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
p1
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.） 数TeV
- Zボソンのdσ/dy、dσ/dpt、、、：QCD
数10～100GeV
質量、崩壊幅：検出器の較正
- Bs → μμ、J/psi → μμ、Upsilon → μμ：FCNC、Bの物理 数GeV
• 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 NBG) N ：生成ミューオン数
σsig NBG：背景事象からのミューオン数
L A ana
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
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講演の流れ
• pt=5GeV～100GeV、|η| 6GeV, 100pb-1
今回の講演で使用したシミュレーションデータは bbの寄与 大
重心系エネルギー10TeVのもの
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ATLAS検出器
Proton
(5TeV)
Proton
(5TeV)
内部飛跡検出器 Calorimeters ミューオン検出器
- Pixel Detector - EM Calorimeter - Toroid Magnets
- Silicon Tracker - Hadron Calorimeter - Trigger Chambers
- TRT Tracker - Tracking Chambers
- Solenoid Magnet（2.0T） 独立にトラッキング
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内部飛跡検出器
Pixel detector
Coverage : |η| 0.5GeV, |η| |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| 6GeVで通過
process σ[nb] # of event Lumi.[pb-1]
- MissingEt 5GeV
cc→μ + X 33 49860 1.5
- Isolation
bbmu→μμ + X 62 246946 4.0
② probeとなるInner Trackの選択 Direct 4.2 24000 5.7
Upsilon→μμ
- ヒット数、フィットクオリティでpre-cut
- |η| 5GeV Direct J/ψ →μμ 22 217500 10
- tagトラックと反対の電荷を持つ bb J/ψ →μμ 11 109671 10
- tagトラックとのΔΦ>1.0 jetjet 1muon 3.1 19980 6.5
- ミューオン検出器のヒットを要求する 使用したシミュレーションサンプル
- 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
p15
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
pre-cut ハドロンバックグラウンド
154273 → 509：300倍
Opposite @ 95% C.L
Charge ○ signal eff. = 76.8±2.6%
Pt ΔΦ
+ EtMiss （wrt # of event）
+ EtSum ○ S/B >124.4±4.3
○ # of signal = 7586± 261
○ # of BG 99.20 ± 0.03%
ミューオンはシグナルとする
Muon BGが残らなかったサンプルも
Mμμ 3個の寄与があると仮定
Hit
• muon (Wμν) ×1
• muon (bbJ/ψ)×1
• muon (ppJ/ψ)×1
• muon (bbμμ)×30
No hadrons!
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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）
Track qualityのカットのみ 全cut後
p17
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
Opposite
○ signal eff. = 68.3±2.5%
Charge
（wrt # of event）
○ S/B > 85.3±3.1
○ # of signal = 6739± 246
○# of BG 98.84 ± 0.06%
Isolation
BGが残らなかったサンプルも
Minv 3個の寄与があると仮定
Cut
本講演の結果はシグナル効率約10%増。 • Hadron (ttbar)×3
過去の研究はpt>20GeV。 • Hadron (Wμν)×3
低ptのバックグラウンドを落とせた結果 • Hadron (Wτν) ×2
p18
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 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
η依存性 pt = 6GeV pt 依存性
Detector
L1 efficiency
L1_MU6
Inclusive:
L1 efficiency 88.6±0.2% (95% C.L)
L2_mu6
L2 efficiency
EF_mu6 (wrt L1 mu6)
L2 efficiency Inclusive:
(wrt L1 mu6) 97.8±0.1% (95% C.L)
offline
Trigger EF efficiency
Bit? (wrt L2 mu6)
EF efficiency Inclusive:
(wrt L2 mu6) 97.4±0.1% (95% C.L)
probe
p20
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
p21
トリガー効率@Threshold 10GeV
pt = 10GeV
pt = 10GeV
p22
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|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
p23
backup
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物質量分布
Inner Tracking System before Muon Detectors
p25
トロイド磁場分布
p26
ミューオン検出器のビニング
“足”の領域
p27
Troid Magnet Configuration
p28
Muon Hit Significance
posextrapo. - poschannel
significance
extrapo.- channel_width
Extrapolated to Outer Layer of Tracking Chamber
Single muon sample with pt of 7GeV/c
linear
log
p29
ミューオンヒットの要求
• |η| ≦0.1:
Acceptance hole for survice
• 1.0 5 #MDT > 10 #MDT > 5 #MDT > 10 #MDT > 5 #MDT > 10
#RPC phi > 2 #RPC phi > 2 #RPC phi > 2 #RPC phi > 2 (#RPC +#TGC) > 2 #RPC phi > 2
#RPC eta >2 #RPC eta >2 #RPC eta >2 #RPC eta >2 for eta, phi #RPC eta >2
Outermost Station Outermost Station Outermost Station
p30
内部飛跡検出器のヒット
Typical # of measurements:
|η|≦1.0 1.0 1 #Pixel > 1 #Pixel > 1
• Pixel: 3
#Silicon > 4 #Silicon > 4 #Silicon > 4 • Silicon: 8
#TRT >9 #TRT >8 • TRT: 36
pre-common p31
カット一覧 for event:
• Trig_EF_mu6 && Trig_L2_mu6 && Trig_L1_mu6
for Inner Track:
pre-cut • Missing Et 30 for |η|≥2.0 • |η| 5GeV
for Muon Track:
• nHits (Tracking)≥ 10 for 0.11.05, |η|1.05, |η| 30 for |η|≥2.0
• ptcone50 60GeV, 1 lepton w/ |η|5GeV)
Drell-Yann→μμ PYTHIA 0.60 6016 10
(1010GeV )
ttbar MC@NLO 0.21 2055 10
(1 lepton required)
W→μν PYTHIA 9.4 93709 10
(1 lepton w/ |η|15GeV/c, |η|6GeV&Ptμ>4GeV, |η|9GeV&Ptμ>0GeV, |η|6GeV&Ptμ>4GeV, |η|6GeV&Ptμ>4GeV, |η|8GeV, |η|140～280GeV)
p34
CSC Cut
Following cuts are applied for both tag & probe muons at each stage
CSC cut Emulated Cut
• pre-cut • pre-cut
- |η| 20GeV/c - single muon trigger pt>20GeV/c
• Opposite Charge - nSCTHits + nPixelHits > 0
• Mass Cut • Opposite Charge
- |Mμμ – Mz| 2.0 rad • Kinematic Cut
- Pt > 20GeV/c - Δ Φ > 2.0 rad
• Isolation - Pt > 20GeV/c
- nucone50 99.20 ± 0.03%
Pt ΔΦ Muon
Hit ○ S/B <110.5±4.0
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
Mμμ
3個の寄与があると仮定
（ポアソン、95% C.L）
• muon (bbJ/ψ)×1
• muon (bbμμ)×30
No hadron!
p36
画像倉庫
Pt(GeV) 15 25 35 45 55 65 75 85 95
評価精度[%] 0.60 0.35 0.30 0.26 0.36 0.98 0.76 2.8 1.7
(Endcap)
評価精度[%] 0.29 0.20 0.12 0.12 0.32 0.60 0.42 0.53 1.7
(Barrel)