ATLAS実験におけるトップクォーク対系 質量を関数とした生成微分断面積の測定! 山田美帆 海野義信A 神前純一A! 総研大 KEKA! 212年 9月12日! 日本物理学会 212年秋季大会! 京都産業大学!
Introduction! l トップクォーク対による標準理論の検証! 最も重い素粒子の生成断面積を高エネルギー 高ルミノシティーで精密測定する! è 標準理論を超える新しい物理の発見にも! 重要である! σ ttbar [pb] v 211 年に取得した 5.2fb のデータを用いて トップクォーク対系質量とラピディティーを関数とした微分断面積の測定を行った! Tevatron LHC Differential Cross Section (fb/2gev) Spin1 の質量 2TeV の Z Kaluza-Klein luon を仮定 Kaluza-Klein luon Z l トップクォーク対に直接結合する新粒子の効果も測定可能 Z! Kaluza-Klein excitation! ttbarの質量分布にシグナルが観測される!! l Tevatronでの結果 (CDF) ttbar system mass(m ttbar )<14 GeVまでに新しい物理は見つからず Tevatronは211 年 9 月に終了 Reference :! Top pair invariant mass distribution: a window on new physics by R. Frederix and F. Maltoni, JHEP 91:47,29 2!
LHC, ATLAS! 内部飛跡検出器( η < 2.5) ソレノイド電磁石 電磁カロリメータ ( η < 3.2) ハドロンカロリメータ ( η < 4.9) ミューオン検出器 トロイド電磁石 電子 飛跡検出器 電磁カロリメータ! μ粒子 飛跡検出器 カロリメータ ミューオン検出器 ジェット 電磁 ハドロンカロリメータ Missin ET 他の全ての検出されたエネルギー! 電子 μ粒子 ジェットなど他の全てのエネルギーの測定から 欠損分を測定する! のデータを取得している 212年 s=8tevで運転中 現在 12.4fb s 212年9月12日! 日本物理学会 212年秋期大会! 3!
Top Quark Pair Production and Decay! l ttbar Production t t t t t t l ttbar Decay t t W + W b l + ν b b-jet W ボソン : レプトン崩壊 W ボソン : ハドロン崩壊 b-jet LHC ではこの 2 つが主な生成過程 2 つの W ボソンの崩壊モードの組み合わせによって以下の様に分類する 両方レプトン崩壊! di-lepton channel!! 片方レプトン崩壊! lepton + jets channel!! 両方ハドロン崩壊! all hadronic channel 4!
Top Pair Branchin Fractions τ+τ 1% τ+µ 2% τ+e 2% µ+µ 1% µ+e 2% e+e 1% "dileptons" di-lepton e+jets 15% Event Selection! all hadronic 46% "alljets" 46% τ+jets 15% µ+jets 15% "lepton+jets" l Lepton + jets channel! 崩壊分岐比が大きい! ( 電子 ミューオンだけでも 3%)! Isolated lepton と missin E T を要求すること で良い S/N が得られる! レプトントリガーにより高い効率でトリガーさ れる! ニュートリノが 1 つしかいないので トップ クォーク対の再構成が容易! W transverse mass (m T ) b jet lepton neutrino (Missin E T ) l Basic Event Selection! One Isolated lepton! Missin E T! liht jet Transverse mass of lepton and missin E T (m T )! At least 4 jets! At least 1 b-taed jet! liht jet 5! t t _ b jet
top Pair Reconstruction! 各生成粒子の 4 元運動量を再構成し トップクォーク対の再構成を行う! 以下の式で定義された Likelihood(L) を用いる L = BW (W had ) BW (W lep ) BW (top had ) BW (top lep ) TF(E jet1 E bhad ) TF(E jet 2 E blep ) TF(E jet 3 E 1 ) TF(E jet 4 E 2 ) TF(E miss p x,ν ) TF(E miss y p y,ν ) TF(E l E ) x ニュートリノの運動量の z 成分は測定できないため W ボソンの質量を固定し missin E T の φ をニュートリノの φ と仮定して! m W 2 = 2 p T ν p T を解くことにより η ν を求める [ cosh(η ν η ) cos(φ ν φ )] BW : ブライトウィグナー関数! レプトン崩壊 ハドロン崩壊する W ボソン トップクォークのブライトウィグナー確率分布関数! TF : トランスファーファンクション! 各オブジェクトの再構成されたエネルギーを生成粒子のエネルギー 運動量に変換する確率分布関数!! 生成粒子のエネルギー 運動量をパラメータとし Likelihood フィットを行う! à Likelihood が最小になるような生成粒子のエネルギー 運動量 ジェットの組み合わせを探す! à 生成粒子の 4 元運動量を再構成 6!
