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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 - PowerPoint PPT Presentation
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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
