γコンバージョン事象を用いた
ATLAS内部飛跡検出器の物質量評価
筑波大数理,松隈恭子,金信弘,原和彦,
林隆康,塙慶太,黒川悠文,望月一也
日本物理学会 第65回年次大会
Contents
• Motivation
• 内部飛跡検出器とγコンバージョン
• γコンバージョンの再構成
– Pt 20,2GeV シミュレーションサンプル
– 900GeV MinBiasシミュレーションサンプル
– 900GeV 衝突データ
• まとめ
motivation
• 内部飛跡検出器の物質量評価
– 粒子の運動量や電子のエネルギーの精密測定
– γ→e+e- を使用
γコンバージョンを再構成することで物質量を評価したい
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内部飛跡検出器とγコンバージョン
η=0
• 2Tの ソレノイド磁場中に設置
• PIXEL,SCT,TRTの3つの飛跡検出器から
η=1
なり、Barrel部とEndcap部にわかれている
• TRTは遷移輻射により、e/π識別が可能
内部飛跡検出器の物質量
(シミュレーションに組み込まれている値で90°
方向で約0.4X0)
  e  eγは物質量に応じて
コンバージョンする。

   ln(tan )
2
光子コンバージョン点を見つけることで、
物質量の分布を確認することができる
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γコンバージョンの再構成
理想的にe+e-は空間のある1点(コンバージョン点)から発生
e+e-対であるもの
−
電荷が異なる
1点から生じるトラックペアである
−
|Δcotθ| opening angleが小さい
−
S XY平面において飛跡間が充分
に近い
−
|ΔZ| Z方向において飛跡間が近
づく


R
光子コンバージョン点の分布(MC)
Z
X-Y平面
2つの円は1点で接する
R-Z平面
θ
Z
飛跡は1点で接し、かつ平行
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
MC(Pt =20, 2GeV)でのカット調整 1/2

|Δcotθ|
PT =20,2 GeV について再構成
hit=0
χ2/Ndf, |Δcotθ|, S, |ΔZ|について、カットの
調整を行った(TrackPt≧0.5GeV)
0.025

|Δcotθ|, S, |ΔZ|では、 PT =2 GeVのカット
を、トラック対e+,e-両方のPIXEL(3層)での
ヒット数の合計が0、1または2ヒット、3ヒット
以上で区別(最大6hit)
hit=1,2
χ2/Ndf
hit≧3
0.05
10
20,2GeV ⇒ χ2/Ndf < 10
0.5
0.03
10
20GeV
⇒ |Δcotθ|<0.025
2GeV(0) ⇒
<0.5
(1,2) ⇒
<0.05
(3以上)日本物理学会
⇒
<0.03
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
MC(Pt =20, 2GeV)でのカット調整 2/2
|ΔZ|
S
hit=0
-0.5
1.0
hit=1,2
-1.0
-2.0
hit=0
7.0
hit≧3
2.0
-0.2
4
hit=1,2
0.2
20GeV
⇒ -0.5<S<1.0 mm
2GeV(0)
⇒ -2.0<S< 7.0 mm
(1,2) ⇒ -1.0<S< 2.0 mm
(3以上) ⇒ -0.2<S< 0.2 mm
6
hit≧3
5
20GeV
2GeV(0)
(1,2)
(3以上)
0.6
⇒ |ΔZ|< 4 mm
⇒
< 6 mm
⇒
< 5 mm
⇒
<第65回年次大会
0.6 mm
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
コンバージョン点分布(Pt = 20,2GeV)
■ シミュレーションによる真のコンバージョン点分布
■ 飛跡から再構成したコンバージョン点分布
但し、トラックは、0.5GeV以上
|η|<2.1 の範囲で再構成
R<400 mmの範囲で再構成
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コンバージョン点R方向位置分解能
再構成した点と真のコンバージョン点との差
(R方向)
R方向位置分解能は5mm程度が得られる。
非対称な分布は、コンバートした電子・陽電
子の物質中での運動量損失による。運動量
損失が20%以下の場合に限ると、R分解能
は改善する。
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コンバージョン再構成効率(efficiency)

Pt = 20, 2 GeV でそれぞれ再構成の効率を求め
た
同イベント内での再構成点の数
Efficiency =
真のコンバージョン点の数
R方向
η方向
BeamPipe内部
ビーム軸に近いほど飛跡再構成の効率が良いため、efficiencyがよい。
ただし、ビームパイプ内部には真のコンバージョン点が存在しないため、
event数は0
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MinimumBias MC サンプルでの再構成
実際の衝突データ(重心系エネルギー900GeV)と比較
するため、陽子・陽子衝突シミュレーション(900GeV)の
サンプルを用いて再構成を行った


