ATLAS 実験におけるミューオンチャンネルでのクォーコニウム

の測定

東大素セ , 神戸大理 A

結束晃平 , 坂本宏 , 織田勧 , 松下崇 A, 久保田隆至 ,

他 ATLAS Collaboration日本物理学会 2010 年秋季大会 13pSK04

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本講演では J/ の測定について発表します

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ATLAS での J/ の測定の目的

• 物理–クォーコニウムの生成メカニズムの理解–ボトムクォークの生成断面積の測定

• 検出器–ミューオンの検出効率の測定–ミューオン検出器によるトリガー効率の測定–内部飛跡検出器のアライメント

前講演

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クォーコニウムの生成メカニズムの理解

• 直接生成 (prompt production)– 主に gg 衝突でできる– その次は qq̅, qg– 中間状態が良くわかっ

ていない• Color singlet だけか ?• Color octet も含むか ?

– 断面積だけなら color octet を入れれば OK 。

• b-hadron からの崩壊 (non-prompt production)

Color singlet

Color octet

CDF I

Color singlet

Color octet

Total

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arXiv:1006.2738

J/ の polarization• 崩壊レプトンの角度分布を測

る – =+1 : transverse polarization

• Helicity = ±1– =-1 : longitudinal polarization

• Helicity = 0• Color Singlet Model はおおむね

longitudinal polarization を予測• Color Octet Model はおおむね

transverse polarization を予測• CDF の結果を再現する理論モデ

ルはまだない。

****2*2**

2

cos2sin2cossincos1cos

dd

Nd

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ボトムクォークの生成断面積の測定

• BR(bJ/X)=1.16%• Fragmentation function もある

程度わかっている– EvtGen などの B decay

generator が存在する• Decay length を測ることで分離

できる• ボトムクォークの微分断面積

が測れる ( に焼き直せる )– 横運動量– ラピディティ

http://cacciari.web.cern.ch/cacciari/talks/ e+e-QXHQX

x

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使用した重心エネルギー 7TeV での陽子衝突データ

• J/ ののののののののの– 横運動量とラピディティ依存性– トリガー : Level1 Minimum Bias Trigger Scintillator トリガーと Event

Filter full scan muon トリガーのチェーン• 低い横運動量の J/ を捉えるため。

– データ取得期間 : 2010 年 4 月 23 日— 6 月 4 日– 積分ルミノシティ : Ldt = 9.5 nb-1

• J/ の間接生成と直接生成の比– 横運動量依存性– トリガー : Level1 Muon Trigger (MU0, 一番低い横運動量しきい値 )

• 数多く J/ を捉えるため– データ取得期間 : 2010 年 4 月 23 日— 6 月 4 日– 積分ルミノシティ : Ldt = 17.5 nb-1

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J/ の生成断面積の測定• イベント毎に acceptance, reconstruction efficiency,

trigger efficiency を補正するために重みを掛けた。w-1 := A(pT, y; i)*reco(p+)*reco(p-)*trig(p+, p-)

• Acceptance の補正は J/ の横運動量、ラピディティ、 polarization の関数。

• Reconstruction efficiency はシミュレーションで求めた値を用いた。

• Trigger efficiency は Level1 Minimum Bias Trigger で取得したイベントから評価した。– (pT, ) : single muon に対する横運動量と擬ラピディ

ティの関数としての trigger efficiency を求め、– J/ = 1-{1-(pT1, 1) } x{1-(pT2, 2) } : J/ に対する

trigger efficiency を emulate した。• どちらかの muon がトリガーを鳴らせば良い。

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Acceptance の polarization に対する依存性

Flat = = = 0

Longitudinal = -1, = = 0

= +1, = = 0Transverse = +1, = +1, = 0 = +1, = -1, = 0

• J/ polarization をまだ測定していないので、 5 つの極端な場合を考え、 acceptance の不確定性とした。

• Flat の場合を中心値として用いた。

****2*2**

2

cos2sin2cossincos1cos

dd

Nd

J/ |rapidity|

J/

pT [

GeV

]

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補正をする前のミューオン対の不変質量分布

0 0.75 1.5 2.25

J/ |rapidity|02

46

810

15

J/

pT [

GeV

]

• 赤い実線は unbinned maximum likelihood fit の結果。• 信号は Gaussian• バックグラウンドは 1 次関数

• 再構成された質量が ±3ののののの J/ のののののの

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ATLAS での J/ の微分断面積• 黄色いバンドは極端な

