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! 2012年 9月12日! 日本物理学会 2012年秋季大会! 京都産業大学!

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

，

_KEK

A!

2012年 9月12日!

日本物理学会 2012年秋季大会!

京都産業大学 !

Introduction!

日本物理学会 2012年秋期大会!

Reference : !

Top pair invariant mass distribution: a window on new physics by R. Frederix and F . Maltoni, JHEP 0901:047,2009

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)<1400 GeVまでに新しい物理は見つからず Tevatronは2011年9月に終了 D iff e re n ti a l C ro ss Se ct io n ( fb /2 0 G e V) Spin1の質量2TeVのZ’、Kaluza-Klein gluonを仮定 Kaluza-Klein gluon Z’ LHC Tevatron σ ttbar [ pb ] 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。! v  2011年に取得した5.2fb-1_{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。!

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) トロイド電磁石 ミューオン検出器 2012年：√s=8TeVで運転中。現在、12.4fb-1_{のデータを取得している。} 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 Missing E_T 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!

s

Top Quark Pair Production and Decay!

日本物理学会 2012年秋期大会! g g g t ¯ t

l

 

ttbar Production

l

 

ttbar Decay

g g t ¯ t g t ¯ t W+ W− b !+ ¯ ν q q" ¯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 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

q ¯ q g t ¯ t 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

Event Selection!

t t _ b jet b jet light jet light jet lepton _neutrino (Missing E_T) τ+τ 1% τ+µ 2% τ+e 2% µ+µ_µ+e 1% 2% e+e 1% _{e+jets 15%} µ+jets 15% τ+jets 15% "alljets" 46% "lepton+jets" "dileptons"

Top Pair Branching Fractions

l  Basic Event Selection!

•  One Isolated lepton!

•  Missing E_T!

•  Transverse mass of lepton and missing E_T(m_T)!

•  At least 4 jets!

•  At least 1 b-tagged jet!

W transverse mass (m_T)

l

  Lepton + jets channel!

•  崩壊分岐比が大きい! (電子、ミューオンだけでも30%)! •  Isolated leptonとmissing 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! “all hadronic” 46% “di-lepton”

top Pair Reconstruction!

日本物理学会 2012年秋期大会!

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

_jet3

|E

_q1

) ⋅TF(E

_{jet 4}

|E

_q2

) ⋅

TF(E

x miss

_{| p}

x,ν

) ⋅TF(E

y miss

_{| p}

y,ν

) ⋅TF(E

l

|E



)

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、missing E_Tのφをニュートリノ のφと仮定して、! m_W2 = 2 p_Tνp_T

_[

cosh(

η

_ν −

η

_) − cos(

φ

_ν −

φ

_)

_]

を解くことにより、ην_{を求める。} 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

Background Estimation(W+jets)!

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。 NMC W+、NMCW-：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} 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。）

SF =

D

+

− D

−

N

_W

+

MC

− N

_W

−

MC

Background Estimation(Fake Lepton)!

日本物理学会 2012年秋期大会!

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 : π0_{→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

tight : 通常のイベントセレクション

N

loose

= N

_realloose

+ N

loose_fake

N

tight

=

ε

_real

N

_realloose

+

ε

_fake

N

loose_fake

N

_faketight

=

ε

fake

ε

_real

−

ε

_fake

N

loose

ε

_real

− N

tight

(

)

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。

Nloose !： !loose lepton cutのセレクションで残るイベント数! Ntight _{!： !tight lepton cutのセレクションで残るイベント数!}

ε_real !： !real leptonがtight lepton cutで残る割合!

ε_fake !： !fake leptonがtight 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!

Basic Kinematics!