Pt はほとんど
が5GeV以下
Pt = 2GeV のサンプルのカットを元に調整
衝突点から多くの粒子が発生
電子・陽電子以外の粒子もト
ラックとして認識
30
Event Selectionの追加
(backgroundを除く)
• Track Selection
– Track Pt (≧ 0.5GeV)
– TRTHTHit/TRTHit (電子らしさの要求)
• Track Pair Selection
– Invariant mass (<30MeV)
TRを検知した層数の割合
0.015
0.04
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コンバージョン点分布(900GeV Minbias MC)
再構成点と真のコンバー
ジョン点 (再構成された
数で規格化)
σ= 4.7 mm
再構成点の分布
(Rのずれが3σ以内のも
のは斜線)
ビームパイプからSCT2層目までを再構
成したコンバージョン点で確認
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実データとシミュレーション
2009年に再稼動したLHCで、重心系エネルギー900GeVの衝突イベントを観測。
シミュレーションと同様の事象選択を行い、コンバージョン点を再構成した。
重心系エネルギー900GeV の衝突
データとシミュレーションサンプル
(データ数に合わせて規格化)の再構
成コンバージョン点。
衝突データとシミュレーションでの再構成点の分布はよく一致している。
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まとめ
• Pt=20, 2 GeV 光子のシミュレーション、 900GeV
MinimumBiasシミュレーションを用いコンバージョン再構成を
行った
– ビームパイプと内部飛跡検出器(SCT2層目まで:R<
400mm) の物質量を確認
– 再構成効率はPIXEL領域で約70%
SCT領域で約30%(2GeV MC)

– 動径位置分解能は5mm程度(MinBias MC,Pt =20,2GeV)で
ある。
• 900GeV 衝突データ(シミュレーションとの比較)
– 再構成点分布はMCとよく一致し、衝突データで物質量分布
をγコンバージョンを再構成することにより確認できた
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back up
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LHCとATLAS
• Large Hadron Collider(LHC)@CERN
– 陽子陽子衝突型加速器
– 2009年11月に再稼動、重心系エネル
ギー900GeVで衝突事象を初めて観測
– 今後しばらく重心系エネルギー7TeVで
の運転を予定
• A Toroidal LHC ApparatuS
(ATLAS)
– LHCに設置された検出器の一つ
− 汎用型検出器
− Higgs粒子、超対称性粒子や
余剰次元の発見が目的
− 内部飛跡検出器、カロリメー
タ、ミューオン検出器で構成
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TR(transition radiation)とは
誘電率の異なる物質の境界を高エネルギーの荷電粒子が通過する際に
放射される電磁波。(誘電率によって荷電粒子により物質中に励起され
る電磁界が異なる。この境界面における不連続を補うため)
• TRTにおいて
– 電子を入射するとTRによるX線が検出される
TRT
ストロー型ガスチューブ検出器
Barrel
Endcap
チューブ内には、キセノンを主
として、二酸化炭素、酸素が混
合されたガスが充填されている。
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Pixel Service
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γコンバージョン
光子γが物質中において、e+e-対を生成
する。
•光子のエネルギーは電子の質量エネル
ギーの2倍以上が必要(≧1.022 MeV)
•原子(主に原子核)との相互作用で生じる
内部飛跡検出器
0)

→opening angleが小さい
•m(e+e-)~2me (
 e e
 -
R
光子コンバージョン点を見つけることで、
物質量の分布を確認することができる
光子コンバージョン点の分布(MC)
Z
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γコンバージョンの再構成





イベント内でのトラックを探す
−
χ2/Ndf 飛跡再構成精度の要求
電荷が異なるトラックで対をつくる
−
|Δcotθ| opening angleが小さいことを要求
トラックを延長する(磁場中で荷電粒子は、曲率半径ρの円運動をする)
⇒トラック対がXY平面上で平行になるところを最近接距離Sと定義
−
S XY平面において飛跡間が近づくことを要求
Sを曲率半径の比で内分する点→コンバージョン点候補(XY平面上)
XY平面上でコンバージョン点候補に最も近い飛跡上の点のZの中点をコン
バージョン点候補(Z軸方向)の位置として決定
−
|ΔZ| Z方向において飛跡間が近づくことを要求
ソレノイド磁場中における曲率半径 ρ
 [ m] 
Pt[GeV/c ]
0.3  B[T]
最近接距離 S
S  L    
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Pt = 20, 2GeV コンバージョン点分布(RZ)
20GeV
2GeV
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Pt
=
20,
2GeV
invariant
mass
γPt=20, 2 GeV MCサンプルの不変質量分布
20GeV
2GeV
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20GeV 位置分解能(R)
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20GeV 位置分解能(R)
運動量損失が2トラックともに20%以下
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MinBias コンバージョン点分布(RZ)
MC
data
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本研究の結果とATLAS preliminary
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Photon conversion
(Feynman diagrams)
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