Backround Estimation(W+jets)! QCD マルチジェット生成のモデリングから来る不定性のため W+jets イベントの規格化は実データを用いて決定する! (W+jets イベントの各 kinematics の分布は MC にて見積もる ) LHC は陽子ー陽子衝突型加速器なので W - ボソンよりも W + ボソンが多く生成され 崩壊によるレプトンも正の電荷が多くなる! è データで観測される電荷の非対称性が再現されるように W+jets イベントのモンテカルロシミュレーションに対する規格化係数 (SF) を決定する イベントセレクション後の データとモンテカルロシミュレーションのイベント数を使い SF は次のように表すことができる SF = D+ D N MC MC W + N W N MC W+ NMC W- : イベントセレクション後の MC のイベント数!!( データの積分ルミノシティーに規格化 )! D + D - : イベントセレクション後の実データのイベント数 7!
Backround Estimation(Fake Lepton)! 本来の W ボソン崩壊以外から来る fake lepton の割合はシミュレーションによる正確なモデリングが難しいため 実データを用いて見積もる real : W ボソンの崩壊から生成されたレプトン (e/μ) を持つイベント fake : π γγ のシャワーを e と間違えた もしくは b-jet の semi leptonic decay により生成されたレプトンなど loose : レプトンに対して isolate していることを要求しない 他のイベントセレクションは同じ! è fake レプトンが多く含まれるサンプルを作る tiht : 通常のイベントセレクション N loose!:!loose lepton cutのセレクションで残るイベント数! N tiht!:!tiht lepton cutのセレクションで残るイベント数! ε real!:!real leptonがtiht lepton cutで残る割合! ε fake!:!fake leptonがtiht lepton cutで残る割合! è これらの割合はZ ll QCDマルチジェットイベントなどのコントロールサンプルを用いて実データから求める! 以上 4つの測定量から以下の式を解くことにより シグナル領域に残るfake leptonのイベント! 数を見積もる N loose = N loose loose real + N fake N tiht = ε real N loose loose real +ε fake N fake N tiht fake = ε fake ε real ε fake ( N loose ε real N tiht ) 8!
