CERN SppS Collider
SppS ( Super pp Synchrotron )
CERN研究所(ジュネーブ近郊、スイス・フランス国境)
1970年代 400 GeV PS
欧州CERN研究所 ( SpS )
米国フェルミ研究所
1976年 Cline, McIntyre, Rubbia
W/Z 生成の為、現存する陽子加速器
を陽子・反陽子衝突型加速器に改造
する提案を行う。
CERN
SppS コライダー
( 1981年~ )
フェルミ研究所
まずビーム・エネルギーを
1 TeV に上げる。
s  540GeV
測定器
UA1, UA2
TEVATRON pp コライダー
( 1987年~ ) CDF
s 1800GeV
pp コライダーの難点 =
p ビーム
CERN SppS での反陽子蓄積法
26 GeV p + Target → 3.5 GeV p
シャッター
蓄積管
Accumulator Ringで
冷却蓄積
2.4 秒毎に入射される
反陽子の位置を測定し
加速電場を調節し、
運動量の揃った状態で
蓄積管の内側に
移動させる。
上記の過程をくり返すと
約1日後には蓄積管内に
反陽子の芯ができる。
この芯の部分を取り出し、
加速、陽子と衝突させる。
Stochastic 冷却法
Van der Meer が考案、実用化。
UA1 detector
総重量 2,000t
UA1 Tracking Chamber
磁場 B = 0.7 テスラ
B
6,000 センスワイヤ
20 cm ドリフト空間
p
 0.2
p
at 40 GeV c
Time Projection Chamber
Shaping Strip
Sense Wire
e
e
e
y
x
e
z
x
e
e
e
Potential
Plane
Potential
Wire
x : drift time
y : どの sense wire が hit したか
z : cathode pad
Cathode pad
UA1 Calorimeter
EM部
E

E
 
0.15
E GeV 
0.3
E GeV 
ハドロン部
E

E
0.8
E GeV 
ET分解能
 E T   0.4  E T
ただし
E T   E T
cal
電磁カロリメータ
e-, γ, π0 → 2γ
電磁カスケード・シャワー内の電子の track の
数に比例した大きさの信号を感受する。
→ 信号の大きさはエネルギーに比例している。
感受体 ( gas chamber or scintillator )
Absorber ( Pb )
ハドロンカロリメータ
 , K  , KL0 , n, p
吸収体 ( Fe )
0

n



強い相互作用
 0→ 電磁シャワー → エネルギー測定
UA2 detector
欠点
1.
中央磁場なし
2.
ミューオン検出器なし
UA2 Calorimeter

0.14

EM部
E
E GeV
E
E
ハドロン部
 0.32 at 1 GeV
0.11 at 10 GeV
Discovery of W± and Z
Theoretical Prediction
1980 ~ 1981
MW   82 2.4 GeV c 2
M Z  94  2.5 GeV c 2
1982
1977
sin2 W  0.23 0.01
 pp  W   e    0.4  k nb
k  1.5
W±の発見
“ Experimental observation of isolated large
transverse energy electrons with associated
missing energy at s  540 GeV “
UA1 collaboration
Phys. Lett. 122B ( 1983 ) 103
1
Ldt

18
nb

Isolated electrons
i) ~ v) 39 events
i) ~ vi) 6 events
i ) E T EM 15 GeV with a track
ii )
P
iii)
  3 track-cluster position matching
T
same cell tracks
 2 GeV
iv) E ( HAD ) < 0.6 GeV
1
1

 3 energy momentum matching
v)
p E EM
vi) no jets ( ET > 10 GeV )
Energet ic neut rino  high missing E T
Missing E T  E T    E T
towe r
Missing E T  E T 
E
T
towe r
上の 6 events はすべて E T  10 GeV
で Energetic  を持つ可能性が高い。
Transverse Energy
Transverse momentum
Missing transverse energy
ET
PT
ET
Z方向の boost に
対して不変な量
横エネルギー
横運動量
消失横エネルギー
Py
PT  Px ,Py ,0
E, P

