「質量起源と超対称性物理の研究」研究会

平成15年月4日日
平成 年3月CDF実験の検出器開発と電弱物理の最新結果
筑波大学 物理

原 和彦

CDF Run2a の現状- TEVATRON, CDF検出器 －Run2bのための検出器増強- 主に SVX2ｂ シリコン検出器 －Run2aでの電弱物理
まとめCDF Run2a Status

Tevatron の増強
Chicago↓BoosterCDF

DØTevatron

Main Injector:
p source

Main Injector+Recycler(new)

反陽子生成率、Ibeam

Recycler ring:
反陽子の再利用CDF Run2a Status√s = 1.8 → 1.96 TeV

Design:8x1031cm-2 s-1

σ(W), σ(Z) ~ 10% higherσ(tt) ~ 30% higher

3x1031cm-2 s-1

Tevatronルミノシティ
ルミノシティ
終了)
Run 1 (1996終了
終了 :積分ルミノシティ： 110 pb-1
初期ルミノシティ ~ 2.4x1031 cm-2s-1

2001

2002

Run 2 （Mar ’01開始）
開始）:
初期ルミノシティ（best)：
初期ルミノシティ（：3.7x1031cm-2 s-1
最近は：~7
最近は： pb-1 / week
目標積分ルミノシティ： 2 fb-1

デザインと比較して
p ~2/3 (emittance…)
p ~2/3(stacking rate…)

CDF Run2a Status

CDFII検出器
検出器
Run2aからの新しい装置
からの新しい装置
８層：L00＋＋SVX-II＋＋ISL)
silicon検出器
検出器 (８層：
８層：
71万チャンネル
万チャンネル

中央飛跡検出器 (COT：：ドリフトチェンバー)ドリフトチェンバー
３万ワイヤー、96dE/dx測定
測定
３万ワイヤー、

飛行時間検出器 (TOF：：シンチレータ)
シンチレータタイル/ファイバー
端冠部カロリメータ (タイルタイル ファイバー)
ファイバー
All
μ粒子検出領域の拡張
COT-Muon-CAL
Trigger（（パイプライン）
XFT: COT ドリフトチェンバー＠L1
ドリフトチェンバー＠w/CAL

SVT: シリコン＠L2
シリコン＠

w/COT

DAQ、、…

w/Muonw/SVX
on Tape

積分ルミノシティ（ｐｂ－１）
Winter Conference用
用

delivered050100150

Run2bのための検出器増強
Run2bのための検出器増強

Run2bパラメータ
パラメータ

1. 初期ルミノシティ: ~50x1031cm-2 s-1
2. 積分ルミノシティ: ~15 fb-1
(1)トリガー/ DAQ

LVL2: 300→750Hzに増強（EBスイッチ、COT用TDCの高速化）

XFT/ SVTの増強
LVL3 PCパワー…

トリガー/ DAQの性能向上(1)CPR応答の高速化(2)SVXII検出器の放射線損傷(2) CPR2 (中央部プリシャワー）+CCR（中央部クラック検出器）
中央部プリシャワーをシンチレータ
タイル/ ファイバーに基づいた高速応答性のあるシステムに更新+
8XoTungstenをクラック部に追加
Photonの物理
Ｂジェットエネルギー分解能
Missing ET分解能

Run2bのための検出器増強
Run2bのための検出器増強

CPR２+CCR検出器
中央部カロリメータ：48 wedgeで構成

CPR2: 各wedgeの前面をタイル/ファイバーで覆う
CCR: wedge間をTungsten+タイル/ファイバーで覆う

15owedge

16ch PMT

15owedge

Run2bシリコン検出器
Run2bシリコン検出器

SVX-IIの寿命/
Run2bシリコンの設計
現在のL00ととSVX-II（（内側３層）は現在の放射線損傷によりRun2b中に中に放射線損傷により著しく性能が劣化する
Run2bシリコン検出器
シリコン検出器
CDF

R min (cm) L (fb-1)

L00

1.35

7.4

L0

2.54

4.3

L14.128.5

L26.52

10.7

ISL

20 - 28>40

145.7

DOIMs

L00＋

• 放射線耐性に優れた片面センサー• 冷却パイプによる直接冷却• 光コンポーネントを使わない• New 0.25µµm SVX4チップ
チップ
L00+SVX-IIと同等以上の性能と同等以上の性能
短期間に建設できること

