実験でヒッグス粒子の
候補事象が見えた。これが事
実かどうかはフェルミ研究所
での陽子反陽子衝突実験
（CDF実験）で明らかにでき
る。
ヒッグス粒子の探索
軽いヒッグス粒子 ( MH < 150GeV/c2)
陽子中のクォーク
反陽子中の
反クォーク
_
bb
重いヒッグス粒子 ( MH > 150GeV/c2)
陽子中のグルオン
W+W-
反陽子中のグルオン
最新のヒッグス粒子の探索結果
石澤善雄（筑波大）博士論文解析
p p  WHX
というWH 随伴生成反応で生成したWボソ
ンとHiggs粒子が
W  
H  bb
と崩壊して、レプトンと２個のジェット（内1
個はｂクォークと同定）になるヒッグス粒子
候補事象として６２事象を選択。
その事象の2ジェットの質量を再構成。
Wbb生成などのバックグラウンド事象が
６６．５±９．０事象、期待される。このバッ
クグラウンド事象と候補事象が一致する。
ヒッグス粒子生成断面積の上限を求める。
再構成された2ジェット不変質量の分布
 ( p p  WHX )  BR ( H  b b )  4 .5 pb for M H  120 GeV /c ( 95 % C.L. )
2
最新のヒッグス粒子の探索結果
p p  HX  WWX      X
直接生成されたHiggs粒子が２個のWボソンに崩壊して、2個のレプトンになるヒッグス粒子
生成の候補事象として８事象を選択。 W対生成などのバックグラウンド事象が８．９０±
０．９８事象、期待される。バックグラウンド事象数と候補事象数が一致する。これによって
ヒッグス粒子生成断面積の上限を求める。
ヒッグス粒子の質量
テバトロン加速器でのヒッグス粒子探索
証拠検出可能なヒッグス粒子の質量 MH(GeV/c2 )
(95%信頼度で検出できるMH ）
100
150
200
実験開始(RUN2a)
2001年12月
2005年12月
2009年12月
LEP 2 の
ヒッグス粒子
超対称性理論の軽い
ヒッグス粒子の質量上限
まとめ
CDF実験RUN2（2001年～）で以下の成果が期待される。
• 2006年春にΔms =18ps-1 ならば、5σでBs mixingの測定ができる。
• 今後2年間の実験でt t→lν+4ジェット モードで1000事象が収集さ
れ、ΔMtop ～3GeV/c2でMtopが測定できる。同時にΔMW ～30
MeV/c2でMＷが測定できる。これらよりΔMH～0.3MH でヒッグ
スの質量を間接的に測定できる。
• 今後2年間の実験で
– 95%信頼度で MH < 120GeV/c2のヒッグス粒子検出可能。
• さらに3年間のデータ収集によって
– 95%信頼度で MH < 180GeV/c2のヒッグス粒子検出可能。
ＢＡＣＫＵＰ
The CDF Collaboration
North America
3 Natl. Labs
28 Universities
Europe
1 Research Lab
6 Universities
1 University
1 Universities
4 Universities
Totals
112 countries
 58 institutions
 581 physicists
-
2 Research Labs
1 University
1 University
Asia
5 Universities
1 Research Lab
1 University
3 Universities
Run2 Paper
1．“ Measurement of the Mass Difference m(Ds+) - m(D+) at CDF II”
D. Acosta et al., Phys. Rev. D68, 072004 (2003).
2. “Search for the Flavor-Changing Neutral Current Decay D0 -→ μ+μ- in p
anti-p Collisions at s**(1/2) = 1.96 TeV”
D. Acosta et al., Phys. Rev. D68, 091101 (2003).
3. “Measurement of Prompt Charm Meson Production Cross Sections in p
anti-p Collisions at s**(1/2) = 1.96 TeV”
D. Acosta et al., Phys. Rev. Lett. 91, 241804 (2003).
4. “Observation of the Narrow State X(3872) → J/ψπ+π- in p anti-p
Collisions at s**(1/2) = 1.96 TeV”
submitted to Phys.Rev.Let
bc with cpK
Backgrounds: real B decays
Reconstruct  as p: Bd  D+K++
Use MC to parametrize the shape.
 Data to normalize the amplitude
 Dominant backgrounds are real
heavy flavor
 proton particle ID (dE/dx)
improves S/B