polarization を考えた時の最大値と最小値を表す。

• 測定結果の横運動量とラピディティ依存性はColor Octet Model を用いた PYTHIA の予測 ( 青い点線 ) と一致している。

• しかし、この PYTHIA の予測は測定結果に合うように 0.1 倍してある。

• ATLAS 実験による PYTHIAの tuning 、もしくは、用いたパートン分布関数に問題があるのだと考えられる。

赤の誤差棒 : 統計誤差黒の誤差棒 : 統計誤差と系統誤差

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LHC の他の実験による微分断面積の結果との比較

おおむね一致している。

9.59.5

中心ラピディティ領域 前方ラピディティ領域

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b クォークからの J/ を分離するために

pseudo-proper time() を測定する

JpJmL

JpJpLL

Txy

TTxy

Lxy はビームと垂直平面内での衝突点から J/ の崩壊点までの距離

• 各横運動量ビンで不変質量と pseudo-proper time を同時フィットで求めた。

• Pseudo-proper time の確率分布関数– 信号 : 関数 ( 直接生成 ) と指数関数 ( 間接生成 ) を Gaussian

(tracking resolution) で畳み込み – バックグラウンド : ののの 2 つの指数関数 (1 つは正の側のみ、

もう 1 つは 正負ので対称な指数関数 ) を Gaussian で畳み込み

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Pseudo-proper time のフィットの例

Side bands から求めたバックグラウンド

±3 のののの信号 + バックグラウンドでフィット

Background BackgroundSignal

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J/ の間接生成と直接生成の比• 測定結果と PYTHIA の予測は誤

差の範囲内で一致している。

赤の誤差棒 : 統計誤差黒の誤差棒 : 統計誤差と系統誤差

• LHC の実験間でも一致している。

この図は比でなく、間接生成の割合を表示している。

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まとめと今後• ATLAS 実験で重心エネルギー 7TeV での陽子衝突における

J/ の微分断面積と間接生成と直接生成の比を測定した。• PYTHIA の予測と横運動量依存性、ラピディティ依存性は

おおむね一致するが、断面積の絶対値に 10 倍の差がある。– おそらく、 ATLAS 実験による PYTHIA の tuning の問題。

• LHC 実験間ではおおむね一致している。

• J/ の微分断面積と間接生成の割合からボトムクォークの微分断面積を求める。

• J/ の polarization と微分断面積から生成メカニズムに制限を掛ける。

• この解析についての ATLAS Conference Note が一般に公開されています。– ATLAS-CONF-2010-062 – https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CONFNOTES/ATLAS-CONF-2010-062/

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予備スライド17

ATLAS B-physics program18

Early program• Understanding the

detector performance using well understood b and c processes.

• Measurement of production cross sections for B-hadrons, J/ and to test QCD predictions for pp collisions at the LHC.

Validation of tracking/trigger performance and alignment, data quality monitoring with J/ and

Continuing performance studies: measurements of ppJ/, bbJ/and B+J/K+ cross sections

Collect larger numbers of the main B decays; start to contribute to world averages on B-hadron (B+, Bs, Bc, b) properties; Onia polarization study; start to set limits on rare decay branching ratios

Searches for BSM CP-violation in weak decays of B mesons; rare decay searches; b polarization study

“High” LHC luminosity – main period for rare decay searches (such as Bs)100 fb-1

10 fb-1

1 fb-1

10 pb-1

10 nb-1

Ldt

We are here!

100 pb-1

End of 2011

End of 2010

Data taking efficiency93.4%

44 m

ATLAS detector

• Inner Detector : ||<2.5, 2-Tesla Solenoid magnet • Si Pixels, Si Strips, Transition Radiation Detector• Precise tracking, vertexing, e/ separation • pT/pT~3.4x10-4 pT [GeV] + 0.015

• Muon Spectrometer : ||<2.7, Air-core toroid magnets • Gas-based muon chambers • Muon trigger and measurement with momentum resolution<10% up to

p~1TeV.

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• A general purpose detector at the LHC.

• Complement the B-physics program of the dedicated LHCb experiment. • ATLAS and CMS : 0<|y|<2.4• LHCb : 2< y <4.5

25 m

ATLAS trigger 20

Full scan trigger with one L1 muon

Single muon trigger with one L1 muon

Di-muon trigger with two L1 muons

• Level1 : hardware trigger from muon, calorimeter and minimum bias scintillator

• Level2 : software trigger to confirm Level1 trigger decision

• Event Filter : perform event selection using more complex algorithms

• HLT B-Triggers are full scan trigger, single muon trigger and di-muon trigger.

• M()<13GeV to cover J/, ’, , rare Bsd, BXs

• Trigger menu evolves with luminosity. • Well-understood triggers are used for

physics analysis.

Hig

h Le

vel T

rigge

r

Muon reconstruction 21

Combined muon

Tagged muon

Muon Spectrometer Calorimeters Inner Detector

• Inner Detector tracking for momentum measurement • Muon Spectrometer for muon identification and triggering • Muons are reconstructed either fully or partially, “combined”

or “tagged”.

Combined muons have an ID track matched to an MS track and refitted through the detector to give the best measurement. At least one muon in a pair must be combined in the selection of J/.

Tagged muons are ID tracks matched to muon segments when extrapolated to the MS. Such muons generally have low momentum.

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A J/ candidate in a 7-TeV collision

Mass=3.1GeV

• The coefficients, , and , are related to the spin density matrix elements of the J/ spin wave function.

• Five spin alignment scenarios are considered – Flat distribution: = = = 0– Longitudinal: = -1, = = 0 (A0=1, A+=A-=0)– Transverse: • = +1, = = 0 (A±=1, A0=A∓=0)• = +1, = +1, = 0 (A+=A-, A0=0)• = +1, = -1, = 0 (A+=-A-, A0=0)

• Polarization is expected to depend on production models.

101 0 AAAJ arXiv:1006.2738

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