Analysis of π0, η and ω mesons in pp collisions with a high pT photon trigger at ALICE

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1 Analysis of π 0, η and ω mesons in pp collisions with a high energy photon trigger at ALICE ( 高エネルギー光子トリガーを用いた陽子 + 陽子衝突における π 0 η ω 中間子の解析 ) 広島大学院理学研究科修士課程物理科学専攻 ( クォーク物理学研究室 ) 八野哲 (M116588) 修士論文発表会

2 クォーク グルーオン プラズマ 物質を構成する陽子 中性子は 3 つのクォークから成る 量子色力学 (QCD) によれば クォークは陽子 中性子内に閉じ込められており 通常 単体で取り出すことはできない 高温もしくは高密度中では 閉じ込めから解放され自由に動き回れることが予想されている クォーク グルーオン プラズマ (QGP) 極初期宇宙の物質状態

3 高エネルギー重イオン衝突実験 高エネルギー重イオン衝突 重イオンを高エネルギーで衝突させることで 大きな反応領域で高い温度を実現させ クォーク グルーオン プラズマを実験的に作り出す クォーク グルーオン プラズマの性質を解明する

4 クォーク グルーオン プラズマ生成の示唆 高い横運動量粒子生成の抑制 重イオン同士の正面衝突の収量を p+p 衝突の重ね合わせで描写できない クォーク グルーオンのエネルギー損失で抑制 この効果は高横運動量領域の方が鮮明に測定できる クォーク グルーオンレベルのエネルギー損失 q クォーク グルーオン プラズマ中にグルーオンを放射してエネルギーを損失する

5 クォーク グルーオン プラズマ生成の示唆 高い横運動量粒子生成の抑制 重イオン同士の正面衝突の収量を p+p 衝突の重ね合わせで描写できない クォーク グルーオンのエネルギー損失で抑制 この効果は高横運動量領域の方が鮮明に測定できる クォーク グルーオンレベルのエネルギー損失 q クォーク グルーオン プラズマ中にグルーオンを放射してエネルギーを損失する

6 測定した中性中間子 π 0 中間子 質量 : 135MeV/c 2 分岐比 : 98.9% (π 0 2γ) 構成クォーク : uu/dd η 中間子 質量 : 549MeV/c 2 分岐比 : 39% (η 2γ) : 23% (η π 0 π + π - ) 構成クォーク :uu/dd/ss ω 中間子 質量 : 782MeV/c 2 分岐比 : 89% (ω π 0 π + π - ) : 8.9% (ω π 0 γ) 構成クォーク :uu/dd/ss 軽いクォークのみから構成されている もし クォークレベルでエネルギー損失が起きているのなら これら粒子の収量抑制傾向は同じ

7 測定した中性中間子 π 0 中間子 質量 : 135MeV/c 2 分岐比 : 98.9% (π 0 2γ) 構成クォーク : uu/dd η 中間子 質量 : 549MeV/c 2 分岐比 : 39% (η 2γ) : 23% (η π 0 π + π - ) 構成クォーク :uu/dd/ss ω 中間子 質量 : 782MeV/c 2 分岐比 : 89% (ω π 0 π + π - ) : 8.9% (ω π 0 γ) 構成クォーク :uu/dd/ss 軽いクォークのみから構成されている もし クォークレベルでエネルギー損失が起きているのなら これら粒子の収量抑制傾向は同じ

8 研究目的 高横運動量粒子の生成抑制を測定するためのベールラインとして 重心系エネルギー 8TeV 陽子 + 陽子衝突における中性中間子の収量測定 高エネルギー光子トリガー解析手法の確立 高横運動量粒子測定に特化したトリガー

9 ALICE 実験と LHC 加速器 LHC 加速器実験の中で唯一重イオン衝突実験に特化した実験グループ 35 ヶ国 120 研究機関 1300 人の研究者で構成されている 16m 16m 26m 周長 : 27km 陽子 陽子 : 14TeV 鉛 - 鉛 : 5.5TeV

10 ALICE 実験 LHC 加速器実験の中で唯一重イオン衝突実験に特化した実験グループ 35ヶ国 120 研究機関 1300 人の研究者で構成されている 16m ALICE 実験に供給された統計量 2009 陽子 陽子 0.9TeV 0.14nb 陽子 陽子 7TeV 50nb -1 鉛 鉛 2.76TeV 10μb 陽子 陽子 7TeV/2.76TeV 5pb -1 鉛 - 鉛 2.76TeV 143μb 陽子 陽子 8TeV 10pb -1 16m 26m 周長 : 27km 陽子 陽子 : 14TeV 鉛 - 鉛 : 5.5TeV

