LHC 加速器での鉛鉛衝突における中性 πおよびω 中間子測定の最適化 日栄綾子 M081043 クォーク物理学研究室
目的 概要 目的 LHC 加速器における TeV 領域の鉛鉛衝突実験における中性 π および ω 中間子の測定の実現可能性の検証 および実際の測定へ向けた最適化 何故鉛鉛衝突を利用して 何を知りたいのか中性 πおよびω 中間子測定の魅力 ALICE 実験検出器群 概要予想される統計量およびバックグランドに対するシグナルの有意性を見積もった さらに実現可能性を上げるべく 各種パラメータの最適化を行った 結果 結論 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 2
OUTLINE 目的 LHC 加速器における TeV 領域の鉛鉛衝突実験における中性 π および ω 中間子の測定の実現可能性の検証 および実際の測定へ向けた最適化 何故鉛鉛衝突を利用して 何を知りたいのか中性 πおよびω 中間子測定の魅力 ALICE 実験検出器群 PHOS 検出器 概要予想される統計量およびバックグランドに対するシグナルの有意性を見積もった さらに実現可能性を上げるべく 各種パラメータの最適化を行った 結果 結論 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 3
鉛鉛衝突を利用して 何を知りたいのか クォーク非閉じ込め相へ 実験的アプローチ 現在の物質の階層構造についての理解 原子核 核子 核子の中に閉じ込められたクォーク 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 4
鉛鉛衝突を利用して 何を知りたいのか クォーク非閉じ込め相へ 実験的アプローチ 現在の物質の階層構造についての理解 温度 原子核 高温高密度状態にて クォークの閉じ込めの破れ 核子 核子の中に閉じ込められた クォークの閉じ込め クォーク 密度 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 5
鉛鉛衝突を利用して 何を知りたいのか クォーク非閉じ込め相へ 実験的アプローチ 現在の物質の階層構造についての理解 温度 原子核 LHC 核子 S NN =~5.5TeV RHIC S NN =~200GeV 高温高密度状態にて クォークの閉じ込めの破れ 高エネルギーの 核子の中に閉じ込められた クォークの閉じ込め クォーク 原子核 原子核 衝突を利用! 密度 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 6
中性 π および ω 中間子測定の魅力 RHIC での成果 LHC への期待 高横運動量ハドロンの収量抑制 増加 抑制 RHIC S NN =~200GeV, AuAu LHC ではどうか S NN =~5.5TeV, PbPb 光子崩壊過程を利用することでより高い運動量領域までの粒子測定が可能 π ω 0 π γγ 0 γγγ 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 7
ALICE 実験検出器群 PHOS 検出器 LHCにおける実験の中で唯一 鉛鉛衝突に最適化された設計 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 8
ALICE 実験検出器群 PHOS 検出器 LHC における実験の中で唯一 鉛鉛衝突に最適化された設計 光子測定 2 粒子分解能 エネルギー分解能に優れた電磁カロリメーター PHOS 検出器 ~7m 1.2m 既に 3 モジュールの組み込みを完了した! 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 9
測定手法 π0 質量 137MeV ω π0 質量 783MeV 光子測定 2 粒子分解能 エネルギー分解能に優れた電磁カロリメーター PHOS 検出器 1.2m 単粒子発生シミュレーションから求めた不変質量分布 ~7m 2010 年 2 月 15 日 横運動量 :8GeV/c +- 0.5 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 既に 3 モジュールの組み込みを完了した! 10
統計量の見積もり 鉛鉛衝突における収量 S NN = 3.9TeV ルミノシティ 5*10 25 [cm 2 s -1 ] 運転時間 30days * 10% S NN =~ 3.9TeV ルミノシティ 5*10^{25} [cm^2s^-1] 運転時間 30days * 10% π0 ω π0 中性 π 中間子 ~20GeV/c ω 中間子 ~10GeV/c 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 11
鉛鉛衝突における解析的困難 不可避なバックグランド π0 π0 ( 例 ) 6C2=15 通り 単粒子発生シミュレーション 鉛鉛衝突シミュレーション 統計的バックグランド つまり 重要なのはバックグランドに対するシグナルの有意性 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 12
バックグランドに対するシグナル有意性の見積もり シグナル有意性の定量化 ( 例 ) S B S/ (S+B) S/ (S+B) < 1 : シグナル<エラーバー > 1 : シグナル>エラーバー 不変質量領域 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 13
バックグランドに対するシグナル有意性の見積もり シグナル有意性の見積もり ( 最適化前 ) 中性 π 中間子 ω 中間子 横運動量 ~15[GeV/c] 統計誤差の5 倍のシグナル! 鉛鉛衝突 PHOS 検出器のみ 横運動量 5~8[GeV/c] 統計誤差の0.08 倍のシグナル 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 14
測定へ向けた最適化 1 光子条件の最適化 最適化前 形を定量化 Dispersion( 上限, 下限 ) Sphericity( 上限, 下限 ) Ncells( 上限, 下限 ) N( 光子起源 ) が最大となる範囲 N( 光子起源以外 ) 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 15
測定へ向けた最適化 1 光子条件の最適化 最適化前 最適化 2 最適化 1 最適化 12 形を定量化 Dispersion( 上限, 下限 ) Sphericity( 上限, 下限 ) Ncells( 上限, 下限 ) N( 光子起源 ) が最大となる範囲 N( 光子起源以外 ) 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 16
