久保田　隆至（メルボルン大学）...

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

• 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 2

講演の概要

• 研究の背景、目的、内容• 測定手法• 実験装置

○ LHC 加速器○ ATLAS 検出器

• 測定の結果○ 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


研究の背景、目的、内容

• 研究の背景○ 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


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


ATLAS ATLASZ→llW→ln

TevatoronTevatoron

PHENIX

SppSSppS

• 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 （ 0.1145 ~ 0.1176 ）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)

生成断面積計算の不定性

2011 年 3 月 24 日日本物理学会若手奨励賞記念講演Z rapidity

C. Anastasiou et al.[arXiv:hep-ph/0312266]

6

GeV) 116 M (66 nb.05.096.0)(σnb.52.046.10)(σ

ZBRWBR

Z

W n

Graeme Watt[arXiv:1201.1295]


測定手法

生成断面積測定手法

• 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


各要素を測定し組み合わせる

MCで算出、 Cには実データ測定の補正

• 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

ルミノシティ測定

2011 年 3 月 24 日日本物理学会若手奨励賞記念講演

z

LUCID 検出器：

Beampipe

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 %

x

9

int

bgsig

LCANN

xy 断面のプロファイル

Van der Meer Scan （ x – y 2 次元）pp 非弾性散乱の計数

DxDx

加速器の設定値

系統誤差：１１ %ATLAS collaboration[arXiv:1101.2185]


実験装置

LHC 加速器

• 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（デザイン値： 14 TeV ）

• ルミノシティ :1032 cm-2s-1 を達成（デザイン値： 1034cm-2s-1 ）

• 4 つの大型検出器

○ ATLAS 、 CMS 、 LHCb 、 ALICE


ATLAS 検出器


内部飛跡検出器（ ID ） (|h|<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 %

ミューオン検出器 (|h|<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

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 %

Proton(3.5TeV)

Proton(3.5TeV)

12

ハドロンカロリーメータ (|h|<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 %

x

y

z

○ 　右手系○ 　 h = -ln (tan(θ/2))

内部飛跡検出器（ Inner Detector: ID ）

• ソレノイド磁場（ 2.0 T ）• 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)

– |h| < 2.5– 8 ヒット / track– チャンネル分解能：

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

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


|h| = 1.05

14

m

m+

ドリフトチューブ

z

ミューオン飛跡再構成

• ID トラック○ 運動量分解能が良い

• MS トラック○ ミューオン検出器でミューオンと識別されている

• コンバインドトラック○ ID と MS のトラックをつなぐ○ 運動量分解能の良いミューオン


ミューオントリガー• ヒットコインシデンス

○ 3層（ R1, 2, 3 or TGC1, 2, 3 ）○ 2 次元座標（ h f ）

• 曲率の見積り（ dhdf ）○ 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○ dhdf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）


d

衝突点

衝突点へ

ミューオン

• 実験データ○ 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

解析用データサンプル


積分ルミノシティ：W→mn : 310 nb-1

Z→mm: 331 nb-1

W→mn 解析のみ

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 PYTHIA 10.46 ± 0.52

Z→tt (mℓℓ > 66 GeV) PYTHIA 0.99 ± 0.05

W→tn→mnn PYTHIA 3.68 ± 0.18

tt POWEG 0.16 ± 0.01

QCD di-jet (1 muon with pT > 8 GeV)

PYTHIA 10.6×106


ミューオントリガー効率の評価

19

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


１．ミューオントラック（コンバインド）を選択

２．トラックを外挿（磁場、物質を考慮）

３．トリガーシグナルを探す

ミューオン検出器

衝突点

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• 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（ pT

ID - 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

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○　 pT

MS > 10 GeV ○　 |pT

ID – pTMS| < 15

GeV○　 |z0| < 10 mm

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

p 粒子除去宇宙線除去

ミューオンの分布


h 分布

f 分布 pT 分布

endcap

barrel

endcap

barrel

Endcap - 2307 (+: 1187, -: 1120)Barrel - 3173 (+: 1670, -: 1503)

m-

m+

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

endcapbarrel

x

y

トリガー効率長期安定性

• 2010 年 4 月 11 日～ 2010 年 7 月 18 日


endcap

barrel

時間時間

MC への補正• ミューオントリガー効率の MC への補正


Data: 0.865 +- 0.007 (stat) +- 0.017 (syst)MC : 0.950 +- 0.001 (stat) +- 0.006 (syst) SF : 0.911 +- 0.008 (stat) +- 0.017 (syst)