Fitted signal:
N  b  9 6  1 3( sta t .)  7  syst . 
6

Measure:

 b  f baryon  B R (  b   c  )


 b  fd  BR (B  D  )
0
New Result !
BR(b  c ) = (6.0 1.0(stat)  0.8(sys)  2.1(BR) ) x 10-3
Detector Performance：SVX
• Silicon detectors:
– Typical S/N ~12
– Alignment in R-f good
• R-z ongoing
Details
Full silicon acceptance is in sight …
The last 10% of the job takes the second 90% of the effort (but not time!)
• Commissioning:
– L00 > 95%
– SVXII > 90%
– ISL > 80%
• ISL completing
cooling work
% of silicon ladders powered and read-out
by silicon system vs. time
Back
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Detector Performance：TOF
• TOF resolution within 10 –20%
of 100ps design value
– Improving calibrations and
corrections
S/N = 1942/4517
S/N = 2354/93113
TOF
Detector Performance：XFT
Offline
track
XFT
track
Efficiency curve:
XFT cut at
PT = 1.5 GeV/c
• XFT: L1 trigger on tracks
– full design resolution
 pT/p2T = 1.8% (GeV-1)
 f = 8 mrad
Detector Performance：SVT
8 VME crates
Find tracks in
Si in 20 ms
with offline
accuracy
Secondary VerTex L2 trigger
 Online fit of primary Vtx
 Beam tilt aligned
 D resolution as planned
48 mm (33 mm beam spot transverse size)
Online
track
impact
param.
90%
Efficiency
80%
=48 mm
EM Calorimeter scale
• 638 Z  e+e in 10 pb-1
 (M) ~ 4 GeV
FB asymmetry
NZ = 247
Central-central
• Check Z mass in data and
simulation after corrections
– Central region:
• Mean: +1.2% data, -0.6% sim.
• Resolution: +2% simulation
Central-West plug
– Forward region (Plug):
• Mean: +10/6.6% data, +2.0%
simulation
• Resolution: +4% simulation
NZ (W+E) = 391
Central-East plug
Measurements with high Et
±
e
• Good modeling of observed
W e distributions Selection
details
MET resolution from
MB data consistent
with Run 1
MET detail
Reconstruct Z  ee; measure AFB
Both e ||<1
NZ(CC) = 247
(M) ~ 4 GeV
Uses
silicon
to tag e±
charge
Both e ||>1
NZ(PP) = 160
Central-Plug Dielectron Mass
One ||<1, one ||>1
NZ(CP) = 391
AFB will be an additional
handle in Z’ searches
High-Pt muons: Z m+m
• Clear Z m+m signal
– require COT•CMU•CMP
– CDF’s purest muons: ~8l
m1
CMU
m2
CMP
57 candidates 66<M<116 GeV
NZ = 53.2±7.5 ±2.7
Measure •B(We
0.16 soon!
W cross section:
W*BR(We) (nb) =
2.60±0.07stat±0.11syst ±0.26lum
Background (8%):
- QCD: 260 ± 34 ± 78
- Z ee: 54 ± 2 ± 3
- Wt: 95 ± 6 ± 1
5547 candidates in 10 pb-1
Measurement of BWm), R
4561 candidates in 16 pb-1
(require COT•CMU•CMP)
12.5% background:
- Z mm: 247 ± 13
- Wt: 145 ± 10
- QCD:
104 ± 53
- Cosmics: 73 ± 30
•B(Wm) = 2.70±.04stat±.19syst ±.27lum
Many uncertainties, e.g. lumi, cancel in ratio:
R = •B(Wm) / •B(Zmm) =
13.66±1.94stat±1.12syst (1.5 from
SM)
 (W) = 1.67±0.24stat±0.14syst
MT
Measure a precisely predicted ratio  establish tight feedback loop on
muon detection, reconstruction, and simulation
W  t
• Evidence for typical
t decay multiplicity
in W t selections
 t channel important
for new physics
searches
Measurements with jets
• Raw Et only:
– Jet 1: ET = 403 GeV
– Jet 2: ET = 322 GeV
Jet expectations
Raw jet distributions
Hadronic Energy Scale
• Use J/ muons to
measure MIP in
hadron
calorimeters
– (Run II)/(Run 1) =
0.96±0.05
q

