atlas 実験ミューオン検出器の 実験データを用いた 検出効率評価法の研究

ATLASATLAS 実験ミューオン検出器実験ミューオン検出器のの

実験データを用いた実験データを用いた検出効率評価法の研究検出効率評価法の研究

久保田　隆至（東大素セ）、山下 了（東大素セ）、他 ATLAS 日本標準模型グループ2009 年 9 月 11 日　日本物理学会 2009 年秋季大会 @ 甲南大学

研究の動機p2

•　 ATLAS検出器で single-muon、 di-muonの生成断面積の質量分布を測定する

-　 重い中性粒子の探索：新物理（ GUT、 compositeness 　、余剰次元 etc.）-　 Zボソンの dσ/dy、 dσ/dpt、、、： QCD

　 　 　 　 　　 　　 　 　質量、崩壊幅：検出器の較正-　 Bs　→　μμ、 J/psi　→　μμ、 Upsilon　→　μμ： FCNC、 Bの物理

•　 　生成断面積の測定 =　ミューオン（対）の計数

σsig ：測定したい断面積N 　　：生成ミューオン数NBG ：背景事象からのミューオン数L 　 ：ルミノシティA 　 ：アクセプタンス補正εana ：解析効率

ana

BGsig

AL

)N(N σ

N = （再構成されたミューオンの数） / （ミューオンの検出効率）

実データでの　トリガー効率 トラッキング効率　評価システム⊗

数 TeV

数 10～ 100GeV

数 GeV

講演の流れp3

•　 pt=5GeV ～ 100GeV 、 |η|<2.5 の領域での検出効率評価

•　 Z→μμ の質量ピークを利用した tag & probe 法を用いる-　 トリガー、トラッキング効率を全て tag & probe 法で　 　求める

•　 陽子陽子加速器： QCD バックグラウンドが大きい　 　特に低 Pt で内部飛跡検出器のミューオンが埋もれる→ 　 ミューオン検出器のヒットを利用し、　 　 　バックグラウンドを除去する手法の開発→ 　 シミュレーションサンプルでのバックグラウンド　 　 　除去能力評価

•　 バックグラウンド除去サンプルを用いた各効率の計算　 　実験 1 年目に期待される 100pb-1 での検出効率評価の　 　評価精度の見積もり

-　 ミューオン検出器のトラッキング効率-　 トリガー効率

Z → μμ

今回の講演で使用したシミュレーションデータは重心系エネルギー 10TeVのもの

Inner　track　probe　candidatespt　>　6GeV,　100pb-1

bbの寄与 大

ATLAS 検出器p4

Proton(5TeV)

Proton(5TeV)

内部飛跡検出器　 　 -　Pixel　Detector　 　 -　Silicon　Tracker　 　 -　TRT　Tracker　 　 -　Solenoid　Magnet（ 2.0T）

Calorimeters　 　 -　EM　Calorimeter　 　 -　Hadron　Calorimeter

ミューオン検出器　 　 -　Toroid　Magnets　 　 -　Trigger　Chambers　 　 -　Tracking　Chambers

独立にトラッキング

Barrel Silicon Tracker

End-cap Silicon Tracker

内部飛跡検出器p5

Pixel detectorCoverage : |η| < 2.5Barrel:3 cylindrical LayersEndcap: 3 discs# of measurement:3

Silicon TrackerCoverage ： |η| < 2.5Barrel : 4cylindrical LayersEndcap: 9 discs# of measurements:8

TRT TrackerCoverage ： |η| < 2.0Barrel: 73 straw planesEndcap: 160 straw planes# of measurements:36

○　検出器最内層、ソレノイド磁場（ 2.0T）○　 pt　>0.5GeV,　|η|　<　2.5をカバー○　物質量： 0.5～ 2.5X0,　0.2～ 0.7λ

ミューオン検出器p6

Thin Gap Chamber Monitored drift tubes(Tracking)

Coverage : |η| < 2.7# of measurement:20

Cathode Strip Chambers(Tracking)

Coverage ： 2.0 < |η| < 2.5# of measurements:4

Resistive Plate Chambers(Trigger)

Coverage ： |η| < 1.05# of measurements:12

Thin Gap Chambers(Trigger)