L0~L5: R=2.1~16.6 cm

Run2bのための検出器増強

Run2bシリコン検出器（５ｃｍ幅ｘ６０ｃｍ長さ）

Cooling channels
Hybrid electronics
Silicon Sensors
4mm separation

Foam core¾1.8% X0/stave• 冷却パイプ、ハイブリッドを一体化した同一形状のStave
冷却パイプ、ハイブリッドを一体化した同一形状の構造を採用する(L1~L5)
ことで、製造期間の短縮を図る。
構造を採用する• L0ははhybridををTracking領域の外に設置する領域の外に設置する(～。
領域の外に設置する ～L00)。

¾Sensors 39%¾Hybrids 13%¾Bus Cable 17%¾CF/Coolant 29%

Run2bのための検出器増強

Run2bシリコン検出器• p+n 片面読み出し (2 sensors /6” wafer)• 256 AC 結合型読み出しストリップ(75um/80um pitch)p+ 幅 = 8 um; Al 幅 = 14 um• 読み出さない中間ストリップ• poly-Si バイアス抵抗（1.5MΩΩ）
バイアス抵抗（• 単ガードリング
放射線耐性のある“型“センサー
放射線耐性のある“LHC型
高圧耐性～５００V
高圧耐性～５００
axial:40.6 x 96.4 mm2
1.2o: 41.1 x 96.4 mm2

Axial型：１６５６＋型：１６５６＋spares型：１６５６＋
Stereo型：６４８＋
型：６４８＋spares型：６４８＋L00型型axial: 144+sparesOuter Axial/Stereo Si センサーの試作
T=28-29degC

電気的特性
機械的特性
放射線照射後の特性を評価した。
いずれも優れているA)

浜松ホトニクス社で試作

10.00

Leak Current (Axial Prototypes: I-V Curves

1.00

0.100.01
0200

400

600

Stereo Prototype (53)

800
1000
Bias Voltage (V)T=25-27degC

10.00

I-V特性：（右上）全60台（右下）全53台
殆どが1000VまでOK

Leak Current (uA)

#10

#48

1.00

0.100.01
0200

400

600

800
1000
Bias Voltage (V)試作センサーの性能評価結果:
試作センサーの性能評価結果:電気的特性
S068• 浜松の欠陥はすべて検知され理解できた。

250

Ccp (pF) /R (×10kΩ ） /Icp (×0.1nA)

ストリップの欠陥をaxial/stereo各各18
ストリップの欠陥を台ずつ測定し、浜松の結果と比較した。

20015010050

Biasring

0-256 -192 -128 -64

ProbeA+Vcp _Icp
ProbeBB

frequency = 400 Hz

064Ccp
RIcp
128 192 256

strip

Ccp:AC結合容量～
結合容量～120pF
結合容量～
R:直列抵抗～直列抵抗～1.9MΩ
Ω
直列抵抗～～implant＋＋bias抵抗
抵抗～
Icp:絶縁リーク電流
絶縁リーク電流GND

GND+ Vb _10M

LCR

0.1M

Cs-Rs

Ib
1µF

Back plane
1M

Figure 3: Setup for the full strip scan (AC scan)

試作センサーの性能評価結果:
試作センサーの性能評価結果:電気的特性
ストリップの欠陥をaxial/stereo各各18台ずつ台ずつストリップの欠陥を測定し、浜松の結果と比較した。
• 浜松の欠陥はすべて検知され理解できた。
• 浜松では、readoutimplantの切断を検知の切断を検知
浜松では、できないことが分った。
欠陥率*が極めて低い（た欠陥率 が極めて低い（<0.01%)たが極めて低い（め見過ごしても問題ないと合意した。
*15 defects / 113 sensors=15 / 58k strips = 0.0026%

readout implant open

Fig 9 Illustration of measurement configurations of readout and intermediate implant opens strips

試作センサーの性能評価結果:試作センサーの性能評価結果:中性子照射後CDFでの放射線量: (0.46 ± 0.14) × 10 1-MeV n/cm2/fb-1 @L014

