Measurement of Direct Photon Emission in p+p0g Decay

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1 Measurement of Direct Photon Emission in p+p0g Decay
The University of Tokyo Tsunemi　Toshinao 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

2 Outline 1) Introduction 2) BNL-E787 検出器 3) ターゲット内でのπ+測定の改善
4) Kinematic fit 5) Data reductionとバックグラウンド評価 6) Spectrum Fitting 7) Systematic error 8) Summary 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

3 Chiral Perturbation Theory
低エネルギーでのQCD有効場理論 Kやπなどを基本場とみなす 有効ラグランジアンは、momentumのベキ乗で書かれる。 π+ M M π+ K+ K+ M π0 M π0 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

4 DE and IB component IB (Internal Bremsstrahlung) DE (Direct Emission)
BR(IB)=2.61*10-4 predicted by QED (radiative correction) 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

5 Wの定義 （K+静止系） p+ energy p+ mass p+ momentum Opening angle
between p+ and photon radiated photon energy p+ energy kaon mass p+ mass p+ momentum 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

6 W spectra 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

7 W Spectra W W IB DE 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

8 p+p0g spectra ? IB INT DE 1) Reducible O(p4) M: magnetic amplitude
２) VMD O(p6) ３) その他 O(p6) 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

9 History (55 < Tp+ < 90 MeV)
VMD O(p6) あり Reducible O(p4)　のみ 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

10 2000年にBNL-E787からpublishされたデータ
1995年に実験を行った。 Kaonの数　2.83×1011 DE成分の測定結果 今回の測定（1998年データ） １）より統計を増やす ２）DE成分の寄与がより大きくなるようにtriggerを設定 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

11 BNL-E787 detector ) 12 cm K+ Kaon stopping Target
Main fibers K+ Edge fibers Kaon stopping Target 5 mm square 41３ scintillation fibers ) Energy Range in the Target charged track 円筒形検出器　断面図 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

12 BNL-E787 detector K+ Drift Chamber (UTC) 3 active layers
Momentum of charged track 円筒形検出器　断面図 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

13 BNL-E787 detector ) K+ Range Stack Plastic scintilators 21 layers
円筒形検出器　上半分 Range Stack Plastic scintilators 21 layers ) Energy Range Charged track 円筒形検出器　断面図 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

14 BNL-E787 detector ) K+ Barrel photon detector
円筒形検出器　上半分 K+ Barrel photon detector Plastic & lead sandwich detector 4 layers 192 modules ) Energy position photons 円筒形検出器　断面図 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

15 Charged track spectrum
2005年1月27日 博士（理学）　審査会

16 trigger for K+→p+p0g Photonに対する条件： 3つ以上のhitがある p+に対する条件： Layer4-6で止まる
　　　　　 　3.48×1011 （1995年　2.83×1011） Kaonの数 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

17 Trigger acceptance DE component (M.C.)
’98 DE events ’95 DE events arbitrary unit accept 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

18 Clustering of the Target cells
SWATH:　Drift Chamberからextrapolation周辺の 　　　　　　　±1cmの範囲 kaon SWATHに接していてEnergyが２MeV以上 π+ SWATH内にあってEnergyが２MeV以下 X-Y view photon SWATHに接していない 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

19 Kaon stopping position
時計周りと反時計周りの端のkaon cellの 中心の平均をとる。 X-Y view 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

20 π+ Target measurement 1) Hidden energy 2) Energy deposit in edge fiber
3) Energy deposit in dead material 4) Azimuthal angle 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

21 Hidden energy UMC & REAL
Pion cells Kaon cells Number of kaon cells in swath Angle between kaon and pion dependence Number of kaon cells Angle between kaon and pion cells Dip angle 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

22 Energy deposit in edge fiber UMC & REAL
E787 standard does not unpack energy dropped in edge fiber dependence Distance in edge fiber Dip angle 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

23 Energy deposit in dead material REAL
Fibers in the Target are wrapped with foil. dependence Range in the Target Dip angle Targetファイバー：　断面5mm×5mm 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

24 Energy measurement in the Target
p+ in K+→p+p0g M.C. New Old (E787 standard) Measured - True 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

25 Kinematic fit (most primary cut)
6 constraints Momentum conservation (x, y, z 3 constraints) Energy conservation mass p+ mass p0 13 variables p+ p0 g 1 3 4 p + momentum Energy of photons Azimuthal angle Dip angle p+ g g g 1 pion and 3 photons 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

26 Two photons from π0の選択 ３つのphotonから、２つのphotonを 選択するコンビネーションは３つ
３つのコンビネーションのうちProb（kinematic fit）が 大きいもの２つを選択 ２つのコンビネーションの各々について Prob (Kinematic fit) ×matrix element(IB)2　を計算し もっとも大きな値を持つコンビネーションを選択する。 M.Cより、正解率は97.2%（IB成分）と83.4%（DE成分） 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

27 Kinematic fit (stretch function)
Meanが0、sigmaが１の 正規分布になる i=1~13 Streｔch functionが正規分布になるようにresolutionをtuningする。 M.Cデータがrealデータのresolutionを再現するように、 Smearing する。 例： ：標準正規分布乱数 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

28 Stretch functions π+ photon Azimuthal angle Dip angle energy momentum
2005年1月27日 博士（理学）　審査会

29 Chi-square probability
accept Chi-square probability 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

30 The power of kinetic fit
photon energy before after MeV MeV M.C. M.C. MeV MeV Resolution 1.5 sqrt(E MeV) から0.50 sqrt(E MeV) 約 約 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