Coverage ： 2.7> |η| > 1.05# of measurements:17

○　検出器最外層、トロイド磁場（ 1.0～ 7.5Tm）○　 pt： 3GeV～ 1TeV,　|η|　<　2.7をカバー○　物質量： 100～ 200X0,　10～ 20λ（ミューオン検出器手前）

ATLAS 実験のトラッキングp7

•　 Inner　Track:　 崩壊点の情報 → 運動量分解能が良い•　 Muon　Track:　 カロリーメータの後ろ → 低バックグラウンド•　 Combined　Track:　 両者の利点を合わせ持つ

Inner track

muon track

combined track

１．内部飛跡検出器 ,　ミューオン検出器で　　独立にトラッキング　　→　 Inner　Track,　Muon　Track２．両者をマッチング（ d0,　z0,運動量 ,　電荷）　　→　 Combined　Track

１

２

３種類のトラック　→ トラッキング効率も３種類

ATLAS 実験のトリガーp8

○　トリガーも３段階-　LVL1：ハードウェアトリガー-　LVL2,　Event　Filter　：ソフトウェアトリガー

○　 トリガー判定ごとにトリガービットが保存される　 　 これを利用してトリガー効率を評価する

L1_EM7

L2_e10

EF_e10

L1_MU10

L2_mu10

EF_mu10

…

…

…

ORData recording

トリガービット：トリガーの種類、トリガーのあった位置情報（ η 、 Φ ）を持つオブジェクト

tag　&　probe 法　p9

•　中性粒子（ J/ψ、 Υ、 Z）→ μμの崩壊のミューオンを集める•　評価対象の検出器の情報を使わず、バイアスを抑える

（例） Z　→　μμサンプルを用いたミューオン検出器の　　　トラッキング効率評価

　１．“ミューオン”の Combined　Track（ tag）を用意　２． tagとの不変質量が Zの領域にある Inner　Track　　　（ probe）を用意　　　不変質量の条件でミューオンライクなトラックを　　　集める　３． probeの先にMuon　Trackが再構成されてるか　　　調べ、ミューオン検出器のトラッキング効率を　　　評価する

1-1pb / muons 1000

10TeV @ nb1~)(σ Z

サンプル収集にミューオン検出器の情報を使わない→ 　バイアスがない

検出効率の評価方法p10

○　トリガー効率CorrespondingTrigger bit?

○　ミューオン検出器のトラッキング効率CorrespondingMuon Track?

１． Combined　Trackの tagを用意する２． Combined　Trackの probeを探す３． probeの方向にトリガービットが　　あるか評価する

１． Combined　Trackの tagを用意する２． Inner　Trackの probeを探す３． probeの方向にMuon　Trackがあるか　　評価する

○　 Muon　Trackを probe：内部飛跡検出器のトラッキング効率評価○　 Muon,　Inner　Trackを probe： Combined　Trackの効率評価

確実にミューオンを probeをする必要

バックグラウンドp11

（バックグラウンドの物理プロセスで）たまたま tagと probeが組めてしまう•　 Combined,　Muon　Track “は （ハドロン崩壊の）ミューオン”•　 Inner　Track “は ハドロン”

　 　→　 Inner　Trackの QCDバックグラウンド除去が重要

Z → μμ

Z→μμイベントの特徴：○　 2本の energetic　Isolated　muon　　 -　不変質量がmZ(=91.1876GeV)　　 -　高い pt～ 45GeV　　 -　back-to-back（ ΔΦ～ π）○　ニュートリノがいない： small　Missing　Et○　ハドロンが少ない： small　Et　sum

イベントトポロジーで QDCバックグラウンドを•　イベントごと•　トラック単位で除去する

バックグラウンドp12

（バックグラウンドの物理プロセスで）たまたま tagと probeが組めてしまう•　 Combined,　Muon　Track “は （ハドロン崩壊の）ミューオン”•　 Inner　Track “は ハドロン”

　 　→　 Inner　Trackの QCDバックグラウンド除去が重要

Z → μμ

Z→μμイベントの特徴：○　 2本の energetic　Isolated　muon　　 -　不変質量がmZ(=91.1876GeV)　　 -　高い pt～ 45GeV　　 -　back-to-back（ ΔΦ～ π）○　ニュートリノがいない： small　Missing　Et○　ハドロンが少ない： small　Et　sum