1.4 ×1014 n/cm2 for 30 fb-1 @L0 (r=2.1 cm)
1/C^2 1.4 X 1014 n/cm2n irradiation

0.7 X 1014 n/cm2

0.8

1.00.70.6Sensor 060: 128V
Sensor 063: 130V

0.4

Sensor 060

0.2

f = 1kHz & AC Voltage =1V@ T = -25CPurdue

1/C(nF)2ー２
全容量（ｎF)

0.8

0.60010.5002

0.4

Sensor 01&02: ~50V

0.3

T= -25degC
f=100 Hz

0.2

Tsukuba

0.1
0.0

0.050

100

150200250

0100

Bias Voltage (V)

全空乏化電圧の変化は、Roseの結果と矛盾しない

Full depletion voltage (V)0200

Bias Voltage (V)oC
Rose param. T=25"001"300"63""60"

250200150
10050010100

100010000100000

Time since irradiation (min)1000000

試作センサーの性能評価結果:
試作センサーの性能評価結果:中性子照射後ストリップ間抵抗～１GΩ
0.7 X 1014 n/cm2-25degC-20degC

8n001

1.4-10degC

6Tsukuba

210 n/cm2sensor 63 U250
sensor 63 D120
sensor 60 U256

Purdue6.5E-12-15degC

4after irradiation T=14C
14 = 5V
f=1MHzX& AC signal

7.0E-12Interstrip capacitance (F)Interstrip Resistance (Gohm

10ストリップ間容量～3.3pF

6.0E-12After Irradiation
Depletion Voltage
sensor 63 V = 130V

5.5E-125.0E-12

Cint: Before Irradiation
sensor 63 3.17 +/- 0.01 pF
sensor 60 3.46 +/- 0.17 pF

sensor 60 V = 128V

After Irradiation
sensor 63 3.3 pF
sensor 60 3.4 pF

4.5E-124.0E-12
3.5E-123.0E-12

00100

200
300
Bias Voltage (V)

400

0100

200

300

400

500

600

700

800

Bias Voltage (V)

全空乏化電圧より高いバイアス(~250V)を与えることで、電気的特全空乏化電圧より高いバイアス性を適正にできる。
センサーの高耐圧特性が発揮できる

900 1000

Run2での電弱物理
での電弱物理- overview 1. 最優先（～現状）： Run 1での基本的な測定を再確認する
での基本的な測定を再確認する
W→→l ν 生成断面積
W/Z cross section Ratio, W崩壊幅
崩壊幅Z生成断面積の前後方非対称性

2. W生成の生成のcharge
asymmetry
生成のPDF を評価する

3. W質量質量
系統誤差の評価

4. ボゾン対生成

WW, ZZ, Wγγ
TGC new physics

2 fb-1でのEvent 数予想
SampleW→→l ν
Z→→l lWV (W→→l ν, V=W,γ,Z)
ZV (Z→→l l, V=W,γ,Z)tt (mass sample, ≥1 b-tag)

Run I

Run IIa

77k
10k
9030202300k
202k
1800
500800Lepton energy scale
Υ →µµ

ミュー粒子の運動量scale:
ミュー粒子の運動量Ψ のresonanceを使ってを決めるを使ってを決める（E-lossややB-field corrections））
Yや他のピークでや他のピークでcorrectionののcheck
や他のピークで電子エネルギーscale:電子エネルギー
E/pで決定するで決定する

D0 mass

W→→eν
ν/µν cross section
N obs − N BGσ⋅B =∫ L dt ⋅ A W ⋅ ε trig ⋅ ε ID
∫Ldt: 72.0 ± 4.2syst pb-1

WÆÆeν
ν
Nobs : 38628
NBG : 2456± 82stat±673syst
Aw : 23.4 ± 0.05stat± 0.7syst %εtrig : 96.3 ± 0.1stat %εID : 84.2 ± 0.7stat ± 0.2syst %WÆÆµν