Basic Kinematics! Events Events 25 Data L dt = 4.7 fb ttbar W+jets s = 7 TeV Z+jets 2 ATLAS Di-Boson work in proress Sinle top QCD Fake lepton 15 1 5 14 12 1 5 1 15 2 25 3. 8 6 4 2 Electron E T (GeV) L dt = 4.7 fb s = 7 TeV ATLAS work in proress Data ttbar W+jets Z+jets Di-Boson Sinle top Fake QCD lepton Events 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 L dt = 4.7 fb s = 7 TeV ATLAS work in proress Data ttbar W+jets Z+jets Di-Boson Sinle top Fake QCD lepton 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2. Electron m T (GeV) 5 1 15 2 25 3 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 1.3 1.2 Missin E 1.1 T (GeV) 212 9 12!.9 1 212! 9! 1.3 1st leadin jet pt (GeV) Events DATA/MC 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 L dt = 4.7 fb s = 7 TeV ATLAS work in proress Data ttbar W+jets Z+jets Di-Boson Sinle top Fake QCD lepton シグナル! ttbar! (MC@NLO+Herwi/Jimmy)!! 主な背景事象! W+jets! (Alpen+Herwi/Jimmy! 規格化は実データを用いた )! Z+jets! (Alpen+Herwi/Jimmy)! Sinle top! (MC@NLO+Herwi/Jimmy)! di-boson! (Herwi)! Fake lepton! ( 実データを用いた ) モンテカルロシミュレーションはデータをよく再現している
Reconstructed m ttbar and y ttbar! 16 Data L dt = 4.7 fb 14 12 1 s = 7 TeV ATLAS work in proress ttbar W+jets Z+jets Di-Boson Sinle top QCD 9 8 7 6 5 L dt = 4.7 fb s = 7 TeV ATLAS work in proress Data ttbar W+jets Z+jets Di-Boson Sinle top QCD 8 4 6 3 4 2 2 1 5 1 15 2 25. ttbar mass (GeV) -2.5-2.5 -.5.5 1 1.5 2 2.5. ttbar rapidity 斜線部分は誤差を示す! ( ジェットのエネルギースケール Fake lepton W+jets SFによる不定性 モンテカルロシミュレーションの統計誤差など ) 1!
Unfoldin! 測定された分布から 測定器効果を補正することにより生成粒子レベルの微分断面積 (σ j ) を求める σ j = M 1 ij [ N i Nb ] i A j Ldt N i!: 測定された実データのイベント数 Nb i!: 見積もられた背景事象数 M ij!: Miration Matrix! A j!: アクセプタンス L!: 積分ルミノシティー l Miration Matrix! シミュレーションデータを用いて 本来の物理量が測定器でどのように測定されるか 両者の関係を行列で表したもの! è この行列の逆変換を行うことで 測定量から生成粒子レベルの微分断面積への変換を行う 25 2 15 1 5 5 1 15 2 25 11! true ttbar mass (GeV) reco ttbar mass (GeV) 1-2 1-3 1
Differential Cross Section! [fb] (fb/gev) tt d tt /dm 3 1 2 1 dσ tt dm tt Data, L = 4.7 fb MC folded closure + unfolded test MC@NLO truth tt (fb/gev) [fb] d tt /dy tt 4 1 3 1 dσ tt dy tt Data, L = 4.7 fb MC folded closure + unfolded test MC@NLO truth tt 1 2 1 1 1 Data/MC 1-2 1-3 1 2 1.5 1.5 ATLAS! work in proress 5 1 15 2 25 ttbar mass (GeV) ttbar rapidity 12! Data/MC 1 1-2 1 2 1.5 1.5 ATLAS! work in proress -3-2 1 2 3 主な系統誤差 : ジェットのエネルギースケールの不定性によるもの 1 3%! MC closure test: 実データを用いた測定の前に シグナル バックグラウンドともにモンテカルロシミュレーション (MC) を用いてUnfoldinを行い MC truthと比較した! MCによる結果と誤差の範囲内で一致している 標準理論を超える兆候は見られない
Summary! 211 年 4.7fb のデータを用いて トップクォーク対の質量 ラピディティーを関数とした生成微分断面積の測定を行った! トップクォーク対系の再構成された質量 ラピディティー分布において モンテカルロシミュレーションはデータをよく再現している! 現在 トップクォーク対系質量 ラピディティー分布で標準理論を外れる兆候は見られない! より新しい物理への感度を向上させるために 系統誤差を低減し 高い統計量に合わせて解析の最適化を行う!! 素粒子標準模型での予測値との比較を行い 新しい物理に対する情報を得る 13!
Backup! 14!
Backround Process! 主なバックグラウンド W+jets QCD multi-jet event W l 終状態に W ボソンの崩壊によるレプトン (e/μ) とニュートリノによる Missin E T がある! MC とデータを使って見積もる ν π γγ のシャワーを e と間違える luon splittin で bbbar が生成 semi leptonic decay でレプトンが生成など! データを使って見積もる Z+jets di-boson Sinle top W/Z t Z l + W/Z b W l l ν 15!