ATLAS実験内部飛跡検出器の 飛跡再構成精度

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1 ATLAS実験内部飛跡検出器の 飛跡再構成精度
筑波大学　塙　慶太 金信弘、黒川悠文、原和彦（筑波大） 池上陽一、海野義信、高力孝、寺田進（高エ研） 花垣和則（大阪大）、中野逸夫（岡山大）、高嶋隆一（京都教育大）、他アトラスSCTグループ Tsukuba Univ.

2 Outline 1.導入 2.モチベーション ,方法 3.Result 4.Summary ,Plan
LHC加速器,ATLAS検出器,内部飛跡検出器 2.モチベーション ,方法 calibration , Z->mumu 3.Result momentum resolution ,momentum scale, effect of misalignment 4.Summary ,Plan

3 LHC(Large Hadron Collider) 周長２７ｋｍ ７ｘ７ＴｅＶ陽子・陽子衝突器 (設計値)
瞬間ルミノシティー 1.0×1034cm-2s-1　(設計値) 地下約100mに4箇所の観測点がある

4 ATLAS検出器 LHCの汎用型検出器 最大の目標はHiggs粒子の発見 中心から、内部飛跡検出器、カロリメーター、ミュー粒子検出器で構成
ATLASーJ　SCTグループは、内部飛跡検出器のSCT（Semi Conductor Tracker） バレル部のシリコン検出器を建設し、運転調整に携わっている。

5 内部飛跡検出器(Inner Detector)
PT [GeV/c] = 0.3Bρ [Tm] (ρ:曲率半径、B:磁束密度) r-Φ方向断面図 ビーム軸方向断面図 Layer数 Resolution TRT 36層 170μm SCT 4層 16μm Pixel 3層 14μm

6 Motivation Determination of the Inner Detector tracking　performance in data(前段階:Simulation) Use first well measured Z mass Pt scale（不均一磁場） Pt resolution(物質) (intrinsic, alignment) *最も精度の出るmuonを使う Today ! Eta毎のPt Scale , Pt Resolutionを測定する、 測定法を確立する！

7 方法 Z->mumu　sampleを使いInner Detector でreconstruction した際のtrack 情報よりZの質量を組む。 （MuonIDにはMuonSpectrometerの情報を使った） 右がZのinvariant massを 組む際のevent selctoion このinvariant mass分布をfitし、True情報とくらべることで、methodの確立とPt scaleやPt resolutionを測定した。 ○Event Selection ・Pt>15GeV　and |eta|<2.5 ・dR(ID-True)<0.002 ・nRadiation =0(μ->μγ　cut) ・opposite charge 約40% (geometry+efficiency) 5fb-1:～3k event (0.0<|eta|<0.4) Fix!(0<|eta|<0.4) Y Z ・測定は右図のように一つのMuonが|eta|<0.4 に入ってくるeventを拾いもう一方のMuonが入 ってくるetaの範囲を区別することで,eta毎のscaｌeやresolutionを評価した。

8 比較,測定項目 ① 2muonのinvariant mass を組みfit(fit region: ±20GeV) Inner detector のmuon情報を使いmass(MzRec)を組み、MzRec分布をbreit-wigner とgaussian のconvolution でfitする。 ② MzRec-MzTrueの差をgaussian fit event by event でMzRecと検出器を通す前Mzの値(MzTrue) の差の分布をgaussianでfit (scale check!) ③ Eta 毎に2muonのresolution の二乗和平均×Zmass(input) selectionを通ったeventのΔ(1/Pt)*Ptの分布をgaussianでfit し、その際のsigmaを検出器のPtのresolutionとして二つのPt resolutionの二乗和平均にZmassを掛けることで、Zmassのresolutionとした。 (resolution check!)

9 scale and resolution using convolution fit
Fit function: Breit-wigner* + Drell-Yan with gaussian smearing Mz Scale：convolution fitのMzからinput( )を引いた値 Mz Resolution:gasussianのsmearing分が検出器のresolution *mass depedent Γz function 2.4952固定！

10 Scale and resolution using gaussian fit
ΔMz(MzRec-MzTruth) ・ (|Ztrue-Input( )|<20GeV) ・gaussian fit ±2σ Mz Scale：gaussian mean Mz Resolution:gasussian　sigma さまざまなetaの範囲でgaussian fitとconvolution fitのσ,Scaleを比べることでMethodの確認(next page)