Nobs : 21599
NBG : 2337± 115
Aw : 14.8 ± 0.52 %εtrig εID : 68.5 ± 2.1%

ν) =2.64 ± 0.01stat± 0.09syst ± 0.15lum nbÆeν
σW*BR(WÆ
RunIからの予想値からの予想値(x1.09)：： 2.72 ± 0.02stat± 0.09syst ± 0.10lum nb
からの予想値
理論値（MRST:NNLO):~2.73 nb
理論値（Æµν)σW*BR(WÆµν =2.65 ± 0.02stat± 0.12syst ± 0.16lum nb

Z→→e+e- /µ+µ- cross sectionZÆÆ µµ−1∫ Ldt ≈ 70pb~70Æee) =267 ± 6stat± 15syst ± 16lum pb
σZ*BR(ZÆÆ µµ)σZ*BR(ZÆµµ =247 ± 6stat± 12syst ± 15lum pb
理論値（MRST:NNLO):
250.2 pb
理論値（

W/Z cross section ratio & W width
Rl =σ( pp → W ) ⋅ Γ(W → lν) ⋅ Γ( Z ) NW ε Z AZ=N Z εW AWσ( pp → Z ) ⋅ Γ( Z → ll ) ⋅ Γ(W )Re = σ(W → eν ) / σ( Z → ee) =9.88±±0.24stat±0.47syst

Γ(W ) =

Rµ = σ(W → µν ) / σ( Z → µµ ) =10.68±±0.27stat±0.30syst

σ( pp → W ) ⋅ Γ(W → lν) ⋅ Γ( Z )σ( pp → Z ) ⋅ Γ( Z → ll ) ⋅ Rl

Γ( Z → ee) Γ( Z ) = 3.3662 ± 0.0066%
Γ(W → eν) = 226.4 ± 0.3 MeVσ( pp → W ) σ( pp → Z ) = 3.39 ± 0.03

PDGPDGMRSTe-channel: Γ(W)=2.29±±0.06stat±0.10syst GeV±0.06stat±0.06syst GeVµ-channel: Γ(W)=2.14±
PDG: 2.118±±0.042 GeV
Run1 CDF: 2.04 ± 0.11stat ± 0.09syst GeV

W widthZ F/B decay asymmetry
tree levelでは…
dσ(qq → Z / γ → ll )= A(1 + cos 2 θ) + B cos θd cos θAFB =N F − N B σ(cos θ > 0) − σ(cos θ < 0) 3B==
N F + N B σ(cos θ > 0) + σ(cos θ < 0) 8 A

A,BはIweak , Qq,Mllに依存する。
• V,A成分の直接測定
成分の直接測定• New 中性ゲージボゾンの影響を受ける

W Mass Precision Measurement
CDF RunIでのでのMw(e/μμ)
での統計誤差:統計誤差 65/100 MeV
系統誤差:
系統誤差 92/103 MeV
Energy scale: 75/85 MeV +Recoil model: 37/35 MeV +Energy resolution: 25/20 MeV +PDF:15 MeV * +と同程度の¾ Tevatron ではLEP2とでは測定が可能+ 統計とともに改善できる* CDF/D0で共通¾ Run 2 で期待される精度
δMW = 30 (20) MeV/c2

CDF/DO combined @2 (10) fb-1

δMW = 15~20 MeV/c2
World average @2 fb-1

RunI CDF: 80.433±±0.79 GeV

Summary
Run2aははslow startであったが、現在順調にデータ収集中であったが、現在順調にデータ収集中
この内、~70
pb-1 が2003冬
冬)
データ量：~120 pb-1 記録済 (この内、この内、データ量予測 ： ~250 pb-1 （2003夏）
夏））~2000 pb-1 （Run2a）
Run2bののための検出器増強がapproveされた。
された。
ための検出器増強がSVX2ｂシリコン検出器はプロトタイプ
ｂシリコン検出器はプロトタイプ/初期量産の段階にある
ｂシリコン検出器はプロトタイプ 初期量産の段階にある。
初期量産の段階にある。
２００５年秋の設置を目標。
２００５年秋のCDF設置を目標。
年秋の~70 pb-1 を用いて、W/Z
cross sectionなどの測定を行い、などの測定を行い、RunIを用いて、などの測定を行い、の結果を再現した。
W質量、質量、TGCなどの結果は今後。などの結果は今後。
質量、