久保田 隆至（メルボルン大学） ２０１２年日本物理学会若手奨励賞記念講演 2012 / 03 / 24

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1 久保田 隆至（メルボルン大学） ２０１２年日本物理学会若手奨励賞記念講演 2012 / 03 / 24
Measurement of the Weak Boson Production Cross Section in the Events with Muons in Proton-Proton Collisions at √s = 7 TeV with the ATLAS Detector 久保田　隆至（メルボルン大学） ２０１２年日本物理学会若手奨励賞記念講演 2012 / 03 / 24

2 ATLAS実験が2010年3月、物理データ取得開始
現在まで約5 fb-1のデータを収集 →　SM Higgsの探索などで物理結果を報告 本研究：2010年4月から7月までの4ヶ月間のデータ 約300 nb-1の結果 ATLAS実験最初期の物理結果のひとつ →　検出器を理解しながら、標準模型を再発見していた時期 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

3 講演の概要 研究の背景、目的、内容 測定手法 実験装置 測定の結果 結論 LHC加速器 ATLAS検出器 ミューオントリガー効率
W→mn事象の断面積 Z→mm事象の断面積 結論 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

4 研究の背景、目的、内容 研究の背景 研究の目的 研究の内容 LHC：世界最高エネルギーの加速器
　　→　PDFなどの陽子陽子衝突の構造がどうなっているのか知らない 　　→　どの程度理解できてるか実験初期に見積もっておくことは、その後の全ての解析において重要 理論的不定性の少ないW / Z 粒子の生成断面積測定は良いプローブ 研究の目的 世界最高エネルギー（√s = 7 TeV：当時）でのpp衝突におけるW / Z 粒子の生成断面積を測定し、理論予想と一致するかを検証する 研究の内容 クリーンなミューオンチャンネルへの崩壊を見る 　　→　LHC加速器のpp衝突で生成されるZ→mm、W→mn事象の断面積の測定 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

5 pp（pp）衝突でのウィークボソン生成断面積測定
レプトンに崩壊するモードでの測定結果 SppS (CERN): UA1実験、UA2実験　√s = 0.63 TeV Tevatoron (Fermilab): CDF実験、D0実験　√s = 1.8, 1.96 TeV RHIC (BNL): PHENIX実験　√s = 0.5 TeV LHC (CERN): ATLAS実験　√s = 7 TeV W→ln Z→ll ATLAS ATLAS Tevatoron Tevatoron SppS SppS PHENIX 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

6 生成断面積計算の不定性 Next-to-Next-to leading order (NNLO)精度の計算
PDF (MSTW 2008 NNLO) + パートン断面積(FEWZ)：系統誤差 5 % PDFの不定性 as （ ~ ）由来: < 2.5 % Fitting parameter由来 (90 % C.L.): < 3.5 % 断面積計算の不定性 Renormalization and factorization scale由来: < 1.0 % MSTW NNLO 2008 (68 % C.L) C. Anastasiou et al. [arXiv:hep-ph/ ] Graeme Watt [arXiv: ] Z rapidity 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

7 測定手法 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

8 生成断面積測定手法 各要素を測定し組み合わせる Nsig – シグナル領域に残った事象数 Nbg – シグナル領域の背景事象の推定数
A （acceptance） – geometrical / kinematical acceptance (MCシミュレーション) C （correction factor） – 事象再構成の効率 (MCシミュレーション) Lint – 積分ルミノシティ MCで算出、Cには実データ測定の補正 各要素を測定し組み合わせる 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

9 ルミノシティ測定 系統誤差：１１% Van der Meer Scan でビームの断面のプロファイルを測定
加速器の設定値と合わせてルミノシティを算出 Van der Meer Scan（x – y 2次元） pp非弾性散乱の計数 加速器の設定値 x Dx Dx z xy断面のプロファイル 系統誤差：１１% LUCID検出器： ATLAS collaboration [arXiv: ] Al. tubes filled with C4F10 5.5 < |h| < 6.0, |z| = 17 m カウンティング系統誤差：5 % Beampipe 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

10 実験装置 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

11 LHC加速器 ATLAS、 CMS、 LHCb、 ALICE 世界最高エネルギー√s = 7 TeV（当時）の陽子陽子衝突型加速器
4つの大型検出器 ATLAS、 CMS、 LHCb、 ALICE 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

