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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 -1 2010 陽子 陽子 7TeV 50nb -1 鉛 鉛 2.76TeV 10μb -1 2011 陽子 陽子 7TeV/2.76TeV 5pb -1 鉛 - 鉛 2.76TeV 143μb -1 2012 陽子 陽子 8TeV 10pb -1 16m 26m 周長 : 27km 陽子 陽子 : 14TeV 鉛 - 鉛 : 5.5TeV
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 -1 2009 陽子 陽子 0.9TeV 0.14nb -1 2010 陽子 陽子 7TeV 50nb -1 鉛 鉛 2.76TeV 10μb -1 2011 陽子 陽子 7TeV/2.76TeV 5pb -1 鉛 - 鉛 2.76TeV 143μb -1 2012 陽子 陽子 8TeV 10pb 1.8nb -1 16m 26m 周長 : 27km 陽子 陽子 : 14TeV 鉛 - 鉛 : 5.5TeV
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)
中性中間子の再構成
不変質量分布 p p 1 2 3 PHOS 検出器
不変質量分布 p p π 0 光子 1 2 3 PHOS 検出器
Entries 不変質量分布 p p 不変質量の式 π 0 光子 1 2 3 PHOS 検出器 0.135(π 0 の質量 ) Mass (GeV/c 2 )
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
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
高エネルギー光子トリガーの解析
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 p-p @ 8TeV 高エネルギー光子トリガーなし 27M events p-p @ 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)
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
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)
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
PHOS
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
TRU ごとのトリガー効率 Mod1 Mod2 Mod3
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
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
Dispersion cut
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
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
Energy Loss in Medium
原子核補正係数
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