測定へ向けた最適化 2 中性 π 中間子らしい ω 中間子らしい ペアの選別 中性 π 中間子 1 つのパラメータ ( 上限, 下限 ) 最適化前 ω 中間子 3 つのパラメータ ( 上限下限 ) 最適化 2 最適化 1 最適化 12 N : 中性 π 中間子 /ω 中間子の質量領域の個数 N( 単粒子シミュレーション ) N( 鉛鉛衝突シミュレーション ) が最大となる範囲 鉛鉛衝突 PHOS 検出器のみ 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 17
測定へ向けた最適化 2 中性 π 中間子らしい ω 中間子らしい ペアの選別 中性 π 中間子 1 つのパラメータ ( 上限, 下限 ) 最適化前 ω 中間子 3 つのパラメータ ( 上限下限 ) 最適化 2 最適化 1 最適化 12 N : 中性 π 中間子 /ω 中間子の質量領域の個数 N( 単粒子シミュレーション ) N( 鉛鉛衝突シミュレーション ) が最大となる範囲 鉛鉛衝突 PHOS 検出器のみ 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 18
測定へ向けた最適化 シグナル有意性の見積もり ( 最適化後 ) 中性 π 中間子 ω 中間子 最適化なしと比べて 15GeV/cで約 2 倍に! 最適化なしと比べて 6~10GeVで有意に! 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 19
結論 2010 年末の LHC 加速器での PHOS 検出器を使った中性 π および ω 中間子測定へ向けて 統計量 シグナル有意性 各種パラメータの最適化 中性 π 中間子測定は高い運動量領域まで測定が可能 パラメータの最適化はより高い運動量領域まで測定するのに効果的 最適化を行うことで ω 中間子の測定が可能に 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 20
運転状況 LHC 加速器 2009 年 11 月 S= 900GeV 陽子陽子 今週 ~2010 年末 S= 7TeV 陽子陽子 2010 年末 S NN = 2.75TeV 鉛鉛 2009 /11/23 First collision Eur.Phys.J.C65:111-125,2010. 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 21
ご清聴ありがとうございました 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 22
LHC における鉛鉛衝突の特徴 圧倒的な生成粒子多重度 ALICE STAR STAR pp AuAu 200GeV simulation 検出器には高い分割度が要求される PbPb 5.5TeV simulation 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 23
鉛鉛衝突を利用して 何を知りたいのか クォーク非閉じ込め相へ 実験的アプローチ 物質の階層構造の理解の現状 : クォークの閉じ込め 温度 原子核 核子 核子の中に閉じ込められたクォーク 密度 高温 高密度状態にて クォークの閉じ込めの破れ ( 量子色力学 ) 高エネルギーの原子核原子核衝突を利用し物質を高温 高密度状態にすることでクォークの閉じ込めが破れたクォーク グルーオン プラズマ相を実験室上に再現することで その性質に迫る 衝突前 2010 年 2 月 15 日 衝突 クォーク グルーオン プラズマ相 ハドロン化 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 ハドロン物質相 24
中性 π および ω 中間子の魅力 これまでの成果 RHIC 加速器 (2000 年 ~) における核子対あたり重心系衝突エネルギー 200GeVの金金衝突において クォーク グルーオン プラズマが生成されたことを示す多くの結果が報告された その一つ 高横運動量ハドロンの生成抑制 もし 原子核原子核衝突が単に陽子陽子衝突の重ね合わせで表せられるなら R AA は 1 になる 粒子種により抑制パターンが違う 粒子種構成質量スピン 中性 π 中間子 135MeV 0 η 中間子 uクォーク dクォーク 548MeV 0 ω 中間子 783MeV 1 2010 年 3 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 25
衝突関与核子数 衝突前 衝突 クォーク グルーオン プラズマ相 ハドロン化 ハドロン物質相 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 26
エネルギーアシンメトリー 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 27
Pi0 s mass region Pi0 s mass region NS NS NB NS NB NB NB M2cluster M2cluster Mγγ NS/ NB 0<α<= 0.4!!BEST!! 0<α<= 0.7 0<α<= 1. Maximum Value of α 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 28
測定へ向けた最適化 手法 2010 年 2 月 15 日 平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 29
Dispersion: 電磁シャワーの広がり具合を示す z d = cells エネルギー重心から X-Z 平面へのシャワーの広がり w [( x i i x) cells 2 w + i ( z i z) 2 ] wi = max[0, p + ei log( E )] P:4.5(EMC) 実験的に決まる値 P + log (ei) - log (E) < 0 の時は 0 x 2010/1/6 Ayako Hiei / ALICE local meeting 30
最適化 1 光子測定 入射粒子の違いによる検出のされ方の違いを利用 形を定量化 Dispersion Sphericity Ncells 2010 年 2 月 15 日平成 21 年度物理科学専攻修士論文発表会 / 日栄綾子 31
Spheticity 荷電粒子は磁場の影響を受けてPHOS 結晶表面へ斜めに入射し 光子は磁場の影響を受けずに垂直に入射する Sphericity = M02-M20 /(M02+M20) M02 長軸方向の長さ M20 短軸方向の長さ M02 = M20 の時 Sphericity=0 z 2010/1/6 x Ayako Hiei / ALICE local meeting 32