11 Momentum resolutionによるZ崩壊幅の寄与
Breit wignerとgaussian のconvolution fitはPt Resolutionをよく再現する。 Real dataでの運動量分解能測定可能！ ※ΔMz(Rec-True)=2σ以内のevent ->今後:fit qualityの要求やhit情報の要求 0<|eta|<0.4 |eta|>2.0 Pt Resolution[%] ～2.08% ～5.37% Pt=45GeVに対して ～0.936 GeV ～2.42 GeV

12 Momentum scale(5fb-1) Scaleに関してもconvolution fitは よく再現できている。
eta~0 でPtのscaleは１σの確率で40MeV以内で決まる accuracy Breit with gaussian smear Gaussian fit (ΔMz(Rec-True) Eta～0.0 ～16MeV ～10MeV Eta～1.4 ～20MeV ～17MeV

13 粒子生成率あたりのscale決定精度 Pt scale 決定精度[MeV] 統計量が増えることでScale決定精度があがることが確認できた。
100pb-1でも1σの確率で160MeV以内にきまる。

14 Effect of Miss Alignment(50pb-1)
ΔMz(Rec-True) for Miss Alignment MzRec for Miss Alignment ΔMz(Rec-True)　(50pb-1 event) Gaussian mean[GeV/C2] Gaussian sigma[GeV/C2] Perfect alignment -0.006±0.030 1.97±0.06 Miss alignment(aligned) -0.015±0.033 2.30±0.06　(～20%悪化) Miss alignment(Not Aligned) -0.177±0.066 4.45±0.12 50pb-1では、45GeV Muonの分解能に対して無視できるMass Shift Perfect alignmentの精度を出すにはさらなる統計必要

15 Summary Z→mumuからIDの運動量測定（スケール、分解能）を見積もる方法を研究した。
Invariant mass分布のfitにより、Pt scaleとresolutionを評価できる。 Pt scaleは5 fb-1で40MeV以内に決まる。 Miss alignment(50pb-1)によるmass shiftの効果は見られない。精度を出すためにはさらなる統計が必要

16 Plan Track qualityが高いものを選ぶ EM cluster情報からγの出る事象を取り除く
Miss alignment（ID） sample J/ψ->mumu sample:low pt region Combined state (IDSAとMuonSAの関係)

17 Back up

18 Inner Detector tracking performance
内部飛跡検出器の物質量 90度方向で約0.4X0　 Eta Single muon Pt Resolution [%](45 GeV) Eta 赤:計算値*1 青:Z->mumu sample MuonSpectrometerをMuon の同定に使っているのでEta～0.0,Eta～1.3は検出効率落ちる。 *ATL-COM-INDET

19 Inner Detector tracking performance
ID dominates MS only for identification Cross-over region MS dominantes 各検出器での運動量分解能の寄与 Wrong charge fraction

20 Radiation Effect of Radiation Zγ event それぞれ区別の使いない別過程ある。
PhysRevD47,4889 Zγ　event PDGより BR(Z->μμγ)<5.6×10^-4 BR(Z->μμ)～3.37% 5Meventの約90K以下 Cut:約30K Plan dR cut,energy cutの最適化 　(mu->muγ,Zγ　event)

21 Combined status Early Study(My Analysis)
　Combined MuonやMuonSAに　　よってReconstructされたZがmassを小さく見積もる。 現在のアルゴリズムの改良 ・energy parameterizatoinにカロリメーターのdepositを入れてみる Tailを削ったZmassRecはtrueを良く再現する Plan Randau tail Cosmic dataも解析中！(with kurokawa) 　・ATLAS唯一のreal data 　・ ・ratio ・check (ID detail) ・momentum , efficiency Eta dependence

22 Single Muon momentum Resolution(%)
比較項目 Sigma:2muonのinvariant mass を組みfit(±20GeV) Sigma:MzRec-MzTrueのresidualをgaussian fit Eta 毎に２muonのresolution の二乗和平均×Zmass( ) Single Muon momentum Resolution(%) in Zmumu sample 一つの0<|eta|<0.4を通ったMuonとして固定(~2%) Several Eta region Fix!(0<|eta|<0.2) Y Z

23 Z mass fit with several eta region

24 parameters

25 Single Muon

26 momentum

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28 Fit function

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30 内部飛跡検出器 磁場(2T)中で荷電粒子の飛跡を測定し、運動量測定 や生成座標の再構成を行う
PT [GeV/c] = 0.3Bρ [Tm] (ρ:曲率半径、B:磁束密度) ビーム軸方向断面図 r-Φ方向断面図 2019/2/24 1m

31 resolution contribution to Z mass shift (GeV/c2)