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

(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。

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

(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。ｑ

(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。ｑ

(6)

測定した中性中間子

π

0

中間子

• 質量 : 135MeV/c2 • 分岐比 : 98.9% (π0 _{→ 2γ)} • 構成クォーク : uu/dd

η中間子

• 質量 : 549MeV/c2 • 分岐比 : 39% (η → 2γ) • : 23% (η → π0_π+_π-₎ • 構成クォーク：uu/dd/ss

ω中間子

• 質量 : 782MeV/c2 • 分岐比 : 89% (ω → π0_π+_π-₎ • : 8.9% (ω → π0_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/c2 • 分岐比 : 98.9% (π0 _{→ 2γ)} • 構成クォーク : uu/dd

η中間子

• 質量 : 549MeV/c2 • 分岐比 : 39% (η → 2γ) • : 23% (η → π0_π+_π-₎ • 構成クォーク：uu/dd/ss

ω中間子

• 質量 : 782MeV/c2 • 分岐比 : 89% (ω → π0_π+_π-₎ • : 8.9% (ω → π0_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。 26m 16m 16m 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。 26m 16m 16m 周長 : 27km 陽子⁻陽子 : 14TeV 鉛-鉛 : 5.5TeV 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

ALICE実験に供給された統計量

(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。 26m 16m 16m 周長 : 27km 陽子⁻陽子 : 14TeV 鉛-鉛 : 5.5TeV 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 1.8nb-1

ALICE実験に供給された統計量

(12)

検出器

• Time Projection Chamber (TPC)

• 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 • PbWO₄（3584/1Module） • 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%

(13)

(14)

不変質量分布

1 2

p p

3

(15)

不変質量分布

1 2 π0 p p 3 光子

PHOS検出器

(16)

不変質量分布

1 不変質量の式 2 π0 p p 3 光子 Mass (GeV/c2₎ En tr ies 0.135（π0_の質量）

PHOS検出器

(17)

中性中間子の再構成（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

π0_/η

PHOS検出器

(18)

中性中間子の再構成（ω）

ω

π＋ π -π±中間子は飛跡検出器で検出する π0_π+_π-中間子から再構成された不変質量分布 π0

ωの質量ピーク

PHOS検出器

(19)

(20)

PHOSで測定した光子のエネルギー分布

p-p @ 8TeV 高エネルギー光子トリガーなし 27M events 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。 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 光子エネルギー（GeV） _{光子エネルギー（GeV）} エントリー p-p @ 8TeV 高エネルギー光子トリガーあり 1.8M events エントリー

(21)

光子に対するトリガー効率の求め方

Module2

• 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

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

Threshold _{光子エネルギー（GeV）} Threshold 光子エネルギー（GeV）

エント

リー

エン

(22)

光子に対するトリガー効率の結果

Module1 _Module2 Module3

光子エネルギー (GeV) トリガー効率光子エネルギー (GeV) 光子エネルギー (GeV) トリガー効率トリガー効率 Threshold 光子エネルギー（GeV）トリガー効率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。 • 理想的なトリガー効率はステップ関数 1

(23)

中性中間子のトリガー効率

PHOS

光子に対するトリガー効率を求めた

(24)

中性中間子のトリガー効率

PHOS

光子に対するトリガー効率を求めた

π0 実際に求めたいのは親粒子のトリガー効率

(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

PHOS

光子に対するトリガー効率を求めた π0 実際に求めたいのは親粒子のトリガー効率

(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

p-p 8 TeV（本研究） p-p 7 TeV p-p 0.9 TeV

Tsallis fittingの結果

π

0 • 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

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}

η

_ω

(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）の結果エラーの範囲で一致。 PYTHIA : pQCD（NLO）をもとに計算されるイベントジェネレータ

(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

(34)

高エネルギー光子トリガー

4x4 cells (=2x2 Analog-OR) Sliding window TRU (PHOS) 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。 FAST-OR PWO4 PWO4 PWO4 PWO4 Threshold Comparison FAST-OR FAST-OR FAST-OR Threshold Comparison Threshold Comparison

OR

Trigger 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

(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

(36)

(37)

トリガー効率の再現

Mod1 _Mod2

Mod3

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

(38)

TRUごとのトリガー効率

(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)

(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。 ε_AccxRec : 幾何学的検出効率 ε_Trig : トリガー効率 Br : 分岐比 L : ルミノシティー粒子の収量

(44)

(45)

(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。ｈｑ