イベントトポロジーで QDCバックグラウンドを•　イベントごと•　トラック単位で除去する

OK

NG

バックグラウンドプロセスp13

（ a）W→μν

（ c） ttbar

（ b） bb,　cc

（ d） J/ψ,　Υ

•　ptの高い、 Isolateしたミューオン• 大きなmissing　Et○　Isolation○　Et　miss　cut

•　WbWbの組み合わせ• 大きな　 Et　sum,　missing　Et○　isolation○　impact　parameter○　Et　sum,　missing　Et　cut

• 小さな質量を持つミューオン対○　Isolation○　invariant　mass

muonhadron

•　ptの低い、 Isolateしてないミューオン• 大きな Impact　parameter○　isolation○　pt○　impact　parameter

•　 ptカットは 5GeVに固定•　 Impact　Parameterは実験初期に　 使えるか分からないので、今回は　 考えない•　 Isolationに依存する部分が大きい

ミューオンヒットp14

Isolation以外で QCDのバックグラウンドを落とす手法の開発　 →　 ハドロンはカロリーメータで吸収され、ミューオン検出器に届かない　 →　 Inner　Trackの外挿先にミューオン検出器のヒットを要求しバックグラウンドを除く

Hadron calo

Muon Chamber

Extrapolated path

Are There Hits?

ミューオンヒットの要求：○　ミューオン検出器の最外層に１つ○　バイアスのかからない範囲で　　一定数のヒットを要求する　　（例： 5　@　エンドキャップMDT　　　　　典型的なヒット数 =　20）

1.　ミューオンヒットに Inner　Trackを外挿2.　Significanceを計算3． 5σまでをアソシエイトヒットとする

Inner　Track のバックグラウンド除去p15

⓪　イベントの選択　　　 - L1, L2, EF を single muon pt>6GeV で通過　　　 - MissingEt < 60GeV　　　 - Etsum(total) < 3500GeV, 　　　 Etsum(hadron) < 3200GeV,　　　 　 Etsum(EM) < 800GeV

① 　 tag となる Combined Track の選択　　　 - 　ヒット数、フィットクオリティで pre-cut　　　 - 　 |η| < 2.5, pt > 5GeV　　　 - 　 Isolation

② 　 probe となる Inner Track の選択　　　 - 　ヒット数、フィットクオリティで pre-cut　　　 - 　 |η| < 2.5, pt > 5GeV　　　 - 　 tag トラックと反対の電荷を持つ　　　 - 　 tag トラックとの ΔΦ>1.0 　　　 - 　ミューオン検出器のヒットを要求する　　　 - 　 Isolation　　　 - 　 tag トラックとの不変質量が mz に最も近く、 mz との差が 10GeV以内

process σ[nb] # of event Lumi.[pb-1]Z→μμ 1.0 9871 10

Drell-Yann→μμ 0.60 6016 10

ttbar 0.21 2055 10

W→μν 9.4 93709 10

W→τν 9.4 93709 10

Z→ττ 1.0 10196 10

cc→μ + X 33 49860 1.5

bbmu→μμ + X 62 246946 4.0

Direct Upsilon→μμ

4.2 24000 5.7

Direct J/ψ →μμ 22 217500 10

bb J/ψ →μμ 11 109671 10

jetjet 1muon 3.1 19980 6.5

使用したシミュレーションサンプル

•　 10pb-1 のシミュレーションデータでイベントセレクション後のバックグラウンドを評価

イベントセレクション

カットフローp16

pre-cutpre-cut

OppositeOppositeChargeCharge+　EtMiss+　EtMiss+　EtSum+　EtSum

PtPt ΔΦΔΦ

MuonMuonHitHit

IsolationIsolation

MμμMμμ

@　95%　C.L○　signal　eff.　=　76.8±2.6%　 （ wrt　#　of　event）○　S/B　>124.4±4.3○　#　of　signal　=　7586±　261○　#　of　BG　<　61○　Purity　>　99.20　±　0.03%

•　muon　(Wμν)　×1•　muon　(bbJ/ψ)×1•　muon　(ppJ/ψ)×1•　muon　(bbμμ)×30

No hadrons!