g
Plug region
central
calor. Plug region
q
 Gamma-jet balancing to study jet response
 fb = (pTjet – pT)/pT
Run Ib (central):
fb= -0.1980 ± 0.0017
Run II (central):
fb= -0.2379 ± 0.0028
 Plug region corrections in progress
fb = (4.0 ±0.4)%
Measurements with jets
• Jet shapes:
– Narrower at higher ET
– Calorimeter and
tracking consistent
– Herwig modeling OK
16 pb-1 used for this study
Measurements with low Et m±
  trigger improved
– pTm > 2.0  1.5 GeV
 f> 5°  2.5°
• Observed rates are consistent
with expected increase due the
lowering of the thresholds
13 pb-1
No
Silicon
100k 
Central
muons
only
15 MeV
with
Silicon
= 21.6 MeV
Material & Momentum Calibration
• Use J/’s to understand E-loss
and B-field corrections
 (scale)/scale ~ 0.02% !
• Check with other known signals
D0
Add B scale correction
Tune missing material ~20%
Correct for material
in GEANT
confirm
with
ee

1S
2S
Raw tracks
3S
mm
Meson mass measurements
• B masses:

–
–
–
(2S)J/ (control)
Bu J/K
Bd J/K* K*K
Bs J/f
fKK
BsJ/f
18.4pb-1
More mass plots
PDG/
0.9
(2S)
CDF 2002
3686.43 ±0.54
Bu
5280.6 ±1.7 ±1.1
0.8
Bd
5279.8 ±1.9 ±1.4
0.2
Bs
5360.3 ±3.8 ±2.1
-2.1
2.9
BJ/K
Bu
18.4pb-1
B hadron lifetimes
• Inclusive B lifetime with J/’s
J/ from B = 17%
Fit pseudo-ct = Lxy*FMC*M/pT
ct=458±10stat. ±11syst. mm
(PDG: 469±4 mm)
• Exclusive B+J/K lifetime
ct=446 ±43stat. ±13syst. mm
(PDG: 502±5 mm)
# B ~ 154
Trigger selects B’s via semileptonic decays ...
1910119
candidates
34922
candidates
Run II trigger & silicon =>
~3 yield/luminosity as in Run I
(and likely to improve further with optimization)
SVT selects huge charm
signals!
• L2 trigger on 2 tracks:
– pt > 2 GeV
• |D| > 100 mm (2 body)
• |D| > 120 mm (multibody)
56320
D0
• Large charm samples!
– Will have O( 107 ) fully
reconstructed decays in 2fb-1
data set
• FOCUS = today’s standard for huge:
139K D0K-+, 110K D+K-++
– A substantial fraction comes
from b decays (next slide)
25570
D±
Measure Ds, D+ mass difference
• Ds± - D± mass difference
– Both D  f (fKK)
 m=99.28±0.43±0.27
MeV
• PDG: 99.2±0.5 MeV
(CLEO2, E691)
– Systematics dominated by
background modeling
Brand new CDF
capability
11.6 pb-1
~1400
events
~2400
events
Measure Cabibbo-suppressed decay rates
(DKK)/(DK) = (11.17±0.48±0.98)% (PDG:
10.83±0.27)
–Main systematic (8%): background subtraction (E687, E791, CLEO2)
Already (PDG:
comparable!
(D)/(DK) = (3.37±0.20±0.16)%
3.76±0.17)
• several ~2% systematics
–This measurement has pushed theFuture?
state of the art on modeling SVT sculpting--essential
simulation tools for both B physics- program
and e.g. high-pT b-jet triggers
CP violation
- mixing
- rare decays
Monster K
reflection here ...
ヒッグス粒子（標準模型）の生成断面積と崩壊分岐比
生成断面積
生成断面積ｘ分岐比
CDF Run I VH searches ( 106 pb-1)
WH
0
   bb
Expect: 305 st
6.00.6 dt
Observe: 36 st
6 dt
ZH
0