日本物理学会 2012年秋期大会! 2012年9月12日! 9! 0 50 100 150 200 250 300 Events 0 500 1000 1500 2000 2500 Data ttbar W+jets Z+jets Di-Boson Single top QCD ATLAS -1 L dt = 4.7 fb = 7 TeV s work in progress Electron_ET_4jet 0 50 100 150 200 250 300 DA T A /M C 0.7 0.8 0.91 1.1 1.2 1.3 Electron E_T (GeV) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Events 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Data ttbar W+jets Z+jets Di-Boson Single top QCD ATLAS -1 L dt = 4.7 fb = 7 TeV s work in progress Electron_mT_4jet 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 DA T A /M C 0.7 0.8 0.91 1.1 1.2 1.3 Electron m_T (GeV) 0 50 100 150 200 250 300 Events 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Data ttbar W+jets Z+jets Di-Boson Single top QCD ATLAS -1 L dt = 4.7 fb = 7 TeV s work in progress DA T A /M C 0.7 0.8 0.91 1.1 1.2 1.3

1st leading jet p_T (GeV)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Events 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Data ttbar W+jets Z+jets Di-Boson Single top QCD ATLAS -1 L dt = 4.7 fb = 7 TeV s work in progress DA T A /M C 0.7 0.8 0.91 1.1 1.2 1.3 Missing E_T (GeV) シグナル! ttbar! (MC@NLO+Herwig/Jimmy)! ! 主な背景事象! •  W+jets! (Alpgen+Herwig/Jimmy! 規格化は実データを用いた)! •  Z+jets! (Alpgen+Herwig/Jimmy)! •  Single top! (MC@NLO+Herwig/Jimmy)! •  di-boson! (Herwig)! •  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 Fake lepton Fake lepton

Reconstructed m

_ttbar

and y

_ttbar!

日本物理学会 2012年秋期大会! 0 500 1000 1500 2000 2500 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 _Data ttbar W+jets Z+jets Di-Boson Single top QCD ATLAS -1 L dt = 4.7 fb = 7 TeV s work in progress mass (GeV) t t 0 500 1000 1500 2000 2500 DA T A /M C 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Data ttbar W+jets Z+jets Di-Boson Single top QCD ATLAS -1 L dt = 4.7 fb = 7 TeV s work in progress rapidity t t -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 DA T A /M C 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3

ttbar mass (GeV)

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）

500 1000 1500 2000 2500 500 1000 1500 2000 2500 -3 10 -2 10 -1 10

Unfolding!

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

。

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 !： Migration Matrix! A_{j !}： アクセプタンス ℒ !： 積分ルミノシティー l  Migration 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。

σ

_j

=

M

ij −1

N

_i

− Nb

_i

[

]

A

_j

∫ Ldt

reco ttbar mass (GeV)

tru e t tb a r ma ss (G e V)

Differential Cross Section!

日本物理学会 2012年秋期大会!

ttbar mass (GeV)

ttbar rapidity

[fb] _tt /dM_tt d -3 10 -2 10 -1 10 1 10 2 10 3 10 Data, L = 4.7 fb-1 MC folded + unfolded t MC@NLO t [GeV] t t e+jets m 500 1000 1500 2000 2500 Data/MC 0 0.5 1 1.5 2 ATLAS ! work in progress MC closure test MC truth

∫

[fb]/dy_tt tt d -2 10 -1 10 1 10 2 10 3 10 4 10 Data, L = 4.7 fb-1 MC folded + unfolded t MC@NLO t t t e+jets y -3 -2 -1 0 1 2 3 Data/MC 0 0.5 1 1.5 2 ATLAS ! work in progress MC closure test MC truth

∫

d

σ

_tt

dy

_tt

d

σ

_tt

dm

_tt 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　10〜30%! 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Unfolding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。 (fb /G e V) (fb /G e V)

Summary!

2011年 4.7fb-1_{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。

Backup!

Background Process!

g q q W ν " g g g q ¯ q g q q Z !+ !− q q W/Z W/Z g b t W ! ν

W+jets

QCD multi-jet event

Z+jets

di-boson

Single top

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Missing E_Tがある!

MCとデータを使って見積もる。

π0_{→γγのシャワーをeと間違える}

gluon splitting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。