Data: 0.763 +- 0.008 (stat) +- 0.015 (syst)MC : 0.793 +- 0.002 (stat) +- 0.010 (syst) SF : 0.961 +- 0.010 (stat) +- 0.018 (syst)

MC

datacorrected ε

εCC

scale factor

pT > 20 GeV

pT > 20 GeV

データと MC の差（ 8% ） :• 　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

endcap barrel

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 (%)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 1.0 0.4

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 0.1

トラックの先にトリガーを探す領域の大きさ（ *3 ）

0.2 0.1

W / Z 事象とのミューオンの h 分布の違いの効果

0.3 0.5

合計 1.9 1.9

MC

datacorrected ε

εCC

scale factor

1. |pTID - pT

MS| カット値（ 20±5GeV ）2. 最も近いトリガー or 最も pT閾値の高いトリガー3. DR = 3 ± 1

• Z→mm 事象の 2 本のミューオン（タグ & プローブ）○ 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

B. タグ＆プローブ法による評価


• 　 109 の Z→mm 事象 = 218 ミューオン• 　 Z→mm 断面積測定と同じ事象

• 　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

endcap: 0.865 +- 0.035 (stat)barrel : 0.747 +- 0.047 (stat)


W / Z 断面積測定

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○ 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○ pT

MS > 10 GeV○ |pT

ID – 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


W → mn 事象の断面積測定

31

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• High-pt ニュートリノ　　→ 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 32

))cos(1(2m TTT mnnm fD pp

W→mn ：カットフロー


• W→mn 事象数 = 1181 (W+: 709, W-: 472)

12345

6

789

10

1

10

2 3

4 5

67

89

プリセレクション

W→mn 事象選別

int

bgsig

LCANN

ミューオンの pT > 8 GeV@ QCD MC

7. 　ミューオン pT > 20 GeV8. 　 Isolated9. 　 ET

miss > 25 GeV10. 　 MT > 40 GeV

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


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


• 　　 W→mn 全事象選別後• 　プリセレクション後

• （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

W→mn ： ETmiss 、 MT


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

• 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)


int

bgsig

LCANN

QCDQCDnonQCDnonQCDisol

QCDnonQCDloose

NεNε N

NNN

+

+

QCDnonQCD

isolnonQCDlooseQCD εε

NεN N

• 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： 0.984 +- 0.10 (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 : 　 0.226 +- 0.006 (stat)

MC

• 信号事象数： 1181○ W+: 709○ W- : 412

• 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 ） : 0.364 ± 0.018 (syst)○ W+: 0.370 ± 0.019 (syst)○ W- : 0.355 ± 0.018 (syst)

• 積分ルミノシティ : 310 ± 34(syst) nb-1

W→mn ：生成断面積 × 崩壊分岐比


int

bgsig

LCANN)Z/W(Brσ Z/W


Z mm 事象の断面積測定

39

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 ）


Z→mm ：カットフロー


• 　 Z→mm 事象数 = 109

1234

5

6789

1 2

3 4

5

6 7 8 9

プリセレクション

6. 　 2 本のミューオン7. 　 2 本とも isolated8. 　電荷が反対9. 　 66 < Mmm < 116 GeV

int

bgsig

LCANN

Z→mm 事象選別

ミューオンの pT > 8 GeV@ QCD MC

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


int

bgsig

LCANN

Z→mm ：ミューオン対不変質量

• 全事象選別後のミューオン対の不変質量○ 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


pT 分解能の悪化

66 < Mmm < 116 GeV

linear

log

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 = 0.97 - 1.01 、 C2 = 0.03 – 0.10


)C1(p1

C1

p1

2MCT1dataT

+

gauss

スケール分解能

Dc2

Dc2 =1

C1=0.99, C2=0.07, c2 = 0.49

c2 計算領域

C2

C1

• 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 ） : 0.369 ± 0.023• 積分ルミノシティ : 331 ± 36(syst) nb-1

Z→mm ：生成断面積 × 崩壊分岐比


int

bgsig

LCANN)Z/W(Brσ Z/W


結論

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


ATLASW→ln

Tevatoron

PHENIX

SppS

ATLASZ→ll

Tevatoron

SppS

√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

謝辞

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



バックアップ

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

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