    bb
Expect: 3.20.7 st
Observe: 5
W / Z  H  qq  bb
0
'
Expect:
600 events
Observe:
580 events
ZH
0
   bb
Expect: 39.24.4 st
3.90.6 dt
Observe: 40 st
4 dt
VH Production Cross Section Limit
95% CL Limit is
about 30 times
higher than SM
prediction for Mhiggs
= 115GeV/c2.
トップクォーク対生成候補事象
Jet1
(b-tagged)
Muon
Jet4
Jet3
(b-tagged)
Jet2
Muon + Missing ET + 4Jets event(with 2b-tagged jets)
トップクォーク対生成断面積
積分ルミノシティー＝56.4±3.4 pb-1
トップクォーク対生成候補事象(b-ジェットを含むW+3,4ジェット事象）
15事象検出
バックグラウンド期待値
4.3±0.5 事象
Wbb, Wcc, mistag 2.3±0.3
Wc
0.4±0.1
non-W
1.0±0.4
WW, ZZ, Z→ττ 0.2±0.05
single top
0.4±0.1
σ(t t) = 5.5±1.9(stat) ±0.8(syst) pb
理論予言値 6.5 pb
B Hadron Lifetimes
• All lifetimes equal in spectator model. Heavy Flavor Averaging Group
Differences from interference & other
nonspectator effects
• Heavy Quark Expansion predicts the
lifetimes for different B hadron
species
t ( B  )  t ( B 0 )  t ( BS )  t ( b ) ≫ t ( Bc )
• Measurements:
B0,B+ lifetimes measured to better than
1%!
Bs known to about 4%
LEP/CDF (Run I) b lifetime lower than
HQE prediction
• Tevatron can contribute to Bs, Bc and
 (and other b-baryon) lifetimes.
http://www.slac.stanford.edu/xorg/hfag/index.html
B h ad ro n
B
0
B
+
Bs
Bc
b
A v erag e lifetim e (p s)
1 .5 3 4 ± 0 .0 1 3
1 .6 5 3 ± 0 .0 1 4
1 .4 3 9 ± 0 .0 5 3
 0.18
0.46  0.16
 0 .0 7 8
1 .2 3 3  0 .0 7 6
B+, B0 Lifetimes in J/ Modes
t(B0) 1.63  0.05(stat.)  0.04 (syst.) ps
t(B+) 1.51  0.06(stat.)  0.02 (syst.) ps
Trigger
on low pT
dimuons (1.5-2GeV/m)
Fully reconstruct
 J/, (2s)m+m
 B+ J/K+
 B0  J/K*, J/Ks
 Bs  J/f
 b J/
Proper decay length:
ct 
L xy
b

L xy m B
pT
Bs Lifetime
Bs→J/ψ Φ with J/ψ→μ+μ- and Φ→K+KB+→ J/ΨK+, B0 →J/ΨK*0 check technique, systematics
Bs lifetime - PDG 1.461 ± 0.057 ps
1.33 ± 0.14(stat) ± 0.02(sys) ps
ct  L xy
mB
B
pT
b の寿命・分岐比
• bJ/ （J/m+m , p ）モードで寿命を測
定
– これまでの LEP/CDF の寿命測定はbclモード primary
Lxy
65 pb-1
m

p
+
m
469 signal
t   b   1.25  0.26  stat .   0.10  syst .  ps
First lifetime from fully
reconstructed Λb decay!
• 分岐比


 p p   b X Br   b  J /   


 p p  B X Br B  J /  K
0
0
0
s
 の測定
山下智弘（岡山大）博士論文解析中
B Hadron Masses
• Measure masses using fully
reconstructed BJ/X modes
• High statistics J/m+m and
(2s)J/+ for calibration.
• Systematic uncertainty from
tracking momentum scale
– Magnetic field
– Material (energy loss)
• B+ and B0 consistent with
world average.
• Bs and b measurements are
world’s best.
CDF result:
M(Bs)=5365.5 1.6 MeV
World average: M(Bs)=5369.60 2.40 MeV
CDF result:
M(b)=5620.4 2.0 MeV
World average: M(b)=5624.4 9.0 MeV
RunIIで
期待される
物理の成果
この増強中止 による影響は現在使用
中のシリコン飛跡検出器8層のうち
最内層から3層が2008年ごろに放射
線損傷により使用不能となることで
ある。
物理の成果がこれによって受ける影
響はヒッグス粒子の直接 探索可能な
質量が５GeV程度低下する ことであ
る。
LHCが物理成果を出し始めるまでは、
CDF実験が世 界最高エネルギーの加
速器を用いた唯一のトップ・ファク
トリーであり、ヒッグ ス粒子の探索
が可能な実験であることは変わりが
ない。
今後、状況の変化に応じて最内層の
シリコン飛跡検出器を交換して増強
するこ とは可能なので、その準備は
進めておく。この交換を行えば、測
定器の性能低下 は改善される。
New Particle decaying to J/π+π
Belle observes narror state
final state J/π+π
• exclusive: B+ →J/π+π K+
• 35.7 ±6.8 events
• possibly charmonium
• mass is unexpected
• shown August 12, 2003
CDF confirms this September 20
• final state J/π+π
• mostly prompt prodction
• 709±86 events