CERN SppS Collider フェルミ研究所 CERN SppS コライダー ( 1981年～ ) 測定器 UA1, UA2

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1 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

2 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 → 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。

3 UA1 detector 総重量　2,000t

4 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

5 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

6 UA1 Calorimeter EM部 ハドロン部 ET分解能 ただし

7 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

8 UA2 detector 中央磁場なし ミューオン検出器なし 欠点

9 UA2 Calorimeter ハドロン部 EM部

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

13 “ 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 B ( 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 )

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

15 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。

16 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 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 %

17 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

18 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 = GeV/c2

19 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

20 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 = GeV/c2 ( 5.1 GeV/c2 at 90 % CL ) sin2θW(MW) = ± 0.011 world average sin2θW = ±0.093

21 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

22 UA2 collaboration ２ヵ月後 “Evidence for Z0 → e+e- at the CERN pp collider ” Phys. Lett B ( 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

23 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 = ± 0.014

24 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。

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

26 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 %

27 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 　

28 mass resolution

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

30 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

31 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

32 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

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