Px

P  Px ,Py ,Pz 
PT  Px2  Py2  P sin
E T  Esin
E T  (E T sin , E T cos , 0)
Pz
E T の計算
E T の和をとる。


ET    ET
各タワー毎の
tower

ET  ET
バックグラウンド
1) high PT π±
high PT π±とπ0のオーバーラップ
e±と
誤同定
fake electron
PT > 20 GeV/c 以上のハドロンがなかった。
negligible
10 %
2)γ→e-e+ conversion で一方の e が検出されない。
γ→e-e+ conversion をまず検出
↓
Monte Carlo シミュレーションで一方の
e が検出されない確率を求める。
PT(e) > 20 GeV /c に対して 0.04 events
3)heavy quark production ( bb, cc )
Q1 → e(νX ) & Q2 → μ( νX )
1event ( PT(e) > 13.3 GeV /c, PT(μ) > 20 GeV /c )
↓
10 %
外挿すると negligible
W の質量決定
1. Transverse mass mT 横質量
mT2  2 PT (e) PT ( )1  cose 

 2
2
2
m  E e   E    Pe   P 
 
 2 Pe 2 P   2 Pe P 
PL e   PL    0


2
mT  2 PT e 2 PT    2 PT e PT   cose
横質量分布のデータへ理論予測分布を fit する
↓
MW  74  4 GeV c2


2. Ee, Pe, P  への fit
↓
MW  81 5 GeV c2
UA2 collaboration
“ Observation of single isolated electrons of high
transverse momentum in events with missing
transverse energy at the CERN PP collider”
Phys. Lett.
122B ( 1983 ) 476
1
L
dt

20
nb

i) ET(e) > 15 GeV
Enad < 0.1 E(e)
ii) At least one track points to the cluster
d2 < 50 mm2
d2 = ( an electron track – cluster controid )2
iii) Missing energy
Ptmissing > 0.8 ET(e)
4 events remained
PWT, PWL fit
MW = 80 +10- 6 GeV/c2
Z の発見
“ Experimental observation of lepton pairs of invariant
mass
around 95 GeV/c2 at the CERN SPS collider”
UA1 collaboration
Phys. Lett.
126B(1983) 398
1
L
dt

55
nb

Two isolated high ET electrons
i) ET > 25 GeV (PT > 7GeV/c )
Ehad < 0.8 GeV
ii) isolation
 P (other
T
some EM cell
tracks)  3 GeV c
4 e+e- events
Me+e- = 95.2 ± 2.5 GeV/c2
Two isolated high PT muons
i) PT > 7 GeV with muon chamber stub
u/CD matching
1 μ+μ- event
M μ+μ- = 95.5 ± 7.3 GeV/c2
Combined Results
MZ = 95.3 ± 2.5 GeV/c2
ΓZ = 3.1 GeV/c2 ( 5.1 GeV/c2 at 90 % CL )
sin2θW(MW) = 0.226 ± 0.011
world average
sin2θW = 0.236 ±0.093
バックグラウンド
i) jets → 1 isolated track ( PT > 25 GeV/c )
1 track observed
fake muon probability ~ 2×10-3
fake e± probability ~ 6×10-3
↓
negligible
ii) heavy flavour jets ( bb, cc )
2 events with an isolated μ ( PT > 15 GeV/c )
1 event with an isolated e ( PT > 25 GeV/c )
other jets fake leptons → 10-4 events
iii) Onium decay from a new quark
σ(QQ) : negligibly small
UA2 collaboration
2ヵ月後
“Evidence for Z0 → e+e- at the CERN pp collider ”
Phys. Lett.
129B ( 1983 ) 130
1
L
dt