ミューオンはシグナルとする　BGが残らなかったサンプルも　 3個の寄与があると仮定

•　各カットの後の probe　トラック（候補）数•　寄与をミューオン（ Z→μμ、その他）とそれ以外（主にハドロン）に分類

ハドロンバックグラウンド154273　→　509： 300倍

不変質量分布p17

ZからのミューオンZ以外のミューオンミューオン以外（主にハドロン）

Track quality のカットのみ 全 cut 後

過去の研究からの改善p18

•　 ATLAS実験でオフィシャルな解析（ arXiv:0901.0512, pp.208 - 228 ）　 　 14TeVのサンプルで、 Pt,　Isolationを用いた簡単な研究のみ　 　これを 10pb-1 の 7TeVのサンプルでエミュレートし、今回の結果と比較

Pre-CutPre-Cut

OppositeOppositeChargeCharge

PtPt

IsolationIsolation

MinvMinvCutCut

ΔΦΔΦ

@　95%　C.L○　signal　eff.　=　68.3±2.5%　 （ wrt　#　of　event）○　S/B　>　85.3±3.1○　#　of　signal　=　6739±　246○#　of　BG　<　79○　Purity　>　98.84　±　0.06%

•　Hadron　(ttbar)×3•　Hadron　(Wμν)×3•　Hadron　(Wτν)　×2

　BGが残らなかったサンプルも　 3個の寄与があると仮定

本講演の結果はシグナル効率約 10%増。過去の研究は pt>20GeV。低 ptのバックグラウンドを落とせた結果

ミューオン検出器のトラッキング効率評価p19

•　 100pb-1 でのミューオン検出器のトラッキング効率を計算し、評価精度を見積もった

η依存性

pt依存性

Muon　TrackInner　Track

Inner　Trackの先にΔR<0.075の範囲にMuon　Trackがあるか？

○　 10pb-1 でトラッキング効率の中心値を計算　 （ S/B比から、各ビンにバックグランドを足す）○　イベント数を 100pb-1 に外挿する

Φ依存性

Inclusive:　96.6±0.1%　(95%　C.L)

トリガー効率の評価p20

•　解析のデータストリームを L1,　L2,　EFともに“ single　muon　w/　pt　>　6GeV”と仮定•　前段のトリガーを通過した条件でトリガー効率の評価

L2 efficiency(wrt L1 mu6)

EF efficiency(wrt L2 mu6)

L2 efficiency(wrt L1 mu6)

EF efficiency(wrt L2 mu6)

L1 efficiency

L1 efficiency

η 依存性 pt　依存性

L1_MU6

L2_mu6

EF_mu6

Detector

offline

pt　=　6GeV

probe

TriggerBit?

Inclusive:　88.6±0.2%　(95%　C.L)

Inclusive:　97.8±0.1%　(95%　C.L)

Inclusive:　97.4±0.1%　(95%　C.L)

全トリガー効率p21

η 依存性 pt　依存性

pt　=　6GeV

•　 L1効率⊗ L2効率⊗ EF効率

トリガー効率 @Threshold　10GeVp22

pt　=　10GeV

pt　=　10GeV

まとめp23

ATLAS検出器で single-muon,　di-muonの生成断面積の質量分布を測定する　→　実データでトラッキング効率 トリガー効率⊗ を評価するシステムの構築

① 　 tag　&　probe法での性能評価法の改良- 　 pt=5GeV～ 100GeV、 |η|<2.5の領域-　 Inner　Trackの QCDバックグラウンド除去のため、　 トラックの外挿先にミューオンのヒットを要求する手法の開発-　イベントセレクションの構築　 ミューオンヒットの他に Isolation,　Missing　Et,　Et　sum,　ΔΦ等　 →　 S/B　>120、 signal　efficiency～ 77%を達成　 →　先行研究よりも約 10%の efficiency向上

② 　 100pb-1 でのミューオン検出器の評価精度の検証-　トリガー効率、トラッキング効率（ミューオン検出器）の計算•　 96.58　±　0.13%　（ミューオン検出器のトラッキング効率）•　 88.58　±　0.23%　（ L1　トリガー効率）•　 97.79　±　0.11%　（ L2　トリガー効率）•　 97.38　±　0.12%　（ EFトリガー効率）