12 ATLAS検出器 Proton (3.5TeV) Proton (3.5TeV) y x z
ミューオン検出器(||<2.7, 5m < r < 10m) : 空芯トロイド磁場 + トリガー、トラッキングチェンバー 　右手系 　h = -ln (tan(θ/2)) Proton (3.5TeV) 内部飛跡検出器（ID）(||<2.5, r< 1150mm, B=2T): 　シリコンピクセル検出器 　シリコンストリップトラッカー 　TRT検出器 /pT ~ 0.05 % ×pT (GeV)  1 % Proton (3.5TeV) 電磁カロリメータ(|h| < 3.2, 1500mm < r < 1970mm): Pb-LAr アコーディオン エネルギー分解能: /E ~ 10 %/E  0.7 % ハドロンカロリーメータ (||<4.9, 2280mm < r < 4250mm): 　鉄・シンチレータータイル (|h| < 1.7) 　Cu / W-LAr (|h| > 1.7) エネルギー分解能:/E ~ 50 %/E  3 % 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

13 内部飛跡検出器（Inner Detector: ID）
３種類の飛跡検出器 Pixel Detectors (Pixel) |h| < 2.5 3 ヒット / track チャンネル分解能： 10mm (Rf), 115mm (z) Semiconductor Trackers (SCT) 8 ヒット / track 17mm (Rf), 580mm (z) Transition Radiation Tubes (TRT) |h| < 2.0 36 ヒット / track チャンネル分解能：130mm 衝突点 z 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

14 ミューオン検出器（Muon Spectrometer:MS）
トロイド磁場 三層構造（Inner + Middle + Outer） 飛跡検出器（|h| < 2.7） Monitored Drift Tubes （MDT） |h| < 2.7 チャンネル分解能：80mm Cathode Strip Chambers（CSC） 2.0 < |h| < 2.7 for inner only チャンネル分解能：60mm トリガー検出器（|h| < 2.4） Thin Gap Chamber （TGC） 1.05 < |h| < 2.4 Resistive Plate Chamber （RPC） |h| < 1.05 ドリフトチューブ |h| = 1.05 m+ m- z 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

15 ミューオン飛跡再構成 IDトラック MSトラック コンバインドトラック 運動量分解能が良い ミューオン検出器でミューオンと識別されている
運動量分解能の良いミューオン 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

16 ミューオントリガー d ヒットコインシデンス 曲率の見積り（dh - df） pT閾値レベルの算出
3層（R1, 2, 3 or TGC1, 2, 3） 2次元座標（h - f） 曲率の見積り（dh - df） d：仮想無限大運動量トラックとのズレ pT閾値レベルの算出 dh - df情報をLUT（look up table）で統合 （コインシデンスマトリックス） pT閾値レベルの決定（6段階） ミューオン d 衝突点へ 衝突点 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

17 解析用データサンプル 実験データ 積分ルミノシティ： W→mn : 310 nb-1 Z→mm : 331 nb-1
2010年4月～7月に取得されたデータを使用 解析に適した検出器状況を要求 　 （LHC安定、磁石安定、トリガーOK、ID OK、ミューオンOK、カロリーメータOK） W / Z 解析：pT閾値 = 6 GeVのシングルミューオントリガー W→mn解析のみ 積分ルミノシティ： W→mn : 310 nb-1 Z→mm : 331 nb-1 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

18 解析用データサンプル（MC） MCシミュレーションデータ PYTHIA (POWHEG for tt) + MRST LO* の組で生成
Geant4 + 検出器シミュレーション + 事象再構成アルゴリズム NNLO計算の断面積で規格化 QCD di-jetサンプルのみ、実データで規格化定数を求める Z→mm、W→mnにはpile –up （~2 minimum bias反応を追加） Process Generator S x BR (nb.) Z→mm (mℓℓ > 66 GeV) PYTHIA 0.99 ± 0.05 W→mn 10.46 ± 0.52 Z→tt (mℓℓ > 66 GeV) W→tn→mnn 3.68 ± 0.18 tt POWEG 0.16 ± 0.01 QCD di-jet (1 muon with pT > 8 GeV) 10.6×106 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

19 ミューオントリガー効率の評価 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

20 ミューオントリガー効率の評価 （評価対象）pT閾値 = 6 GeVのシングルミューオントリガー TGCとRPCの2ビンで評価
トリガーバイアスを避ける A.　ジェットトリガー事象を用いる B.　Z→mm 事象のタグ&プローブ法 ３．トリガーシグナルを探す ２．トラックを外挿 （磁場、物質を考慮） ミューオン検出器 １．ミューオントラック（コンバインド）を選択 衝突点 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