131
nb

i)
One electron ET > 30 GeV
ii)
Me+e- > 50 GeV/c2
iii) Cluster Size σθσψ < 0.5 [cell size]
iv)
Ehad
 0.02
E (e)
24 events ( Loose – Loose )
tight e±cut
track/cluster match
preshower hit
8 events ( Loose – Tight )
2 legs
3 events ( Tight – Tight )
バックグラウンド 2×10-4 events
Loose – Tight の 8 events のうち、Central – Central
の 4 events を除いて質量を求めた。
( Energy scale の誤差大なので )
MZ = 91.9 ± 1.3 ± 1.4 GeV/c2
ΓZ < 11 GeV/c ( 90 % C.L. )
sin2θW = 0.226 ± 0.014
ハドロン衝突で初のジェット観測
UA2 Collaboration
“ Observation of very large transverse momentum jets at the
CERN pp collider ”
Phys. Lett. 118B ( 1982 ) 203
ジェットの定義
Clustering
Ecall > 0.4 GeV のカロリメーター・タワー
のエネルギーを足していく。
その時、谷が出てきて、谷の深さが 2 GeV
以上のとき、そこで Cluster は分離する。
Cluster ET threshold
Cluster ET > jet ET threshold の時、その
cluster をジェットと呼ぶ。
Two – jet event
ET1 > 10 Gev, ET2 > 10 GeV
⊿φ12 が180゜近くに
鋭いピークを持つ
Inclusive jets production
ET1 > 20 GeV
59 events
QCD 予言曲線
Λ = 0.5 GeV
(Λ = 0.15 GeVならば
データと一致)
誤差
 Ldt
, Acceptance
Energy scale
→
±20 %
→
±20 %
W、Z→2ジェットの観測
UA2 Collaboration
“Search for decays of the W± and Z bosons into quark-antiquark
Pairs at the CERN pp collider ”
Phys. Lett. 186B ( 1987 ) 452
1
Ldt

0.73pb

Clustering
E jet 
E
cos 0.6
mass resolution
PT  resolution  premordal PT
PT  premordal PT
Q   PT  2   PT  2  4.6 GeV
m jj
m jj
 8.9  0.5 %
continuum
control region
m > 105 GeV
m< 65 GeV
Am-αe-βm
Fit function
W&Z
Two gaussian
W
Z
mean RMS
m0
8 GeV
1.14m0 9 GeV
Results
m0 = 82 ± 3 GeV/c2
Number of signal = 632 ± 190 events
理論予測値
= 340 ± 80 events
Norm.
1
1/3
トップクォークの発見?
UA1 collaboration
“ Associated production of an isolated, large-transverse
momentum lepton ( electron on muon ) and two jets at the
CERN pp colider ”
Phys. Lett. 147B ( 1984 ) 493
mtop = 40 GeV/c2 の時、 ( 181 ± 20 ) W±→tb
signal
W± → tb → bblν
2 jets, 1 lepton, missing ET
(i) invariant mass of ( lνbb) system
= MW
(ii) invariant mass of ( lνb ) system
= Mtop
muon sample
i) μ + 1 or more jet
ii) PT (μ) > 12 GeV/c
iii) isolation
P
 0.1PT  
E
 0.2PT  
R 0.4
R 0.4
T
T
R 
 2   2
iv) no jets within ⊿R = 1 around μ
11 events remained
7
μ+ 1 jets
3
μ+ 2 jets
1
μ+ 3 jets
background
i)
ii)
QCD : K±, π± → μ±ν
bb & cc
a] ISAJET → 1% of W → t b
b] isolated vs. non-isolated
mjj  &
E
R 0.4
T
0.2 events
0.15 events
electron sample
i) ET > 12 GeV
ii) Ehad < 0.2 GeV
iii) remove γ conversion
iv)
1 1
  3
p E
v)
good longitudinal shower shape
 R2  20
vi) isolation
 ET  1GeV
R  0.4
R 
 2   2
12 events remained
7
e  1 jet
5
e  2 jets
background
QCD fake
(a) π0 + ≧ 2 jets data sample
Event shape ( ETout, cosθj2 *) → 3.5σ
(b) π±+ ≧ 2 jets data sample
0.06 events in signal region
m ( lνj2 )vs.
↓
~40 GeV/c2
m ( lνj1j2 )
↓
MW
3 ( e + 2 jets )events & 3 ( μ+ 2 jets )events
Interpretation
W → t b → b b lν
mtop = ( 40 ± 10 ) GeV/c2
ダウンロード

集中講義2