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

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 • 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）の計数数TeV 数10～100GeV 数GeV 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 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

講演の流れ • 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 Inner track probe candidates pt > 6GeV, 100pb-1 bbの寄与大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

ATLAS検出器 Proton (5TeV) Proton (5TeV) 内部飛跡検出器 - Pixel Detector - Silicon Tracker - TRT Tracker - Solenoid Magnet（2.0T）ミューオン検出器 - Toroid Magnets - Trigger Chambers - Tracking Chambers Calorimeters - EM Calorimeter - Hadron Calorimeter 独立にトラッキング

内部飛跡検出器 Barrel Silicon Tracker End-cap Silicon Tracker • 　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 Thin Gap Chamber • 　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 １１．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 Track ２．両者をマッチング（d0, z0,運動量, 電荷）　　→　Combined Track Inner track muon track ３種類のトラック　→ トラッキング効率も３種類２ • 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 combined track

ATLAS実験のトリガー L1_EM7 L1_MU10 … L2_e10 L2_mu10 … EF_e10 EF_mu10 … OR Data recording • 　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 • 　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 • ミューオン検出器のトラッキング効率 • トリガー効率 Corresponding Muon Track? Corresponding Trigger bit? １．CombinedTrack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１．CombinedTrack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 • 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 • （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 • 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 • 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 Z → μμ

バックグラウンド • （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 OK NG • 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 • 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 Z → μμ

バックグラウンドプロセス （a）W→μν （b）bb, cc muon hadron • ptの低い、Isolateしてないミューオン • 大きなImpact parameter • isolation • pt • impact parameter • ptの高い、Isolateしたミューオン • 大きなmissing Et • Isolation • Et miss cut （d）J/ψ, Υ （c）ttbar • 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 • 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

ミューオンヒット 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 Extrapolated path 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 Muon Chamber • 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） Are There Hits? Hadron calo

Inner Trackのバックグラウンド除去 • 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 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以内使用したシミュレーションサンプル

カットフロー • 　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 pre-cut Opposite Charge + EtMiss + EtSum • @ 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% Pt ΔΦ Isolation • 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 Muon Hit Mμμ • muon (Wμν) ×1 • muon (bbJ/ψ)×1 • muon (ppJ/ψ)×1 • muon (bbμμ)×30 • No hadrons!

不変質量分布 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）全cut後 Track qualityのカットのみ

過去の研究からの改善 • 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-Cut • @ 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% Opposite Charge Pt ΔΦ Isolation • BGが残らなかったサンプルも • 3個の寄与があると仮定 Minv Cut • Hadron (ttbar)×3 • Hadron (Wμν)×3 • Hadron (Wτν) ×2 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 • 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 • 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 Muon Track Inner Track Inner Trackの先に ΔR<0.075の範囲に Muon Trackがあるか？ η依存性 Φ依存性 pt依存性 Inclusive: 96.6±0.1% (95% C.L)

トリガー効率の評価 • 　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 pt = 6GeV η依存性 pt 依存性 Detector L1 efficiency L1_MU6 Inclusive: 88.6±0.2% (95% C.L) L1 efficiency L2_mu6 L2 efficiency (wrt L1 mu6) EF_mu6 L2 efficiency (wrt L1 mu6) Inclusive: 97.8±0.1% (95% C.L) offline Trigger Bit? EF efficiency (wrt L2 mu6) EF efficiency (wrt L2 mu6) Inclusive: 97.4±0.1% (95% C.L) probe

全トリガー効率 • L1効率⊗L2効率⊗EF効率 pt = 6GeV η依存性 pt 依存性

トリガー効率@Threshold 10GeV pt = 10GeV pt = 10GeV

まとめ 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

backup

物質量分布 Inner Tracking System before Muon Detectors

トロイド磁場分布

ミューオン検出器のビニング “足”の領域

Troid Magnet Configuration

Muon Hit Significance Extrapolated to Outer Layer of Tracking Chamber Single muon sample with pt of 7GeV/c linear log

ミューオンヒットの要求 • |η| ≦0.1: • Acceptance hole for survice • 1.0<|η|≦1.1 • Barrel – Endcap Transition • region • OutermostStaion: • Has hits on outermost MDT • Multilayer • 2. Has hits on outermost TGC • or RPC station • →　1 or 2 • Typical # of measurement: • MDT: 20 • RPC: 12 • TGC: 17

内部飛跡検出器のヒット • Typical # of measurements: • Pixel: 3 • Silicon: 8 • TRT: 36

pre-common カット一覧 • 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 pre-cut • 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 • OutermostMuon Hits • χ2 /ndf < 10 • ndf > 30 for |η|≥2.0 • for Combined Track: • (for Inner Track)&& (for Muon Track) • χ2/ndf < 7 BG-reduction • 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

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） Inner Track Isolation pre-cutのみ pre-cutのみ左上 : 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

データセット

CSC Cut 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 • 　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 pre-cut Opposite Charge EtMiss EtSum • # of signal = 7557± 261 • # of BG < 61 • Purity > 99.20 ± 0.03% • S/B <110.5±4.0 Muon Hit Pt ΔΦ • 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） Isolation Mμμ • muon (bbJ/ψ)×1 • muon (bbμμ)×30 • No hadron!

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