③　今後の方向性-　 Truth情報を使った評価方法の妥当性の検証（バイアスの有無）-　 fake　rateの評価方法の確立

backupp24

物質量分布p25

Inner　Tracking　System before　Muon　Detectors

トロイド磁場分布p26

ミューオン検出器のビニングp27

“足”の領域

Troid　Magnet　Configurationp28

Muon　Hit　Significancep29

Extrapolated to Outer Layer of Tracking ChamberSingle muon sample with pt of 7GeV/c

dthchannel_wi extrapo.

channelextrapo

-

pos - .pos cesignifican

linear

log

ミューオンヒットの要求p30

|η|≦0.1#MDT > 5#RPC phi > 2#RPC eta >2

0.1<|η|≦0.55#MDT > 10#RPC phi > 2#RPC eta >2Outermost Station

0.55<|η|≦0.60#MDT > 5#RPC phi > 2#RPC eta >2

0.60<|η|<1.0#MDT > 10#RPC phi > 2#RPC eta >2Outermost Station

1.0<|η|≦1.1#MDT > 5(#RPC +#TGC) > 2 for eta, phi

1.1<|η|#MDT > 10#RPC phi > 2#RPC eta >2Outermost Station

Outermost Staion:1.Has hits on outermost MDT　　 Multilayer2. Has hits on outermost TGC　　 or RPC station→ 　 1 or 2

•　 |η| ≦0.1:Acceptance hole for survice•　 1.0<|η|≦1.1Barrel – Endcap Transitionregion

Typical # of measurement:• MDT: 20• RPC: 12• TGC: 17

内部飛跡検出器のヒットp31

|η|≦1.0#Pixel > 1#Silicon > 4#TRT >9

1.0<|η|≦2.0#Pixel > 1#Silicon > 4#TRT >8

2.0<|η|≦2.5#Pixel > 1#Silicon > 4

Typical # of measurements:• Pixel: 3• Silicon: 8• TRT: 36

カット一覧p32

for Inner Track:• # of Pixel Hits ≥ 2 • # of Silicon Hits ≥ 5 • # of TRT Hits ≥ 10 for |η|<1.0• ≥9 for |η|≥1.0• χ2 /ndf < 4• ndf > 30 for |η|≥2.0

for Muon Track:• nHits (Tracking)≥ 10 for 0.1<|η|<1.05 ≥ 5 for |η|>1.05, |η|<0.1• nHits (Trigger) for φ ≥ 2 for η ≥ 2• Outermost Muon Hits• χ2 /ndf < 10• ndf > 30 for |η|≥2.0

for Combined Track: (for Inner Track) && (for Muon Track) • χ2/ndf < 7

for Inner track:• Associated with Outermost muon hits• Associated with nHits (Tracking) ≥ 10 for |η|<1.05

≥ 5 for |η|>1.05, |η|<0.1• Associated with nHits (Trigger) for φ ≥ 2

for φ ≥ 2• ptcone50 < 6GeV• etcone50 < 8GeV• nucone50 < 5

for combined track:• ptcone40 < 10GeV• etcone40 < 10GeV• nucone40 < 5

pre-cut

for event:• Trig_EF_mu6 && Trig_L2_mu6 && Trig_L1_mu6• Missing Et < 60GeV• Etsum(total) < 3500GeV• Etsum(hadron) < 3200GeV• Etsum(EM) < 800GeV

for every track:• |η| < 2.5• pt > 5GeV

BG-reduction

pre-common

Inner　Track　Isolationp33

左上　 :　probeを中心とするコーン内のトラックの ptの和(　0.05　<　ΔR　<　0.5)右上　 :　probeを中心とするコーン内のトラックの数(　0.05　<　ΔR　<　0.5)左下　　 :probeを中心とするコーン内のカロリーメータのセルエネルギーの和(　0.05　<　ΔR　<　0.5)

pre-cut のみ pre-cut のみ

pre-cut のみ

Zからのミューオン（ ×10）Z以外のミューオンミューオン以外（主にハドロン）

データセットp34

process Generator σ[nb] # of event Lumi.[pb-1]Z→μμ(Mμμ>60GeV, 1 lepton w/ |η|<2.8, Pt>5GeV)

PYTHIA 1.0 9871 10

Drell-Yann→μμ(10<Mμμ<60 GeV, 1 lepton w/ |η|<2.7, Pt>10GeV )

PYTHIA 0.60 6016 10

ttbar(1 lepton required)