21 A.ジェットトリガー事象を用いた評価 ジェットトリガー = カロリーメータ情報 → バイアスとならない
　　→　バイアスとならない Heavy Flavorメソンの崩壊　→　高統計 p 粒子バックグラウンドの除去 ct =7.8 m、検出器中で折れ曲がるトラック IDとミューオン検出器のpTの差（pTID - PTMS）で排除 muon jet 崩壊点 m p 外挿 ミューオンが飛んで無い方向に トリガーを探すことになる p 事象によるバイアス 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

22 ミューオン選別 ミューオン選別： コンバインドトラック |h| < 2.4 pT > 20 GeV
　コンバインドトラック 　|h| < 2.4 　pT > 20 GeV 　pTMS > 10 GeV 　|pTID – pTMS| < 15 GeV 　|z0| < 10 mm p 粒子除去 宇宙線除去 pTMS：ミューオン検出器で測定されたpT pTID：IDで測定されたpT z0: 崩壊点とのz方向インパクトパラメータ 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

23 ミューオンの分布 m- m+ f分布 pT分布 endcap h分布 endcap barrel barrel
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24 ミューオントリガー効率分布 h分布 f分布（endcap） f分布（barrel） 構造を支える”脚”： RPCに穴が空いてる barrel
y x 構造を支える”脚”： RPCに穴が空いてる 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

25 トリガー効率長期安定性 2010年4月11日～2010年7月18日 barrel endcap 時間 時間 2011年3月24日
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26 MCへの補正 ミューオントリガー効率のMCへの補正 scale factor endcap barrel
　チェンバーのヒット効率 　コインシデンスウィンドウのチューニング pT > 20 GeV pT > 20 GeV endcap barrel Data: (stat) (syst) MC : (stat) (syst) SF : (stat) (syst) Data: (stat) (syst) MC : (stat) (syst) SF : (stat) (syst) 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

27 トリガー効率評価における系統誤差の導出 スケールファクターの系統誤差 Endcap (%) Barrel (%) scale factor
飛跡再構成アルゴリズム中の トリガーバイアスの不定性 0.5 1.5 pT = 20 GeVカットに対する安定性 0.8 1.0 p粒子バックグラウンドの効果（*1） 0.4 0.1 トラックの外挿方法 トラックに2つ以上のトリガーがマッチした時の 優先順位の付け方（*2） 1.2 トラックの先にトリガーを探す領域の大きさ（*3） 0.2 W / Z 事象とのミューオンのh分布の違いの効果 0.3 合計 1.9 |pTID - pTMS|カット値（20±5GeV） 最も近いトリガー or 最もpT閾値の高いトリガー DR = 3 s ± 1s 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

28 B.タグ＆プローブ法による評価 Z→mm事象の2本のミューオン（タグ&プローブ） タグミューオンがイベントトリガーを鳴らしたことを要求
不変質量のカットでバックグラウンドを排除 タグミューオンがイベントトリガーを鳴らしたことを要求 プローブミューオンのトリガーバイアスが無くなる プローブミューオンでトリガー効率を測定 endcap: (stat) barrel : (stat) 　ジェットトリガー事象での評価との比較 　（実データ） 　統計誤差内で一致 　109のZ→mm事象 = 218ミューオン 　Z→mm断面積測定と同じ事象 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

29 W / Z 断面積測定 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

30 W/Zプリセレクション 宇宙線、検出器ノイズのイベントの排除 high-pTのミューオン（コンバインド）を要求
1つ以上のバーテックスを要求し、宇宙線事象を排除 再構成に用いられたトラック数 > 2 原点からの距離（z座標） < 150 mm ETmissを用いるW→mn測定では、フェイクジェットを排除 high-pTのミューオン（コンバインド）を要求 pT > 15 GeV |h| < 2.4 pTMS > 10 GeV |pTID – pTMS| < 15 GeV |z0| < 10 mm W→mn、Z→mm MCはバーテックスの数 （パイルアップ）を事象毎にウェイト アクセプタンスへの影響 ~ 0.2 % イベント毎のバーテックスの数 トリガー効率測定と同一 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

31 W → mn 事象の断面積測定 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

32 W→μν事象 本解析での事象選択 １本のhigh-pt（> 20 GeV）, isolated ミューオン
　　→ Large missing ET(> 25 GeV) 大きな横質量（mT > 40 GeV） 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

33 W→mn：カットフロー プリセレクション W→mn事象選別 W→mn事象数= 1181 (W+: 709, W-: 472)
ミューオンのpT > 8 GeV @ QCD MC プリセレクション 1 1 2 3 2 3 4 5 4 5 6 7 6 8 9 10 7 8 9 10 W→mn事象選別 7.　ミューオンpT > 20 GeV 8.　Isolated 9.　ETmiss > 25 GeV 10.　MT > 40 GeV W→mn事象数= 1181 (W+: 709, W-: 472) 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