11 ALICE 実験 LHC 加速器実験の中で唯一重イオン衝突実験に特化した実験グループ 35ヶ国 120 研究機関 1300 人の研究者で構成されている 16m ALICE 実験に供給された統計量 陽子 陽子 0.9TeV 0.14nb 陽子 陽子 7TeV 50nb -1 鉛 鉛 2.76TeV 10μb 陽子 陽子 7TeV/2.76TeV 5pb -1 鉛 - 鉛 2.76TeV 143μb 陽子 陽子 8TeV 10pb 1.8nb -1 16m 26m 周長 : 27km 陽子 陽子 : 14TeV 鉛 - 鉛 : 5.5TeV

12 検出器 Time Projection Chamber (TPC) 飛跡検出器 荷電粒子の運動量 粒子種の測定 運動量分解能 ~ 1% (below 1GeV/c) de/dx 分解能 ~ 5% PHOton Spectrometer (PHOS) 電磁カロリーメータ (3/5) 光子 ( 陽 ) 電子のエネルギー測定 ダイナミックレンジ 5 MeV 80 GeV 二粒子 エネルギー分解能 モリエール半径 2cm ~ 3% (at 1 GeV) 素子 PbWO 4 (3584/1Module)

13 中性中間子の再構成

14 不変質量分布 p p PHOS 検出器

15 不変質量分布 p p π 0 光子 PHOS 検出器

16 Entries 不変質量分布 p p 不変質量の式 π 0 光子 PHOS 検出器 0.135(π 0 の質量 ) Mass (GeV/c 2 )

17 中性中間子の再構成 (π 0, η) π 0 /η 2 光子から再構成された不変質量分布 π 0 と η の質量ピーク PHOS 検出器

18 中性中間子の再構成 (ω) π - ω π ± 中間子は飛跡検出器で検出する π + π 0 π 0 π + π - 中間子から再構成された不変質量分布 ω の質量ピーク PHOS 検出器

19 高エネルギー光子トリガーの解析

20 エントリー エントリー PHOS で測定した光子のエネルギー分布 PHOS でエネルギー閾値 (2GeV) を超えた光子が検出されたイベントを選別 8TeV 高エネルギー光子トリガーなし 27M events 8TeV 高エネルギー光子トリガーあり 1.8M events 光子エネルギー (GeV) 読み出し検出器 (PHOS) をトリガーにしたため 測定されるエネルギー分布がトリガー効率によるバイアスを受けた 光子エネルギー (GeV)

21 エントリー エントリー 光子に対するトリガー効率の求め方 トリガーした光子のエネルギー分布 すべての光子のエネルギー分布 Module2 理想的な全光子に対する トリガーされる光子 Threshold 光子エネルギー (GeV) Threshold 光子エネルギー (GeV) 光子に対するトリガー効率 = トリガーした光子のエネルギー分布すべての光子のエネルギー分布

22 トリガー効率 トリガー効率 トリガー効率 トリガー効率 光子に対するトリガー効率の結果 理想的なトリガー効率はステップ関数 1 理想的なトリガー効率 モジュールごとにトリガー効率のばらつきがある Threshold 光子エネルギー (GeV) Module1 Module2 Module3 光子エネルギー (GeV) 光子エネルギー (GeV) 光子エネルギー (GeV)

23 中性中間子のトリガー効率 光子に対するトリガー効率は実データで求めることができた 光子に対するトリガー効率を求めた PHOS

24 中性中間子のトリガー効率 光子に対するトリガー効率は実データで求めることができた π 0 実際に求めたいのは親粒子のトリガー効率 光子に対するトリガー効率を求めた PHOS

25 光子の親粒子 ( 中性中間子 ) のトリガー効率 光子に対するトリガー効率は実データで求めることができた この光子に対するトリガー効率をシミュレーション上の PHOS にインプット PHOS に向かって親粒子を打ち込み 崩壊後の光子がトリガーされるか調べる π 0 実際に求めたいのは親粒子のトリガー効率 光子に対するトリガー効率を求めた PHOS

