CERN SppS Collider フェルミ研究所 CERN SppS コライダー ( 1981年～ ) 測定器 UA1, UA2 SppS ( Super pp Synchrotron ) CERN研究所（ジュネーブ近郊、スイス・フランス国境） 1970年代　400 GeV PS 欧州CERN研究所 ( SpS ) 米国フェルミ研究所 1976年 Cline, McIntyre, Rubbia W/Z 生成の為、現存する陽子加速器 を陽子・反陽子衝突型加速器に改造 する提案を行う。 CERN フェルミ研究所 SppS コライダー ( 1981年～ ) 測定器 UA1, UA2 まずビーム・エネルギーを 1 TeV に上げる。 TEVATRON pp コライダー ( 1987年～ ) CDF

pp コライダーの難点　＝　p ビーム CERN SppS での反陽子蓄積法 26 GeV p + Target → 3.5 GeV p Accumulator Ringで 冷却蓄積 シャッター 　蓄積管 2.4 秒毎に入射される 反陽子の位置を測定し 加速電場を調節し、 運動量の揃った状態で 蓄積管の内側に 移動させる。 上記の過程をくり返すと 約１日後には蓄積管内に 反陽子の芯ができる。 この芯の部分を取り出し、 加速、陽子と衝突させる。 Stochastic 冷却法 Van der Meer が考案、実用化。

UA1 detector 総重量　2,000t

UA1 Tracking Chamber 磁場 B = 0.7 テスラ B 6,000 センスワイヤ 20 cm ドリフト空間

Time Projection Chamber Sense Wire Shaping Strip x Potential Wire Potential Plane Cathode pad x : drift time y : どの sense wire が hit したか z : cathode pad

UA1 Calorimeter EM部 ハドロン部 ET分解能 ただし

電磁カロリメータ ハドロンカロリメータ e-, γ, π0 → 2γ 電磁カスケード・シャワー内の電子の track の 数に比例した大きさの信号を感受する。 →　信号の大きさはエネルギーに比例している。 感受体 ( gas chamber or scintillator ) Absorber ( Pb ) ハドロンカロリメータ 吸収体 ( Fe ) 強い相互作用 → 電磁シャワー → エネルギー測定

UA2 detector 中央磁場なし ミューオン検出器なし 欠点

UA2 Calorimeter ハドロン部 EM部

Discovery of W± and Z Theoretical Prediction 1980 ~ 1981 1982 1977

“ Experimental observation of isolated large W±の発見 “ Experimental observation of isolated large transverse energy electrons with associated missing energy at “ UA1 collaboration Phys. Lett. 122B ( 1983 ) 103 i) ~ v) 39 events i) ~ vi) 6 events Isolated electrons i ) with a track ii ) iii) track-cluster position matching iv) E ( HAD ) < 0.6 GeV v ) energy momentum matching vi) no jets ( ET > 10 GeV )

上の 6 events はすべて で Energetic 　 を持つ可能性が高い。

Px Pz Transverse Energy ET 横エネルギー Transverse momentum PT 横運動量 Missing transverse energy ET　　消失横エネルギー Z方向の boost に 対して不変な量 Py Px Pz の計算 各タワー毎の　　の和をとる。

バックグラウンド fake electron negligible 10 % negligible 10 % １） high PT π± 誤同定 fake electron PT > 20 GeV/c 以上のハドロンがなかった。 negligible 10 % ２）γ→e-e+ conversion で一方の e が検出されない。 γ→e-e+ conversion をまず検出 ↓ Monte Carlo シミュレーションで一方の e が検出されない確率を求める。 PT(e) > 20 GeV /c に対して 0.04 events ３）heavy quark production ( bb, cc ) Q1 → e(νX ) ＆ Q2 → μ( νX ) １event ( PT(e) > 13.3 GeV /c, PT(μ) > 20 GeV /c ) 外挿すると negligible 10 %

W の質量決定 １．　Transverse mass mT 横質量 横質量分布のデータへ理論予測分布を fit する ↓ ２． への fit

UA2 collaboration “ Observation of single isolated electrons of high transverse momentum in events with missing transverse energy at the CERN PP collider” Phys. Lett. 122B ( 1983 ) 476 i) ET(e) > 15 GeV Enad < 0.1 E(e) ii) At least one track points to the cluster d2 < 50 mm2 d2 = ( an electron track – cluster controid )2 iii) Missing energy Ptmissing > 0.8 ET(e) 4 events remained PWT, PWL fit MW = 80 +10- 6 GeV/c2

Z の発見 “ Experimental observation of lepton pairs of invariant mass around 95 GeV/c2 at the CERN SPS collider” UA1 collaboration Phys. Lett. 126B(1983) 398 Two isolated high ET electrons i) ET > 25 GeV (PT > 7GeV/c ) Ehad < 0.8 GeV ii) isolation 4 e+e- events Me+e- = 95.2 ± 2.5 GeV/c2