34 W→mn：ミューオン分布 全事象選別後のミューオン分布 スケールファクター、QCDスケール補正後 ミューオン数で規格化 エラーは統計誤差のみ
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35 ミューオンアイソレーション ミューオンからDR < 0.4 の中のIDトラックのpT の和を ミューオンのpTで割った値が0.2以下
　プリセレクション後 　　W→mn全事象選別後 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

36 W→mn：ETmiss、MT （自分以外の）全事象選別後のETmiss、横質量 スケールファクター、QCDスケール補正後 イベント数で規格化
エラーは統計のみ 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

37 W→mn：背景事象 QCD事象: QCD、non-QCD事象のIsolationカットへの効率を評価し、 シグナル領域に残る事象数を推定
　　　シグナル領域に残る事象数を推定 宇宙線： 宇宙線がイベントセレクションを 通過する確率（non-colliding bunch）： e = （1.1±0.2 (stat)）×10-10 ミニマムバイアスの断面積： 50±10 (stat) mb オーバーラップ： 1.1×10-10×50 mb×310 nb-1 = 1.7±0.8 (stat) Nloose: Isolation 以外のカットをかけた事象数 (1272) Nisol: W→mn事象数 (1181) enonQCD: W / Z事象のミューオンがisolatedな確率 Z→mm事象で見積り： (syst) eQCD: QCD由来のミューオンがisolatedな確率 プリセレクション後、15 < pT < 20 GeVのミューオンを 　コントロールサンプルとして見積り: 　 (stat) MC 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

38 W→mn：生成断面積×崩壊分岐比 信号事象数：1181 バックグラウンド事象数：103.3 ± 10.9 (syst)
W+: 56.4 ± 6.5 (syst) W- : 47.1 ± 4.6 (syst) アクセプタンス（A×C）: ± (syst) W+: ± (syst) W- : ± (syst) 積分ルミノシティ: 310 ± 34(syst) nb-1 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

39 Z  mm 事象の断面積測定 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

40 Z→μμ事象 本解析での事象選択 ２本のhigh-pt (> 20 GeV), isolated ミューオン（反対電荷）
Z粒子の不変質量（66 < Mμμ < 116 GeV） 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

41 Z→mm：カットフロー プリセレクション Z→mm事象選別 Z→mm事象数 = 109 ミューオンのpT > 8 GeV
@ QCD MC プリセレクション 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 7 8 9 6 7 8 9 Z→mm事象選別 6.　2本のミューオン 7.　2本ともisolated 8.　電荷が反対 9.　66 < Mmm < 116 GeV 　Z→mm事象数 = 109 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

42 Z→mm：背景事象 MCを信頼してバックグラウンド数を見積もる total: 0.364 +- 0.163 2011年3月24日
日本物理学会若手奨励賞記念講演

43 Z→mm：ミューオン対不変質量 log linear 全事象選別後のミューオン対の不変質量 pT分解能の悪化
スケールファクター、QCDスケール補正後 イベント数で規格化 pT分解能の悪化 log linear 66 < Mmm < 116 GeV 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

44 Z→mm：ミューオン運動量スケール、分解能
上記パラメータでc2検定 C1 = 、C2 = 0.03 – 0.10 C1=0.99, C2=0.07, c2 = 0.49 Dc2 C2 Dc2 =1 c2計算領域 C1 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

45 Z→mm：生成断面積×崩壊分岐比 信号事象数：109 バックグラウンド事象数：0.364 ± 0.163
アクセプタンス（A×C）: ± 0.023 積分ルミノシティ: 331 ± 36(syst) nb-1 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

46 結論 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

47 結論 W→mn、Z→mm共に理論予想と一致 W→mnは電荷ごとの生成断面積も一致 W→ln ATLAS Z→ll ATLAS
Tevatoron Tevatoron SppS SppS PHENIX √s = 7 TeVの陽子陽子衝突構造がQCDの理論計算と一致する事を世界で最初に示した 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

48 謝辞 ありがとうございました 今回、すばらしい賞をいただいたことを機に、以下の方々にあらためてお礼を述べさせて頂きます。
５年間指導してくださった山下准教授 ５年の間研究の場を提供してくださった近藤、小林、徳宿教授はじめATLAS日本グループの皆さん 駒宮センター長はじめ東京大学素粒子物理国際研究センターの皆さん ありがとうございました 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

49 バックアップ 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演

50 パートン運動学 √s = 7 TeVでもTevatronでは見えなかった領域をみている W.J.Stirling,
Private Communication 2011年3月24日 日本物理学会若手奨励賞記念講演