MC@NLO 0.21 2055 10

W→μν(1 lepton w/ |η|<2.8)

PYTHIA 9.4 93709 10

W→τν(1 lepton w/ |η|<2.8)

PYTHIA 9.4 93709 10

Z→ττ(1 lepton required)

PYTHIA 1.0 10196 10

cc→μ + X（ Ptμ>15GeV/c, |η|<2.5, L1, L2 Triggered ）

PYTHIA 33 49860 1.5

bbmu→μμ + X（ Ptμ>6GeV&Ptμ>4GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered ）

PYTHIA 62 246946 4.0

Direct Upsilon→μμ（ Ptμ>9GeV&Ptμ>0GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered ）

PYTHIA 4.2 24000 5.7

Direct J/ψ →μμ（ Ptμ>6GeV&Ptμ>4GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered ）

PYTHIA 22 217500 10

bb J/ψ →μμ （ Ptμ>6GeV&Ptμ>4GeV, |η|<2.5, L1, L2 Triggered ）

PYTHIA 11 109671 10

jetjet 1muon(1muon with Pt>8GeV, |η|<3, highest jet Et>140 ～ 280GeV)

PYTHIA 3.1 19980 6.5

CSC　Cutp35

Following　cuts　are　applied　for　both　tag　&　probe　muons　at　each　stage

CSC　cut•　pre-cut

-　|η|　<　2.5-　Single　muon　trigger　pt>20GeV/c

•　Opposite　Charge•　Mass　Cut

-　|Mμμ　–　Mz|　<　10GeV•　Kinematic　Cut

-　Δ　Φ　>　2.0　rad-　Pt　>　20GeV/c

•　Isolation-　nucone50　<　5-　ptcone50　<　8GeV/c-　etcone50　<　6GeV

•　Electron　Veto-　Ejet　Energy　<　15GeV

•　True　Muon?

Emulated　Cut•　pre-cut

-　|η|　<　2.5-　single　muon　trigger　pt>20GeV/c-　nSCTHits　+　nPixelHits　>　0

•　Opposite　Charge•　Mass　Cut

-　|Mμμ　–　Mz|　<　10GeV•　Kinematic　Cut

-　Δ　Φ　>　2.0　rad-　Pt　>　20GeV/c

•　Isolation-　nucone50　<　5-　ptcone50　<　8GeV/c-　etcone50　<　6GeV

•　Electron　Veto-　Veto　truth　electron

•　True　Muon?

nucone50　:　number　of　reconstructed　tracks　in　the　inner　detector　(　0.05　<　ΔR　<　0.5)ptcone50　　:　sum　of　the　pts　of　reconstructed　tracks　in　the　inner　detector　(　0.05　<　ΔR　<　0.5)etcone50　　:　sum　of　reconstructed　energy　in　the　cells　of　the　calorimeter　(　0.05　<　ΔR　<　0.5)Ejet　Energy　　　:　energy　of　a　possible　reconstructed　jet　within　a　hollow　cone　(　0.05　<　ΔR　<　0.5)

カットフローp36

pre-cutpre-cut

OppositeOppositeChargeCharge EtMissEtMiss EtSumEtSum

PtPt ΔΦΔΦ MuonMuonHitHit

IsolationIsolation

MμμMμμ

○　#　of　signal　=　7557±　261○　#　of　BG　<　61○　Purity　>　99.20　±　0.03%○　S/B　<110.5±4.0

•　muon　(bbJ/ψ)×1•　muon　(bbμμ)×30

No hadron!

ミューオンはシグナルとする　BGが残らなかったサンプルも　 3個の寄与があると仮定　 （ポアソン、 95%　C.L）

•　各カットの後に残ったイベント数を表示•　全サンプルの寄与をミューオン（ Z→μμ由来、違う）とそれ以外（主にハドロン）に分類

ミューオンヒットの要求でハドロンが大きく除去された19502　→　215： 100倍

画像倉庫p37

Pt(GeV) 15 25 35 45 55 65 75 85 95

評価精度[%](Endcap)

0.60 0.35 0.30 0.26 0.36 0.98 0.76 2.8 1.7

評価精度[%](Barrel)

0.29 0.20 0.12 0.12 0.32 0.60 0.42 0.53 1.7