ΓZ = 3.1 GeV/c2 ( 5.1 GeV/c2 at 90 % CL ) sin2θW(MW) = 0.226 ± 0.011 Two isolated high PT muons i) PT > 7 GeV with muon chamber stub u/CD matching 1 μ+μ- event M μ+μ- = 95.5 ± 7.3 GeV/c2 Combined Results MZ = 95.3 ± 2.5 GeV/c2 ΓZ = 3.1 GeV/c2 ( 5.1 GeV/c2 at 90 % CL ) sin2θW(MW) = 0.226 ± 0.011 world average sin2θW = 0.236 ±0.093

バックグラウンド i) jets → 1 isolated track ( PT > 25 GeV/c ) 1 track observed fake muon probability ~ 2×10-3 fake e± probability ~ 6×10-3 　↓ negligible ii) heavy flavour jets ( bb, cc ) 2 events with an isolated μ ( PT > 15 GeV/c ) 1 event with an isolated e ( PT > 25 GeV/c ) other jets fake leptons → 10-4 events iii) Onium decay from a new quark σ(QQ) : negligibly small

UA2 collaboration ２ヵ月後 “Evidence for Z0 → e+e- at the CERN pp collider ” Phys. Lett. 129B ( 1983 ) 130 One electron ET > 30 GeV Me+e- > 50 GeV/c2 Cluster Size σθσψ < 0.5 [cell size] 24 events ( Loose – Loose ) tight e±cut track/cluster match preshower hit 8 events ( Loose – Tight ) 2 legs 3 events ( Tight – Tight ) バックグラウンド 2×10-4 events

ΓZ < 11 GeV/c ( 90 % C.L. ) sin2θW = 0.226 ± 0.014 Loose – Tight の 8 events のうち、Central – Central の 4 events を除いて質量を求めた。 ( Energy scale の誤差大なので ) MZ = 91.9 ± 1.3 ± 1.4 GeV/c2 ΓZ < 11 GeV/c ( 90 % C.L. ) sin2θW = 0.226 ± 0.014

ハドロン衝突で初のジェット観測 UA2 Collaboration “ Observation of very large transverse momentum jets at the CERN pp collider ” Phys. Lett. 118B ( 1982 ) 203 ジェットの定義 Clustering 　　Ecall > 0.4 GeV のカロリメーター･タワー 　　のエネルギーを足していく。 　　その時、谷が出てきて、谷の深さが 2 GeV 　　以上のとき、そこで Cluster は分離する。 Cluster ET threshold 　　Cluster ET > jet ET threshold の時、その 　　cluster をジェットと呼ぶ。

Two – jet event ET1 > 10 Gev, ET2 > 10 GeV ⊿φ12 が180゜近くに 鋭いピークを持つ

Inclusive jets production ET1 > 20 GeV 59 events QCD 予言曲線 　　Λ = 0.5 GeV (Λ = 0.15 GeVならば 　　　データと一致）　　 誤差 , Acceptance → ±20 % Energy scale → ±20 %

W、Z→２ジェットの観測 Clustering UA2 Collaboration “Search for decays of the W± and Z bosons into quark-antiquark Pairs at the CERN pp collider ” Phys. Lett. 186B ( 1987 ) 452 Clustering 　

mass resolution

continuum control region m > 105 GeV m< 65 GeV Fit function Am-αe-βm W&Z Two gaussian　　 mean RMS Norm. W m0 8 GeV 1 Z 1.14m0 9 GeV 1/3 Results m0 = 82 ± 3 GeV/c2 Number of signal = 632 ± 190 events 理論予測値 = 340 ± 80 events

トップクォークの発見？ UA1 collaboration “ Associated production of an isolated, large-transverse momentum lepton ( electron on muon ) and two jets at the CERN pp colider ” Phys. Lett. 147B ( 1984 ) 493 mtop = 40 GeV/c2 の時、 ( 181 ± 20 ) W±→tb signal W± → tb　→ bblν 2 jets, 1 lepton, missing ET (i) invariant mass of ( lνbb) system = MW (ii) invariant mass of ( lνb ) system = Mtop

muon sample background μ + 1 or more jet PT (μ) > 12 GeV/c isolation no jets within ⊿R = 1 around μ 11 events remained 7 μ+ 1 jets 3 μ+ 2 jets 1 μ+ 3 jets background QCD : K±, π± → μ±ν 0.2 events bb & cc a] ISAJET →　1% of W → t b b] isolated vs. non-isolated 0.15 events

electron sample background ET > 12 GeV Ehad < 0.2 GeV remove γ conversion good longitudinal shower shape isolation background QCD fake (a) π0 + ≧ 2 jets data sample Event shape ( ETout, cosθj2 *) → 3.5σ (b) π±+ ≧ 2 jets data sample 0.06 events in signal region

m ( lνj2 ) vs. m ( lνj1j2 ) 　↓ 　　↓ ～40 GeV/c2 MW 3 ( e + 2 jets )events & 3 ( μ+ 2 jets )events Interpretation W → t b → b b lν mtop = ( 40 ± 10 ) GeV/c2