26 光子の親粒子 ( 中性中間子 ) のトリガー効率の結果 各粒子のトリガー効率 = 検出器で再構成され且つトリガーされた粒子数 検出器で再構成された粒子数 各粒子のトリガー効率を見積もった

27 π 0 生成断面積の測定結果 π 0 Tsallis fitting の結果 p-p 8 TeV( 本研究 ) p-p 7 TeV p-p 0.9 TeV 他の衝突エネルギーの結果と無矛盾 今回は 2012 年の高エネルギー光子トリガーデータ 1.8nb -1 /1000nb -1 を解析

28 η ω 生成断面積の測定結果 η ω Tsallis fitting の結果 p-p 8 TeV( 本研究 ) p-p 7 TeV p-p 8 TeV( 本研究 ) p-p 7 TeV 他の衝突エネルギーの結果と無矛盾

29 イベントジェネレータ (PYTHIA) との比較 本研究の結果 イベントジェネレータ (PYTHIA) の結果 PYTHIA : pqcd(nlo) をもとに計算されるイベントジェネレータ エラーの範囲で一致

30 結論 ALICE 実験の高エネルギー光子トリガーの解析方法を確立した 一つの光子に対するトリガー効率を実データから求めた 一つの光子のエネルギーに対するトリガー効率をシミュレーション上で再現することによって親粒子のトリガー効率も求めることに成功した 世界最高衝突エネルギー 8TeV の陽子 + 陽子衝突における中間子測定に初めて成功した 現在使われているイベントジェネレータの結果とエラーの範囲で一致している

31 展望 本研究に使用したデータ量は 1.8nb -1 で 2012 年に ALICE は約 1000nb -1 の統計を高エネルギー光子トリガーで取得した 本研究で確立した解析方法をこれらのデータに適応し高い横運動量粒子 (40GeV/c 以上 ) の測定を行う 鉛 鉛衝突の高エネルギー光子トリガーデータを解析 本研究の結果をより高い横運動量領域の収量抑制が測定でき クォーク グルーオン プラズマの理解に迫る

32

33 高エネルギー光子回路図 エネルギーデータの流れ トリガーデータの流れ

34 高エネルギー光子トリガー PHOS でエネルギー閾値 (2GeV) を超えたシグナルが検出されたイベントを選別 PWO4 PWO4 PWO4 PWO4 FAST-OR FAST-OR FAST-OR FAST-OR Threshold Comparison Sliding window 4x4 cells (=2x2 Analog-OR) TRU (PHOS) Threshold Comparison Trigger OR Threshold Comparison 4x4 クリスタルのシグナル SUM が閾値を超えているかどうか判断する

35 TRU の不具合のクリスタル エネルギーを検出したクリスタルマップ トリガーを発動させたクリスタルマップ

36 PHOS

37 トリガー効率の再現 シミュレーションで再現したモジュール固有のトリガー効率 Mod1 Mod2 Mod3

38 TRU ごとのトリガー効率 Mod1 Mod2 Mod3

39 π 0 tagging for omega meson ガウスで Fit をして ±2σ の範囲を π0 のシグナルとした

40 Minimum Bais Trigger INT7-Trigger (MB trigger in 2011 and 2012) The second layer of SPD has at least one hit. Bo th VZERO-A and VZERO-B have at least one hit. SPD & VA & V0C

41 Dispersion cut

42 Tsallis Function 低運動量領域の粒子生成はボルツマン ギブス統計に従う E: 粒子のエネルギー T: 系の温度 C: 規格化因子 高運動量領域の粒子生成は pqcd で記述可能なプロセスであると過程 べき関数に従う E: 粒子のエネルギー A: 規格化因子 V: べきを示す指数

43 不変生成断面積 低運動量領域の粒子生成はボルツマン ギブス統計に従う 粒子の収量 ε AccxRec : 幾何学的検出効率 ε Trig : トリガー効率 Br : 分岐比 L : ルミノシティー

44 Energy Loss in Medium

45 原子核補正係数

46 クォーク グルーオン プラズマ生成の示唆 高い横運動量粒子生成の抑制 重イオン同士の正面衝突の収量を p+p 衝突の重ね合わせで描写できない クォーク / ハドロンのエネルギー損失に抑制 この効果は高横運動量領域の方が鮮明に測定できる 1) クォークレベルのエネルギー損失 2) ハドロンのエネルギー損失 q h クォーク グルーオン プラズマ中にグルーオンを放射してエネルギーを損失する

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