31 Resolution improvement on W
M.C. M.C. RMS 0.０25 RMS 0.05 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

32 Kinematic fit power of rejection
before after before after p+p0p0 accept p+p0g m+p0g p+p0g π+ momentum Charged track consistency Measured - expected 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

33 Data reduction table π+ identification in the UTC & RS
π+ identification in the Target Reject e+ Photon cluster is 3 Extra photon veto Missing momentum Photon clustering confirm π+ mass Photons are on time Photon is in the fiducial region Confirmation of trigger condition W>0.1 Kinematic fit Combination improve 140 MeV/c < Pπ+ <180 MeV/c 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

34 Backgroundの評価 E787標準リアルデータを用いた方法による
2005年1月27日 博士（理学）　審査会

35 Backgrounds with accidental hit
-6.0 nsから-4.0 ns（領域B’） 4.0 nsから6.0 ns（領域C’）の 合計4ns中のhitは Accidental hitによるもの Kinematic fit前 B C A 17 events 存在する Accidental hitは時間で一様 Signalを選択する範囲は4ns B’ C’ Kinematic fit後 A’ Signal範囲に17eventsある Photon timing 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

36 Backgroundの評価 E787標準リアルデータを用いた方法による
2005年1月27日 博士（理学）　審査会

37 spectra fitting リアルデータ 20571イベント 1) W spectra
2) Consistency between real and UMC in W 3) Consistency in other spectra 4) Fitting result 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

38 W spectra Real IB成分(M.C.) DE成分(M.C.) 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

39 Consistency between real and UMC
IB成分がdominantな領域 　　　　（w<0.4） でのM.C.の再現性 Real data IB (M.C.) 2/n.d.f=11.2/14 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

40 Consistency between Real & UMC
Real data IB (M.C.) W<0.4のサンプルで比較する 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

41 Spectrum fitting Real data is fitted by M.C.(IB+DE) ＊IBのみでfitすると
Event数 Real data IB (M.C.) IB+DE (M.C.) observed/IB Real data IB+DE (M.C.) 統計エラーをしゃべること。 ＊IBのみでfitすると 2/n.d.f=49.0/7 2/n.d.f=7.6/6 結果 IBを1としたとき DEは　RDE=0.070±0.011 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

42 Systematic uncertainty on RDE=0.070±0.011
fitting method momentum of p+ photon z position smearing attenuation length and speed of light photon energy M.C statistics 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

43 Systematic uncertainty
2/n.d.f=4.2/8 uncertainty ±6.9% RDE＝0.075±0.012 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

44 Systematic uncertainty
attenuation length and speed of light　in the Barrel photon detector -17.0% attn ＆ s.o.l -5% +9.8% 最適 attn ＆ s.o.l +5% 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

45 Systematic uncertainty
Photon energy (p0 mass) -11.2% Barrel photon module π0 Visible fraction 1.05 倍 +12.4% π0 π0 最適 Visible fraction 0.95 倍 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

46 Systematic error RDE Total systematic error on RDE +18 % -23 %
2005年1月27日 博士（理学）　審査会

47 p+p0g Branching ratioの計算
Fitで得られた比率 Fitに用いたIBイベント数 Fitに用いたDEイベント数 M.CによるIB成分のacceptance QEDに基づくIB成分分岐比の理論値 M.CによるDE成分のacceptance 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

48 Branching ratio of p+p0g
今回1998年のデータ 前回1995年のデータ Combineした値 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

49 Summary (1/2) DE成分を多く含むp+の低エネルギー領域 で測定 低エネルギーp+を精度良く再構築する方法を開発
Kinematic fitは「background rejection」と「resolution の改善」に有効 　　（photonのenergyの分解能は3倍向上） 4)　M.C.で実験データをよく再現 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

50 Summary (2/2) ５) BR(DE)から得られたMは、reducible amplitudeのみで説明される。
　　VMDと理論的不定項は各々小さいか、相殺されている。 実験値 consistent 理論値（reducibleのみ） 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

51 Backup slide 以下はBackup slide 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

52 π0からの２つのphotonの選択方法 Full cut set Matrix IB DE なし 86% 87% IB 97% 83%
なし　　　86%　　　　87% IB % % DE %　 % 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

53 π0からの２つのphotonの選択方法 Combination improve なし （cut number 14）
Matrix IB DE なし　　　84%　　　85% IB　　　　96%　　　77% DE　　　 65% % 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

54 Azimuthal angle X-Y view True track UTC extrapolation (standard)
従来 ターゲット内でのenergy depositを無視して円弧でextrapolation New method. ターゲット内でのenergy depositを考慮してトラックの曲率を補正 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

55 M(無次元量)の計算方法(1/2) G.Ecker, H.Neufeld and A. Pich, Phys.Lett B278,337 (1992)によれば、 ＊ fはCｈPTのO(p2)のパラメータで、f=93 MeV 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

56 M (無次元量)の計算方法(2/2) 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

57 Kpi2 background 2.7 events (0.0%) 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

58 Split photon background
66 events (0.3 %) 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

59 Ke3 background 146 (0.7 %) 2005年1月27日 博士（理学）　審査会

60 Kpi3 background 11 events (0.0%) 2005年1月27日 博士（理学）　審査会